鶴崗地區(qū)地震活動與礦山瓦斯異常涌出的相關性研究

張永剛 ，田 有 ， 李大偉 ， 滕 偉

（1.吉林大學，吉林 長春 130000； 2．黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；

3．鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗 154100； 4.黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

0　引言

鶴崗是一座因煤而立，由煤而興的城市，煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42公里，東西走向6公里，面積252平方公里。自民國開始開采，將近百年開采史，煤炭開采帶來經(jīng)濟效益的同時是對環(huán)境的改變，這其中最具破壞力的就是煤礦瓦斯爆炸。

近年來，隨著龍煤鶴崗礦區(qū)各煤礦逐步進入深部開采，礦震等煤巖動力災害在峻德、南山等煤礦陸續(xù)顯現(xiàn)，對煤礦安全生產(chǎn)構成重大威脅。為確保礦工的生命安全和礦井的高效安全開采，需亟待弄清鶴崗礦區(qū)全境范圍及特定礦井采掘工作面的沖擊礦震誘發(fā)機理及活動規(guī)律，并以此為基礎探索礦區(qū)及礦井具體工作面沖擊礦震等動力災害的危險性和相關性的研究就顯得尤為必要。

據(jù)研究表明，天然地震與礦震之間存在一定的關聯(lián)性，尤其是近場的天然地震發(fā)生后會激發(fā)礦震的發(fā)生概率，同時天然地震、礦震的發(fā)生也會激發(fā)瓦斯的異常涌出，進而引發(fā)強烈的瓦斯爆炸。2009年興山煤礦“11.21”、2013年振興煤礦“3.11”，2013年峻德煤礦“3.15”等礦難的發(fā)生，給礦工的生命安全和經(jīng)濟社會的發(fā)展造成了巨大危害。鶴崗地區(qū)的礦震次數(shù)由過去的300余次/年，上升至600余次/年，特別是在興安、峻德、南山、興山等煤礦，礦震、瓦斯突出等煤巖動力災害尤為突出。

1　天然地震與礦震及瓦斯的相關性

在近場區(qū)域發(fā)生天然地震前后一段時間內(nèi)會誘發(fā)本區(qū)域煤礦發(fā)生礦震，在礦震發(fā)生后會引發(fā)瓦斯爆炸，這一系列的事件之間雖不存在必然關系，但是也存在某種程度的關聯(lián)，尤其是在煤礦與地震震中間均存在某些地質(zhì)構造上的關聯(lián)[1]。

2002-06-29T01：19，吉林汪清發(fā)生M 7.2級深源（h=570 km）地震； 2002-07-05T01：46至2002-07-06T23：21，分別在距震中430 km的黑龍江鶴崗南山、大陸、俊德發(fā)生了5次ML1.0級以上礦震，2002-07-08T14：50，鶴崗鼎盛煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。該深源地震發(fā)生后的6天，觸發(fā)了鶴崗的礦山地震活躍度，而瓦斯在礦震的作用下在巷道內(nèi)匯聚，造成重大災害。

2009-11-14T19：34，黑龍江嘉蔭發(fā)生ML2.0級地震；2009-11-14T13：46至2009-12-21 T17：42分別在距震中160 km的黑龍江鶴崗俊德、富力、新興、大陸發(fā)生了8次ML1.0級以上礦震，2009-11-21T02：29黑龍江新興煤礦瓦斯爆炸。嘉蔭與鶴崗同處于依舒斷裂帶北段的西盤，屬同一構造區(qū)域，該地震發(fā)生后7天，鶴崗礦區(qū)的礦震頻度及強度明顯增強，此次瓦斯爆炸造成百余人遇難。

2013-01-05T16：58，阿拉斯加東南部發(fā)生M 7.9級強地震；2013-01-09T04：59，在距離震中約5000km的鶴崗峻徳礦發(fā)生ML3.1級礦震，峻徳礦綜采一隊回風（3水平北17層3.4區(qū)一段）9日05：13、05：43、06：21連續(xù)出現(xiàn)了3次瓦斯超限警報。2013-01-18T20：58，在鶴崗益新礦發(fā)生ML3.0級礦震，益新礦綜采一隊上隅角（3N2后部區(qū)15號層零段）18日01：06出現(xiàn)了瓦斯超限警報。此次地震雖然距離遠，但震級大，在4天后鶴崗礦震從能量釋放來看，震級大、頻度高，尤其是對整個東北板塊影響還持續(xù)了一段時間。

