某礦山典型斷層區(qū)域微震事件活動特征研究

王璽 王劍波 趙杰 劉興全 尹延天

摘要：應(yīng)用地球物理學(xué)的方法，基于微震數(shù)據(jù)反演分析了巖體破裂特征和斷層滑移特征。矩張量反演分析可以清晰地表達(dá)震源處受力情況，且應(yīng)用矩張量分解可以探知震源的破裂面產(chǎn)狀及震源的破裂類型。應(yīng)用矩張量反演分析方法，對某礦山震級大于-0.50的微震大事件進(jìn)行識別。以偏量部分大于60?%為分類原則，分離出巖體剪切滑移型微震事件，并根據(jù)微震事件斷層面解，繪制了巖體破裂面方位玫瑰圖。結(jié)果顯示：F310斷層活動頻繁、微震事件震級相對較大，且?guī)r體破裂面方位以NEE—SWW為主。礦區(qū)W9勘探線至W11勘探線為微震事件高發(fā)區(qū)。F350斷層相對穩(wěn)定，但該斷層與礦體相切，增大回采和開拓工作量時，應(yīng)密切注意斷層周邊的微震事件活動。

關(guān)鍵詞：地球物理學(xué);微震監(jiān)測;震源機(jī)制;斷層滑移;矩張量反演

中圖分類號：TD32??????????文章編號：1001-1277（2021）02-0030-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210206

引?言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦產(chǎn)資源消耗與日俱增，采礦業(yè)隨之向深部礦藏進(jìn)軍。深部硬巖開采中，礦山地壓問題日益嚴(yán)重，開采擾動可引起應(yīng)力場多次改變，促使應(yīng)力集中區(qū)巖層儲能增大，形成潛在的應(yīng)變能釋放區(qū)，導(dǎo)致巖爆問題顯現(xiàn)、大面積巖層失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增加，威脅開采安全與正常生產(chǎn)。加之地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，井下巖體失穩(wěn)范圍、具體位置、能量大小等皆屬未知，若能對礦山巖體失穩(wěn)等地壓事件的震源機(jī)制進(jìn)行正確的解譯，獲知礦山巖體實(shí)時破裂狀態(tài)，對保障礦山安全高效開采具有重要的意義[1]。

震源機(jī)制解是指通過分析監(jiān)測記錄得到的全波形微震資料，運(yùn)用一定的方法和理論來反演巖體破裂面的相關(guān)參數(shù)，從而判斷震源處的破裂類型與成核機(jī)理[2]。用于識別巖體失穩(wěn)類型的方法可以總結(jié)為2個大類：波形反演法和間接推斷法。波形反演法通過對單個事件多臺站波形信息的反演，得到震源處的能量輻射模型，以此確定該事件的巖體破裂機(jī)制。間接推斷法不針對特定的單一事件，而是依靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過分析微震事件群的時間和空間演化趨勢推斷該事件群反映的巖體破裂機(jī)制。

在工程實(shí)踐中，間接推斷法已廣泛應(yīng)用。與波形反演法相比，間接推斷法數(shù)據(jù)處理簡單，且能處理大數(shù)量的微震事件，但該方法結(jié)果可靠度低，且有時會給出模棱兩可的結(jié)果，一般僅作為參考指標(biāo)。由于微震監(jiān)測系統(tǒng)可以方便高效地獲得微震事件波形資料，因此本次研究使用波形反演法求解某礦山微震事件的震源機(jī)制，并以此分析微震事件對應(yīng)的巖體破裂類型及破裂面產(chǎn)狀信息，最終確定其典型斷層區(qū)域微震事件活動特征。

1?震源機(jī)制識別方法

隨著地震記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高和計(jì)算理論的改進(jìn)，地震學(xué)的研究朝著定量解釋觀測數(shù)據(jù)的方向發(fā)展。地震學(xué)上通常以等效力模型描述巖體失穩(wěn)的物理過程[2]。該等效力模型相當(dāng)于線性波動方程，它不涉及震源附近的非線性問題，其在自由面產(chǎn)生的震動與震源處實(shí)際物理過程在自由面產(chǎn)生的震動相同，所以可由觀測到的地震記錄來求解等效力。微震事件波形資料包含巖體失穩(wěn)震源、傳播路徑和傳感器響應(yīng)的信息[3-4]。不管是研究巖體失穩(wěn)或破裂過程，還是探索地震波在巖體中的傳播，除了需要對傳感器記錄時產(chǎn)生的畸變進(jìn)行修正外，還需要把震源效應(yīng)與路徑效應(yīng)分開。隨著數(shù)值計(jì)算能力的提高和對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解的深入，當(dāng)前已經(jīng)可以準(zhǔn)確地計(jì)算出路徑效應(yīng)，從而使得從地震記錄數(shù)據(jù)中扣除路徑影響及儀器記錄引起的波形畸變，進(jìn)而分離出震源信息成為可能。

