礦震識(shí)別及成因研究進(jìn)展＊

張 華 姚 宏 陳 鑫 黃樹生 牟劍英

（廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022）

（作者電子信箱，張華：huazhang1222＠163．com）

引言

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存、社會(huì)賴以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展中具有不可替代的作用，但在其開采過程中伴隨的礦山災(zāi)害、工程及環(huán)境損傷卻對(duì)自然與社會(huì)造成極大危害。近年來我國煤礦事故的高發(fā)形勢令人擔(dān)憂。如瓦斯爆炸、礦震（或沖擊地壓）、透水、地面塌陷、煤體自燃等，這些地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著礦山人員生命安全，影響到社會(huì)穩(wěn)定、環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，已成為關(guān)系國家戰(zhàn)略安全的問題之一［1］。

礦震是指發(fā)生在礦區(qū)范圍內(nèi)，在一定地質(zhì)背景和地質(zhì)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(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的各種礦山動(dòng)力現(xiàn)象，并受礦山開采規(guī)模和開采方式影響而發(fā)生的地震［2］。迄今為止，人們觀測到的最大礦震發(fā)生在德國南部Werra河岸的Potash礦區(qū)，震級(jí)為ML5．6。我國記錄到的最大一次礦震是遼寧北票臺(tái)吉煤礦在1977年4月28日發(fā)生的ML4．3級(jí)礦震，其次是北京門頭溝煤礦1994年5月19日發(fā)生的ML4．2級(jí)礦震。由于礦震震源淺（－500～1 200m），接近礦體，在震級(jí)達(dá)到2級(jí)以上時(shí)就有可能產(chǎn)生破壞。礦震的規(guī)模還隨開采深度增加而可能加大。全球統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，開采深度大于500m的礦山就有發(fā)生3級(jí)以上礦震的可能［3］。

一般將礦山地震分為兩大類型，第一種和開采面的破裂變形相聯(lián)系（國內(nèi)采礦系統(tǒng)稱之為沖擊地壓），第二種和大的地質(zhì)間斷面（斷層）的運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系（國內(nèi)采礦系統(tǒng)稱之為礦震），都和礦山開采有關(guān)。根據(jù)以往的資料，第一種往往靠近開采工作面，震級(jí)較小，但對(duì)工作面沖擊較大。第二種距離工作面較遠(yuǎn)，震級(jí)較大，地面震感強(qiáng)烈，但工作面感覺反而不太強(qiáng)烈［4］。Homer等進(jìn)一步將這兩種礦震再細(xì)劃為6種類型，被廣泛采用［5］。如按礦震成因及其發(fā)生的部位劃分，礦震還可分為頂板冒落型礦震、頂板開裂型礦震、礦柱沖擊型礦震和斷層活動(dòng)型礦震［6］。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，礦震研究及礦山安全愈發(fā)引起人們的關(guān)注。有些礦區(qū)不僅發(fā)生礦山地震，而且發(fā)生天然地震。由于實(shí)際觀測中礦震波形同天然地震波形非常相似，準(zhǔn)確區(qū)分、識(shí)別礦震對(duì)評(píng)估區(qū)域性地震活動(dòng)和礦震成因研究等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近些年，一些學(xué)者對(duì)礦震開展了大量研究工作，本文著重從礦震識(shí)別及成因機(jī)制研究兩個(gè)方面進(jìn)行回顧，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 礦震識(shí)別研究進(jìn)展

礦震的表現(xiàn)形式與天然構(gòu)造地震雷同，皆以構(gòu)造應(yīng)力作為主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力，地質(zhì)構(gòu)造（斷裂、褶曲、盆地等）作為孕震體或發(fā)震體，差別在于礦震發(fā)生在特殊的煤礦區(qū)，震源生成、發(fā)展過程中摻雜著人類采掘煤礦引起的附加應(yīng)力［7］。故從圖形上看，礦震與天然地震的波形既有相似之處，但又不完全相同。近幾年，由于煤礦的開采強(qiáng)度、開采方式以及地下采空面積和深度增大等因素，礦震規(guī)模和強(qiáng)度呈明顯上升趨勢。因此，礦震與地震的識(shí)別、速報(bào)已成為各級(jí)政府進(jìn)行及時(shí)救災(zāi)要解決的科學(xué)問題［8］。從科學(xué)角度來看，準(zhǔn)確識(shí)別礦震是開展礦震研究的首要前提。

