礦震識別及成因研究進展＊

張 華 姚 宏 陳 鑫 黃樹生 牟劍英

（廣西壯族自治區地震局，南寧 530022）

（作者電子信箱，張華：huazhang1222＠163．com）

引言

礦產資源是人類賴以生存、社會賴以發展的物質基礎，在國民經濟建設與社會發展中具有不可替代的作用，但在其開采過程中伴隨的礦山災害、工程及環境損傷卻對自然與社會造成極大危害。近年來我國煤礦事故的高發形勢令人擔憂。如瓦斯爆炸、礦震（或沖擊地壓）、透水、地面塌陷、煤體自燃等，這些地質災害嚴重威脅著礦山人員生命安全，影響到社會穩定、環境生態、經濟可持續發展，已成為關系國家戰略安全的問題之一［1］。

礦震是指發生在礦區范圍內，在一定地質背景和地質構造條件下，既與區域應力場有某種相關，又與礦區構造運動相關聯的各種礦山動力現象，并受礦山開采規模和開采方式影響而發生的地震［2］。迄今為止，人們觀測到的最大礦震發生在德國南部Werra河岸的Potash礦區，震級為ML5．6。我國記錄到的最大一次礦震是遼寧北票臺吉煤礦在1977年4月28日發生的ML4．3級礦震，其次是北京門頭溝煤礦1994年5月19日發生的ML4．2級礦震。由于礦震震源淺（－500～1 200m），接近礦體，在震級達到2級以上時就有可能產生破壞。礦震的規模還隨開采深度增加而可能加大。全球統計結果表明，開采深度大于500m的礦山就有發生3級以上礦震的可能［3］。

一般將礦山地震分為兩大類型，第一種和開采面的破裂變形相聯系（國內采礦系統稱之為沖擊地壓），第二種和大的地質間斷面（斷層）的運動相聯系（國內采礦系統稱之為礦震），都和礦山開采有關。根據以往的資料，第一種往往靠近開采工作面，震級較小，但對工作面沖擊較大。第二種距離工作面較遠，震級較大，地面震感強烈，但工作面感覺反而不太強烈［4］。Homer等進一步將這兩種礦震再細劃為6種類型，被廣泛采用［5］。如按礦震成因及其發生的部位劃分，礦震還可分為頂板冒落型礦震、頂板開裂型礦震、礦柱沖擊型礦震和斷層活動型礦震［6］。

隨著經濟社會發展，礦震研究及礦山安全愈發引起人們的關注。有些礦區不僅發生礦山地震，而且發生天然地震。由于實際觀測中礦震波形同天然地震波形非常相似，準確區分、識別礦震對評估區域性地震活動和礦震成因研究等方面具有重要的現實意義。近些年，一些學者對礦震開展了大量研究工作，本文著重從礦震識別及成因機制研究兩個方面進行回顧，并對未來的研究方向進行了展望。

1 礦震識別研究進展

礦震的表現形式與天然構造地震雷同，皆以構造應力作為主導驅動力，地質構造（斷裂、褶曲、盆地等）作為孕震體或發震體，差別在于礦震發生在特殊的煤礦區，震源生成、發展過程中摻雜著人類采掘煤礦引起的附加應力［7］。故從圖形上看，礦震與天然地震的波形既有相似之處，但又不完全相同。近幾年，由于煤礦的開采強度、開采方式以及地下采空面積和深度增大等因素，礦震規模和強度呈明顯上升趨勢。因此，礦震與地震的識別、速報已成為各級政府進行及時救災要解決的科學問題［8］。從科學角度來看，準確識別礦震是開展礦震研究的首要前提。

