湖南礦山地震特征分類

童 瓊 童迎世 康承旭

1）中國湖南 410008 長沙地震監(jiān)測中心站

2）中國長沙 410004 湖南省地震局

0 引言

地震是地球動(dòng)力作用的產(chǎn)物，可能是地球內(nèi)動(dòng)力引起的構(gòu)造地震和火山地震，也可能是外動(dòng)力造成的塌陷地震等。在一定條件下，人類的工程活動(dòng)會(huì)誘發(fā)地震活動(dòng)，尤其是礦產(chǎn)資源開采，經(jīng)常引發(fā)地震，從而對地表造成破壞性影響。隨著礦產(chǎn)資源地下開采加劇，人為作用力對地表和巖石的影響逐漸增大，甚至?xí)淖儸F(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)的自然進(jìn)程。

湖南省礦產(chǎn)資源豐富，種類較多，采礦點(diǎn)面較廣，但發(fā)生礦山地震（下文簡稱礦震）的礦種和礦點(diǎn)相對不多。然而，礦山地震是湖南省誘發(fā)地震中危害最大的一類地震。一旦發(fā)生礦震，對當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活將產(chǎn)生一定破壞性影響。本文對湖南區(qū)域發(fā)生的礦震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按礦種、成因、誘發(fā)因素進(jìn)行分類，以便掌握可能發(fā)生礦震的區(qū)域，從而采取針對性的有效的監(jiān)測措施，保障當(dāng)?shù)孛癖姺€(wěn)定的生產(chǎn)、生活環(huán)境。

1 湖南礦震按礦種分類

自湖南省有測震臺(tái)網(wǎng)記錄以來，煤礦、金屬礦、非金屬石膏礦開采均誘發(fā)過礦震。其中，誘發(fā)地震礦點(diǎn)主要分布如下：①煤礦：寧鄉(xiāng)煤炭壩煤礦區(qū)，婁底的恩口、斗笠山和橋頭河煤礦區(qū)、邵東的牛馬司煤礦區(qū)，祁陽煤礦區(qū)；②金屬礦：安化的硫鐵礦、郴州的鈾礦、鳳凰汞礦區(qū)；③石膏礦：石門和衡陽與湘潭的石膏礦區(qū)。

湖南省礦震發(fā)生礦點(diǎn)分布見圖1。

圖1 湖南礦震發(fā)生礦點(diǎn)分布Fig.1 Distribution map of mine sites in Hunan mine quake

1.1 煤礦礦震

煤體屬于一種脆性巖體，煤礦自然災(zāi)害表現(xiàn)為瓦斯突出、頂板冒落、井水突出和礦山地震等形式（張少泉等，1993）。其中煤礦礦震震級(jí)一般為2—3 級(jí)左右，個(gè)別達(dá)4 級(jí)以上。據(jù)調(diào)查，湖南省內(nèi)煤礦礦震主要發(fā)生在寧鄉(xiāng)煤炭壩、邵東牛馬司、漣源恩斗橋等地區(qū)（圖1）。

據(jù)調(diào)查，湖南省煤層一般形成于白堊紀(jì)到第三紀(jì)，深度從幾十米到一百米不等。目前，煤礦通常以房柱式人工開采方式為主，機(jī)械化開采為輔。隨著開采深度的增加，覆蓋層壓力增加，致使煤層從“易碎物質(zhì)”變成“準(zhǔn)粘滯性物質(zhì)”，造成應(yīng)力在深部煤層構(gòu)造面或開采面附近的高度集中和聚積，以至超過煤體強(qiáng)度。而局部滲水和透氣，都可能加速此應(yīng)力集中過程。礦震發(fā)生之前，往往會(huì)出現(xiàn)微震活動(dòng)的緩慢增加，但在較大礦震即將發(fā)生時(shí)，微震活動(dòng)又急劇減弱，甚至“平靜”。

1.2 金屬礦礦震

湖南的金屬礦開采規(guī)模不大，礦震震級(jí)一般為2—3 級(jí)，最高可達(dá)4 級(jí)以上。對于表層開采，若沒有區(qū)域構(gòu)造背景，則震級(jí)較低，僅2—3 級(jí)。據(jù)調(diào)查，湖南省內(nèi)金屬礦礦震有安化青山硫鐵礦、郴州711 鈾礦和鳳凰汞礦（圖1）。