在模擬系統(tǒng)時(shí)期，是通過波形比較及振幅比、卓越周期分析［9－10］等對(duì)地震與礦震的識(shí)別進(jìn)行研究的。基于地震波的輻射圖形、地震波譜分析和震相特征，人們提出了很多

識(shí)別礦震和地震的判據(jù)［11－12］。趙永等［13］從地震記錄圖的角度對(duì)北京地區(qū)地震、爆破和礦震的特征進(jìn)行波形識(shí)別。對(duì)比發(fā)生在同一區(qū)域的礦震及天然地震波形發(fā)現(xiàn)，礦震的周期比天然地震的長，這可能與礦震發(fā)生位置較淺及其短周期面波發(fā)育有關(guān)。在模擬地震圖上，可以從周期、幅度、衰減、波形等直觀的看出震動(dòng)類型。隨著地震信號(hào)的捕獲、采集、記錄、傳輸、解析逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，傳統(tǒng)地震學(xué)的研究領(lǐng)域正在發(fā)生變化。寬頻帶、大動(dòng)態(tài)的數(shù)字地震記錄中包含了模擬記錄所沒有的豐富信息，這為礦震與天然地震的定量識(shí)別提供了更好的條件。張萍等［14］根據(jù)遼寧數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的爆破、礦震與地震的數(shù)字資料，采用波譜分析的方法，發(fā)現(xiàn)遼寧不同地區(qū)爆破、礦震與地震拐角頻率具有一定的差異，其中地震P波拐角頻率最大，平均為9．7Hz，S波拐角頻率平均為9．2Hz；爆破P波拐角頻率次之，平均為8．4Hz，S波拐角頻率平均為8．1Hz；礦震P波拐角頻率平均為7．5Hz，S波拐角頻率平均為7．2Hz。地震與爆破拐角頻率相差約1．5Hz；地震與礦震相差約2．2Hz。和雪松等［15］基于小波包能量向量和奇異值分解方法，對(duì)遼寧撫順和北京門頭溝區(qū)域的礦震和天然地震的波形進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)礦震能量集中在低頻部分，天然地震能量集中在高頻部分，通過其特征因子可以明顯區(qū)分礦震與天然地震，并對(duì)其物理意義進(jìn)行了探討。劉希強(qiáng)等［8］選取Morlet小波作為基函數(shù)，利用能量衰減因子的方法對(duì)遼寧省撫順和北鎮(zhèn)臺(tái)記錄的礦震和地震的衰減因子a值變化特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)同等震級(jí)水平的礦震與地震的a值具有明顯差異，其變化范圍相互不存在重疊現(xiàn)象，隨震級(jí)增高，a值呈現(xiàn)下降特點(diǎn)且礦震a值隨震級(jí)增高而下降的速率比地震大。張麗芬等［16］等利用譜圖時(shí)頻分析方法，研究了三峽地區(qū)構(gòu)造地震和礦震波譜的時(shí)頻特征，發(fā)現(xiàn)二者的時(shí)頻譜特征存在著明顯的差異：構(gòu)造地震波主頻高于礦震；構(gòu)造地震波的頻率成分比礦震豐富，能量密度頻譜隨頻率軸展布較寬，前者帶寬足是后者的4倍；礦震能量強(qiáng)度的峰值在整個(gè)波列中出現(xiàn)的時(shí)間較構(gòu)造地震早，且能量衰減較快。礦震的有效識(shí)別是開展礦震成因研究的重要基礎(chǔ)，目前雖然在礦震識(shí)別研究方面取得了一些進(jìn)展，但目前尚未有簡潔而通用的識(shí)別方法。如能實(shí)現(xiàn)礦震的自動(dòng)模式識(shí)別，其在一定程度上將推進(jìn)礦震的有效監(jiān)測與科學(xué)研究。

