老虎臺(tái)礦礦震的地面效應(yīng)研究

孟 慶 男

（大同煤礦集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州036702）

0 引 言

煤礦的安全生產(chǎn)不僅與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，而且與人類居住環(huán)境有著密切的關(guān)系，所以需要加強(qiáng)煤礦的安全管理制度。梁玉霞[1]與李新娟[2]等人分別從煤礦的安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的視角分析了煤礦安全生產(chǎn)的重要性。近年來(lái)隨著老虎臺(tái)礦開(kāi)采規(guī)模和深度不斷的加大，礦震災(zāi)害顯現(xiàn)越來(lái)越頻繁，其強(qiáng)度和顯現(xiàn)頻度也在增加，老虎臺(tái)礦礦區(qū)附近以及撫順市區(qū)地面震感頻次在逐步增多，造成居民的恐慌。所以研究礦震對(duì)地面建筑物的破壞影響程度有著重大的意義。礦震是煤巖體內(nèi)部的沖擊地壓，是指礦井高應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤巖體及斷層在受到外界條件擾動(dòng)下瞬間失穩(wěn)破壞，釋放出大量的能量進(jìn)而引起猛烈震動(dòng)和爆發(fā)式為破壞特征的礦山動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)[3-4]。隨著礦井開(kāi)采深度的不斷加深，礦震已經(jīng)成為礦山動(dòng)力災(zāi)害中的主要災(zāi)害[5]。礦井開(kāi)采到達(dá)深部后，生產(chǎn)條件越來(lái)越復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中礦震的顯現(xiàn)頻度也在不斷增多[6]。由于礦震的震源深度淺，既有可能誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)附近地面建筑物的破壞[7-8]。因此，礦震同樣會(huì)給礦井安全生產(chǎn)以及人身安全造成安全威脅，也是不能夠準(zhǔn)確被預(yù)測(cè)的礦山災(zāi)害之一。本文應(yīng)用地震學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的方法為礦震發(fā)生時(shí)，地面震感的影響范圍以及地面建筑物的破壞情況給出了參考，為礦井安全生產(chǎn)及居民生活住宅破壞情況提供了科學(xué)有效的借鑒。

1 83003 綜放工作面概況

83003 綜放工作面位于老虎臺(tái)礦井田西部，經(jīng)距77114～77797 m，開(kāi)采標(biāo)高-748.2～-833.5 m。83003綜放工作面對(duì)應(yīng)地表為東露天礦沉陷區(qū)回填體（綠都），工作面的走向長(zhǎng)度為603 m,傾斜長(zhǎng)為163.5m,煤層傾角15°～32°，煤層平均厚度11.8 m，開(kāi)采煤層為四五分層。該面內(nèi)夾矸3～8 層，厚度0.4～13 m,其中四分層底板夾矸變化較大，西部厚東部薄，夾矸主要由碳質(zhì)頁(yè)巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成。煤層頂板巖層為綠色頁(yè)巖、油母頁(yè)巖，綠色頁(yè)巖的平均厚度為421.56 m,油母頁(yè)巖的平均厚度為194.08 m,底板巖層為泥灰?guī)r，平均厚度為17.4 m。83003 綜放工作面的運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)在-830 m 水平，回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)在-780 m 水平。該面東鄰73001 已采區(qū)，西至井田邊界，南為F25斷層，北部位“保城限采”煤柱，上部為78001、78002、83001 及83002 已采綜放面，下部為五分層煤層及煤層底板。83003 綜放工作面的煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 83003 綜放工作面煤巖物理力學(xué)參數(shù)

