澧水流域礦山開采與誘發(fā)地震

李愛順

（湖南省常德市地震局，湖南 常德 415000）

澧水流域礦山開采與誘發(fā)地震

李愛順

（湖南省常德市地震局，湖南 常德 415000）

從澧水流域礦山開采現(xiàn)狀入手，通過對幾個礦震的剖析，總結(jié)了該區(qū)礦震的幾個特點。結(jié)合地震地質(zhì)條件，對澧水流域未來礦山誘發(fā)地震形勢作了分析，對礦山誘發(fā)地震的監(jiān)測與防治工作提出了建議。

誘發(fā)地震；礦山；澧水流域

引言

澧水流域自然成礦條件好，礦產(chǎn)資源豐富。區(qū)內(nèi)澧縣、石門等地依托礦產(chǎn)資源優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。然而，礦山資源開采帶來的礦山災(zāi)害、工程及環(huán)境損傷也是無法回避的現(xiàn)實，其中礦山誘發(fā)地震值得重點關(guān)注。因此，全面了解區(qū)內(nèi)礦山開采誘發(fā)地震現(xiàn)狀，認(rèn)清礦震監(jiān)測和研究方面存在的不足，積極采取應(yīng)對措施，對制定今后本區(qū)礦產(chǎn)開采規(guī)劃，有效防治礦震災(zāi)害，保障經(jīng)濟(jì)、社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 開采現(xiàn)狀

常德市國土局的統(tǒng)計資料顯示，澧水流域 （取北緯29.1°～30.1°，東經(jīng)110.5°～112.1°為本區(qū)近似范圍）礦產(chǎn)資源以非金屬為主，一些礦種儲量大，在湖南省乃至全國、亞洲占有重要位置。其中石煤、石膏、磷礦、芒硝、巖鹽、雄磺、石英砂、海泡石儲量分別為55億噸、30億噸、13.6億噸、3.4億噸、2.1億噸、50萬噸、2 694萬噸、410.2萬噸。

從礦產(chǎn)開采看，澧水流域形成了以非金屬礦為主體，金屬、能源為兩翼的礦業(yè)發(fā)展模式。根據(jù)統(tǒng)計，目前正在開采的礦山企業(yè)有260家，其中露天開采企業(yè)128家 （因露天開采而誘發(fā)地震的實例在世界上十分罕見［1］，本文不作討論）、地下開采企業(yè)132家 （圖1）。根據(jù)國土資源部 ［2004］208號對礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模分類標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)地下開采大型礦山企業(yè)有2家 （湘澧鹽礦、新澧化工）、中型礦山企業(yè)33家、小型礦山企業(yè)97家。

隨著礦山開采的深入，地表沉陷、地裂縫、頂板冒落、瓦斯、地下水突出等地質(zhì)災(zāi)害也不同程度的發(fā)生，其中礦山誘發(fā)地震的危害最大。所謂礦山誘發(fā)地震，是指由地面、淺層 （幾百米以下）和深層 （千米以下）的礦山開采活動所引起的地震活動［2］。礦震一般發(fā)生在礦區(qū)范圍內(nèi)，在一定地質(zhì)背景和構(gòu)造條件下，既與區(qū)域應(yīng)力場有某種相關(guān)，又與礦區(qū)構(gòu)造運動相關(guān)聯(lián)，并受礦山開采方式、開采深度、開采規(guī)模等的影響［3］。

圖1 澧水流域礦產(chǎn)資源空間展布圖Fig.1 Spatial distribution map of mineral resources

2 震例分析

2.1 石門花藪3.6級礦山誘發(fā)地震

2.1.1 基本參數(shù)

發(fā)震時間：2006年8月19日；震中位置：微觀震中N29°22′、E111°19′，宏觀震中N29°16′、E111°22′；震級：ML3.6級。此次地震波形記錄圖 （圖2）顯示，其波形較為簡單，面波發(fā)育，振幅、周期較大，衰減快，屬典型的塌陷型地震波形。

2.1.2 塌陷現(xiàn)場

花藪ML3.6級礦震發(fā)生在石門縣蒙泉鎮(zhèn)天子崗村石膏礦區(qū)，是湖南省有歷史記錄以來最大的礦震。塌陷區(qū)原始地貌為洼地，底面高程約90 m。極震區(qū)烈度達(dá)Ⅷ度，該區(qū)長軸約250 m，短軸約150 m，面積約0.375 km2。地表破壞形式主要為塌陷和裂縫，塌陷坑南側(cè)形成高達(dá)80余米的陡峭邊坡，其他方向為階梯狀滑移臺階。最大塌陷深度約70 m；地表裂縫寬度2～30 cm，長度2～16 m，裂縫環(huán)塌陷坑呈同心圓展布，自里向外為階梯狀，發(fā)育程度隨同心圓半徑增大迅速衰減。