2 礦震成因研究進(jìn)展

2．1 礦震震源機(jī)制

為探求礦震的孕育機(jī)理和治理礦震災(zāi)害，其震源機(jī)制一直是人們研究的重要內(nèi)容。礦山震源機(jī)制是揭示和認(rèn)識(shí)礦震發(fā)生機(jī)理，從事礦震研究的重要基礎(chǔ)。通過震源機(jī)制的研究，可以深入分析發(fā)震的內(nèi)在和外在誘因、巖體的破（斷）裂機(jī)理，對(duì)于礦山防震減災(zāi)具有重要的作用。到目前為止，有許多專家進(jìn)行過礦震震源機(jī)制的研究，著名的有S J Gibowicz，A McGarr，S M Spottiswoode和W D Ortlepp等人。礦震震源機(jī)制的研究，最早始于對(duì)天然地震機(jī)理的研究，一些對(duì)天然地震研究的成果被直接應(yīng)用到了礦山機(jī)制的研究之中。之后進(jìn)一步的研究表明，礦震的震源機(jī)制與天然地震的震源機(jī)制有相似之處［4］。大部分礦震具有雙力偶機(jī)制，這已被許多資料所證實(shí)。但最近有證據(jù)表明，有相當(dāng)一部分礦震具有非雙力偶性質(zhì)。其表現(xiàn)為一種礦震的初動(dòng)輻射圖像與沿破裂面的剪切運(yùn)動(dòng)方向一致，另一種礦震的初動(dòng)輻射圖像以膨脹性質(zhì)占優(yōu)勢，其破裂體不是剪切滑動(dòng)而是匯聚，即為內(nèi)向爆炸。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行分析，具有剪切性質(zhì)的第一組礦震由煤柱破裂產(chǎn)生，具有內(nèi)爆性質(zhì)的第二組礦震由廢井塌陷產(chǎn)生。當(dāng)然，雙力偶剪切和非雙力偶內(nèi)爆型的發(fā)生條件，在各國礦井中并不一致。兩種類型的機(jī)制解不可能是截然分開的。除單純剪切型、單純內(nèi)爆型或單純張裂型外，還有兼而有之的混合型，如剪切－張裂型（剪張型）和剪切－內(nèi)爆型（剪壓型）［6］。此外，李鐵等［17］通過對(duì)撫順老虎臺(tái)煤礦震源機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)老虎臺(tái)煤礦礦震與該區(qū)域天然地震的震源機(jī)制差異明顯，孕育礦震的主要應(yīng)力來源是卸荷產(chǎn)生的次生應(yīng)力場，這種次生應(yīng)力場受構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場的共同作用，其中卸荷重力應(yīng)力場的誘發(fā)作用突出。礦震震源機(jī)制的復(fù)雜性可能與其復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境與成因機(jī)制有關(guān)，對(duì)礦震震源機(jī)制的深入研究將為天然地震探索提供寶貴的資料。

2．2 礦震與構(gòu)造關(guān)系

礦震在本質(zhì)上是巖體應(yīng)力集中且積累足夠應(yīng)變能的部位在破裂時(shí)釋放應(yīng)變能的過程。因此，礦震應(yīng)與構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)。張宏偉［18］通過對(duì)北票礦區(qū)的研究得出，礦區(qū)Ι級(jí)斷裂所形成的區(qū)域應(yīng)力場是該礦區(qū)礦震的主要成因、斷裂面失穩(wěn)滑動(dòng)是地震的主要表現(xiàn)形式，礦區(qū)開采則是地震的誘導(dǎo)因素。張少泉［19］通過對(duì)門頭溝煤礦研究表明，礦震的機(jī)制與成因受開采引起的重力、原巖構(gòu)造應(yīng)力和現(xiàn)今應(yīng)力場的綜合影響。潘一山等［20］針對(duì)礦震受區(qū)域應(yīng)力場影響進(jìn)行了研究，表明礦震的發(fā)生與區(qū)域應(yīng)力場相關(guān)，礦震和天然地震都是區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)變形的反映。