與煤、石膏等礦的沉積變質(zhì)過程不同，金屬礦的礦震形成于熔巖的遷移凝聚過程，因此斷層活動(dòng)的參與遠(yuǎn)比煤礦強(qiáng)烈。金屬礦所誘發(fā)的地震更接近天然地震。由開采而誘發(fā)的容積閉合對斷層的復(fù)活起著不可忽視的作用。但是，天然地震震源多為平推斷層或逆斷層，而金屬礦震震源多為正斷層，這可能與形成條件和誘發(fā)條件有關(guān)。

1.3 石膏礦礦震

湖南石膏礦礦震主要發(fā)生在石門花藪和湘潭與衡山交界的礦點(diǎn)（圖1）。

石膏礦開采過程中由于開挖洞室和坑道，使地應(yīng)力分異，圍巖應(yīng)力躍遷及能量進(jìn)一步集中，在應(yīng)力作用下圍巖產(chǎn)生張—剪脆性破壞，并伴隨聲響和震動(dòng)。在消耗部分彈性應(yīng)變能的同時(shí)，剩余能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使圍巖由靜態(tài)平衡向動(dòng)態(tài)失穩(wěn)發(fā)展，造成巖片隔離母體，獲得有效的彈射能量。地震發(fā)生時(shí)能聽到從震區(qū)發(fā)出的垮塌聲，從現(xiàn)場調(diào)查可知，這種礦震與其他礦震不同之處是，采空區(qū)在上覆巖體的巨大靜壓力作用下，在某些地段形成應(yīng)力集中，使堅(jiān)硬巖石產(chǎn)生破裂，在礦井中產(chǎn)生巖石鼓出等現(xiàn)象。

2 礦震按成因分類

湖南省礦震成因可分為頂板冒落型、頂板開裂型、礦柱沖擊型和斷層活動(dòng)型4 類。

2.1 頂板冒落型礦震

當(dāng)?shù)V頂重力或應(yīng)力超過支撐力時(shí)，會(huì)造成整體或局部崩落，此時(shí)發(fā)生的地震即為頂板冒落型礦震。伴隨崩落過程，對頂板上部增加一個(gè)后坐力，冒落物對底板施加一個(gè)沖撞力。2 個(gè)力的方向相反，大小可視為相等，因而等效于在垂直方向上的一對張力，可表示為一對偶極矩。礦山開采過程中，為保護(hù)開采區(qū)采用木柱或周邊巖體支撐頂板，但同時(shí)形成潛伏隱患的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和積累。當(dāng)頂板附近有處于頂板和底板之間的礦柱時(shí)，礦柱則自然地成為能量快速轉(zhuǎn)移和積累的場所。當(dāng)應(yīng)力超過礦柱強(qiáng)度時(shí)，礦柱發(fā)生斷裂，牽動(dòng)上下底板活動(dòng)，形成塌陷，所造成的破壞和影響范圍較小。2006 年8 月19 日19 時(shí)47 分，石門花藪地區(qū)發(fā)生的ML3.6 礦震，即屬于頂板冒落型礦震。

2.2 頂板開裂型礦震

當(dāng)直接頂與表頂“粘結(jié)”牢固，不能在重力或應(yīng)力作用下通過冒落釋放積累的能量時(shí)，只能通過自身開裂，即破壞性變形來釋放能量，此時(shí)發(fā)生的地震即為頂板開裂型礦震。這里的開裂等效于一對水平方向的對稱張力。實(shí)際過程可能是，頂板開裂與頂板冒落共同存在，2種破壞形式的結(jié)合形成一對張力與一對壓力組成的正交力系，等效于一個(gè)雙力偶模型。據(jù)震區(qū)群眾反映，2001 年5 月19 日牛馬司ML3.0 礦震、2003 年1 月17 日湖南省衡山縣與湘潭縣交界石膏礦ML2.8 地震發(fā)生時(shí)有沉悶地聲。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦井頂部巖塊掉落并伴有響聲，礦頂出現(xiàn)裂縫。

2.3 礦柱沖擊型礦震

礦柱沖擊型礦震發(fā)生原理如下：保留柱（如煤柱、巖柱）是支撐頂板以保護(hù)開采區(qū)的一種開采方式，但同時(shí)形成潛伏隱患的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和積累。當(dāng)頂板在重力或應(yīng)力下不能以冒落或開裂形式釋放所積蓄的位能時(shí)，礦柱則自然成為能量快速轉(zhuǎn)移和積累的場所。應(yīng)力超過礦柱強(qiáng)度則會(huì)發(fā)生斷裂。此時(shí)，由于礦柱的破裂牽動(dòng)上下底板活動(dòng)，從而形成由礦柱水平方向的張力和上下底板的壓力構(gòu)成的一組正交力系，即等效于一個(gè)雙力偶模型。

