內蒙古黑岱溝露天煤礦拋擲爆破地方性震級與炸藥量的經驗關系

摘要：利用黑岱溝露天煤礦的爆破資料，開展黑岱溝煤礦拋擲爆破地方性震級與炸藥量的關系的研究。為了避免礦山地震臺網地震儀在長期觀測中傳遞函數、歸一化因子、放大倍數等參數出現錯誤，開展同址臺站對比分析，實時監控、修訂參數。實測結果顯示，同址兩臺站記錄到的爆破波形特征非常一致；使用礦山地震臺網資料，采用5 km以內的地方性震級ML的量規函數，測定了2023年5—8月4次爆破的地方性震級ML；聯合使用礦山臺網和內蒙古地震臺網記錄到的44次爆破的數據，采用正交回歸方法，得到黑岱溝煤礦拋擲爆破地方性震級ML與炸藥量Y之間的經驗公式為：ML=3.15lgY-6.88。

關鍵詞：黑岱溝露天煤礦；拋擲爆破；地方性震級；炸藥量

中圖分類號：P315.3"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1000-0666（2025）01-0170-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0018

0 引言

內蒙古黑岱溝露天煤礦位于準格爾煤田東部，是我國自行設計、自行施工的特大型露天煤礦。它集世界一流露天采掘工藝為一體，代表了中國露天開采行業先進生產力。黑岱溝露天煤礦結合當地的實際條件成功應用了高臺階拋擲爆破——吊斗鏟聯合剝離煤層上覆巖層技術，從而提高了生產能力（任占營等，2015）。由于采用的高臺階拋擲爆破振動當量較大，具有烈度較大的特點，給當地群眾生產、生活帶來了影響（周少輝等，2021）。中國地震局將非天然地震速報震級由2.5級調整為2.0級。開展炸藥量與地方性震級間的關系研究，控制拋擲爆破振動當量，可為礦山安全生產以及保證附近群眾生產、生活安全提供科學參考。

爆破震級測定、當量估算、爆炸當量與震級之間的經驗關系等，一直是地震學研究的重點。劉瑞豐等（2019）根據攀枝花鐵礦、寧夏煤礦和河南汝陽鉬礦等礦山爆破資料，獲得了爆破的地方性震級ML與爆破當量之間的經驗關系；靳玉貞等（2022）采用山西數字地震臺網記錄產出，對礦山爆破、核爆破、工業爆破的當量進行了估算；謝小碧和趙連鋒（2018）利用地震波形資料，開展了朝鮮地下核試驗的地震學觀測方面的研究；孔韓東（2018）針對地下核試驗當量的估算方法及其影響因素進行了綜合分析；楊家亮等（2009）、周少輝等（2021）分別開展了爆破和天然地震的識別研究工作。

震級是地震學研究中重要的參數之一。震源、地震波通過的介質的地區性差異、接收臺站和儀器、使用不同震相和不同方法進行測定等4個方面是影響近震震級的主要因素（劉瑞豐等，2007），其中，量規函數是用來補償地震波振幅隨距離、深度變化引起衰減的校正值。因此，量規函數是影響震級測定精度的重要參數之一。李贊等（2019）利用遠震P波震相數據測量了中強地震的能量震級MC；賈炯等（2018）、張媛媛等（2022）分別開展了河北、陜西地區近震震級量規函及相關的研究工作。

本文依托內蒙古自治區地震局承擔的“黑岱溝煤礦拋擲爆破振動控制技術應用與研究”項目，使用黑岱溝煤礦拋擲爆破振動監測地震臺網和內蒙古地震臺網記錄的拋擲爆破波形資料，開展地方性震級與炸藥量之間的經驗關系研究，為拋擲爆破振動控制技術研究提供參考。

