老虎臺礦礦震的地面效應研究

孟 慶 男

（大同煤礦集團北辛窯煤業有限公司，山西 忻州036702）

0 引 言

煤礦的安全生產不僅與社會經濟發展有關，而且與人類居住環境有著密切的關系，所以需要加強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量標準化管理信息系統開發和社會經濟發展的視角分析了煤礦安全生產的重要性。近年來隨著老虎臺礦開采規模和深度不斷的加大，礦震災害顯現越來越頻繁，其強度和顯現頻度也在增加，老虎臺礦礦區附近以及撫順市區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。礦震是煤巖體內部的沖擊地壓，是指礦井高應力區內煤巖體及斷層在受到外界條件擾動下瞬間失穩破壞，釋放出大量的能量進而引起猛烈震動和爆發式為破壞特征的礦山動力災害顯現[3-4]。隨著礦井開采深度的不斷加深，礦震已經成為礦山動力災害中的主要災害[5]。礦井開采到達深部后，生產條件越來越復雜，生產過程中礦震的顯現頻度也在不斷增多[6]。由于礦震的震源深度淺，既有可能誘發沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害，同時還會導致礦區附近地面建筑物的破壞[7-8]。因此，礦震同樣會給礦井安全生產以及人身安全造成安全威脅，也是不能夠準確被預測的礦山災害之一。本文應用地震學、統計學、地質動力區劃的方法為礦震發生時，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，為礦井安全生產及居民生活住宅破壞情況提供了科學有效的借鑒。

1 83003 綜放工作面概況

83003 綜放工作面位于老虎臺礦井田西部，經距77114～77797 m，開采標高-748.2～-833.5 m。83003綜放工作面對應地表為東露天礦沉陷區回填體（綠都），工作面的走向長度為603 m,傾斜長為163.5m,煤層傾角15°～32°，煤層平均厚度11.8 m，開采煤層為四五分層。該面內夾矸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，夾矸主要由碳質頁巖、泥巖、泥質粉砂巖組成。煤層頂板巖層為綠色頁巖、油母頁巖，綠色頁巖的平均厚度為421.56 m,油母頁巖的平均厚度為194.08 m,底板巖層為泥灰巖，平均厚度為17.4 m。83003 綜放工作面的運輸系統設在-830 m 水平，回風系統設在-780 m 水平。該面東鄰73001 已采區，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參數如表1 所示。

表1 83003 綜放工作面煤巖物理力學參數

2 老虎臺礦礦震活動情況簡介

老虎臺礦1907 年開始開采，現在已有近百年的歷史。1993 年撫順勝利礦最早發生礦震事件。隨后老虎臺礦以及龍鳳礦不斷發生礦震事件。現在撫順煤田的勝利礦、龍鳳礦都已停產關閉，所以撫順發生礦震都是由老虎臺礦的生產造成的。1993～2014 年間，老虎臺礦每年發生礦震次數均在百次以上，破壞巷道數百米以上，最大震級達ML3.7。從礦震發生頻次來看，從1993 年開始，礦震呈現逐步增多的趨勢，至2001年礦震頻次達到了最高值，1.0 級以上達到了2024次，2.0～3.0 級達到了172 次。2001 年以后礦震次數又逐步降低。2007 礦震次數降到了最低。之后礦震又逐步增加。2010 年～2011 年礦震頻次又達到了一個較高的水平。圖1 為老虎臺礦1993 年至2014 年以來礦震發生統計情況。

圖1 老虎臺礦1993 年～2014 年礦震頻次分布

3 老虎臺礦礦震影響范圍預測分析

3.1 礦震影響范圍預測的依據

用來表示地震強度的指標有兩個，一個是表示地震能量釋放多少的指標震級，另一個是表示地震引起地面震動強弱程度大小的指標烈度。目前我國采用聯合國教科文組織推薦的烈度表[9]，共分12 度。地面振動的強弱直接影響到人的感覺的強弱，器物反應的程度，房屋的損壞或破壞程度，地面景觀的變化情況等。根據中國地震烈度表得到地震震級與烈度的關系如表2 所示。