1971年Gilbert引入了震源矩張量的概念，并定義為作用在一點(diǎn)上的等效力的一階矩，對矩張量進(jìn)行一定的分解分析可以獲得相應(yīng)的巖體破裂類型和破裂面產(chǎn)狀信息[5-8]。在反演得到巖體破裂矩張量之后，為了便于計(jì)算各分解分量的比重，需要對矩張量結(jié)果進(jìn)行特征值化[9-10]，得到其3個特征值為M1、M2、M3。將處理后的矩張量寫成矩陣形式，可將其分解為各向同性部分（ISO）和偏量部分（DEV）。

其中，MV=1[]3（M1+M2+M3），為矩張量的各向同性部分。通常認(rèn)為各向同性部分來自巖體的膨脹破裂，而偏量部分來自剪切破裂[11-16]。本文在此基礎(chǔ)上對微震事件的矩張量進(jìn)行量化研究，采用如圖1所示的技術(shù)路線，從反演所得矩張量中分析得到明確的巖體破裂類型和精確的破裂面產(chǎn)狀信息。該技術(shù)路線包括波形的濾波處理、事件的定位、格林函數(shù)相關(guān)激勵矩陣計(jì)算、巖體破裂運(yùn)動位移譜計(jì)算及矩張量分解計(jì)算，最終得到地壓失穩(wěn)事件對應(yīng)的巖體破裂類型。

2?斷層滑移型微震事件識別

某地下開采礦山，生產(chǎn)能力200萬t/a，地表標(biāo)高1?300多m，目前采深已至840?m水平，屬于深井開采礦山。該礦山從20世紀(jì)建礦以來，累計(jì)采出礦量數(shù)千萬噸。但是，隨著淺部資源開采完畢，礦山地壓顯現(xiàn)日益嚴(yán)重。受多次開采擾動引起的應(yīng)力場無序改變影響，礦山開采范圍內(nèi)巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部區(qū)域巖層潛能大，有可能成為潛在的應(yīng)力集中釋放區(qū)（定時炸彈），引發(fā)巖爆、大面積巖層失穩(wěn)與支護(hù)難的問題，威脅井下開采安全與礦山正常生產(chǎn)。由于應(yīng)力場的復(fù)雜性，礦山井下高應(yīng)力分布范圍與位置確定較為困難。為獲知礦山地壓的實(shí)時狀態(tài)，該礦山于2014年建成微震監(jiān)測系統(tǒng)。

按照文中所述的基于矩張量反演分析方法，對該礦山的微震大事件震源機(jī)制進(jìn)行識別。該礦山6個月的微震事件震級統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，微震事件震級主要集中在-2.40～-0.70，0級以上微震事件僅占2.47?%，如圖2-a）所示。由于斷層滑移型微震事件是造成井下災(zāi)害的重要誘因之一，且一般斷層滑移型微震事件的震級比其他類型微震事件震級要大[17-20]，本次研究僅對震級大于-0.50的微震事件進(jìn)行震源機(jī)制識別分析。震級大于-0.50的微震事件空間分布如圖2-b）所示。

由圖2可知：該礦山微震大事件多分布于礦區(qū)北部，震級大于0的微震事件多分布于F310斷層控制區(qū)。該礦山2014年上半年發(fā)生的最大震級微震事件（坐標(biāo)（381?519.0，2?997?568.5，1?270.3），震級0.70）正好位于F310斷層面之上，F(xiàn)310斷層在W9勘探線至W11勘探線的部分位于礦體上部50～100?m，該事件產(chǎn)生的地震波傳播至采場暴露面時，加速了假頂離層，增加了采場回采風(fēng)險(xiǎn)。

