煤岩张剪破裂震源模型与动裂隙参数定量反演及应用

受载煤岩动裂隙参数定量反演有助于从源头解译煤岩破裂“黑箱”过程及演化机制.为了解决实际工程中普遍存在的煤岩张拉、张剪破裂机制及动裂隙参数定量反演难题,本文从2类基本破裂的动力学特征出发,提出了针对煤岩动裂隙事件的广义张剪破裂震源表征模型,通过依次对动裂隙源产生、波传播到接收的全过程建模,提出了基于P波初始振幅的动裂隙参数定量反演新方法,并开展实验室和现场不同尺度煤岩破裂监测的实践应用.研究结果表明:在广义张剪破裂震源模型中,须满足动裂隙源表征张量中间特征值为零的约束条件,提出了采用Lagrangian乘子结合L-M算法的迭代求解方法,继而获取动裂隙源的张剪属性、破裂尺度、空间取向等破裂核心参数,新方法可适用于张拉、张剪和剪切破裂源反演,且反演结果物理意义明确、参数精度高;在煤岩断裂扩展过程中,利用新反演的破裂模式角及张剪体积分解表明微裂纹以张剪复合-张拉位移占优为主,动裂隙面取向与断裂扩展路径方向近乎平行,破裂运动方位主要沿最大主应力方向,故可以通过反演破裂源参数来获取应力场分布特征并预判主破断延伸方位;新方法也成功应用于煤矿现场矿震监测,反演获得矿震破裂源的破断面积、结构面取向及张剪属性等源头参数符合上覆岩层顶板张性断裂实际情况,且综合破裂源参数演化特征能更好地对大矿震超前预报,可以把破裂模式角降低、大震级张拉破裂事件频现、b值下降等作为大尺度顶板断裂的前兆规律.研究成果为工程岩体破裂演化定量反演分析提供了一种科学方法,对诱发地震机理、煤岩动力灾害监测等岩石破裂共性问题研究具有重要的理论意义和实践价值.