圖2 桃源數(shù)字化測震臺記錄地震波形圖Fig.2 Seismic waveform recorded by Taoyuan digital seismic station

此次礦震致天德、靈泉二石膏礦7名礦工死亡，4人受傷，周邊11戶農(nóng)戶，50余人受災(zāi)，其中二幢民房 （面積約320 m2）完全倒塌。

2.1.3 成因探討

這次礦震的形成主要是礦頂重力或應(yīng)力超過支撐力，造成的局部崩落。礦山開采一般采用木柱或者周邊巖體支撐頂板以保護(hù)開采區(qū)，但同時也形成了潛伏隱患的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和積累。當(dāng)頂板在重力或應(yīng)力作用下不能以冒落或開裂形式釋放所積累的位能，且其附近又有處于頂板和底板之間的礦柱時，就很自然地成為能量快速轉(zhuǎn)移和積累的場所。當(dāng)應(yīng)力超過礦柱強(qiáng)度時，礦柱便會發(fā)生破裂，礦柱的破裂牽動上下底板活動，形成塌陷。伴隨這個過程，采空區(qū)頂板因重力損失，會產(chǎn)生向上的 “拉力”，同時塌陷體對底板施加一個沖撞力。這兩個力方向相反，大小相等，可視為垂向的一對張力，表示為一對偶極。根據(jù)中國地震局楊清源等人對我國一些典型礦山塌陷地震震源機(jī)制解的研究可知，臺站記錄的地震波形中P波初動皆向下 （為負(fù)），無象限分布特征，屬非雙力偶震源機(jī)制。

2.2 澧縣中武2.1級礦山誘發(fā)礦震

2.2.1 基本參數(shù)

發(fā)震時間：2009年4月1日；震中位置：微觀震中N29°46′、E111°42′，宏觀震中N29°48′02″、E111°39′48″；震級：ML2.1級。此次地震波形記錄圖顯示，它與塌陷型地震波形完全不同，與天然構(gòu)造地震波形類似，S波之后相繼出現(xiàn)大周期面波，振動的持續(xù)時間近一分鐘，而尾波周期卻很小。由此，筆者認(rèn)為此次地震屬構(gòu)造型礦震。

2.2.2 震感收集

震時中武煤礦礦區(qū)以及鄰近石公、陳管、牌樓坪、長嶺崗、亙山等村震感強(qiáng)烈。室內(nèi)門窗作響，地下有明顯轟鳴聲，多數(shù)人夢中驚醒。上述范圍之外，無震感報告，似乎有明顯的震感界限。井下出現(xiàn)頂板掉渣、局部整體冒落、頂板支撐架傾斜或折斷等現(xiàn)象。

2.2.3 礦山地質(zhì)

從巖性看，礦區(qū)地表主要為第四系殘坡積層覆蓋，坡腳寬谷為第四系沖洪積堆積，浮土厚度較大。主要有二疊、石炭系碳酸鹽巖及泥盆系砂巖、頁巖等地層。煤層于二疊系下統(tǒng)棲霞組一層可采；從地質(zhì)構(gòu)造看，礦區(qū)位于澧水流域新鋪次級向斜東部近轉(zhuǎn)折端北翼。礦區(qū)內(nèi)斷裂有兩條，其中F1為張性斷裂，以近東西走向橫貫全區(qū)，與巖層走向基本一致，斷面南傾，傾角大于70°，斷層距為20～115 m，兩盤垂直落差70～150 m，切割深度不詳，局部見破碎帶 （1～2 m），該斷裂使南盤煤層下降。F2斷層，走向南北，產(chǎn)狀近于直立。該斷層使東盤下降并向北平移10～40 m，垂直落差30～60 m（圖3）。

2.2.4 成因分析

（1）從構(gòu)造應(yīng)力場影響分析，本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場主要受控于澧水?dāng)嗔?，其主壓?yīng)力方向為近南北向，與該區(qū)天然地震震源機(jī)制解有較好的一致性。因此，本構(gòu)造應(yīng)力場是促使礦區(qū)斷層F1作傾滑、F2作走滑錯動的主要因素，礦山開采只是誘因而已；