在模擬系統時期，是通過波形比較及振幅比、卓越周期分析［9－10］等對地震與礦震的識別進行研究的。基于地震波的輻射圖形、地震波譜分析和震相特征，人們提出了很多

識別礦震和地震的判據［11－12］。趙永等［13］從地震記錄圖的角度對北京地區地震、爆破和礦震的特征進行波形識別。對比發生在同一區域的礦震及天然地震波形發現，礦震的周期比天然地震的長，這可能與礦震發生位置較淺及其短周期面波發育有關。在模擬地震圖上，可以從周期、幅度、衰減、波形等直觀的看出震動類型。隨著地震信號的捕獲、采集、記錄、傳輸、解析逐步實現數字化，傳統地震學的研究領域正在發生變化。寬頻帶、大動態的數字地震記錄中包含了模擬記錄所沒有的豐富信息，這為礦震與天然地震的定量識別提供了更好的條件。張萍等［14］根據遼寧數字地震臺網記錄的爆破、礦震與地震的數字資料，采用波譜分析的方法，發現遼寧不同地區爆破、礦震與地震拐角頻率具有一定的差異，其中地震P波拐角頻率最大，平均為9．7Hz，S波拐角頻率平均為9．2Hz；爆破P波拐角頻率次之，平均為8．4Hz，S波拐角頻率平均為8．1Hz；礦震P波拐角頻率平均為7．5Hz，S波拐角頻率平均為7．2Hz。地震與爆破拐角頻率相差約1．5Hz；地震與礦震相差約2．2Hz。和雪松等［15］基于小波包能量向量和奇異值分解方法，對遼寧撫順和北京門頭溝區域的礦震和天然地震的波形進行識別，發現礦震能量集中在低頻部分，天然地震能量集中在高頻部分，通過其特征因子可以明顯區分礦震與天然地震，并對其物理意義進行了探討。劉希強等［8］選取Morlet小波作為基函數，利用能量衰減因子的方法對遼寧省撫順和北鎮臺記錄的礦震和地震的衰減因子a值變化特征進行研究，發現同等震級水平的礦震與地震的a值具有明顯差異，其變化范圍相互不存在重疊現象，隨震級增高，a值呈現下降特點且礦震a值隨震級增高而下降的速率比地震大。張麗芬等［16］等利用譜圖時頻分析方法，研究了三峽地區構造地震和礦震波譜的時頻特征，發現二者的時頻譜特征存在著明顯的差異：構造地震波主頻高于礦震；構造地震波的頻率成分比礦震豐富，能量密度頻譜隨頻率軸展布較寬，前者帶寬足是后者的4倍；礦震能量強度的峰值在整個波列中出現的時間較構造地震早，且能量衰減較快。礦震的有效識別是開展礦震成因研究的重要基礎，目前雖然在礦震識別研究方面取得了一些進展，但目前尚未有簡潔而通用的識別方法。如能實現礦震的自動模式識別，其在一定程度上將推進礦震的有效監測與科學研究。

2 礦震成因研究進展

2．1 礦震震源機制

為探求礦震的孕育機理和治理礦震災害，其震源機制一直是人們研究的重要內容。礦山震源機制是揭示和認識礦震發生機理，從事礦震研究的重要基礎。通過震源機制的研究，可以深入分析發震的內在和外在誘因、巖體的破（斷）裂機理，對于礦山防震減災具有重要的作用。到目前為止，有許多專家進行過礦震震源機制的研究，著名的有S J Gibowicz，A McGarr，S M Spottiswoode和W D Ortlepp等人。礦震震源機制的研究，最早始于對天然地震機理的研究，一些對天然地震研究的成果被直接應用到了礦山機制的研究之中。之后進一步的研究表明，礦震的震源機制與天然地震的震源機制有相似之處［4］。大部分礦震具有雙力偶機制，這已被許多資料所證實。但最近有證據表明，有相當一部分礦震具有非雙力偶性質。其表現為一種礦震的初動輻射圖像與沿破裂面的剪切運動方向一致，另一種礦震的初動輻射圖像以膨脹性質占優勢，其破裂體不是剪切滑動而是匯聚，即為內向爆炸。結合現場實際進行分析，具有剪切性質的第一組礦震由煤柱破裂產生，具有內爆性質的第二組礦震由廢井塌陷產生。當然，雙力偶剪切和非雙力偶內爆型的發生條件，在各國礦井中并不一致。兩種類型的機制解不可能是截然分開的。除單純剪切型、單純內爆型或單純張裂型外，還有兼而有之的混合型，如剪切－張裂型（剪張型）和剪切－內爆型（剪壓型）［6］。此外，李鐵等［17］通過對撫順老虎臺煤礦震源機制的研究，發現老虎臺煤礦礦震與該區域天然地震的震源機制差異明顯，孕育礦震的主要應力來源是卸荷產生的次生應力場，這種次生應力場受構造應力場和重力應力場的共同作用，其中卸荷重力應力場的誘發作用突出。礦震震源機制的復雜性可能與其復雜的構造環境與成因機制有關，對礦震震源機制的深入研究將為天然地震探索提供寶貴的資料。