由采動或爆破導(dǎo)致的斷層錯動能夠釋放出較大比例的剪切波，相比于同等能量的爆破事件，斷層滑移更容易誘發(fā)諸如頂板冒落和礦柱垮塌，甚至是巖爆和沖擊地壓等災(zāi)害[17]。從數(shù)據(jù)庫中共檢索出滿足要求的微震事件84次（如表1所示），其中75次微震事件可通過矩張量反演分析得到震源機(jī)制解，其余9次微震事件由于傳感器觸發(fā)數(shù)量小于6，未能給出精確的矩張量反演結(jié)果。本文采用偏張量比重識別法，根據(jù)之前所述，%ISO代表巖體的體積改變，即各向同性部分的壓縮或膨脹，而%DEV則代表震源機(jī)制中的剪切破壞部分，該部分所占比重越大，表明該事件越傾向于純剪切。

部分微震事件的矩張量分析結(jié)果和分解結(jié)果如表1所示，并對各微震事件的巖體破裂類型進(jìn)行判別，統(tǒng)計(jì)表中的數(shù)據(jù)顯示：在84次震級大于-0.50的微震事件中，非剪切破裂僅占19次，即在微震大事件中，有80?%的事件屬于剪切破壞類事件。

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制如圖3所示的偏張量所占比重分布圖，假設(shè)%DEV大于90的都可近似視為純剪切事件。由圖3可知，純剪切事件所占比重相當(dāng)少，大多數(shù)的微震事件傾向于體積改變與剪切的結(jié)合。該礦山剪切性微震事件中的偏張量部分并不比體積改變即各向同性部分多太多。?%ISO分布于40～50或%DEV分布于50～60的微震事件，占微震大事件總數(shù)的40?%左右。識別出的剪切滑移型微震大事件如圖4所示。

3?斷層區(qū)微震事件時空強(qiáng)演化規(guī)律

由上文可知，該礦山微震大事件多分布于F310斷層控制區(qū)，因此本文選取F310斷層區(qū)為研究對象，分析其微震事件時空強(qiáng)演化規(guī)律。

3.1?斷層及相關(guān)微震活動

該礦山F310斷層南起W6勘探線附近，全長3?000?m以上，走向一般為NNE—SSW向，傾向270°～300°，傾角30°～50°，一般42°左右。在900?m標(biāo)高以上，垂直斷距150～220?m，水平斷距170～300?m;900?m標(biāo)高以下，垂直斷距40～150?m，水平斷距40～170?m。斷距有從南到北、從地表向深部逐漸變小的趨勢。該斷層切割礦體，使礦體形成寬60～270?m的重復(fù)帶。斷層在地表于古牛背1?340?m標(biāo)高處切下礦體，形成SW向延伸的礦體重復(fù)帶。F310斷層900?m標(biāo)高以上分布特征如表2所示。

根據(jù)該礦山微震大事件巖體破裂類型分析結(jié)果，首先剔除大事件中的非剪切破裂類型，對剩余事件的時空分布進(jìn)行分析，僅分析震源位置距斷層垂直距離100?m內(nèi)的剪切滑移型微震事件，F(xiàn)310斷層控制區(qū)共識別震級大于-0.50微震大事件29次，即震級-0.50～0.70，將震源機(jī)制反演結(jié)果以沙灘球的形式展示，如圖5所示。

發(fā)生于2014-05-19?T?14：51：04的最大震級微震事件位于該斷層面上。由圖5-c）可知：斷層相關(guān)微震事件多分布于斷層面的下盤靠近礦體和采場附近，因此判斷識別出微震大事件有些與斷層滑移直接相關(guān)，即斷層滑移本身產(chǎn)生的微震事件;而有些則為斷層滑移微震事件發(fā)生后導(dǎo)致斷層內(nèi)貯存的巨大能量以剪切波形式釋放，從而誘發(fā)采場周邊破壞。該事件發(fā)生后1?h內(nèi)分別在采場和斷層上盤發(fā)生小震級微震事件，如圖6所示。

該礦山F350斷層為一隱伏逆斷層，該斷層分布特征如表3所示。F350斷層控制區(qū)微震事件數(shù)較少，發(fā)生震級-0.50以上微震事件11次，這11次微震事件在空間分布上相對集中，距斷層面距離較近，多分布于北1盤區(qū)N1采場至N5采場，垂直方向上集中于962～1?081?m，最大震級微震事件坐標(biāo)（381?395.8，2?997?000.0，942.0），震級0.30，如圖7所示。