然而，根據(jù)傳統(tǒng)的地震發(fā)生的斷層成因說，似乎礦震的發(fā)生應(yīng)該主要和大型或中型活動(dòng)斷裂相關(guān)。但在現(xiàn)場和采礦系統(tǒng)的有關(guān)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，并不是所有大中型構(gòu)造都是礦震的發(fā)生地。礦震（沖擊地壓）主要發(fā)生在一些向斜構(gòu)造的軸部附近，礦區(qū)的大型斷裂并不一定是發(fā)生礦震的首要條件。有些煤礦（例如山東濟(jì)寧三號(hào)煤礦）的礦震（沖擊地壓）主要發(fā)生在一些向斜構(gòu)造的軸部附近，而礦區(qū)分布的幾條大型斷裂似乎并沒有礦震發(fā)生的跡象。由此可見，礦震的發(fā)生雖然與斷層有關(guān)，但不是簡單的關(guān)系［21］。

根據(jù)莫爾準(zhǔn)則，巖體的破裂條件與差應(yīng)力的大小有關(guān)。因此，活動(dòng)構(gòu)造，例如，向斜、背斜、活動(dòng)斷層等，往往是高差應(yīng)力存在的標(biāo)志。近年來的研究表明，不僅較大礦震與構(gòu)造有關(guān)，而且工作面附近的較小礦震也與構(gòu)造有關(guān)，特別是與工作面遇到的小構(gòu)造有關(guān)。在采礦系統(tǒng)中，礦震成因的重力說是一種傳統(tǒng)說法，認(rèn)為礦震發(fā)生是煤巖體不能承受頂板以上巖體重力造成頂板坍塌所致。G Buhoyino［22］，S Gibowicz［4］都 指 出，重力坍塌型礦震只占礦震類型中的一少部分，大部分礦震的成因和構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。在天然的地震成因說中，所謂的發(fā)震構(gòu)造多半指活動(dòng)斷層，地震斷層說在天然地震的成因說中往往占據(jù)統(tǒng)治地位。然而，許多礦山的礦震宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，重力說和斷層說這兩種說法均不夠全面，它們都忽略了更重要的構(gòu)造背景。這里所說的構(gòu)造，首先是向斜構(gòu)造，其軸部及其附近往往是應(yīng)力集中部位。礦震為什么會(huì)發(fā)生在這些部位呢？

究其原因，煤層在生成過程中是古代大量植物遺體被上覆巖土層掩埋后在一定溫度、壓力和與氧氣隔離的條件下形成的，而最早的煤層在很大面積上是呈水平的平坦?fàn)顟B(tài)。如果煤層的等高線出現(xiàn)向斜構(gòu)造，表明這里的煤層在形成后又經(jīng)歷了新的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)反映了近代水平向構(gòu)造應(yīng)力不均勻的狀態(tài)。因此，煤層中的向斜構(gòu)造往往是發(fā)生礦震的最重要條件，而應(yīng)力大小又與深度呈正相關(guān)。在開采達(dá)到一定深度時(shí)，就有可能誘發(fā)向斜軸部及附近的礦震，主要是在該部位的大小斷層。反之，如果不具備高應(yīng)力條件，即使存在斷層，也不一定發(fā)生礦震［23］。國內(nèi)外一些礦區(qū)地震的監(jiān)測表明，同樣是礦區(qū)斷層，且同樣位于開采區(qū)，有的有礦震，有的就很少引起礦震，上述闡述在一定程度上可對(duì)該現(xiàn)象作出解釋。