圖3 中武煤業(yè)有限公司亙山井礦區(qū)地震構(gòu)造示意圖Fig.3 Seismotectonic schematic diagram of Genshan well mining area Zhongwu Coral CO.LTD

（2）從斷層力學(xué)觀點分析，開采巷道和回采煤體都會破壞原巖應(yīng)力，形成內(nèi)向壓縮的附加應(yīng)力帶。當(dāng)震源處應(yīng)力值較高，或處于臨界狀態(tài)時，該附加應(yīng)力帶可能誘發(fā)在巷道或開采面附近斷層的活動。如前所述，目前礦山開采部位 （A）在F1以南、F2以東，隨著開采的進(jìn)行，由于上部的卸載 （減壓），斷層應(yīng)力狀況會發(fā)生變化，A區(qū)有發(fā)生逆斷層活動的趨勢，附加應(yīng)力會在兩斷裂的交匯處不斷集中，最終打破原有平衡而發(fā)生地震。采空區(qū)對斷層的附加應(yīng)力可由下式估算［4］：式中τζ為斷層附加應(yīng)力，γ為斷層距開采自由面 （采空

區(qū)）的距離，μ為剛性系數(shù)，μ1為斷層平均錯距 （現(xiàn)場測算）。經(jīng)計算可得τζ≈6.81×104 Ра；第三，從地下水對構(gòu)造影響分析，區(qū)內(nèi)裂隙、巖溶、空隙地下水均有賦存，以巖溶水為主。F1具有充、導(dǎo)水性，以導(dǎo)水為主，由西往東都有突水發(fā)生。F2切割走向各含水層，由于與之鄰近的井巷均已封閉，含導(dǎo)水性有待查證①。地下水的影響主要有三方面：一是空隙水壓影響，根據(jù)摩爾-庫倫公式，巖石抗剪強(qiáng)度與巖石孔隙水壓有關(guān)，隨著介質(zhì)充水，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，巖石抗剪強(qiáng)度降低，易于滑動；二是潤滑作用，隨著斷層的充水，水會如潤滑劑一樣使斷層面摩擦力降低，為斷層運動創(chuàng)造條件；三是強(qiáng)度影響，巖石長時被水浸泡，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石抗剪、抗壓和抗拉強(qiáng)度的降低，有利于斷盤運動。

2.3 澧縣新澧化工芒硝礦區(qū)地面沉陷

（1）災(zāi)害基本情況。2007年8月1日，新澧化工芒硝礦區(qū)約6 000 m2，地面發(fā)生沉陷，沉陷深度0.3～1.0 m，沉陷區(qū)周邊及沉降面出現(xiàn)多條裂縫，裂縫最大長度100 m，最大寬度1 m。之后又有幾次沉降。累計沉降面20 000 m2，沉降幅度0.8～2.5 m。

（2）沉陷成因分析。由于該礦超量開采 （目前年生產(chǎn)量超85萬噸），在重力作用下，礦頂局部有整體崩落趨勢，同時因直接頂與表頂 “粘結(jié)”牢固，不能通過塌陷將積累的能量釋放，只有通過沉陷以及開裂的方式，即破壞性變形釋放能量。

此次災(zāi)害分多次發(fā)生，每次釋放能量不大，加之無微震 （或極微震）監(jiān)測手段，故沒有震動記錄。但這種未來澧水流域可能出現(xiàn)的通過沉陷、裂縫釋放能量的礦震形式，值得關(guān)注。

3 澧水流域礦震特點

通過上述礦震及其震害分析可知，澧水流域礦震具有以下特點和破壞特征：

（1）礦震波形記錄圖顯示，其具有波形簡單、周期較長、面波明顯等特點。

（2）震級小，烈度高。石門3.6級礦震為省內(nèi)有記載的最大礦震，但總體震級不高，一般為2.0～3.0級。烈度調(diào)查表明，一個2.0級左右的礦震，就有明顯震感，震中烈度可達(dá)Ⅴ度弱。另外，礦震地震波衰減快，影響范圍相對較小。

（3）既有地面破壞，也有井下破壞。對于天然地震來說，地下的破壞總比地面的弱得多。但澧縣2.1級礦震卻顯示，礦區(qū)井上、井下均有震感，且井下震感更強(qiáng)，造成的破壞也更大。同時，礦震的破壞程度隨著開采深度的增加而有所加大。

