基于P波初動(dòng)法的礦震震源機(jī)制研究

張山林 李 鐵

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于P波初動(dòng)法的礦震震源機(jī)制研究

張山林1,2李 鐵1,2

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

為探索采礦應(yīng)力場的時(shí)空演化特征，以華亭煤礦兩個(gè)開采工作面為研究背景，應(yīng)用地震學(xué)理論和震源機(jī)制解答的P波初動(dòng)符號(hào)方法，選擇發(fā)生在礦震監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)且震相清晰的94次強(qiáng)礦震資料，使用自主研發(fā)的強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)性預(yù)測分析工具軟件MapRAS，求解出礦震的震源機(jī)制。研究得出：水平應(yīng)力是發(fā)生礦震的主要作用力；礦區(qū)應(yīng)力場既受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制，又受采動(dòng)應(yīng)力場的影響；震相清晰的礦震P波初動(dòng)資料，可便捷反演出礦震巖體宏觀破裂面的錯(cuò)動(dòng)方式、破裂面產(chǎn)狀和主應(yīng)力軸產(chǎn)狀，進(jìn)而判斷采場應(yīng)力場大致分布；通過跟蹤分析巖體破裂源空間分布及破裂機(jī)制，可以早期發(fā)現(xiàn)采場受力狀態(tài)異動(dòng)，提前采取防范措施。

礦震 震源機(jī)制 P波初動(dòng) 應(yīng)力場反演

由于人類對能源的依賴，目前我國淺部煤炭資源漸趨枯竭，大量礦井已進(jìn)入深部開采。高應(yīng)力環(huán)境采掘擾動(dòng)，使得采礦誘發(fā)地震(礦震)形式的巖體動(dòng)力災(zāi)害頻次和強(qiáng)度大幅增加，已有140余次，對生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

礦震震源機(jī)制是指礦震發(fā)生的力學(xué)模式，即：礦震巖體宏觀破裂面的錯(cuò)動(dòng)方式、破裂面產(chǎn)狀和主應(yīng)力軸產(chǎn)狀，通過反演礦震破裂的力學(xué)機(jī)制，認(rèn)識(shí)礦震破裂孕育、發(fā)生和破壞的力學(xué)機(jī)理。震源機(jī)制的研究始于美國學(xué)者Ride 1910提出的構(gòu)造地震“彈性回跳”理論，之后，日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)了地震波初動(dòng)符號(hào)的規(guī)律性分布，Nakano(1923)開啟了震源的定量研究。探索用地震波初動(dòng)符號(hào)和P、S波振幅比來確定震源等價(jià)的點(diǎn)源類型及其定向，是此領(lǐng)域后來相當(dāng)長時(shí)間的研究方向[1]。

天然地震與礦震震源機(jī)制沒有本質(zhì)差別，震源機(jī)制解答方法可以較近似地揭示礦區(qū)采動(dòng)應(yīng)力場釋放特征，對于分析礦震成因機(jī)制具有重要作用[2]。華亭煤田地處六盤山東麓，所處的大地構(gòu)造位置系鄂爾多斯地塊(陜甘寧盆地)之西南緣或是西緣斷褶帶的南端，因長期受區(qū)域上南西—北東以及東西向擠壓應(yīng)力的作用，尤其是印支運(yùn)動(dòng)后的燕山運(yùn)動(dòng)，使本區(qū)承受了來自西南方向的主動(dòng)擠壓應(yīng)力。由于區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的長期性和復(fù)雜性，使本區(qū)構(gòu)造對煤系早期沉積起控制作用，后期影響賦存煤系的改造、破壞和定型。

近40 a來，華亭礦區(qū)方圓200 km范圍發(fā)生4級(jí)以上地震約50次，區(qū)域地震應(yīng)力主壓應(yīng)力軸走向?yàn)镹W—SE，表明近代區(qū)域地質(zhì)動(dòng)力仍很強(qiáng)勁和活躍。本文以華亭煤礦250104、250105工作面為研究對象，2010年3月—2012年5月，這兩個(gè)工作面采掘發(fā)生了多次強(qiáng)礦震，選取94個(gè)震相清晰的強(qiáng)礦震，采用P波初動(dòng)法求解強(qiáng)礦震源機(jī)制，以此分析強(qiáng)礦震發(fā)生機(jī)理和采動(dòng)應(yīng)力釋放特征，期望為采動(dòng)應(yīng)力釋放跟蹤反演提供一種方法。