2 老虎臺(tái)礦礦震活動(dòng)情況簡(jiǎn)介

老虎臺(tái)礦1907 年開(kāi)始開(kāi)采，現(xiàn)在已有近百年的歷史。1993 年撫順勝利礦最早發(fā)生礦震事件。隨后老虎臺(tái)礦以及龍鳳礦不斷發(fā)生礦震事件。現(xiàn)在撫順煤田的勝利礦、龍鳳礦都已停產(chǎn)關(guān)閉，所以撫順發(fā)生礦震都是由老虎臺(tái)礦的生產(chǎn)造成的。1993～2014 年間，老虎臺(tái)礦每年發(fā)生礦震次數(shù)均在百次以上，破壞巷道數(shù)百米以上，最大震級(jí)達(dá)ML3.7。從礦震發(fā)生頻次來(lái)看，從1993 年開(kāi)始，礦震呈現(xiàn)逐步增多的趨勢(shì)，至2001年礦震頻次達(dá)到了最高值，1.0 級(jí)以上達(dá)到了2024次，2.0～3.0 級(jí)達(dá)到了172 次。2001 年以后礦震次數(shù)又逐步降低。2007 礦震次數(shù)降到了最低。之后礦震又逐步增加。2010 年～2011 年礦震頻次又達(dá)到了一個(gè)較高的水平。圖1 為老虎臺(tái)礦1993 年至2014 年以來(lái)礦震發(fā)生統(tǒng)計(jì)情況。

圖1 老虎臺(tái)礦1993 年～2014 年礦震頻次分布

3 老虎臺(tái)礦礦震影響范圍預(yù)測(cè)分析

3.1 礦震影響范圍預(yù)測(cè)的依據(jù)

用來(lái)表示地震強(qiáng)度的指標(biāo)有兩個(gè)，一個(gè)是表示地震能量釋放多少的指標(biāo)震級(jí)，另一個(gè)是表示地震引起地面震動(dòng)強(qiáng)弱程度大小的指標(biāo)烈度。目前我國(guó)采用聯(lián)合國(guó)教科文組織推薦的烈度表[9]，共分12 度。地面振動(dòng)的強(qiáng)弱直接影響到人的感覺(jué)的強(qiáng)弱，器物反應(yīng)的程度，房屋的損壞或破壞程度，地面景觀的變化情況等。根據(jù)中國(guó)地震烈度表得到地震震級(jí)與烈度的關(guān)系如表2 所示。

表2 中國(guó)地震烈度表

確定老虎臺(tái)礦礦震影響范圍的具體思路為，根據(jù)撫順地震臺(tái)記錄到的礦震震級(jí)，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出震中烈度的大小，再根據(jù)我國(guó)若干等震線資料[10]，經(jīng)過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)建立了地震烈度、地震里氏震級(jí)和震中距三者之間的關(guān)系，應(yīng)用得出的關(guān)系式求出震中距的值，然后再應(yīng)用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的方法[11-14]所劃分出的老虎臺(tái)礦Ⅳ級(jí)區(qū)劃圖，將計(jì)算出的震中距值結(jié)合微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的震源位置分別繪制出不同礦震震級(jí)的烈度分布圖。

3.2 震中烈度大小的確定

在發(fā)生地震時(shí)，地震對(duì)地面造成破壞相對(duì)應(yīng)的最大烈度值主要集聚在震中范圍內(nèi)。震中烈度常用I0表示，I0 表示一次地震發(fā)生時(shí)的最大烈度。影響震中烈度大小的主要因素是震源深度與地震震級(jí)。通常地震震級(jí)越大，震中烈度也越大。一般在震級(jí)大小相同的情況下，震源深度越深，相應(yīng)的震中烈度會(huì)降低。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析中國(guó)歷史地震數(shù)據(jù)，最終得到了地震里氏震級(jí)、震源深度和震中烈度三者有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[15]：

式中：ML為里氏震級(jí)；I0為震中烈度；h為震源深度。

以老虎臺(tái)礦83003 綜放工作面在2014 年發(fā)生過(guò)的4 次破壞較大礦震為研究對(duì)象，計(jì)算出震中烈度值如表3 所示。83003 綜放工作面的4 次礦震震中烈度最高為Ⅴ級(jí)。

表3 83003 綜放面礦震對(duì)應(yīng)的震中烈度

3.3 微震震級(jí)與地震震級(jí)的轉(zhuǎn)化關(guān)系

由老虎臺(tái)礦提供的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄到的微震震級(jí)和撫順地震局提供的地震震級(jí)，建立了微震震級(jí)與地震震級(jí)之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)換結(jié)果如公式2 所示。

