鶴崗地區(qū)地震活動(dòng)與礦山瓦斯異常涌出的相關(guān)性研究

張永剛 ，田 有 ， 李大偉 ， 滕 偉

（1.吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130000； 2．黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；

3．鶴崗地震臺(tái)，黑龍江 鶴崗 154100； 4.黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

0　引言

鶴崗是一座因煤而立，由煤而興的城市，煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42公里，東西走向6公里，面積252平方公里。自民國(guó)開(kāi)始開(kāi)采，將近百年開(kāi)采史，煤炭開(kāi)采帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)是對(duì)環(huán)境的改變，這其中最具破壞力的就是煤礦瓦斯爆炸。

近年來(lái)，隨著龍煤鶴崗礦區(qū)各煤礦逐步進(jìn)入深部開(kāi)采，礦震等煤巖動(dòng)力災(zāi)害在峻德、南山等煤礦陸續(xù)顯現(xiàn)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。為確保礦工的生命安全和礦井的高效安全開(kāi)采，需亟待弄清鶴崗礦區(qū)全境范圍及特定礦井采掘工作面的沖擊礦震誘發(fā)機(jī)理及活動(dòng)規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)探索礦區(qū)及礦井具體工作面沖擊礦震等動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性和相關(guān)性的研究就顯得尤為必要。

據(jù)研究表明，天然地震與礦震之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，尤其是近場(chǎng)的天然地震發(fā)生后會(huì)激發(fā)礦震的發(fā)生概率，同時(shí)天然地震、礦震的發(fā)生也會(huì)激發(fā)瓦斯的異常涌出，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)烈的瓦斯爆炸。2009年興山煤礦“11.21”、2013年振興煤礦“3.11”，2013年峻德煤礦“3.15”等礦難的發(fā)生，給礦工的生命安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展造成了巨大危害。鶴崗地區(qū)的礦震次數(shù)由過(guò)去的300余次/年，上升至600余次/年，特別是在興安、峻德、南山、興山等煤礦，礦震、瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害尤為突出。

1　天然地震與礦震及瓦斯的相關(guān)性

在近場(chǎng)區(qū)域發(fā)生天然地震前后一段時(shí)間內(nèi)會(huì)誘發(fā)本區(qū)域煤礦發(fā)生礦震，在礦震發(fā)生后會(huì)引發(fā)瓦斯爆炸，這一系列的事件之間雖不存在必然關(guān)系，但是也存在某種程度的關(guān)聯(lián)，尤其是在煤礦與地震震中間均存在某些地質(zhì)構(gòu)造上的關(guān)聯(lián)[1]。

2002-06-29T01：19，吉林汪清發(fā)生M 7.2級(jí)深源（h=570 km）地震； 2002-07-05T01：46至2002-07-06T23：21，分別在距震中430 km的黑龍江鶴崗南山、大陸、俊德發(fā)生了5次ML1.0級(jí)以上礦震，2002-07-08T14：50，鶴崗鼎盛煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。該深源地震發(fā)生后的6天，觸發(fā)了鶴崗的礦山地震活躍度，而瓦斯在礦震的作用下在巷道內(nèi)匯聚，造成重大災(zāi)害。

2009-11-14T19：34，黑龍江嘉蔭發(fā)生ML2.0級(jí)地震；2009-11-14T13：46至2009-12-21 T17：42分別在距震中160 km的黑龍江鶴崗俊德、富力、新興、大陸發(fā)生了8次ML1.0級(jí)以上礦震，2009-11-21T02：29黑龍江新興煤礦瓦斯爆炸。嘉蔭與鶴崗?fù)幱谝朗鏀嗔褞П倍蔚奈鞅P(pán)，屬同一構(gòu)造區(qū)域，該地震發(fā)生后7天，鶴崗礦區(qū)的礦震頻度及強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，此次瓦斯爆炸造成百余人遇難。

2013-01-05T16：58，阿拉斯加?xùn)|南部發(fā)生M 7.9級(jí)強(qiáng)地震；2013-01-09T04：59，在距離震中約5000km的鶴崗峻徳礦發(fā)生ML3.1級(jí)礦震，峻徳礦綜采一隊(duì)回風(fēng)（3水平北17層3.4區(qū)一段）9日05：13、05：43、06：21連續(xù)出現(xiàn)了3次瓦斯超限警報(bào)。2013-01-18T20：58，在鶴崗益新礦發(fā)生ML3.0級(jí)礦震，益新礦綜采一隊(duì)上隅角（3N2后部區(qū)15號(hào)層零段）18日01：06出現(xiàn)了瓦斯超限警報(bào)。此次地震雖然距離遠(yuǎn)，但震級(jí)大，在4天后鶴崗礦震從能量釋放來(lái)看，震級(jí)大、頻度高，尤其是對(duì)整個(gè)東北板塊影響還持續(xù)了一段時(shí)間。