區(qū)別于發(fā)生在F310斷層上的最大震級微震事件，發(fā)生在F350斷層上的最大震級微震事件并未引起后續(xù)連鎖反應(yīng)，斷層周邊采場未出現(xiàn)明顯巖體破裂。相比于礦區(qū)北部，該地區(qū)爆破活動頻率較低，出礦量較少，推斷該處斷層活化主要為礦區(qū)北部回采和爆破所致。該處斷層發(fā)生活化滑移，并釋放能量，但由于周邊空場較少，斷層滑移型微震事件并未引發(fā)次生微震事件。

3.2?微震事件產(chǎn)狀分析

通過矩張量反演得到的F310斷層控制區(qū)微震事件的斷層面解如表4所示，F(xiàn)350斷層控制區(qū)的6次微震事件斷層面解如表5所示。由于每個微震事件通過矩張量反演都將得到2個相互垂直的節(jié)面，這2個節(jié)面中的一個為斷層的滑移面。

F310斷層控制區(qū)微震事件破裂面走向統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖8所示。從統(tǒng)計(jì)信息中可知，該控制區(qū)微震事件的走向多集中于NEE—SWW，與F310斷層走向NNE—SSW呈15°～30°的夾角。根據(jù)玫瑰圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果和F310斷層的產(chǎn)狀信息對相關(guān)微震事件滑移面的選取進(jìn)行分析，選取結(jié)果在表4中以灰色背景標(biāo)出。同時注意到，存在11次微震事件的破裂面傾角大于等于80°，這些事件可能由于波形信噪比較低，導(dǎo)致依據(jù)波形反演分析得到的結(jié)果誤差較大，也可能并非斷層滑移直接產(chǎn)生，而是斷層滑移后誘發(fā)的采場周邊微震事件。

如表5所示。由表5可知：節(jié)面走向相差很大，沒有出現(xiàn)較為集中的破裂面走向區(qū)間，僅24#和29#微震事件的走向與F350斷層走向（240°）較為接近。該區(qū)域微震破裂面的傾角和滑動角也未出現(xiàn)較為集中的區(qū)間。綜上所述，F(xiàn)350斷層控制區(qū)微震大事件離散性較大，事件較為孤立，時間和空間上不具有明顯的因果關(guān)系。盡管F350斷層未出現(xiàn)大的斷層活化，周邊微震事件活動并不頻繁，但該斷層距礦體較近，部分區(qū)域?qū)⒌V體切割，導(dǎo)致采場頂板較為破碎，在該區(qū)域回采工作量增大后，應(yīng)密切注意斷層及斷層周邊微震事件的活動，防止斷層活化誘發(fā)次生災(zāi)害。

根據(jù)表4和表5矩張量反演得到的震源機(jī)制解，該礦山斷層滑移型微震事件群震源機(jī)制解的三維顯示如圖9所示。圖9-a中的紅色和藍(lán)色節(jié)面表示該處巖體可能的滑移破壞面，圖9-b中的紅藍(lán)箭頭表示結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體可能的錯動方向。在明確了微震事件的主要破壞形式及錯動方向后，該礦山在現(xiàn)場組織支護(hù)施工，并盡可能垂直破裂面安裝錨桿，支護(hù)效果顯著提高。

4?結(jié)?論

1）應(yīng)用地球物理學(xué)的方法，基于微震數(shù)據(jù)反演分析了巖體破裂特征和斷層滑移特征，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用矩張量反演分析可以清晰地表達(dá)震源處的受力情況，且應(yīng)用矩張量分解可以探知震源的破裂面產(chǎn)狀及震源的破裂類型。

2）F310斷層控制區(qū)微震事件群中微震事件84次，最大震級0.70;F350微震事件群中微震事件6次，最大震級0.30。

3）F310斷層微震事件群的破裂面方位以NEE—SWW為主，與F310斷層走向（NNE—SSW）呈15°～30°的夾角。

4）從微震事件的宏觀分布上看，礦區(qū)W9勘探線至W11勘探線為微震事件高發(fā)區(qū)，該區(qū)域的微震事件數(shù)量在時間分布上并不單純集中于生產(chǎn)爆破之后，這與F310斷層的滑移相關(guān)。

5）F350斷層相對穩(wěn)定，周邊并未出現(xiàn)大的微震事件，已經(jīng)出現(xiàn)的斷層滑移型微震大事件并未表現(xiàn)明顯的滑移集中方向，但該斷層與礦體相切，該區(qū)域增大回采和開拓工作量時，應(yīng)密切注意斷層周邊的微震事件活動。

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