2．2 礦震與構造關系

礦震在本質上是巖體應力集中且積累足夠應變能的部位在破裂時釋放應變能的過程。因此，礦震應與構造應力和構造活動相關。張宏偉［18］通過對北票礦區的研究得出，礦區Ι級斷裂所形成的區域應力場是該礦區礦震的主要成因、斷裂面失穩滑動是地震的主要表現形式，礦區開采則是地震的誘導因素。張少泉［19］通過對門頭溝煤礦研究表明，礦震的機制與成因受開采引起的重力、原巖構造應力和現今應力場的綜合影響。潘一山等［20］針對礦震受區域應力場影響進行了研究，表明礦震的發生與區域應力場相關，礦震和天然地震都是區域地殼運動變形的反映。

然而，根據傳統的地震發生的斷層成因說，似乎礦震的發生應該主要和大型或中型活動斷裂相關。但在現場和采礦系統的有關報告中發現，并不是所有大中型構造都是礦震的發生地。礦震（沖擊地壓）主要發生在一些向斜構造的軸部附近，礦區的大型斷裂并不一定是發生礦震的首要條件。有些煤礦（例如山東濟寧三號煤礦）的礦震（沖擊地壓）主要發生在一些向斜構造的軸部附近，而礦區分布的幾條大型斷裂似乎并沒有礦震發生的跡象。由此可見，礦震的發生雖然與斷層有關，但不是簡單的關系［21］。

根據莫爾準則，巖體的破裂條件與差應力的大小有關。因此，活動構造，例如，向斜、背斜、活動斷層等，往往是高差應力存在的標志。近年來的研究表明，不僅較大礦震與構造有關，而且工作面附近的較小礦震也與構造有關，特別是與工作面遇到的小構造有關。在采礦系統中，礦震成因的重力說是一種傳統說法，認為礦震發生是煤巖體不能承受頂板以上巖體重力造成頂板坍塌所致。G Buhoyino［22］，S Gibowicz［4］都 指 出，重力坍塌型礦震只占礦震類型中的一少部分，大部分礦震的成因和構造活動有關。在天然的地震成因說中，所謂的發震構造多半指活動斷層，地震斷層說在天然地震的成因說中往往占據統治地位。然而，許多礦山的礦震宏觀統計結果表明，重力說和斷層說這兩種說法均不夠全面，它們都忽略了更重要的構造背景。這里所說的構造，首先是向斜構造，其軸部及其附近往往是應力集中部位。礦震為什么會發生在這些部位呢？

究其原因，煤層在生成過程中是古代大量植物遺體被上覆巖土層掩埋后在一定溫度、壓力和與氧氣隔離的條件下形成的，而最早的煤層在很大面積上是呈水平的平坦狀態。如果煤層的等高線出現向斜構造，表明這里的煤層在形成后又經歷了新的構造運動，這種運動反映了近代水平向構造應力不均勻的狀態。因此，煤層中的向斜構造往往是發生礦震的最重要條件，而應力大小又與深度呈正相關。在開采達到一定深度時，就有可能誘發向斜軸部及附近的礦震，主要是在該部位的大小斷層。反之，如果不具備高應力條件，即使存在斷層，也不一定發生礦震［23］。國內外一些礦區地震的監測表明，同樣是礦區斷層，且同樣位于開采區，有的有礦震，有的就很少引起礦震，上述闡述在一定程度上可對該現象作出解釋。