2．3 礦震與瓦斯溢出

一直以來，礦震與瓦斯溢出的關(guān)系受到礦震研究者的關(guān)注。瓦斯的主要成分是甲烷，是成煤過程的產(chǎn)物。在自然的煤層壓力狀態(tài)下，大多處于被煤體吸附狀態(tài)。在煤層頂部封閉較差的地方，往往逐漸解吸擴(kuò)散到大氣中，因此不同煤礦瓦斯含量有很大區(qū)別。在開采卸壓過程中，瓦斯被逐漸解吸，并滲透到巷道中。特別在煤巖體突然破裂時(shí)，煤體內(nèi)部賦存的高壓瓦斯會(huì)造成煤巖體破壞［24］。研究表明，瓦斯、礦震、透水、塌陷和煤體自燃等是具有內(nèi)在聯(lián)系的、是統(tǒng)一的動(dòng)力過程。李世愚等［25－27］利用區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)和小孔徑流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)地震記錄和煤礦瓦斯?jié)舛扔涗洬@得了撫順老虎臺(tái)煤礦一些礦震與瓦斯溢出相關(guān)的證據(jù)。通過對(duì)2002—2003年老虎臺(tái)礦近10次瓦斯（甲烷）百分濃度異常記錄曲線分析發(fā)現(xiàn)，有將近9次的資料曲線都顯示出在瓦斯突出或溢出0．5～1h之前，有1．5級(jí)以上礦震發(fā)生。而瓦斯?jié)舛惹€則都不同程度地出現(xiàn)低值延時(shí)，經(jīng)過10～30 min后才出現(xiàn)突然上升。同樣對(duì)阜新孫家灣煤礦中的礦震與瓦斯流體溢出研究中亦存在類似的規(guī)律。

礦震發(fā)生后瓦斯?jié)舛鹊牡椭笛訒r(shí)響應(yīng)，表現(xiàn)出與地震引發(fā)的海嘯發(fā)生前海平面響應(yīng)類似。從響應(yīng)機(jī)理上，二者有所不同。前者為流體擴(kuò)散過程，而后者為流體重力波，但本質(zhì)上都是流體對(duì)固體破裂的響應(yīng)。當(dāng)破裂發(fā)生時(shí)，煤體內(nèi)部的瓦斯首先需要填充新產(chǎn)生的破裂空隙。這樣，原來滲出的瓦斯流量產(chǎn)生暫時(shí)斷流，造成回風(fēng)部位瓦斯?jié)舛扔涗浀臅簳r(shí)低值現(xiàn)象，直到新的空隙填充完畢以后，高壓瓦斯才從突出部位涌出。由此得出，該類型瓦斯溢出為礦震的同震現(xiàn)象，而瓦斯的高壓賦存和煤巖體破裂是導(dǎo)致瓦斯溢出的根本原因。上述研究結(jié)果不僅在煤礦安全預(yù)警中有重大意義，而且對(duì)于震源物理研究也具有科學(xué)意義［28］。

礦震與瓦斯溢出相關(guān)的重要意義表明了部分礦山地震成因可能與流體有關(guān)。在流體作用中，需要特別關(guān)注超臨界流體，因?yàn)槌R界流體具有一系列特殊性質(zhì)和作用。這些特性與巖石破壞、斷層活動(dòng)及各種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程密切相關(guān)。超臨界流體的概念定義為：溫度和壓力分別在臨界溫度和臨界壓力以上的非凝聚性高密度流體。例如，水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為22．06MPa；甲烷的臨界溫度為－82．3℃，臨界壓力為4．64MPa；二氧化碳的臨界溫度為31℃，臨界壓力為7．38MPa。超臨界流體具有一系列極為特殊的性質(zhì)，當(dāng)超臨界流體的密度與液體相近時(shí)，其擴(kuò)散率比液體高，粘度比液體小，因而超臨界流體作為溶劑時(shí)表現(xiàn)出許多優(yōu)于一般液體的特性［29］。