1 數據準備

黑岱溝煤礦拋擲爆破振動監測地震臺網（以下簡稱“礦山臺網”）于2023年5月建成，由8個地震臺站組成，所用儀器為微型三分量短周期地震儀GL-PMS 10，帶寬10 s～120 Hz。其中，7個臺站（A、B、C、D、E、F、G）布設在礦山管轄范圍內，1個臺站（Q）作為對比觀測臺站，布設在內蒙古地震臺網固定臺站QSH（BBVS60/EDAS24IP，帶寬60 s）的臺址上（圖1）。礦山臺網地震信號采用4G VPDN無線網絡實時傳輸。

為了保證研究數據的準確可靠，開展了兩個方面的數據準備工作：一是設置同址臺站對比觀測，確保礦山臺網地震儀參數的準確性；二是確定礦山臺網量規函數，并檢驗其適用性，為開展地方性震級與炸藥量之間的經驗關系研究奠定數據基礎。

1.1 同址臺站對比觀測

地震工作者從計算機中讀取的地表信號僅僅是一些無量綱的數值，只有使用數字地震儀系統的傳遞函數對這些無量綱的數值進行運算，才能得到地動速度和地動位移（李松陽等，2005）。沒有完整、可靠的傳遞函數，基于地震波形資料的大震速報工作以及相關研究工作都不能正確開展（顏其中等，2003）。

在地震儀實際觀測中會遇到兩個方面的問題：一是地震臺站布設后，其地震儀參數包括傳遞函數、歸一化因子和放大倍數等，都有可能出現不準確的情況；二是隨著監測時間的增加，地震儀參數有可能發生改變。為了解決這個問題，本文增加了同址臺站對比觀測，以便發現問題，及時校準，保證數據的準確、可靠。同址臺站的選取方法為：① 同址固定臺站選取。由于近臺記錄地震波射線傳播路徑相對簡單，校準更容易。因此，確定離爆破區最近（37 km）的內蒙古地震臺網QSH子臺作為同址對比觀測的基準臺站；② 同址礦山臺站選取。礦山臺網布設的地震儀屬于同一批次的地震儀，將Q臺放到基準臺站QSH臺站的觀測場址上，以點帶面，對礦山臺網的7個臺站地儀器參數進行對比觀測。

2023年5月10日、6月20日、6月27日、8月2日礦山臺網記錄到4次爆破，分析同址觀測臺站Q臺和QSH臺的記錄結果：對比4次拋擲爆破地震波可以看出，兩個臺的波形記錄特征較為一致，Pg初動均向上，符合爆破地震波初動向上的基本特征。兩個臺的Pg波到時差絕對值為0.00～0.04 s，均值為0.025 s；Sg波到時差絕對值為0.01～0.03 s，均值為0.02 s，測定的地震震中距和ML均一致（表1）。圖2給出了2023年6月20日同址兩臺記錄的礦山拋擲爆破波形。

通過同址臺站對比觀測分析認為，目前尚未監測到礦山臺網地震儀參數改變的現象。礦山臺網地震儀參數的準確性得到了實時監控，保證了研究數據的準確性。

1.2 礦山臺網量規函數的確定

根據《測震臺網運行管理細則》中國地震局監測預報司.2015.測震臺網運行管理細則（中震測函〔2015〕115號）.，近震震級的計算公式為：

ML=lg Aμ+R（Δ）（1）

式中：Aμ為水平分向記錄的最大地動位移的算術平均值，單位：μm；R（Δ）為短周期地震儀測定ML的量規函數。

李善邦（1981）結合我國常用的62型短周期地震儀和基式（SK）中長周期地震儀的儀器特性，確定了我國的量規函數R（Δ）。經過多年的研究，我國大部分學者把震中距5 km范圍內量規函數確定為一個常數（李學政，趙奕英，2007），但這不符合礦山臺網觀測實際情況。

黑岱溝礦山臺網的7個子臺震中距范圍是1.199～6.128 km，均值為3.661 km。在《地震震級的規定》（GB 17740—2017）中給出的地方性震級ML的量規函數的震中距只到5 km，5 km以內的量規函數是一個常數，不能滿足礦山爆破震級測定的實際需求。本文使用李學政和趙奕英（2007）得出的礦山臺網地震震級起算函數R（Δ）5（表2）進行礦山臺網近震震級的測定。表3給出了4次爆破使用兩種量規函數R（Δ）全國和R（Δ）5震級計算結果。