2．3 礦震與瓦斯溢出

一直以來，礦震與瓦斯溢出的關系受到礦震研究者的關注。瓦斯的主要成分是甲烷，是成煤過程的產物。在自然的煤層壓力狀態下，大多處于被煤體吸附狀態。在煤層頂部封閉較差的地方，往往逐漸解吸擴散到大氣中，因此不同煤礦瓦斯含量有很大區別。在開采卸壓過程中，瓦斯被逐漸解吸，并滲透到巷道中。特別在煤巖體突然破裂時，煤體內部賦存的高壓瓦斯會造成煤巖體破壞［24］。研究表明，瓦斯、礦震、透水、塌陷和煤體自燃等是具有內在聯系的、是統一的動力過程。李世愚等［25－27］利用區域地震臺網和小孔徑流動臺網地震記錄和煤礦瓦斯濃度記錄獲得了撫順老虎臺煤礦一些礦震與瓦斯溢出相關的證據。通過對2002—2003年老虎臺礦近10次瓦斯（甲烷）百分濃度異常記錄曲線分析發現，有將近9次的資料曲線都顯示出在瓦斯突出或溢出0．5～1h之前，有1．5級以上礦震發生。而瓦斯濃度曲線則都不同程度地出現低值延時，經過10～30 min后才出現突然上升。同樣對阜新孫家灣煤礦中的礦震與瓦斯流體溢出研究中亦存在類似的規律。

礦震發生后瓦斯濃度的低值延時響應，表現出與地震引發的海嘯發生前海平面響應類似。從響應機理上，二者有所不同。前者為流體擴散過程，而后者為流體重力波，但本質上都是流體對固體破裂的響應。當破裂發生時，煤體內部的瓦斯首先需要填充新產生的破裂空隙。這樣，原來滲出的瓦斯流量產生暫時斷流，造成回風部位瓦斯濃度記錄的暫時低值現象，直到新的空隙填充完畢以后，高壓瓦斯才從突出部位涌出。由此得出，該類型瓦斯溢出為礦震的同震現象，而瓦斯的高壓賦存和煤巖體破裂是導致瓦斯溢出的根本原因。上述研究結果不僅在煤礦安全預警中有重大意義，而且對于震源物理研究也具有科學意義［28］。

礦震與瓦斯溢出相關的重要意義表明了部分礦山地震成因可能與流體有關。在流體作用中，需要特別關注超臨界流體，因為超臨界流體具有一系列特殊性質和作用。這些特性與巖石破壞、斷層活動及各種地質運動的動力學過程密切相關。超臨界流體的概念定義為：溫度和壓力分別在臨界溫度和臨界壓力以上的非凝聚性高密度流體。例如，水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為22．06MPa；甲烷的臨界溫度為－82．3℃，臨界壓力為4．64MPa；二氧化碳的臨界溫度為31℃，臨界壓力為7．38MPa。超臨界流體具有一系列極為特殊的性質，當超臨界流體的密度與液體相近時，其擴散率比液體高，粘度比液體小，因而超臨界流體作為溶劑時表現出許多優于一般液體的特性［29］。

何學秋等［30］認為，由于煤體吸附瓦斯后表面能降低，使得煤體膨脹。煤的宏觀膨脹隨瓦斯壓力增大呈指數規律。特別是，對于具有d002（縮合碳單元內芳環層間間距，即面網間距）的初始值大于4×10－10m的煤，會出現第三種類型變形。最引人注目的是，在瓦斯壓力為2．2～6．1MPa區間時，參數d002有一個急劇增加的過程。其中在壓力為4．5MPa上下，其增加速率為最大。而這個壓力正好處于甲烷的臨界壓力上。由于實驗的溫度一般為室溫，此時的甲烷正好成為超臨界流體，超臨界甲烷表現出了對溶質（煤）的溶解度加大的性質。

故在－500m深度，一些煤礦已經開采到甲烷和二氧化碳在局部處于超臨界狀態的深度。例如，撫順老虎臺煤礦－730m實測瓦斯壓力平均達4．5MPa［31］。因此，部分礦震的成因除與應力增大有關外，還可能與超臨界甲烷（可能還包括二氧化碳）在開采卸載過程的解吸作用有關。上述理論可以解釋國內外許多煤礦的一個共同規律，即在開采到－500m深度左右，煤礦的礦震（或沖擊地壓）的震級和頻度都會急劇增加［1］。