1 震源機(jī)制反演方法

求解震源機(jī)制解的常用方法主要包括初動(dòng)符號(hào)法和波形反演法。初動(dòng)符號(hào)法主要依據(jù)波形的初動(dòng)極性信息來獲取震源機(jī)制解，而波形反演法則充分利用波形資料求解矩張量解[3]。

P波初動(dòng)法是求解震源機(jī)制的常用方法，通過不同臺(tái)站記錄的P波初動(dòng)振動(dòng)方向，根據(jù)迭代法和格點(diǎn)嘗試法得到震源機(jī)制。因迭代法更依賴數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量，研究過程中多選用格點(diǎn)嘗試法。格點(diǎn)嘗試法主要利用多個(gè)離散分布的地震在不同位置的地震臺(tái)站上的P波初動(dòng)方向記錄，確定與地震綜合斷層面解相應(yīng)的平均震源機(jī)制解,即確定與斷層及節(jié)面相對應(yīng)的主壓應(yīng)力軸、中性軸、主拉應(yīng)力軸方向的分布,由此推斷該地區(qū)平均構(gòu)造應(yīng)力場的方向[4]。許忠淮等[5]提出利用格點(diǎn)嘗試法求解P波初動(dòng)的震源機(jī)制解，許向彤等[6]對格點(diǎn)嘗試法進(jìn)行改進(jìn)，將震源球面分成許多小塊,確定有P波初動(dòng)數(shù)字的小塊為正號(hào)區(qū)或負(fù)號(hào)區(qū)的概率,以全部有數(shù)據(jù)小塊平均概率的高低作為選擇解答的標(biāo)準(zhǔn)。劉杰[7]、趙小艷等[8]將用P、S波初動(dòng)及其振幅比聯(lián)合計(jì)算震源機(jī)制。胡幸平[9]利用P波初動(dòng)資料，采用格點(diǎn)嘗試法，求解了汶川地震及其強(qiáng)余震震源機(jī)制。

盡管解答震源機(jī)制有多種方法，但P波初動(dòng)符號(hào)反演方法由于其操作比較簡單，資料較容易獲取，至今仍不失為一種普遍采用的方法。

華亭煤礦裝備了波蘭產(chǎn)SOS工程精度微震觀測系統(tǒng)，部分測站位置基本固定，部分測站隨工作面推進(jìn)調(diào)整。震源機(jī)制反演使用的微震測站分布如圖1。進(jìn)行P波初動(dòng)資料的選取時(shí)，每個(gè)礦震選取不少于9個(gè)測站的有清晰記錄的P波初動(dòng)資料(多數(shù)礦震可選取12個(gè)以上測站的資料)，求解震源機(jī)制。

圖1 華亭煤礦微震測站分布

2 震源機(jī)制解及特征

2.1 華亭煤礦微震監(jiān)測

本文基于雙力偶點(diǎn)源的震源模型，通過收集華亭煤礦94個(gè)礦震(選用的94個(gè)礦震空間分布見圖2)的P波初動(dòng)資料，輸入自主研發(fā)的MapRAS4.0軟件求解震源機(jī)制，判斷煤礦采區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場的屬性。

圖2 華亭煤礦礦震震中分布

利用MapRAS4.0分析軟件求解華亭煤礦的震源機(jī)制，得到的震源機(jī)制解，所得的矛盾符號(hào)比統(tǒng)計(jì)如表1。從表1可以看出，多數(shù)小于0.1，基本不大于0.2，表明選用讀取數(shù)據(jù)的質(zhì)量較好[10]。將礦震斷層面與水平面所夾銳角α及主應(yīng)力軸仰角β以25°、45°、65°為分界，大概分為水平、近水平、緩傾斜、陡傾斜、垂直和近垂直4種類型，見表2。