表2 中國地震烈度表

確定老虎臺礦礦震影響范圍的具體思路為，根據撫順地震臺記錄到的礦震震級，結合相應的數學模型計算出震中烈度的大小，再根據我國若干等震線資料[10]，經過數理統計建立了地震烈度、地震里氏震級和震中距三者之間的關系，應用得出的關系式求出震中距的值，然后再應用地質動力區劃的方法[11-14]所劃分出的老虎臺礦Ⅳ級區劃圖，將計算出的震中距值結合微震監測系統顯示的震源位置分別繪制出不同礦震震級的烈度分布圖。

3.2 震中烈度大小的確定

在發生地震時，地震對地面造成破壞相對應的最大烈度值主要集聚在震中范圍內。震中烈度常用I0表示，I0 表示一次地震發生時的最大烈度。影響震中烈度大小的主要因素是震源深度與地震震級。通常地震震級越大，震中烈度也越大。一般在震級大小相同的情況下，震源深度越深，相應的震中烈度會降低。通過統計分析中國歷史地震數據，最終得到了地震里氏震級、震源深度和震中烈度三者有如下經驗關系式[15]：

式中：ML為里氏震級；I0為震中烈度；h為震源深度。

以老虎臺礦83003 綜放工作面在2014 年發生過的4 次破壞較大礦震為研究對象，計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。

表3 83003 綜放面礦震對應的震中烈度

3.3 微震震級與地震震級的轉化關系

由老虎臺礦提供的微震監測系統記錄到的微震震級和撫順地震局提供的地震震級，建立了微震震級與地震震級之間的關系，轉換結果如公式2 所示。

式中：ML為地震震級；MS為微震震級。

3.4 地質動力區劃方法的應用

地質動力區劃方法是以板塊理論為基礎，以地質動力學、地形地貌學、地球物理學為依據，揭示了構造活性斷裂分割出的不同規模的斷塊，確定了斷塊沿其邊界相互作用的特征，分析斷塊的應力狀態，提出了安全有效防治災害的措施[16]。

在1∶5 萬的地形圖上，以老虎臺礦為中心，查明Ⅳ級斷塊構造，劃分出的Ⅳ級斷裂共有5 條，劃分結果如圖2 所示，Ⅳ級斷裂特征如表4 所示。

圖2 老虎臺井田Ⅳ級斷塊圖

表4 IV 級斷裂特征表

3.5 礦震的影響范圍

根據我國若干等震線資料，經過數理統計，得出地震烈度、里氏震級和震中距三者之間的轉換關系式：

式中：I 為地震烈度；ML為里氏震級；R 為震中距，km。

根據（3）式可以分別求出某次礦震的影響范圍和相對應的烈度大小。

表5 83003 綜放面礦震對應的烈度及破壞情況

以老虎臺礦2.7 級礦震和2.4 級礦震為例進行里氏震級、烈度的驗算。2 次礦震的里氏震級、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應的烈度如圖3、圖4 所示。

圖3 老虎臺礦2.7 級礦震烈度分布圖

圖4 老虎臺礦2.4 級礦震烈度分布圖

3.6 礦震的影響范圍預測

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

圖5 老虎臺礦3.0 級礦震烈度分布圖

圖6 老虎臺礦3.5 級礦震烈度分布圖

根據老虎臺礦微震監測系統記錄到的微震震級和撫順地震局監測記錄到的里氏震級資料，確定了不同震級礦震測影響范圍和烈度。計算表明，當礦震震級達到里氏3.5 級，相應的微震震級為6.3 級時，極震區的烈度為Ⅴ級，該級別礦震不會導致地面建筑物破壞。近年來撫順礦區礦震的最大震級為3.2級，因此不會導致建筑物破壞。

4 結 論

1）確定了微震震級、里氏震級之間的轉換關系，確定了不同震級礦震的影響范圍和相對應的烈度。

2）當礦震震級達到3.5 級時，震中區范圍內的最高烈度為Ⅴ級，結合地震烈度表可知，該級別的礦震不會造成地面建筑物的破壞。

3）將計算結果與地面實際情況對比分析表明，計算得到的地震烈度與實際情況基本吻合，所以可以用來對礦震的地面效應進行預測。