從表3可看到，使用全國量規函數測定的震級ML全國與使用R（Δ）5得到的震級ML（R（Δ）5）的差值均值為 0.12，使用內蒙古臺網測定震級ML內蒙臺網與礦山臺網測定震級ML（R（Δ）5）差值絕對值的均值為0.13，可見，R（Δ）5基本適合于礦山臺網地方震級的測定。礦山臺網測定的震級略高于內蒙古臺網測定的震級，這可能是因為礦山臺網更接近爆破區，能夠拾取更多的爆破能量。

2 正交回歸方法

理論上，使用正交回歸方法研究各種震級標度之間的關系，應當更接近實際震級的測定值。本文使用正交回歸方法擬合地方性震級與炸藥量之間的經驗關系。

正交回歸方法需要找到“使得各測量點到擬合直線垂直距離的平方和達到最小”的一條直線（姜慧等，2006；孫彥清，2002）。正交回歸方法的優勢在于克服了單方向擬合、穩定性差的弊端，最終獲得較好的擬合結果。

以OR表示正交回歸方法，則有：

Y=A3X+B3（5）

正交回歸方法通常采用Hesse表示，把兩個變量都放在等號的右邊，表示右邊的兩個變量都在變化：

P=nxX+nyY（6）

式中：P=B3/q；nx=-A3/q；ny=1/q；q=（1+A32）1/2；-nx/ny=A3。

3 地方性震級與炸藥量之間的經驗關系

爆炸是能量在瞬間釋放的一種現象，爆破地震是土中的爆炸作用過程中十分重要的動力學現象之一（林大超，白春華，2007）。根據工業爆破的經驗，爆破產生的地震波消耗的能量僅占爆破總能量的2%～6%（劉凱等，2019）。爆破能量較小時，礦山臺網可記錄到清晰的P波、S波，內蒙古地震臺網記錄的S波不清晰（劉瑞豐等，2019）。

本文選取2023年5—8月礦山臺網記錄到的4次拋擲爆破數據和2019年至2023年4月內蒙古地震臺網記錄到的40次拋擲爆破數據，共計44次爆破數據進行地方性震級與炸藥量間關系的擬合。其中包括ML2.5～2.9地震18次，ML3.0～3.3地震26次，最大震級為2023年6月20日15時51分ML3.3。由于礦山數據涉密，此處不展示44次拋擲爆破的具體數據。記錄臺站和爆破點的分布如圖3所示。采用礦山臺網8個臺站的波形資料進行定位，震級為8個臺站測定震級的平均值。采用內蒙古地震臺網Δ≤200 km的16個臺站的波形資料進行定位，其中包括內蒙古地震臺網的QSH、HLG、CSQ、HHC、LCH、BHS、BTO、JIN、WLH臺站；山西地震臺網的PIG、BOD、YUY、YMG臺站；陜西地震臺網的YULG、SHZ、ZCH臺站，震級為16個臺站測定震級的平均值。炸藥量Y為黑岱溝煤礦向內蒙古地震臺網的報備數據（表4）。

在煤礦的生產區域，由于煤層的厚度及走向不同、在不同的地點進行爆破，同樣的炸藥量爆破測定的震級有一定的差別，從而使得同一震級所對應的炸藥量差別也較大。這些震級集中在2.5～3.4，因此我們對同一震級對應的不同炸藥量取平均，再利用8個點的平均炸藥量與震級之間關系，基于正交回歸方法，擬合得到炸藥量Y與震級ML之間的經驗關系為：ML=3.15lgY-6.88（圖4）。其代表了震級與平均炸藥量之間的經驗關系，相關系數為0.92，置信區間為ML2.5～3.4。