2．4 礦震與開采進程關系

一些研究認為礦震的強度和頻度同開采的深度、速度及開采方式相關。國內外許多煤礦在開采到－500m深度左右，礦震的震級和頻度都會急劇增加。通過對1968—2004年撫順老虎臺和山東兗州鮑店煤礦礦震記錄資料進行統計分析，結果認為，不僅第一類礦震活動 （沖擊地壓 ）與煤礦開采有關，而且第二類較大礦震 （包括3級以上礦震 ）與開采活動也直接相關。開采過程中的周期來壓現象不僅誘發沖擊地壓（第一類礦震），也會直接誘發采空區的較大礦震（第二類礦震）。當開采進度過快，或開采進度不穩定，都容易誘發較大礦震的發生。因此如果選取合適的開采方式（如撫順）或采取其他一些措施（如山東兗州鮑店煤礦），對礦震活動會起到一定的控制作用［32］。唐子波等［23］對兗州某礦的礦震與開采日進尺、開采周期、日進尺差分值的關系進行分析得出，較大礦震的發生與開采速率過快有關；較大礦震的發生與開采速率的變化不穩定有關。當這個不穩定蘊含的周期恰好和來壓周期吻合時，3級以上礦震就特別容易在來壓時刻發生。謝廣祥［33］分析了開采速度對開采安全的影響；有些礦山測量專家認為，開采速度與礦震有密切的關系，控制開采速度可以減小礦震的強度［34－35］；S M Spottiswoode［36］提出根據地質構造確定開采方法及開采方向來避免礦震的發生等。

2．5 礦震成因力學機制理論與實驗研究

隨著數學、力學方法在礦震研究中的應用，利用非線性動力學、斷裂力學、損傷力學、分形、突變和混沌學等理論方法，為礦震（沖擊地壓）發震機理研究開辟了新途徑，取得了大量的成果。國內外在礦震發生機理研究方面，提出了一系列重要理論，如強度理論、能量理論、剛度理論、沖擊傾向理論等，但目前礦震研究理論的進展不大［37］。此外，巖石斷裂力學、礦震破裂成核理論、地震的凹凸體模式等為礦震研究提供了一些較好的解釋，如在斷裂力學方面，裂紋擴展的Griffith破裂準則和Irwin的斷裂韌性準則，可以解釋礦震中低應力降情況下斷層破裂的現象；地震的凹凸體模式對山東鮑店煤礦較大礦震前地震頻次不斷升高的現象作出解釋等［38］。

李世愚等［39］和俄國科學院Ioffe技術物理研究所Kuksenko等合作，利用SDAE－8型聲發射（地音）系統，通過巖石破裂聲發射實時定位顯示實驗，模擬了采礦卸載和原有斷層相互作用誘發礦震的過程和特征。實驗還發現，微破裂發育的充分性，與加載或卸載速率有關。唐林波、李世愚等［40－41］通過巖石破裂的聲發射和聲波同步接收實驗，研究并證實了巖石破壞前低頻波輻射現象。根據相似性原理，認為地震前存在低頻波輻射現象，從而解釋了一系列震前低頻事件的機理，包括礦井下近場記錄到的礦震前低頻波，強礦震前低頻形變記錄，以及地震前井水水位、次生波記錄等現象。根據加載速率對于斷裂過程區微破裂發育的影響和斷裂過程區尺度對于能量釋放規模的影響推斷，礦山開采面卸載較快，過程區較小，因此這里發生的礦震震級較低，而斷層、采空區或煤層柱附近微破裂發育時間長，微破裂發育比較充分，過程區較大，因此這里發生的礦震震級較大。