何學(xué)秋等［30］認(rèn)為，由于煤體吸附瓦斯后表面能降低，使得煤體膨脹。煤的宏觀膨脹隨瓦斯壓力增大呈指數(shù)規(guī)律。特別是，對(duì)于具有d002（縮合碳單元內(nèi)芳環(huán)層間間距，即面網(wǎng)間距）的初始值大于4×10－10m的煤，會(huì)出現(xiàn)第三種類型變形。最引人注目的是，在瓦斯壓力為2．2～6．1MPa區(qū)間時(shí)，參數(shù)d002有一個(gè)急劇增加的過程。其中在壓力為4．5MPa上下，其增加速率為最大。而這個(gè)壓力正好處于甲烷的臨界壓力上。由于實(shí)驗(yàn)的溫度一般為室溫，此時(shí)的甲烷正好成為超臨界流體，超臨界甲烷表現(xiàn)出了對(duì)溶質(zhì)（煤）的溶解度加大的性質(zhì)。

故在－500m深度，一些煤礦已經(jīng)開采到甲烷和二氧化碳在局部處于超臨界狀態(tài)的深度。例如，撫順老虎臺(tái)煤礦－730m實(shí)測瓦斯壓力平均達(dá)4．5MPa［31］。因此，部分礦震的成因除與應(yīng)力增大有關(guān)外，還可能與超臨界甲烷（可能還包括二氧化碳）在開采卸載過程的解吸作用有關(guān)。上述理論可以解釋國內(nèi)外許多煤礦的一個(gè)共同規(guī)律，即在開采到－500m深度左右，煤礦的礦震（或沖擊地壓）的震級(jí)和頻度都會(huì)急劇增加［1］。

2．4 礦震與開采進(jìn)程關(guān)系

一些研究認(rèn)為礦震的強(qiáng)度和頻度同開采的深度、速度及開采方式相關(guān)。國內(nèi)外許多煤礦在開采到－500m深度左右，礦震的震級(jí)和頻度都會(huì)急劇增加。通過對(duì)1968—2004年撫順老虎臺(tái)和山東兗州鮑店煤礦礦震記錄資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果認(rèn)為，不僅第一類礦震活動(dòng) （沖擊地壓 ）與煤礦開采有關(guān)，而且第二類較大礦震 （包括3級(jí)以上礦震 ）與開采活動(dòng)也直接相關(guān)。開采過程中的周期來壓現(xiàn)象不僅誘發(fā)沖擊地壓（第一類礦震），也會(huì)直接誘發(fā)采空區(qū)的較大礦震（第二類礦震）。當(dāng)開采進(jìn)度過快，或開采進(jìn)度不穩(wěn)定，都容易誘發(fā)較大礦震的發(fā)生。因此如果選取合適的開采方式（如撫順）或采取其他一些措施（如山東兗州鮑店煤礦），對(duì)礦震活動(dòng)會(huì)起到一定的控制作用［32］。唐子波等［23］對(duì)兗州某礦的礦震與開采日進(jìn)尺、開采周期、日進(jìn)尺差分值的關(guān)系進(jìn)行分析得出，較大礦震的發(fā)生與開采速率過快有關(guān)；較大礦震的發(fā)生與開采速率的變化不穩(wěn)定有關(guān)。當(dāng)這個(gè)不穩(wěn)定蘊(yùn)含的周期恰好和來壓周期吻合時(shí)，3級(jí)以上礦震就特別容易在來壓時(shí)刻發(fā)生。謝廣祥［33］分析了開采速度對(duì)開采安全的影響；有些礦山測量專家認(rèn)為，開采速度與礦震有密切的關(guān)系，控制開采速度可以減小礦震的強(qiáng)度［34－35］；S M Spottiswoode［36］提出根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造確定開采方法及開采方向來避免礦震的發(fā)生等。

2．5 礦震成因力學(xué)機(jī)制理論與實(shí)驗(yàn)研究

隨著數(shù)學(xué)、力學(xué)方法在礦震研究中的應(yīng)用，利用非線性動(dòng)力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、分形、突變和混沌學(xué)等理論方法，為礦震（沖擊地壓）發(fā)震機(jī)理研究開辟了新途徑，取得了大量的成果。國內(nèi)外在礦震發(fā)生機(jī)理研究方面，提出了一系列重要理論，如強(qiáng)度理論、能量理論、剛度理論、沖擊傾向理論等，但目前礦震研究理論的進(jìn)展不大［37］。此外，巖石斷裂力學(xué)、礦震破裂成核理論、地震的凹凸體模式等為礦震研究提供了一些較好的解釋，如在斷裂力學(xué)方面，裂紋擴(kuò)展的Griffith破裂準(zhǔn)則和Irwin的斷裂韌性準(zhǔn)則，可以解釋礦震中低應(yīng)力降情況下斷層破裂的現(xiàn)象；地震的凹凸體模式對(duì)山東鮑店煤礦較大礦震前地震頻次不斷升高的現(xiàn)象作出解釋等［38］。