2.2 震源機(jī)制解特征

2.2.1 礦震震源機(jī)制多樣性

非雙力偶型礦震僅有2次，逆沖斷層47個(gè)、正斷層45個(gè),整體而言，兩者對比沒有明顯的優(yōu)勢機(jī)制。所選取的礦震基本發(fā)生在250104、250105工作面開采空間周圍，正斷層型礦震與逆斷層型礦震相間分布，其分布如圖3。

表1 震源機(jī)制解矛盾符號(hào)比統(tǒng)計(jì)

表2 斷層滑動(dòng)及主應(yīng)力方向約定[7] (°)

圖3 正斷層礦震與逆斷層型礦震分布

2.2.2 94個(gè)礦震發(fā)生時(shí)空分布

隨時(shí)間推移，礦震基本沿著北西—南東方向有序發(fā)生，震源高程—平距(Z-S)剖面圖如圖4。前69次礦震基本發(fā)生在礦區(qū)較北，后23次發(fā)生在礦區(qū)較南。將震源機(jī)制分按南北兩區(qū)討論，采場北區(qū)主壓應(yīng)力優(yōu)勢方向顯著，方位為NE—WS，主拉應(yīng)力方位NW—SE，應(yīng)力狀態(tài)相對穩(wěn)定；采場南區(qū)主壓應(yīng)力優(yōu)勢方位為NE—WS，主拉應(yīng)力優(yōu)勢方位不明顯，主應(yīng)力軸分區(qū)分布見圖5，主應(yīng)力軸仰角統(tǒng)計(jì)見表3。

圖4 震源高程—平距(Z-S)剖面

從圖5、表3可以看出：

(1)礦震震源主應(yīng)力釋放主壓應(yīng)力軸(P軸)仰角近水平和緩傾斜的占75%，中等應(yīng)力軸(N軸)仰角近水平和緩傾斜的占71.7%，優(yōu)勢仰角較顯著，總體方位隨機(jī)性較強(qiáng)，可認(rèn)為礦震孕育和發(fā)生中主壓應(yīng)力為近水平偏傾斜應(yīng)力，主拉應(yīng)力軸(T軸)仰角近水平和緩傾斜的占64.1%，分布較離散，優(yōu)勢方向不明顯。水平應(yīng)力是發(fā)生礦震的主要作用力，有較強(qiáng)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場背景，巨厚堅(jiān)硬頂板施加煤柱的壓力轉(zhuǎn)換為正交巷道走向的水平應(yīng)力。

圖5 采場主應(yīng)力軸分布

表3 華亭煤礦礦震雙力偶震源機(jī)制主應(yīng)力軸仰角統(tǒng)計(jì)

(2)礦震的發(fā)生與開采活動(dòng)具有較強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性，礦區(qū)某一處發(fā)生礦震后，近期發(fā)生的礦震很有可能發(fā)生在臨近區(qū)域。通過94個(gè)礦震震源機(jī)制的主應(yīng)力軸分布圖可近似反演出礦區(qū)應(yīng)力場特征，礦區(qū)整體近似受NE—WS方向的擠壓應(yīng)力，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場一致。采場北區(qū)受NW—SE方向的張拉應(yīng)力，南區(qū)拉應(yīng)力場有不確定性，采礦擾動(dòng)產(chǎn)生較大的次生應(yīng)力場，與原生應(yīng)力場相作用，使主應(yīng)力方向與水平面呈一定角度。

3 結(jié)論與討論

本文利用P波初動(dòng)資料求解華亭煤礦90余微震的震源機(jī)制，分析其構(gòu)造應(yīng)力場特征。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)盡管礦震震源機(jī)制類型較多，但根據(jù)礦震破裂主應(yīng)力軸仰角判斷，水平應(yīng)力是發(fā)生礦震的主要作用力。水平應(yīng)力有較強(qiáng)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場背景，巨厚堅(jiān)硬頂板施加煤柱的壓力轉(zhuǎn)換為正交巷道走向的水平應(yīng)力。

(2)所研究采區(qū)的礦震應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向大致為NE—SW，與煤田所受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力一致，但主應(yīng)力與水平面之間呈一定的角度，表明礦震應(yīng)力場既受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制，又受采動(dòng)應(yīng)力場的影響。

(3)中小礦震發(fā)生在開采面附近，礦震的發(fā)生與開采活動(dòng)具有較強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性，當(dāng)?shù)V區(qū)某一區(qū)域發(fā)生礦震時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)臨近采空區(qū)或工作面的監(jiān)測與防護(hù)。

