山東省礦震特點、災(zāi)害機理、監(jiān)測工作現(xiàn)狀及對策分析

劉承雨 李國一 田兆陽

山東省地震局，山東濟南 250014

山東省是煤炭、黃金等資源大省。近些年來，礦震的發(fā)生給礦區(qū)的安全生產(chǎn)造成了一定影響，引發(fā)的不安定因素仍普遍存在。加強礦震監(jiān)測對于降低和減少礦震所導(dǎo)致的事故和災(zāi)難，對礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)、提高礦震災(zāi)害應(yīng)急處置能力、有效減輕社會影響具有積極作用。本文對山東省礦震空間分布特點、礦震的發(fā)生機理和監(jiān)測現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)的分析，并針對目前礦震監(jiān)測問題提出建議。

1 山東省礦震特點

山東省是礦震多發(fā)地區(qū)之一。尤其濟寧礦區(qū)（煤礦）、棗莊礦區(qū)（煤礦+石膏礦）、萊蕪礦區(qū)（煤礦）、臨沂平邑礦區(qū)（石膏礦）以及淄博礦區(qū)（煤礦）是礦震多發(fā)地區(qū)（圖1）。每年記錄到的礦震多達百余次。

圖1 山東省礦區(qū)分布圖

統(tǒng)計2014～2017年我省M≥1.0級礦震數(shù)據(jù)表明，我省平均每月發(fā)生礦震2.3次，礦震發(fā)生頻次較高。在區(qū)域分布上，礦震發(fā)生的地點約53%發(fā)生于濟寧地區(qū)，其中，發(fā)生在鄒城市（集中在東灘礦區(qū)、鮑店礦區(qū)、興隆莊礦區(qū)）的礦震占濟寧地區(qū)礦震數(shù)量的72%。

在礦震震級分布上，2014～2017年，M≥3.0級的礦震有4次，M≥2.0級的礦震有42次，M≥1.0級的礦震有61次。按照礦震發(fā)生地分類，發(fā)生礦震的礦區(qū)全部為煤礦和石膏礦。

震級較大礦震集中分布在濟寧鄒城市、兗州區(qū)（煤礦）、淄博市博山區(qū)（煤礦）以及臨沂平邑縣（石膏礦）。2014年來，隨著博山區(qū)采空區(qū)治理力度增大，礦震頻次及震級明顯減少。鄒城市、兗州區(qū)為兗礦集團駐地，目前煤礦尚處開采階段，根據(jù)礦震區(qū)域特點，該區(qū)礦震具有發(fā)生頻次高，震級大的特點。平邑縣礦震發(fā)生頻次較低，但發(fā)震震級大，破壞性強，易發(fā)生人員傷亡和直接經(jīng)濟損失，例如，2015年“12.25”平邑3.5級礦震共造成1人遇難，13人失蹤。因此，鄒城兗州地區(qū)和平邑縣兩地需要重點盯防。

2 山東省礦震機理分析

2.1 礦震分類

按照國際通用礦震分類標準，可分為兩類（表1）。第一類為沖擊地壓，主要包括第發(fā)生在礦區(qū)周圍巖體中，因地殼應(yīng)力調(diào)整，沿一些小的斷層滑動而發(fā)生的地震波釋放，以及發(fā)生在礦道內(nèi)的瓦斯、煤粉引爆造成的震動，發(fā)生在工作面幾十米附近，震級較小，對工作面威脅較大。第二類為礦山地震，發(fā)生在大面積采空區(qū)，距離工作面較遠，震級偏大。

表1 國際通用礦震分類

2.2 礦震災(zāi)害發(fā)生機理

一般認為，沖擊地壓型礦震（第一類礦震）的發(fā)生與開采深度、開采速度及開采速度穩(wěn)定性有關(guān)[1]。王林瑛依照地震活動性多參數(shù)方法對1968～2004年兗礦集團鮑店煤礦礦震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析認為當開采進度過快時，容易誘發(fā)較大的礦震[2]。

礦山地震型礦震（第二類礦震）與開采深度、開采方式，采空區(qū)范圍及上覆巖層性質(zhì)有關(guān)。李世愚對全球煤礦礦山地震統(tǒng)計結(jié)果表明，開采深度大于500m的礦山就有發(fā)生3級以上礦震的可能性[3]。