（4）礦震多與礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造有一定相關(guān)性。一方面，褶皺構(gòu)造是礦震的主要發(fā)生部位；另一方面，礦山采掘卸載以及抽排水等會改變構(gòu)造的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致構(gòu)造的瞬間 “復(fù)活”。

4 澧水流域未來礦山誘發(fā)地震預(yù)測

礦山誘發(fā)地震的發(fā)生是地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力環(huán)境及采礦活動共同作用的結(jié)果。澧水流域上述三方面基本情況如下：

（1）地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查報告石門幅 （比例尺1∶20萬），澧水流域

①寧瓊，龍朝暉，譚興，等.中武煤業(yè)有限公司煤炭資源開發(fā)利用方案，2008：1-41.位于我國東部新華夏系構(gòu)造第二沉降帶南，地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，斷層較為發(fā)育。主要褶皺有大同山背斜、東岳觀向斜等，軸向為近東西向。這些褶皺是受北南向水平擠壓應(yīng)力作用的產(chǎn)物，當(dāng)?shù)貧?nèi)某一方向的應(yīng)力減弱，可能造成物質(zhì)的彈性恢復(fù)運動，特別是在具有扭旋力學(xué)性質(zhì)的褶皺地區(qū)。比如中武煤礦位于新鋪向斜次級倒轉(zhuǎn)構(gòu)造上，該構(gòu)造深部已積累較高彈性勢能，局部地段會因應(yīng)力減小而發(fā)生彈性回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致礦震的發(fā)生；本區(qū)斷裂有近東西向澧水?dāng)嗔选⒀厥袛嗔训?，北北東向大河洲斷裂、方石坪斷裂、太陽山北延斷裂等。

（2）構(gòu)造應(yīng)力場。本區(qū)處在常德-宜昌全國地震重點監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)，其構(gòu)造應(yīng)力場主要為澧水?dāng)嗔阉刂啤Ｍㄟ^對區(qū)內(nèi)褶皺軸向、斷裂的運動方式及規(guī)模等分析可知，本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場最大主壓應(yīng)力軸方向為近南北向，與長江中下游地區(qū)這一大區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場P軸的優(yōu)勢取向不一致。從地震活動來看，澧水流域歷史和現(xiàn)今地震活動水平均為湖南省境內(nèi)之最。

（3）礦山開采趨勢。隨著我市經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，對資源的需求量也在增加，多數(shù)礦山開采深度、規(guī)模都會增大。從主要礦產(chǎn)開采趨勢看，石膏、芒硝和巖鹽等主要賦存于新生代第三紀(jì)地層中，埋深小、層厚大，呈單斜緩傾產(chǎn)出，具備規(guī)模開采的條件。目前，多數(shù)石膏礦采空區(qū)體積大，芒硝、巖鹽礦更是掠奪式開采；煤 （石煤）賦存于二疊紀(jì)、寒武紀(jì)地層中，厚度小、埋深大，儲量小，不具備擴(kuò)大規(guī)模的條件。另外，磷、雄黃等賦存于古生代震旦紀(jì)、泥盆紀(jì)地層中，部分開采深度超過500 m。統(tǒng)計表明，開采深度大于500 m時就有發(fā)生3級以上地震的可能［5］。

綜合以上分析，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力水平相對較高，隨著礦山開采深度、規(guī)模的加大，具備發(fā)生較大礦震的可能。

王金安等人，為研究礦震與地質(zhì)環(huán)境、構(gòu)造應(yīng)力、開采深度、開采體積等的相關(guān)性，提出了開采擾動勢概念。開采擾動勢是指在礦井中某一位置開采時，由于開采行為而引發(fā)的對鄰近構(gòu)造環(huán)境的擾動影響。根據(jù)開采擾動勢模型，可求得在一定時間內(nèi)，礦山地震釋放的總能量Ε0

式中H為開采深度，Δν為開采規(guī)模，L為到控制性構(gòu)造的距離 （圖4.1），к0為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力不均衡系數(shù)，D為常數(shù)，β為系數(shù)。因此，單位時間，礦震釋放的總能量與深度、開采量成正比，與到控制構(gòu)造的距離成反比。