3 研究展望

目前來看，對于礦震的識別主要基于兩種方式：一是直接根據經驗對波形特征進行人工識別。二是通過采用不同的信號處理方法進行判斷。但無論從定性還是定量方面，目前都尚未有較為具有普遍指導意義的方法，加之不同區域、不同傳播介質情況下，礦震的波形及頻譜特征可能不同，因而可能要結合區域礦震的實際加以研究和鑒別。目前地震臺網監測系統中缺乏礦震與地震模式識別的軟件系統，也未見更多的從數字化臺站記錄波形中提取礦震與地震差異特征量的研究成果，目前雖然在礦震識別研究方面取得了一些進展，但目前尚未有簡潔而通用的識別方法，實現區域礦震的自動模式識別將是未來的研究方向。

近些年，礦震成因研究深化了對天然地震的認識，如李世愚等［42］利用巖石斷裂力學和損傷理論的研究成果對兩類礦震的機理和區分做出了解釋；礦區中的地震有的未發生在斷層附近，而發生在向斜構造附近。上述研究對于大地震發生的成因及非斷層地震成因具有重要啟示。礦震大多具有雙力偶源的成分，其地震矩和應力降的關系同天然地震相似，都滿足Kanamori提出的尺度不變性。最新理論認為，地震成因與地下流體作用有關。礦震成因中甲烷（可能還包括二氧化碳）流體的作用與十幾千米深部水同屬超臨界狀態，因而解吸作用相似，對于地震的發生都起到了觸發和釋放應變能的作用。這個觀點如果得到證實，將為研究構造地震成因和震前地球物理場的變化，提供千米尺度實驗依據［43］。因此，礦山是天然地震研究的中尺度實驗場，可為地球動力學、地震成因、地震預測等科學研究提供借鑒。

礦震震源淺、頻度高，具有小震大災的特征，特別是，近些年來隨著礦山開采的力度加大，礦震造成的危險日趨嚴重，開展礦震成因研究對煤礦安全生產和減輕災害具有重要的社會、經濟意義。礦震的發生機理較為復雜，這是因為引起礦震的原因是多種多樣的。但是，就煤礦開采而言，礦震的發生機理關鍵在于：采礦引起的井下圍巖結構發生破壞，煤巖體應力重新分布，能量發生轉換。當這種結構破壞過程中導致的能量轉換足以引起煤巖體發生震動時，就導致礦震的發生。當然，在煤礦，由于瓦斯爆炸、巖爆、沖擊地壓、頂板垮落、放炮震動、礦井突出、斷層活動等均能引起礦震的發生，因此在研究礦震發生機理時，必須針對具體條件進行深入討論與分析［44］。

礦震是一種動力學現象，在它的孕育和發生過程中影響因素眾多、發生原因極為復雜。對于礦震發生機理的研究，今后應更多采用有關數學和力學手段，結合具體的生產地質條件和科學實驗研究，有針對性地開展研究工作。地應力、采動應力與礦震關系研究是基礎，地應力的大小和方向及不同區域地應力的差異和礦震的發生具有密切的關系，采動過程中的應力分布規律是礦震發生的直接影響因素，可通過大量的地應力測量，觀測采動過程中礦體巖層的應力分布規律，研究礦體地應力分布規律和特點，并通過數值模擬研究地應力和采動應力對礦震的影響。運用現代數學中分形、混沌及非線性動力學，尋找礦震可操作的礦震發生判據，認識礦震發生的過程，尋找礦震發生的敏感因素。進一步開展礦震發生機理的實驗室研究，進而從實驗角度認識礦震、研究礦震的發生機理［37］。

可在密集臺網的礦區開展震源參數研究，利用數字波形資料，精確計算出這些中小地震的震源譜、應力降、震源尺度等震源參數，結合層析成像技術詳細了解礦震演變過程，研究區域應力場的空間分布特征和動態特征，深化對地殼介質在應力作用下發生破裂或位錯過程的認識，探討應力場變化與較大礦震的關系。同時結合地質構造建立有限元模型進行數值模擬計算，研究礦區應力變化及礦震的孕育過程，進而對礦震發震成因進行研究。

致謝

特別感謝李世愚研究員的寶貴意見！

（作者電子信箱，張華：huazhang1222＠163．com）

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