式中：ML為地震震級(jí)；MS為微震震級(jí)。

3.4 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法的應(yīng)用

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法是以板塊理論為基礎(chǔ)，以地質(zhì)動(dòng)力學(xué)、地形地貌學(xué)、地球物理學(xué)為依據(jù)，揭示了構(gòu)造活性斷裂分割出的不同規(guī)模的斷塊，確定了斷塊沿其邊界相互作用的特征，分析斷塊的應(yīng)力狀態(tài)，提出了安全有效防治災(zāi)害的措施[16]。

在1∶5 萬(wàn)的地形圖上，以老虎臺(tái)礦為中心，查明Ⅳ級(jí)斷塊構(gòu)造，劃分出的Ⅳ級(jí)斷裂共有5 條，劃分結(jié)果如圖2 所示，Ⅳ級(jí)斷裂特征如表4 所示。

圖2 老虎臺(tái)井田Ⅳ級(jí)斷塊圖

表4 IV 級(jí)斷裂特征表

3.5 礦震的影響范圍

根據(jù)我國(guó)若干等震線資料，經(jīng)過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得出地震烈度、里氏震級(jí)和震中距三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

式中：I 為地震烈度；ML為里氏震級(jí)；R 為震中距，km。

根據(jù)（3）式可以分別求出某次礦震的影響范圍和相對(duì)應(yīng)的烈度大小。

表5 83003 綜放面礦震對(duì)應(yīng)的烈度及破壞情況

以老虎臺(tái)礦2.7 級(jí)礦震和2.4 級(jí)礦震為例進(jìn)行里氏震級(jí)、烈度的驗(yàn)算。2 次礦震的里氏震級(jí)、烈度和地面震感情況如表5 所示，2 次礦震的影響范圍和相對(duì)應(yīng)的烈度如圖3、圖4 所示。

圖3 老虎臺(tái)礦2.7 級(jí)礦震烈度分布圖

圖4 老虎臺(tái)礦2.4 級(jí)礦震烈度分布圖

3.6 礦震的影響范圍預(yù)測(cè)

根據(jù)老虎臺(tái)礦的礦震情況，分別以里氏震級(jí)3.0、3.5 級(jí)礦震為例，分別繪制出這兩種震級(jí)礦震的烈度分布圖。不同震級(jí)礦震的烈度分布如圖5 和圖6 所示。

圖5 老虎臺(tái)礦3.0 級(jí)礦震烈度分布圖

圖6 老虎臺(tái)礦3.5 級(jí)礦震烈度分布圖

根據(jù)老虎臺(tái)礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄到的微震震級(jí)和撫順地震局監(jiān)測(cè)記錄到的里氏震級(jí)資料，確定了不同震級(jí)礦震測(cè)影響范圍和烈度。計(jì)算表明，當(dāng)?shù)V震震級(jí)達(dá)到里氏3.5 級(jí)，相應(yīng)的微震震級(jí)為6.3 級(jí)時(shí)，極震區(qū)的烈度為Ⅴ級(jí)，該級(jí)別礦震不會(huì)導(dǎo)致地面建筑物破壞。近年來(lái)?yè)犴樀V區(qū)礦震的最大震級(jí)為3.2級(jí)，因此不會(huì)導(dǎo)致建筑物破壞。

4 結(jié) 論

1）確定了微震震級(jí)、里氏震級(jí)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定了不同震級(jí)礦震的影響范圍和相對(duì)應(yīng)的烈度。

2）當(dāng)?shù)V震震級(jí)達(dá)到3.5 級(jí)時(shí)，震中區(qū)范圍內(nèi)的最高烈度為Ⅴ級(jí)，結(jié)合地震烈度表可知，該級(jí)別的礦震不會(huì)造成地面建筑物的破壞。

3）將計(jì)算結(jié)果與地面實(shí)際情況對(duì)比分析表明，計(jì)算得到的地震烈度與實(shí)際情況基本吻合，所以可以用來(lái)對(duì)礦震的地面效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。