李世愚等［39］和俄國科學(xué)院Ioffe技術(shù)物理研究所Kuksenko等合作，利用SDAE－8型聲發(fā)射（地音）系統(tǒng)，通過巖石破裂聲發(fā)射實(shí)時(shí)定位顯示實(shí)驗(yàn)，模擬了采礦卸載和原有斷層相互作用誘發(fā)礦震的過程和特征。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，微破裂發(fā)育的充分性，與加載或卸載速率有關(guān)。唐林波、李世愚等［40－41］通過巖石破裂的聲發(fā)射和聲波同步接收實(shí)驗(yàn)，研究并證實(shí)了巖石破壞前低頻波輻射現(xiàn)象。根據(jù)相似性原理，認(rèn)為地震前存在低頻波輻射現(xiàn)象，從而解釋了一系列震前低頻事件的機(jī)理，包括礦井下近場記錄到的礦震前低頻波，強(qiáng)礦震前低頻形變記錄，以及地震前井水水位、次生波記錄等現(xiàn)象。根據(jù)加載速率對(duì)于斷裂過程區(qū)微破裂發(fā)育的影響和斷裂過程區(qū)尺度對(duì)于能量釋放規(guī)模的影響推斷，礦山開采面卸載較快，過程區(qū)較小，因此這里發(fā)生的礦震震級(jí)較低，而斷層、采空區(qū)或煤層柱附近微破裂發(fā)育時(shí)間長，微破裂發(fā)育比較充分，過程區(qū)較大，因此這里發(fā)生的礦震震級(jí)較大。

3 研究展望

目前來看，對(duì)于礦震的識(shí)別主要基于兩種方式：一是直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)波形特征進(jìn)行人工識(shí)別。二是通過采用不同的信號(hào)處理方法進(jìn)行判斷。但無論從定性還是定量方面，目前都尚未有較為具有普遍指導(dǎo)意義的方法，加之不同區(qū)域、不同傳播介質(zhì)情況下，礦震的波形及頻譜特征可能不同，因而可能要結(jié)合區(qū)域礦震的實(shí)際加以研究和鑒別。目前地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中缺乏礦震與地震模式識(shí)別的軟件系統(tǒng)，也未見更多的從數(shù)字化臺(tái)站記錄波形中提取礦震與地震差異特征量的研究成果，目前雖然在礦震識(shí)別研究方面取得了一些進(jìn)展，但目前尚未有簡潔而通用的識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)區(qū)域礦震的自動(dòng)模式識(shí)別將是未來的研究方向。

近些年，礦震成因研究深化了對(duì)天然地震的認(rèn)識(shí)，如李世愚等［42］利用巖石斷裂力學(xué)和損傷理論的研究成果對(duì)兩類礦震的機(jī)理和區(qū)分做出了解釋；礦區(qū)中的地震有的未發(fā)生在斷層附近，而發(fā)生在向斜構(gòu)造附近。上述研究對(duì)于大地震發(fā)生的成因及非斷層地震成因具有重要啟示。礦震大多具有雙力偶源的成分，其地震矩和應(yīng)力降的關(guān)系同天然地震相似，都滿足Kanamori提出的尺度不變性。最新理論認(rèn)為，地震成因與地下流體作用有關(guān)。礦震成因中甲烷（可能還包括二氧化碳）流體的作用與十幾千米深部水同屬超臨界狀態(tài)，因而解吸作用相似，對(duì)于地震的發(fā)生都起到了觸發(fā)和釋放應(yīng)變能的作用。這個(gè)觀點(diǎn)如果得到證實(shí)，將為研究構(gòu)造地震成因和震前地球物理場的變化，提供千米尺度實(shí)驗(yàn)依據(jù)［43］。因此，礦山是天然地震研究的中尺度實(shí)驗(yàn)場，可為地球動(dòng)力學(xué)、地震成因、地震預(yù)測等科學(xué)研究提供借鑒。