2013-03-05至2013-03-08，3天 時(shí) 間 內(nèi)鶴崗礦區(qū)共發(fā)生15次ML1.0級(jí)以上的礦震，其中超過(guò)ML2.5級(jí)的有2次，分別是2013-03-08T08：11ML2.5級(jí) 礦震和 2013-03-08T08：11ML2.7級(jí)礦震。2013-03-11T02：30，振興煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。在瓦斯爆炸之前的礦震頻度及強(qiáng)度明顯呈增強(qiáng)趨勢(shì)，且在礦震發(fā)生后的數(shù)小時(shí)內(nèi)，多個(gè)巷道出現(xiàn)了瓦斯超限警報(bào)。

2013-03-15T04：03， 峻 徳 礦 發(fā) 生ML1.5級(jí) 礦 震；2013-03-15T04：05， 峻 徳 礦 發(fā) 生ML1.0 級(jí)礦震；2013-03-15T05：17，峻徳礦發(fā)生ML3.7級(jí)礦震；05：25峻徳礦綜采一隊(duì)工作面（3水平北17層3.4區(qū)1段）、05：43綜采一隊(duì)上隅角（3水平北17層3.4區(qū)1段）、06：21綜采一隊(duì)回風(fēng)（3水平北17層3.4區(qū)1段）分別出現(xiàn)了瓦斯超限警報(bào)。此次礦震發(fā)生后18min～2h內(nèi)，瓦斯數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了異常涌出的現(xiàn)象，在瓦斯異常涌出的區(qū)域與礦震發(fā)生的位置密切相關(guān)，此類(lèi)相關(guān)需要更進(jìn)一步的區(qū)域化和網(wǎng)格化。

2015-11-14T04：51我國(guó)東海海域發(fā)生M 7.2級(jí)地震，2015-11-15T03：20我國(guó)東海海域 發(fā) 生M 6.0級(jí) 地 震；2015-11-15～2015-12-15鶴崗礦區(qū)連續(xù)發(fā)生53次ML1.0級(jí)以上礦震；2015-12-13T22：20,峻徳礦發(fā)生ML2.5級(jí)礦震，2015-12-15T11：33,峻徳礦發(fā)生ML2.9級(jí)礦震；2015-12-16T14：30，黑龍江鶴崗向陽(yáng)煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。

2016-01-02牡丹江林口發(fā)生M 6.2級(jí)深源地震，2016-01-03至2016-01-06鶴崗礦區(qū)連續(xù)發(fā)生10次ML1.0級(jí)以上礦震；2016-01-07T05：43俊德礦多層面連續(xù)出現(xiàn)多次的瓦斯超限警報(bào)；2016-01-21T07：37，鶴崗興安礦發(fā)生3.8級(jí)礦震，2016-01-21T08：10同時(shí)在新興礦和俊德礦均出現(xiàn)了瓦斯超限警報(bào)。

從以上數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，天然地震與礦震、煤礦瓦斯爆炸之間存在某些關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)是有章可循的，但僅從這些有限的樣本中很難統(tǒng)計(jì)出量化規(guī)律。開(kāi)采導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)失衡誘發(fā)礦震，礦震帶來(lái)的空間壓力瞬間失衡，導(dǎo)致吸附、游離態(tài)的瓦斯瞬時(shí)聚集結(jié)合，不再以自由氣態(tài)形式存在[2]。在一定條件下，當(dāng)壓力、溫度的變化時(shí)，瓦斯在密閉的空間中濃度到達(dá)爆炸臨界點(diǎn)就形成了災(zāi)難。

（1）在近場(chǎng)及相互關(guān)聯(lián)構(gòu)造區(qū)域天然地震發(fā)生之后，4～10天時(shí)間內(nèi)，鶴崗區(qū)域內(nèi)的礦震活動(dòng)頻次及震級(jí)都會(huì)有明顯的增高趨勢(shì)。這表明天然地震加劇了礦區(qū)的應(yīng)力積累，在采空區(qū)及應(yīng)力臨界區(qū)域會(huì)有明顯的釋放。

（2）在部分的礦震發(fā)生后，在距離震中一定的范圍內(nèi)，1～2天時(shí)間內(nèi)，甚至是18min時(shí)間內(nèi)，會(huì)有瓦斯異常涌出的事實(shí)，這個(gè)事實(shí)證實(shí)瓦斯異常涌出是煤巖體破裂的結(jié)果。

（3）瓦斯的涌出可能存在多種可能性，礦山的開(kāi)采本來(lái)就會(huì)伴隨著巖體的活動(dòng)和破裂，另外地下水的活動(dòng)也是其誘因之一[3]。