圖5給出了lgY經驗與lgY實際差值數量分布情況，從圖中可看到，差值分布范圍為-0.12～0.12，均值為0.002 5。其中，以 lgY經驗與lgY實際的差值為-0.01的爆破事件數量最多，差值分布整體形態大致呈正態分布。

4 結論

本文基于正交回歸方法，以礦山臺網和內蒙古地震臺網的觀測數據聯合構建的方式，開展黑岱溝煤礦拋擲爆破地方性震級與炸藥量間的關系研究，得到如下結論：

（1）兩個對比觀測臺站礦山臺網Q臺和內蒙古地震臺網QSH臺的波形記錄特征較為一致，兩者Pg到時差在0.00～0.04 s，均值為0.025 s；Sg到時差在0.01～0.03 s，均值為0.02 s。兩臺測定的震中距和ML均一致。實測結果未監測到礦山臺網地震儀參數改變的現象。

（2）聯合使用礦山臺網和內蒙古地震臺網記錄到的44次爆破的數據，基于正交回歸方法，擬合得到黑岱溝煤礦拋擲爆破地方性震級ML與炸藥量Y之間的經驗公式為：ML=3.15lgY-6.88。

由于礦山臺網建成時間較短，爆破間隔較長，礦山臺網所記錄的爆破樣本量有限，還無法修定礦山臺網的量規函數。隨著監測時間的增加，樣本量的積累，今后將繼續開展礦山臺網地方性震級量規函數的研究，進一步使地方性震級ML與炸藥量Y之間的經驗公式更加完善。

中國地震局地球物理研究所劉瑞豐研究員為本文研究提供了計算程序，蔣長勝研究員給予了熱忱的支持和幫助，在此一并表示衷心感謝！

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Study on the Empirical Relationship between the Local Seismic Magnitude

and the Explosive Quantity of the Hurling Blasting in the Heidaigou

Open Pit Coal Mine，Inner Mongolia

WANG Guilin1，LIU Fang2，WANG Tao1，ZHAI Hao2，SHU Lei2，JIA Yanjie2，HAN Xiaolei2，

ZHOU Xuanchao2，WEI Jianmin2，GUO Wei2，SU Riya2，ZHAO Yanhong2，

ZHANG Qian2，SHANG Lijian2，JIA Xinye2，WU Weiyuan2，DAI Yiru2

（1.Heidaigou Open Pit Coal Mine，Ordos 010300，Inner Mongolia，China）

（2.Inner Mongolia Earthquake Agency，Hohhot 010051，Inner Mongolia，China）

（3.Beijing Gangzhen Technology Co.，Ltd，Beijing 102600，China）

（4.Beijing Earthquake Agency，Beijing 100080，China）

Abstract

Based on the project “Application and Research of Hurling Blasting Vibration Control Technology in the Hedaigou Coal Mine”，we use the blasting data of the Hedaigou Coal mine to study the relationship between the local seismic magnitude（ML）and the explosive quantity of the hurling blasting in the Hedaigou Open Pit Coal Mine.In order to address the errors in transfer function，normalization factor，magnification，and other parameters of the seismographs of the Seismic Network of the Hedaigou Coal Mine during long-term observation，we carry out a same-site monitoring of the blasting to do real-time revise of the parameters of the seismographs of the Seismic Network of the Hedaigou Coal Mine.We find that the blasting waveforms recorded by the two seismographs from two different seismic networks at the same site are consistent.Using the near-field data of the Seismic Network of the Hedaigou Coal Mine and the gauge function of the local magnitude（ML）within 5 km，we calculate the local magnitudes（ML）of four blasts from May to August in 2023.On the basis of the data of 44 blasts recorded by the Seismic Network of the Hedaigou Coal Mine and the Inner Mongolia Seismic Network，and using the orthogonal regression method（OR），we obtain the empirical relation between the local seismic magnitude ML and the explosive quantity Q of the hurling blasting in the Heidaigou Coal Mine：ML=3.15lgQ-6.88.

Keywords：the Heidaigou Open Pit Coal Mine；hurling blasting；local magnitude；explosive quantity