礦震震源淺、頻度高，具有小震大災(zāi)的特征，特別是，近些年來隨著礦山開采的力度加大，礦震造成的危險(xiǎn)日趨嚴(yán)重，開展礦震成因研究對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和減輕災(zāi)害具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義。礦震的發(fā)生機(jī)理較為復(fù)雜，這是因?yàn)橐鸬V震的原因是多種多樣的。但是，就煤礦開采而言，礦震的發(fā)生機(jī)理關(guān)鍵在于：采礦引起的井下圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，煤巖體應(yīng)力重新分布，能量發(fā)生轉(zhuǎn)換。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)破壞過程中導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)換足以引起煤巖體發(fā)生震動(dòng)時(shí)，就導(dǎo)致礦震的發(fā)生。當(dāng)然，在煤礦，由于瓦斯爆炸、巖爆、沖擊地壓、頂板垮落、放炮震動(dòng)、礦井突出、斷層活動(dòng)等均能引起礦震的發(fā)生，因此在研究礦震發(fā)生機(jī)理時(shí)，必須針對(duì)具體條件進(jìn)行深入討論與分析［44］。

礦震是一種動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，在它的孕育和發(fā)生過程中影響因素眾多、發(fā)生原因極為復(fù)雜。對(duì)于礦震發(fā)生機(jī)理的研究，今后應(yīng)更多采用有關(guān)數(shù)學(xué)和力學(xué)手段，結(jié)合具體的生產(chǎn)地質(zhì)條件和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，有針對(duì)性地開展研究工作。地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力與礦震關(guān)系研究是基礎(chǔ)，地應(yīng)力的大小和方向及不同區(qū)域地應(yīng)力的差異和礦震的發(fā)生具有密切的關(guān)系，采動(dòng)過程中的應(yīng)力分布規(guī)律是礦震發(fā)生的直接影響因素，可通過大量的地應(yīng)力測量，觀測采動(dòng)過程中礦體巖層的應(yīng)力分布規(guī)律，研究礦體地應(yīng)力分布規(guī)律和特點(diǎn)，并通過數(shù)值模擬研究地應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力對(duì)礦震的影響。運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)中分形、混沌及非線性動(dòng)力學(xué)，尋找礦震可操作的礦震發(fā)生判據(jù)，認(rèn)識(shí)礦震發(fā)生的過程，尋找礦震發(fā)生的敏感因素。進(jìn)一步開展礦震發(fā)生機(jī)理的實(shí)驗(yàn)室研究，進(jìn)而從實(shí)驗(yàn)角度認(rèn)識(shí)礦震、研究礦震的發(fā)生機(jī)理［37］。

可在密集臺(tái)網(wǎng)的礦區(qū)開展震源參數(shù)研究，利用數(shù)字波形資料，精確計(jì)算出這些中小地震的震源譜、應(yīng)力降、震源尺度等震源參數(shù)，結(jié)合層析成像技術(shù)詳細(xì)了解礦震演變過程，研究區(qū)域應(yīng)力場的空間分布特征和動(dòng)態(tài)特征，深化對(duì)地殼介質(zhì)在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂或位錯(cuò)過程的認(rèn)識(shí)，探討應(yīng)力場變化與較大礦震的關(guān)系。同時(shí)結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究礦區(qū)應(yīng)力變化及礦震的孕育過程，進(jìn)而對(duì)礦震發(fā)震成因進(jìn)行研究。

致謝

特別感謝李世愚研究員的寶貴意見！

（作者電子信箱，張華：huazhang1222＠163．com）

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