2　礦震與瓦斯突出的機(jī)理

煤炭開(kāi)采誘發(fā)地震（采礦業(yè)稱為沖擊地壓）是采礦誘發(fā)的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害之一。礦震是在采礦活動(dòng)和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用影響下,使采區(qū)及周?chē)鷳?yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài),采區(qū)局部積累的一定能量以沖擊或重力方式釋放而產(chǎn)生的巖體振動(dòng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),上世紀(jì)80年代以來(lái)東北地區(qū)的黑龍江鶴崗煤礦的礦山地震水平逐漸增強(qiáng)，礦震的震源淺，頻度高，災(zāi)害大，較強(qiáng)烈的礦震會(huì)引起地表強(qiáng)烈震感或地面建筑物的嚴(yán)重破壞。礦震是礦區(qū)礦山地下工程災(zāi)害的一種，在黑龍江四大礦山開(kāi)采程度以及礦山地震的活動(dòng)性來(lái)看，鶴崗地區(qū)無(wú)疑是比較突出的一個(gè)。研究工作表明,礦震的發(fā)生除人為開(kāi)采因素外,礦山所處構(gòu)造環(huán)境和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀況與其有密切關(guān)系[4]。

礦震與瓦斯突出之間存在著必然的聯(lián)系，而是礦山動(dòng)力災(zāi)害，本質(zhì)上都是“礦井開(kāi)采應(yīng)力失衡后的煤巖微破裂產(chǎn)生—貫通—擴(kuò)展—破裂失穩(wěn)”的過(guò)程[1]。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的。游離狀態(tài)也稱為自由狀態(tài)，這種瓦斯以自由氣體狀態(tài)存在于煤體或圍巖的裂縫、孔隙之中，隨著貯存空間的體積、壓力和溫度等劇烈變化，其不再以自由氣態(tài)形式存在，幾種狀態(tài)的瓦斯處于不斷變化的動(dòng)平衡之中，在一定條件下會(huì)互相轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致瓦斯的異常涌出現(xiàn)象。在瓦斯異常涌出的前后加強(qiáng)礦井的瓦斯監(jiān)測(cè)和通風(fēng)，稀釋和排出瞬間聚集的瓦斯氣體，將其濃度控制在礦山安全的閾值以下，是保障開(kāi)采的必要條件。

3　結(jié)論與討論

目前國(guó)內(nèi)外很多人關(guān)注和礦山地震相關(guān)的研究，我們也是希望通過(guò)我們的不斷探索和研究，為我省的煤炭生產(chǎn)安全和礦區(qū)的人民財(cái)產(chǎn)安全方面有所貢獻(xiàn)。從震源機(jī)制、礦震成因等分析了礦震與礦山次生災(zāi)害相關(guān)的機(jī)理，礦山地震或周?chē)鷧^(qū)域的天然地震對(duì)礦山瓦斯溢出、隔火墻的密閉等會(huì)產(chǎn)生一定的影響，可能直接導(dǎo)致了次生災(zāi)害的發(fā)生。

僅憑借肉眼人們很難準(zhǔn)確的辨識(shí)各種動(dòng)力災(zāi)害源，尤其是遠(yuǎn)離開(kāi)采工作面的深部巖體破裂震源。因此，采動(dòng)煤巖破裂及應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程的研究需通過(guò)一定監(jiān)測(cè)手段加以實(shí)現(xiàn)。其中，采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的直接實(shí)觀測(cè)難度較大，相對(duì)而言，監(jiān)測(cè)采動(dòng)煤巖的微破裂和震動(dòng)過(guò)程則容易得多，震源參數(shù)的確定性也較高，因此，采用煤巖破裂的高精度微（礦）震監(jiān)測(cè)技術(shù)，加以配合大尺度的地震監(jiān)測(cè)、礦震監(jiān)測(cè)，已逐漸成為國(guó)內(nèi)外礦山動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要手段和必然選擇。

（1）天然地震的能量傳播對(duì)礦震的影響非常明顯，而礦震在特定條件下對(duì)周邊礦井的瓦斯異常涌出需要更進(jìn)一步的區(qū)域化和網(wǎng)格化。

（2）從天然地震對(duì)礦震的影響時(shí)間與震級(jí)、震中距等相關(guān)性來(lái)看，時(shí)間尺度約為4～10d，礦震對(duì)礦井瓦斯的影響從時(shí)間尺度來(lái)看約為18min～2h，而這種能量的傳播通道目前并未明確，地震波列的傳遞中是否有其它彈性體物質(zhì)的擠壓和影響需要進(jìn)一步研究。

（3）大尺度的地震和礦震監(jiān)測(cè)，結(jié)合煤礦的SOS微震監(jiān)測(cè)與高采樣的瓦斯聯(lián)合觀測(cè)，可對(duì)礦震（沖擊地壓）與瓦斯相互誘發(fā)的災(zāi)害開(kāi)展預(yù)警研究，尤其是高瓦斯、突出和沖擊地壓礦井進(jìn)行預(yù)警模型的搭建很有必要。

參考文獻(xiàn)：

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