1996 年7 月1 日湖南安化縣高明鄉(xiāng)青山硫鐵礦ML2.6 地震的發(fā)生，即由于多年采掘，對采空區(qū)未采取有效技安措施，采掘面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖溶發(fā)育，斷層縱橫展布，加之采礦巷道不規(guī)范，致使井下巖體結(jié)構(gòu)存在諸多不穩(wěn)定因素。在采掘過程中，由于大跨度、大開采量使巖石原始狀態(tài)受到破壞，一些地段應(yīng)力得以釋放，另一些地段應(yīng)力得到加強(qiáng)，采空區(qū)在上覆巖體的巨大靜壓力作用下，在某些地段形成應(yīng)力集中，使堅(jiān)硬巖石產(chǎn)生破裂，在礦井中產(chǎn)生巖爆和巖石鼓出等現(xiàn)象，破碎巖石被彈射出來，從而產(chǎn)生礦柱沖擊型礦震。

2.4 斷層活動(dòng)型礦震

斷層活動(dòng)型礦震發(fā)生原理如下：開拓巷道或回采煤體會(huì)破壞原巖應(yīng)力，形成一個(gè)內(nèi)向壓縮的附加應(yīng)力帶，即容積閉合帶，容易誘發(fā)在巷道或開采面附近的斷層活動(dòng)。若斷層位于底板下部，可能因上部卸載（減壓）而發(fā)生逆斷層活動(dòng)，若斷層位于頂板上部，可能因下部卸載（減壓）而發(fā)生正斷層活動(dòng)；若斷層位于巷道一側(cè)并與之平行，則可能因一側(cè)卸載（減壓）而引起斷層的平推活動(dòng)。顯然，這里是一對雙力偶作用，等效于一對主應(yīng)力作用。

1998 年3 月12 日18 時(shí)5 分郴州市馬頭嶺ML3.4 地震發(fā)生在茶永盆地，該盆地被兩側(cè)大斷裂所夾持，其中西北側(cè)斷裂由茶陵經(jīng)永興、原郴縣向西南延伸，走向基本呈NNE向；東南側(cè)斷裂由江西寧岡經(jīng)三都西北、原郴縣南邊至騎田嶺消失，走向基本呈NNE 向。2 條斷裂帶在地貌、物探、地層對比上均顯示，對盆地的形成和發(fā)展具有一定控制作用。震區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，溶洞發(fā)育形成喀斯特地形，局部有暗河并有溫泉出露。

頂板冒落、頂板開裂、礦柱沖擊和斷層剪切等4 類礦震成因據(jù)巷道周圍構(gòu)造和開采環(huán)境造成的應(yīng)力狀態(tài)加以區(qū)分，但實(shí)際礦震成因復(fù)雜。而且，當(dāng)出現(xiàn)大面積懸頂并久懸不落時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)頂板冒落和頂板開裂，此時(shí)若附近存在礦柱或斷層，則可能發(fā)生礦柱沖擊和斷層活動(dòng)。

3 礦震按誘發(fā)因素分類

采礦誘發(fā)地震活動(dòng)（礦震）是礦山常見地下型環(huán)境地質(zhì)問題（戴塔根等，2000）。礦震是指開采地下固液體礦產(chǎn)過程中出現(xiàn)的地震，是由人類采礦活動(dòng)誘發(fā)的。據(jù)研究，引起礦震的因素主要有：①地下體積虧損：從地下采取固體礦石或流體后，造成地下體積虧空，改變原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起塌陷、斷裂活動(dòng)導(dǎo)致誘發(fā)地震；②掘進(jìn)放炮時(shí)沖擊波誘發(fā)斷裂復(fù)合或巖溶塌陷誘發(fā)地震；③注水定向流動(dòng)：礦山注水加速了地下水對白云巖、石灰?guī)r的浸蝕（巖溶）作用，浸蝕至一定程度便誘發(fā)塌陷地震。按誘發(fā)因素，可將礦震分為誘發(fā)構(gòu)造型、誘發(fā)塌陷型和巖（煤）爆誘發(fā)型3 類。

