关于矿山地震的基本知识

关于矿山地震的基本知识作者简介：李世愚，中国地震局地球物理研究所研究员，中国科学院大学兼职教授，中国地球物理学会会员。长期从事地震断裂力学、矿山地震和岩石力学实验研究。矿山地震是指矿山煤岩体破裂时辐射地震波的现象，在煤炭系统中，它被称之为“冲击地压”，在隧道工程和金属矿称之为“岩爆”。从能量和动力学的角度看，矿山地震是指井下高应力区域煤岩体受外界微小扰动被瞬间失稳破坏，煤、岩体内积存的能量瞬间猛烈释放出来，破坏周围介质、引起强烈震动的特殊矿山压力的动力显现。它不同于一般的矿山动力现象，没有明显的宏观前兆，来得突然、猛烈，具有不可抗拒的性质，且有极大的破坏性。矿山地震还会和其它矿山灾害相关联,包括瓦斯突出、煤粉尘爆炸、井下风暴、透水及煤体自燃造成的火灾等。矿山地震是造成矿井死亡事故的主要灾害，且破坏力随矿井的开采深度和开采强度的增加变得越来越严重。据统计，上世纪末我国可能发生矿山地震危险的煤矿已达到100个。据Gibowicz(1994)记载，人们所观测到的最大的矿震，发生在德国南部Werra河岸的Potash矿区，震级为ML=5.6和Mb=5.5。1975年6月23日，在同一地区又发生了ML=5.2和Mb=5.4的矿震。南非最大的矿震发生在1977年4月7日Klerksdorp的金矿区，震级是ML=5.2和Mb=5.5。另一个较大的矿震发生在波兰Lubin铜矿区，最大震级是ML=4.5，发生时间是1977年3月24日。我国记载的最大矿震是上世纪70年代辽宁省北票煤矿发生的MS4.3矿震和1994年5月19日下午4点30分发生的北京门头沟煤矿MS4.3矿震。由于矿震发生时较为突然、猛烈，产生的破坏较为严重，使灾害现场的人员往往来不及采取防范措施。因此，如果矿震发生在工作面及巷道，就会造成严重的破坏。如果由于矿震的发生产生高强度(例如大于里氏震级3.3级)的冲击地压则会毁灭工作面或巷道。发生冲击地压的工作面或巷道内如果有人，还会造成人员的伤亡。“矿山地震”这一名称来自地球物理学，而“冲击地压”这一名称则在采矿行业通用。在采矿专业术语中，“冲击地压”与“矿山地震”有区别。采矿专业所说的“冲击地压”是指发生在回采面附近的突发性应变能释放现象，而将矿震定义为大面积采空区发生的与构造有关的事件。矿山地震则为发生在矿区范围内，在一定地质背景和地质构造条件下，既与区域应力场有某种关系，又与矿区构造运动相关联的各种矿山动力现象，并受矿山开采规模和开采方式影响而发生的地震(吴淑才等，1994)。在地球物理学科中，矿山地震是总称，而冲击地压、煤与瓦斯突出、岩爆、煤爆，都是矿震震源的不同表现。矿震、冲击地压在词义解释上历来存在分歧。不同行业对此存在不同解释。国际上也有不同的解释版本(布霍依诺,1985;Gibowicz,1994;Horner等,1978)。布霍依诺(1985)指出，其实矿震与冲击地压的划分本身就有很大的人为因素和任意性。矿震和冲击地压主要是发生地点不同，动力机制没有本质区别。近期的研究证实，二者是在不同的传感系统从各自感官对观测到的现象所下的定义。矿震是依据地震台网的振动波形记录而言，而冲击地压则是依据井下支护系统和煤岩体所受到的压力和物质运动而言。更精细的调查表明，由于矿山地震记录系统的灵敏度有限，使得宏观记录所认定的“冲击地压”和“矿山地震”在发生时间、震源位置上可能相同，也可能差异很大。例如，有些冲击地压事件因物质运移猛烈，井下灾害严重，在场人员感受强烈，但因参与运移的物质与周围介质耦合不强，传播到地震台的地震波辐射能级并不高，地震台网的波形记录并不那么强烈。矿震往往被误认为就是顶板坍塌。其实，顶板坍塌仅是矿山地震的少数一种类型（现象？类型？），它属于重力作用的类型，在这种类型的矿震发生时，井下现场可以直接观察到顶板坍塌以及导致的空气被压缩产生的“风暴”，强度极大时甚至可以摧毁水泥封堵墙。其余大部分类型的矿震是人为开采引起的新的应力集中和诱发的浅部构造运动，其中断层的剪切破裂占据很大成分。Gibowitz和Kijko(1993)将矿山地震分为两大类型，第一种和开采面的破裂变形相联系，第二种和大的地质间断面(断层)的运动相联系,都与矿山开采有关。根据以往的资料，第一种往往靠近开采工作面，震级较小，但对工作面冲击较大。第二种距离工作面较远，震级较大，地面震感严重，但工作面感觉反而不太强烈。Horner和Hasegawa(1978)进一步将这两种矿震再细划为六种类型：(1)采空区顶板冒落，也就是顶板坍塌；(2)矿柱或巷道边墙被顶板向下挤压冲击造成纵向劈裂,劈裂后的物质水平向打出，也叫做“片帮”；(3)采空区顶板岩层向水平向两边张开断裂；(4)采场边缘顶板产生类似滑坡的那种剪切破坏，叫做正断层；(5)巷道底板向上隆起产生逆断层的现象，也叫做“底鼓”；(6)顶板接近水平的浅逆冲断层，即断层上盘向斜上方运动，下盘向斜下方俯冲。这六种类型的划分已被国际上广泛采用。判断一次具体的事件是否属于矿震，首先看它的震源深度。一般来说，矿震的震源深度和开采深度相近，不超过2公里，而天然的构造地震的震源深度多在十公里以下。其次，要看其波形记录，矿震的波形频率较低(图1)，而天然地震的频率较高(图2)。至于矿震的类型，不能因为是矿震就马上判定为坍塌。事实上大多数矿震并不是坍塌，而是与断层的错动有关，其类别和属性只有经过对多台地震波形记录的仔细分析，得到地震的震源机制解，结合现场宏观考察，才能做出确切的鉴定。图1北京门头沟矿震波形记录图，2001年11月15日,05h56mML2.4，北京牛口峪地震台记录图2北京门头沟天然地震波形记录图,2001年12月23日,19h43mML2.0，北京牛口峪地震台记录目前,部分发达国家就这个问题已经形成了综合矿山地质灾害的概念，即矿震、瓦斯、透水、塌陷等为统一的动力过程。在具体实施上也就是改变以往的监测系统各自为政的格局，将以往的有关监测和分析系统整合起来，并研制成了综合监测硬件系统和相应分析预警软件，作为矿山安全系统平台,供有关决策和指挥系统的人员使用。本作品为“科普中国-科技前沿大师谈”原创转载时务请注明出处