2013-03-05至2013-03-08，3天 時 間 內(nèi)鶴崗礦區(qū)共發(fā)生15次ML1.0級以上的礦震，其中超過ML2.5級的有2次，分別是2013-03-08T08：11ML2.5級 礦震和 2013-03-08T08：11ML2.7級礦震。2013-03-11T02：30，振興煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。在瓦斯爆炸之前的礦震頻度及強度明顯呈增強趨勢，且在礦震發(fā)生后的數(shù)小時內(nèi)，多個巷道出現(xiàn)了瓦斯超限警報。

2013-03-15T04：03， 峻 徳 礦 發(fā) 生ML1.5級 礦 震；2013-03-15T04：05， 峻 徳 礦 發(fā) 生ML1.0 級礦震；2013-03-15T05：17，峻徳礦發(fā)生ML3.7級礦震；05：25峻徳礦綜采一隊工作面（3水平北17層3.4區(qū)1段）、05：43綜采一隊上隅角（3水平北17層3.4區(qū)1段）、06：21綜采一隊回風（3水平北17層3.4區(qū)1段）分別出現(xiàn)了瓦斯超限警報。此次礦震發(fā)生后18min～2h內(nèi)，瓦斯數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了異常涌出的現(xiàn)象，在瓦斯異常涌出的區(qū)域與礦震發(fā)生的位置密切相關，此類相關需要更進一步的區(qū)域化和網(wǎng)格化。

2015-11-14T04：51我國東海海域發(fā)生M 7.2級地震，2015-11-15T03：20我國東海海域 發(fā) 生M 6.0級 地 震；2015-11-15～2015-12-15鶴崗礦區(qū)連續(xù)發(fā)生53次ML1.0級以上礦震；2015-12-13T22：20,峻徳礦發(fā)生ML2.5級礦震，2015-12-15T11：33,峻徳礦發(fā)生ML2.9級礦震；2015-12-16T14：30，黑龍江鶴崗向陽煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。

2016-01-02牡丹江林口發(fā)生M 6.2級深源地震，2016-01-03至2016-01-06鶴崗礦區(qū)連續(xù)發(fā)生10次ML1.0級以上礦震；2016-01-07T05：43俊德礦多層面連續(xù)出現(xiàn)多次的瓦斯超限警報；2016-01-21T07：37，鶴崗興安礦發(fā)生3.8級礦震，2016-01-21T08：10同時在新興礦和俊德礦均出現(xiàn)了瓦斯超限警報。

從以上數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，天然地震與礦震、煤礦瓦斯爆炸之間存在某些關聯(lián)，這些關聯(lián)是有章可循的，但僅從這些有限的樣本中很難統(tǒng)計出量化規(guī)律。開采導致應力狀態(tài)失衡誘發(fā)礦震，礦震帶來的空間壓力瞬間失衡，導致吸附、游離態(tài)的瓦斯瞬時聚集結合，不再以自由氣態(tài)形式存在[2]。在一定條件下，當壓力、溫度的變化時，瓦斯在密閉的空間中濃度到達爆炸臨界點就形成了災難。

（1）在近場及相互關聯(lián)構造區(qū)域天然地震發(fā)生之后，4～10天時間內(nèi)，鶴崗區(qū)域內(nèi)的礦震活動頻次及震級都會有明顯的增高趨勢。這表明天然地震加劇了礦區(qū)的應力積累，在采空區(qū)及應力臨界區(qū)域會有明顯的釋放。

（2）在部分的礦震發(fā)生后，在距離震中一定的范圍內(nèi)，1～2天時間內(nèi)，甚至是18min時間內(nèi)，會有瓦斯異常涌出的事實，這個事實證實瓦斯異常涌出是煤巖體破裂的結果。

（3）瓦斯的涌出可能存在多種可能性，礦山的開采本來就會伴隨著巖體的活動和破裂，另外地下水的活動也是其誘因之一[3]。

2　礦震與瓦斯突出的機理

煤炭開采誘發(fā)地震（采礦業(yè)稱為沖擊地壓）是采礦誘發(fā)的動力地質(zhì)災害之一。礦震是在采礦活動和區(qū)域應力場作用影響下,使采區(qū)及周圍應力處于不穩(wěn)定狀態(tài),采區(qū)局部積累的一定能量以沖擊或重力方式釋放而產(chǎn)生的巖體振動。據(jù)不完全統(tǒng)計,上世紀80年代以來東北地區(qū)的黑龍江鶴崗煤礦的礦山地震水平逐漸增強，礦震的震源淺，頻度高，災害大，較強烈的礦震會引起地表強烈震感或地面建筑物的嚴重破壞。礦震是礦區(qū)礦山地下工程災害的一種，在黑龍江四大礦山開采程度以及礦山地震的活動性來看，鶴崗地區(qū)無疑是比較突出的一個。研究工作表明,礦震的發(fā)生除人為開采因素外,礦山所處構造環(huán)境和區(qū)域構造應力場狀況與其有密切關系[4]。