3.1 誘發(fā)構(gòu)造型礦震

開拓巷道或回采煤體會(huì)破壞原巖應(yīng)力，形成內(nèi)向壓縮的附加應(yīng)力帶，會(huì)誘發(fā)位于巷道或開采面附近的斷層活動(dòng)。若產(chǎn)生的附加應(yīng)力增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)局部應(yīng)力調(diào)整而觸發(fā)地震活動(dòng)，且地震波形與天然地震波形相近，震后現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，地震烈度等值線沿構(gòu)造呈橢圓分布，此類誘發(fā)構(gòu)造型礦震占比較大。例如：2007 年6 月25 日湖南寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)段家橋村附近ML2.8 地震，烈度分布呈橢圓形（圖2），長軸與李家壩—段家橋斷裂帶方向基本一致，表明此次地震為該斷裂帶誘發(fā)的一次構(gòu)造型礦震；2016 年7 月19 日發(fā)生在漣源斗笠山鎮(zhèn)煤礦區(qū)的漣源ML3.8 地震，主破裂面走向NE12°，與地震烈度等震線長軸方向及附近的寧鄉(xiāng)—婁底—新寧斷裂帶走向基本一致（圖3），說明此次地震為寧鄉(xiāng)—婁底—新寧斷裂帶誘發(fā)的構(gòu)造型礦震，應(yīng)由采礦導(dǎo)致斷層復(fù)活和彈性能量提前釋放造成。

圖2 寧鄉(xiāng)煤炭壩ML 2.8 煤礦地震等震線Fig.2 The isoseism of the ML 2.8 coal mine earthquake in the meitanba of Ningxiang

圖3 漣源ML 3.8 地震影響場Fig.3 The seismic impact field of the ML 3.8 earthquake in Lianyuan

誘發(fā)構(gòu)造型礦震又可分為采礦直接引發(fā)和采礦抽水誘發(fā)2 類。采礦使地下應(yīng)力失去平衡直接引發(fā)礦震；采礦抽水的水壓作用，使斷裂面受水浸潤，一旦失去水壓，沿?cái)嗔衙婢蜁?huì)發(fā)生卸荷作用，形成偏差應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力大于斷面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，即出現(xiàn)粘滑效應(yīng)，從而誘發(fā)地震（童迎世等，2003）。此2 類誘發(fā)構(gòu)造型礦震在湖南地震活動(dòng)中相對較多。例如：1995 年11 月16 日漣源七星發(fā)生的ML2.8 地震和1998 年3 月12 日湖南郴州771 礦發(fā)生的ML3.4 地震。郴州771 礦位于郴州市東北部許家洞鎮(zhèn)，1955 年航測發(fā)現(xiàn)，1963 年開采，1994 年停產(chǎn)，礦區(qū)附近分布多處煤礦，曾于1992 年發(fā)生ML3.1 地震。ML3.4 地震發(fā)生在茶永盆地西南端，地震發(fā)生除與鈾礦的長期開采有關(guān)外，與礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，為典型的誘發(fā)構(gòu)造型地震。由1:20 萬地質(zhì)圖可見，震中區(qū)附近分布NW 向斷裂，地下溶洞發(fā)育，形成喀斯特地形，局部有暗河，伴有溫泉出露，周邊地質(zhì)條件較復(fù)雜。

一般，構(gòu)造誘發(fā)礦震的震中位于深采區(qū)，且震源淺，與礦區(qū)外圍的天然地震相比震級(jí)較低，其成因與采礦活動(dòng)密切相關(guān)。礦產(chǎn)資源開采形成的自由空面致使采空區(qū)周圍巖體受壓，由原三向變?yōu)閮上蚧騿蜗颍饝?yīng)力、重力的重新分配，在采空區(qū)范圍內(nèi)沿?cái)嗔研纬杀姸鄳?yīng)力集中地段和高地壓帶，促使應(yīng)變能提前分散釋放，從而誘發(fā)地震。

采礦抽水也可誘發(fā)地震。如1976 年3 月11 日和4 月8 日在杉山發(fā)生的ML2.8、ML2.9地震，2 次地震震中靠近恩口向斜中部，有感范圍幾乎遍及整個(gè)向斜盆地，等震線長軸方向與向斜軸部的2 條斷層平行。

3.2 誘發(fā)塌陷型礦震

誘發(fā)塌陷型礦震形成主要是由于采空或者頂板陷落形成塌陷，震源淺，破壞和影響范圍小。誘發(fā)塌陷型地震發(fā)生后，儀器記錄波形具有S 波和面波周期大以及波形持續(xù)時(shí)間短、衰減快2 個(gè)顯著特征。