圖4 開采擾動勢物理意義解析Fig.4 Physical meaning of the perturbation potential of mining

現(xiàn)假定本區(qū)某礦三年內(nèi)發(fā)生一次地震，控制斷裂以澧水?dāng)嗔褳橹鳎鶕?jù)類比方法，取東北某區(qū)經(jīng)驗系數(shù)為本區(qū)系數(shù)，求得最大礦震Μ∈ （3級，4級）。由此，預(yù)測未來三年內(nèi)，礦震頻度、強(qiáng)度會有增大，最大礦震為4.0級，最大烈度可達(dá)Ⅶ度。發(fā)震類型以構(gòu)造型、塌陷型礦震為主。

以上討論了礦震發(fā)生的基本因素是地質(zhì)環(huán)境、構(gòu)造應(yīng)力場，礦山開采只是誘因，并基于此對礦震進(jìn)行了定性和一定程度定量的分析。而礦山開采對區(qū)域應(yīng)力場是否有影響？怎樣以 “礦震窗口”預(yù)測天然地震？是相當(dāng)復(fù)雜的，難度超過通常意義下的 “窗口”反應(yīng)［6］。加之本區(qū)震例很少，本文未有涉及。

5 結(jié)語

為積極應(yīng)對未來澧水流域礦山開采可能誘發(fā)的礦山地震，最大限度地減輕人員傷亡和財產(chǎn)損失，促進(jìn)人與自然和諧相處，建議：

（1）建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測防治機(jī)制。從嚴(yán)審批采礦企業(yè)，加強(qiáng)對地質(zhì)災(zāi)害的跟蹤防治，建立綜合防治聯(lián)系機(jī)制，整合資源，健全礦震監(jiān)測與研究的專家系統(tǒng)，提高預(yù)測預(yù)警與防治能力。

（2）選用合適的礦山開采方式。通過改進(jìn)采掘技術(shù)，推廣綜合采掘工藝，優(yōu)化開采布局和開采順序，限制開采速度、開采量，實施邊開采邊回填的措施等，控制礦震活動。

（3）采取必要的抗震加固措施。對可能出現(xiàn)礦震，或受礦震、天然地震影響，甚至出現(xiàn)災(zāi)害疊加的礦區(qū)建筑及生產(chǎn)設(shè)施，進(jìn)行抗震性能普查，達(dá)不到抗震要求的，采取必要的加固措施。

（4）突出礦山地質(zhì)環(huán)境治理。按照 “誰開發(fā)、誰保護(hù)，誰受益、誰補償，誰污染、誰治理，誰破壞、誰修復(fù)”的原則，對礦山開采地質(zhì)災(zāi)害開展危險性評估，進(jìn)行合理整治。

［1］蔡美峰，李治平.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在開采與礦山地震活動性關(guān)系研究中的應(yīng)用 ［J］.中國礦業(yè)，2002，11（2）：6-9.

［2］修濟(jì)剛，張少泉，張誠，等.礦山地震研究述評 ［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，1993，8（3）：69-85.

［3］李世愚，和雪松，張?zhí)熘校龋?“礦山地震監(jiān)測速報系統(tǒng)和分析預(yù)測研究”項目成果介紹 ［J］.國際地震動態(tài)，2006，9（333）：60-66.

［4］徐世杰，陳中奇，白琪光，等.礦震誘發(fā)機(jī)制的探討 ［J］.地震，1985，10（5）：44-61.

［5］張少泉，沈萍，李世愚，等.地震學(xué)在減輕礦山地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用進(jìn)展 ［J］.國際地震動態(tài)，2006，4（328）：1-9.

［6］張少泉，張連城，張建軍，等.門頭溝煤礦礦山地震的觀測與應(yīng)用研究 ［J］.地震學(xué)報，1999，8（4）：529-537.

Abstract：Based on the present exploitation situation in lishui river basin,the paper analyzed several mine earthquakes and summarized the characteristics of the mining-induced earthquakes in this area.Combining with the seismic and geological conditions,the paper analyzed the situation of mining-induced earthquakes in lishui river basin in the future and proposed some suggestions for monitoring and preventing the mining-induced earthquakes.

Keywords：Induced earthquake；Mine；Lishui river basin

Mining-induced Earthquake in Lishui River Basin

LI Aishun
（Earthquake Administration of Changde city,Changde 41500,China）

P315.728

A

1001－8662（2010）04－0105－08

2010－03－22

李愛順，男，1974年生，工程師.主要從事監(jiān)測預(yù)報工作. E－mail：xsfm717@163.com.