礦震與瓦斯突出之間存在著必然的聯(lián)系，而是礦山動力災害，本質(zhì)上都是“礦井開采應力失衡后的煤巖微破裂產(chǎn)生—貫通—擴展—破裂失穩(wěn)”的過程[1]。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的。游離狀態(tài)也稱為自由狀態(tài)，這種瓦斯以自由氣體狀態(tài)存在于煤體或圍巖的裂縫、孔隙之中，隨著貯存空間的體積、壓力和溫度等劇烈變化，其不再以自由氣態(tài)形式存在，幾種狀態(tài)的瓦斯處于不斷變化的動平衡之中，在一定條件下會互相轉(zhuǎn)化，導致瓦斯的異常涌出現(xiàn)象。在瓦斯異常涌出的前后加強礦井的瓦斯監(jiān)測和通風，稀釋和排出瞬間聚集的瓦斯氣體，將其濃度控制在礦山安全的閾值以下，是保障開采的必要條件。

3　結論與討論

目前國內(nèi)外很多人關注和礦山地震相關的研究，我們也是希望通過我們的不斷探索和研究，為我省的煤炭生產(chǎn)安全和礦區(qū)的人民財產(chǎn)安全方面有所貢獻。從震源機制、礦震成因等分析了礦震與礦山次生災害相關的機理，礦山地震或周圍區(qū)域的天然地震對礦山瓦斯溢出、隔火墻的密閉等會產(chǎn)生一定的影響，可能直接導致了次生災害的發(fā)生。

僅憑借肉眼人們很難準確的辨識各種動力災害源，尤其是遠離開采工作面的深部巖體破裂震源。因此，采動煤巖破裂及應力場演化過程的研究需通過一定監(jiān)測手段加以實現(xiàn)。其中，采動應力場的直接實觀測難度較大，相對而言，監(jiān)測采動煤巖的微破裂和震動過程則容易得多，震源參數(shù)的確定性也較高，因此，采用煤巖破裂的高精度微（礦）震監(jiān)測技術，加以配合大尺度的地震監(jiān)測、礦震監(jiān)測，已逐漸成為國內(nèi)外礦山動力災害監(jiān)測預警的重要手段和必然選擇。

（1）天然地震的能量傳播對礦震的影響非常明顯，而礦震在特定條件下對周邊礦井的瓦斯異常涌出需要更進一步的區(qū)域化和網(wǎng)格化。

（2）從天然地震對礦震的影響時間與震級、震中距等相關性來看，時間尺度約為4～10d，礦震對礦井瓦斯的影響從時間尺度來看約為18min～2h，而這種能量的傳播通道目前并未明確，地震波列的傳遞中是否有其它彈性體物質(zhì)的擠壓和影響需要進一步研究。

（3）大尺度的地震和礦震監(jiān)測，結合煤礦的SOS微震監(jiān)測與高采樣的瓦斯聯(lián)合觀測，可對礦震（沖擊地壓）與瓦斯相互誘發(fā)的災害開展預警研究，尤其是高瓦斯、突出和沖擊地壓礦井進行預警模型的搭建很有必要。

參考文獻：

[1]李鐵,蔡美峰. 地震誘發(fā)煤礦瓦斯災害成核機理的探討 [J]. 煤炭學報，2008，（10）：1112-1116.

[2]李世愚. 礦山地震、瓦斯突出及其相關性[C]//煤礦安全與地球物理學術研討會論文集2006：9.

[3]李世愚. 瓦斯溢出與礦震相關的若干證據(jù)及其對地震成因的啟示[C]//中國地球物理學會第二十屆年會論文集.中國地球物理學會：2004：1.

[4]李世愚. 礦震與瓦斯的相關性及其在地球物理學中的意義[C]//中國地球物理第二十一屆年會論文集.中國地球物理學會：2005：2.