2.3 兗礦集團東灘礦區(qū)礦震機理分析

2.3.1 沖擊地壓型礦震發(fā)生機理

閆憲磊以SOS礦震監(jiān)測系統(tǒng)為依托，對兗礦集團東灘礦1305綜采面回采期間礦震進行了152d的連續(xù)監(jiān)測[4]，結(jié)論表明，一方面回采面的推進速度與低能量礦山震動之間存在明顯的線性關(guān)系，隨著開采速度的加快，震動的總能量由低能向高能轉(zhuǎn)變，沖擊低壓發(fā)生的危險性增加。另一方面回采速度的穩(wěn)定性對工作面的圍巖應(yīng)力分布有很大影響，同樣開采強度下勻速開采表現(xiàn)的應(yīng)力集中系數(shù)較小，煤巖體內(nèi)存儲的彈性動能小，礦震次數(shù)和能量較低。

2.3.2 礦山地震型礦震發(fā)生機理

根據(jù)東灘礦區(qū)地質(zhì)報告，礦區(qū)為中部至深部開采，大部分地區(qū)采深大于500m，存在發(fā)生3級以上礦震可能性。目前回采的3號煤層沉積穩(wěn)定，煤層較厚，平均煤層厚度為8.5m，回采后采空區(qū)縱深高，后側(cè)存在較大范圍的懸頂。另一方面，3號煤層上覆巖層為侏羅系粉紅色厚層含礫粗粒致密砂巖（東灘井田最大厚度可達794.57m），上覆巖層比重大，在大范圍懸頂和上覆巖層重力的雙重疊加下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而引發(fā)較大震級礦震。

2.4 平邑石膏礦區(qū)礦震機理分析

山東境內(nèi)石膏礦普遍采用房柱式開采方法[5]，采礦中留設(shè)的保安礦柱過小，個別礦柱甚至呈楔形，礦房跨度較大，采高較高，保安礦柱受壓達到極限后首先劈裂、變形倒塌，引起局部礦房垮塌，地應(yīng)力迅速向四周傳遞，四周的礦柱突然增壓并受到?jīng)_擊波的沖擊易被拉倒，形成連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致整個采空區(qū)大面積塌陷，形成突發(fā)性礦山地震。

3 山東省礦震監(jiān)測現(xiàn)狀及問題

山東棗莊礦務(wù)局陶棗煤田自1976年唐山地震后開始裝備地震儀記錄礦震，1985年該礦從波蘭引進的SKA- 3型地音系統(tǒng)和SYLOK型微震系統(tǒng)，1988年煤炭科學(xué)研究院開采所對該系統(tǒng)進行了微機改造，用于監(jiān)測礦震[6]。山東省地震局自2004年開展了臨時數(shù)字地震臺網(wǎng)現(xiàn)場礦震觀測工作，在鮑莊煤礦礦區(qū)附近設(shè)立由3臺數(shù)字地震儀組成的小區(qū)域地震臺網(wǎng)。近年來，隨著煤礦資源需求量的增加以及安全生產(chǎn)理念的不斷深入，各大煤礦都建立了以監(jiān)測對象為中心等礦震監(jiān)測網(wǎng)略平臺。

目前山東能源集團6家權(quán)屬礦業(yè)集團和兗礦集團均針對礦震建立了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺。例如，龍礦集團形成了以梁家礦為臺網(wǎng)中心，7對生產(chǎn)礦井組成的礦震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)；兗礦集團建立兗州礦區(qū)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺，形成了以鮑店煤礦為臺網(wǎng)中心，興隆礦、東灘礦、南屯礦等8個觀測臺站組成的充礦集團數(shù)字遙測礦震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)[7]，針對礦震發(fā)生的密集區(qū)，兗礦集團還實施追加多套地面流動臺網(wǎng)從而加密觀測，增加在災(zāi)害重點區(qū)域的礦震監(jiān)測能力。

4 礦震監(jiān)測工作對策分析

（1）礦山生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)依托高校和科研院所開展礦震監(jiān)測安全生產(chǎn)研究。建議在采礦工作面布設(shè)監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)礦區(qū)微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及并網(wǎng)，對第一類礦震進行密切監(jiān)測，根據(jù)檢測結(jié)果同煤與瓦斯突出、礦井突水等安全生產(chǎn)事故的關(guān)聯(lián)性及耦合性進行分析，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景探索解決方法和應(yīng)對措施。

（2）合理選址和布置煤礦微震臺站，加強科技研發(fā)，提高礦震監(jiān)測精定位程度和山東省礦區(qū)臺網(wǎng)密度，形成礦企一體化的監(jiān)測系統(tǒng)。