地震發(fā)生后，據(jù)現(xiàn)場考察，震區(qū)有明顯塌坑，對附近建筑物有一定破壞性，等震線分布不規(guī)則，如1976年3月11日9 時(shí)17分漣源縣恩口煤礦一帶發(fā)生的ML2.9 地震（圖4）。震區(qū)群眾反映，地下有較大悶雷般的響聲，窗戶及未裝牢的玻璃窗振動(dòng)作響，器具及碗柜里的碗碰撞發(fā)聲，屋頂塵土掉落，人體有較大下沉感。

圖4 婁底恩口礦區(qū)ML 2.9 地震等震線Fig.4 The isoseism of the ML 2.9 earthquake in the enkou mining areas of Loudi

此類地震一般震源淺、地聲大、震級(jí)小，烈度相對較高。地聲大、烈度高應(yīng)與震源淺及地下溶洞和煤窯較多有關(guān)。如1974 年7 月25 日7 時(shí)45 分邵東縣廉橋區(qū)界嶺公社臘樹鋪—花亭子—畔沖—長塘一帶發(fā)生的ML3.6 有感地震，震中位于采煤區(qū)，震源僅6 km，震中區(qū)普遍有感，房屋震動(dòng)，門窗作響，塵土掉落，墻皮出現(xiàn)裂縫、裂紋，舊墻縫擴(kuò)大，檐邊掉瓦。其等震線分布與1976 年漣源恩口煤礦ML2.9 地震相似，呈不規(guī)則圖形（圖5）。

圖5 邵東廉橋ML 3.6 地震等震線Fig.5 The isoseism of the ML 3.6 earthquake in the lianqiao of Shaodong

3.3 誘發(fā)巖爆型礦震

在巖石巷道或開采面發(fā)生的地震，稱為誘發(fā)巖（煤）爆型礦震，在煤炭部門稱沖擊地壓。隨著礦井向下延伸，基巖坑道開挖深度越來越大（童瓊等，2021），在新的掌子面上，如巷道側(cè)壁位移、井壁變形等，容易誘發(fā)巖（煤）爆型礦震。此類礦震的典型特征是等震線幾乎呈圓形分布。

巖（煤）爆是地應(yīng)力以小規(guī)模方式急劇釋放的一種表現(xiàn)，產(chǎn)生于具有大量彈射應(yīng)變能儲(chǔ)備的硬質(zhì)脆性巖體，其發(fā)生必須具備一定條件：①巖體經(jīng)受過較強(qiáng)的地應(yīng)力作用；②圍巖內(nèi)儲(chǔ)存有較大彈性應(yīng)變能；③埋藏位置有較緊密的圍限條件；④機(jī)械開挖造成應(yīng)力的突然釋放。巖（煤）爆釋放機(jī)制與鉆孔內(nèi)出現(xiàn)的巖崩現(xiàn)象類似，呈劈裂成板→剪斷成塊→塊片彈射的漸進(jìn)破壞。具體原理如下：洞室和坑道開挖造成圍巖應(yīng)力躍遷及能量的進(jìn)一步集中，在圍巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生張—剪脆性破壞，并伴隨聲響和震動(dòng)。在部分彈性應(yīng)變能消耗的同時(shí)，剩余能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使圍巖由靜態(tài)平衡向動(dòng)態(tài)失穩(wěn)發(fā)展，造成巖片隔離母體，獲得有效的彈射能量，向臨空方向猛烈拋射。

此類型礦震不多見，湖南省幾十年來僅發(fā)生2 例，分別為1985 年2 月7 日邵陽市郊邵東煤礦ML2.8 地震（圖6）和1996 年7 月1 日安化縣高明鄉(xiāng)青山硫鐵礦ML2.6 地震（圖7）。安化縣高明鄉(xiāng)青山硫鐵礦礦震發(fā)生后，礦區(qū)少數(shù)房屋開裂；礦井采礦巷道、采場礦柱、礦壁破壞嚴(yán)重，崩落、塌落的巖石堆積，巖爆聲持續(xù)5 天。

圖6 邵東煤礦ML 2.8 地震等震線Fig.6 The isoseism of the ML 2.8 earthquake in the coal mine of Shaodong

圖7 青山硫鐵礦ML 2.6 地震等震線Fig.7 The isoseism of the ML 2.6 earthquake in the of Qingshan

4 結(jié)束語

通過對湖南礦震的礦種、成因和類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)礦震發(fā)震頻次高、危害大。對湖南礦震進(jìn)行分類了解，有助于掌握礦震的可能發(fā)生區(qū)域，針對性地采取必要的監(jiān)測手段，以保障當(dāng)?shù)孛癖姷纳a(chǎn)和生活，最大限度地保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)。