(4)挑選震相清晰的礦震P波初動(dòng)資料，可反演出礦震巖體宏觀破裂面的錯(cuò)動(dòng)方式、破裂面產(chǎn)狀和主應(yīng)力軸產(chǎn)狀，進(jìn)而判斷采場應(yīng)力場大致分布，對高應(yīng)力集中或有沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域在巖體所受主應(yīng)力方向上采取卸壓措施，可減少后期礦震的發(fā)生。

(5)裝備工程精度的微震系統(tǒng)，跟蹤分析巖體破裂源空間分布及破裂機(jī)制，可以早期發(fā)現(xiàn)采場受力狀態(tài)異動(dòng)，提前采取防范措施。

[1] 孫學(xué)會(huì)，李 鐵.深部礦井復(fù)合型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2] 李 鐵，蔡美峰，左 艷，等.采礦誘發(fā)地震的震源機(jī)制特征—以遼寧省撫順市老虎臺(tái)煤礦為例[J].地質(zhì)通報(bào)，2005,24(2):136-144.

[3] 祁玉萍，李閩峰，李圣強(qiáng)，等.地震震源機(jī)制波形自動(dòng)反演系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J].地震，2013,33(1):74-85.

[4] 惠乃玲，劉耀權(quán)，楊明皓，等.撫順老虎臺(tái)煤礦礦震震源機(jī)制的研究[J].地震地磁觀測與研究，1998(1):41-47.

[5] 許忠淮，閻 明，趙仲和.由多個(gè)小地震推斷的華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的方向[J].地震學(xué)報(bào)，1983(3):268-279.

[6] 許向彤，許忠淮，張東寧.求震源機(jī)制P波初動(dòng)解的格點(diǎn)嘗試概率法[J].地震地磁觀測與研究，1995(4):34-42.

[7] 劉 杰，鄭斯華，康 英，等.利用P波和S波的初動(dòng)和振幅比計(jì)算中小地震的震源機(jī)制解[J].地震，2004,24(1):19-26.

[8] 趙小艷，蘇有錦，付 虹，等.用P波、S波初動(dòng)和振幅比計(jì)算中小地震震源機(jī)制在云南地區(qū)的應(yīng)用[J].內(nèi)陸地震，2009,23(3):394-402.

[9] 胡幸平，俞春泉，陶 開，等.利用P波初動(dòng)資料求解汶川地震及其強(qiáng)余震震源機(jī)制解[J].地球物理學(xué)報(bào)，2008,51(6):1711-1718.

[10] 俞春泉，陶 開，崔效鋒，等.用格點(diǎn)嘗試法求解P波初動(dòng)震源機(jī)制解及解的質(zhì)量評價(jià)[J].地球物理學(xué)報(bào)，2009(5):1402-1411.

Study on the Focal Mechanisms of Mining-induced Earthquake Based on P Wave First Motion Method

Zhang Shanlin1,2Li Tie1,2

(1. State Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education;2. School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing)

In order to explore the time-space evolution of the stress field of mining, two working faces of Huating mine are taken as the trial research background. Based on seismic theory and P-wave first motion method for solving focal mechanism, the data of 94 strong mining-induced earthquakes with clear phases, occurred in mine earthquake monitoring network is selected. The self-developed software MapRAS with the function of predicting and analyzing strong rock burst is used to solve the focal mechanisms of mining-induced earthquake. The analysis results show that:Horizontal stress is the main force causing mining-induced earthquake;the stress field of mining area is controlled not only by the regional tectonic stress field, but also affected by the mining stress field;with the clear phases P-wave first motion data of mining earthquake, the rock macroscopic fracture surface dislocation mode, the occurrence of fracture surface and the occurrence of principal stress axes can be retrieved conveniently so as to judge the stress field distribution. Through tracing and analyzing the rupture source spatial distribution of rock mass and its rupture mechanism, the alteration of mining stress field can be detected and the preventive measures can be taken in advance.

Mining-induced earthquake, Focal mechanisms, P-wave first motion, Stress field inversion

2015-05-10)

張山林(1990—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。