矿震识别及成因研究进展＊

张 华 姚 宏 陈 鑫 黄树生 牟剑英

（广西壮族自治区地震局，南宁 530022）

（作者电子信箱，张华：huazhang1222＠163．com）

引言

矿产资源是人类赖以生存、社会赖以发展的物质基础，在国民经济建设与社会发展中具有不可替代的作用，但在其开采过程中伴随的矿山灾害、工程及环境损伤却对自然与社会造成极大危害。近年来我国煤矿事故的高发形势令人担忧。如瓦斯爆炸、矿震（或冲击地压）、透水、地面塌陷、煤体自燃等，这些地质灾害严重威胁着矿山人员生命安全，影响到社会稳定、环境生态、经济可持续发展，已成为关系国家战略安全的问题之一［1］。

矿震是指发生在矿区范围内，在一定地质背景和地质构造条件下，既与区域应力场有某种相关，又与矿区构造运动相关联的各种矿山动力现象，并受矿山开采规模和开采方式影响而发生的地震［2］。迄今为止，人们观测到的最大矿震发生在德国南部Werra河岸的Potash矿区，震级为ML5．6。我国记录到的最大一次矿震是辽宁北票台吉煤矿在1977年4月28日发生的ML4．3级矿震，其次是北京门头沟煤矿1994年5月19日发生的ML4．2级矿震。由于矿震震源浅（－500～1 200m），接近矿体，在震级达到2级以上时就有可能产生破坏。矿震的规模还随开采深度增加而可能加大。全球统计结果表明，开采深度大于500m的矿山就有发生3级以上矿震的可能［3］。

一般将矿山地震分为两大类型，第一种和开采面的破裂变形相联系（国内采矿系统称之为冲击地压），第二种和大的地质间断面（断层）的运动相联系（国内采矿系统称之为矿震），都和矿山开采有关。根据以往的资料，第一种往往靠近开采工作面，震级较小，但对工作面冲击较大。第二种距离工作面较远，震级较大，地面震感强烈，但工作面感觉反而不太强烈［4］。Homer等进一步将这两种矿震再细划为6种类型，被广泛采用［5］。如按矿震成因及其发生的部位划分，矿震还可分为顶板冒落型矿震、顶板开裂型矿震、矿柱冲击型矿震和断层活动型矿震［6］。

随着经济社会发展，矿震研究及矿山安全愈发引起人们的关注。有些矿区不仅发生矿山地震，而且发生天然地震。由于实际观测中矿震波形同天然地震波形非常相似，准确区分、识别矿震对评估区域性地震活动和矿震成因研究等方面具有重要的现实意义。近些年，一些学者对矿震开展了大量研究工作，本文着重从矿震识别及成因机制研究两个方面进行回顾，并对未来的研究方向进行了展望。

1 矿震识别研究进展

矿震的表现形式与天然构造地震雷同，皆以构造应力作为主导驱动力，地质构造（断裂、褶曲、盆地等）作为孕震体或发震体，差别在于矿震发生在特殊的煤矿区，震源生成、发展过程中掺杂着人类采掘煤矿引起的附加应力［7］。故从图形上看，矿震与天然地震的波形既有相似之处，但又不完全相同。近几年，由于煤矿的开采强度、开采方式以及地下采空面积和深度增大等因素，矿震规模和强度呈明显上升趋势。因此，矿震与地震的识别、速报已成为各级政府进行及时救灾要解决的科学问题［8］。从科学角度来看，准确识别矿震是开展矿震研究的首要前提。

在模拟系统时期，是通过波形比较及振幅比、卓越周期分析［9－10］等对地震与矿震的识别进行研究的。基于地震波的辐射图形、地震波谱分析和震相特征，人们提出了很多

识别矿震和地震的判据［11－12］。赵永等［13］从地震记录图的角度对北京地区地震、爆破和矿震的特征进行波形识别。对比发生在同一区域的矿震及天然地震波形发现，矿震的周期比天然地震的长，这可能与矿震发生位置较浅及其短周期面波发育有关。在模拟地震图上，可以从周期、幅度、衰减、波形等直观的看出震动类型。随着地震信号的捕获、采集、记录、传输、解析逐步实现数字化，传统地震学的研究领域正在发生变化。宽频带、大动态的数字地震记录中包含了模拟记录所没有的丰富信息，这为矿震与天然地震的定量识别提供了更好的条件。张萍等［14］根据辽宁数字地震台网记录的爆破、矿震与地震的数字资料，采用波谱分析的方法，发现辽宁不同地区爆破、矿震与地震拐角频率具有一定的差异，其中地震P波拐角频率最大，平均为9．7Hz，S波拐角频率平均为9．2Hz；爆破P波拐角频率次之，平均为8．4Hz，S波拐角频率平均为8．1Hz；矿震P波拐角频率平均为7．5Hz，S波拐角频率平均为7．2Hz。地震与爆破拐角频率相差约1．5Hz；地震与矿震相差约2．2Hz。和雪松等［15］基于小波包能量向量和奇异值分解方法，对辽宁抚顺和北京门头沟区域的矿震和天然地震的波形进行识别，发现矿震能量集中在低频部分，天然地震能量集中在高频部分，通过其特征因子可以明显区分矿震与天然地震，并对其物理意义进行了探讨。刘希强等［8］选取Morlet小波作为基函数，利用能量衰减因子的方法对辽宁省抚顺和北镇台记录的矿震和地震的衰减因子a值变化特征进行研究，发现同等震级水平的矿震与地震的a值具有明显差异，其变化范围相互不存在重叠现象，随震级增高，a值呈现下降特点且矿震a值随震级增高而下降的速率比地震大。张丽芬等［16］等利用谱图时频分析方法，研究了三峡地区构造地震和矿震波谱的时频特征，发现二者的时频谱特征存在着明显的差异：构造地震波主频高于矿震；构造地震波的频率成分比矿震丰富，能量密度频谱随频率轴展布较宽，前者带宽足是后者的4倍；矿震能量强度的峰值在整个波列中出现的时间较构造地震早，且能量衰减较快。矿震的有效识别是开展矿震成因研究的重要基础，目前虽然在矿震识别研究方面取得了一些进展，但目前尚未有简洁而通用的识别方法。如能实现矿震的自动模式识别，其在一定程度上将推进矿震的有效监测与科学研究。

2 矿震成因研究进展

2．1 矿震震源机制

为探求矿震的孕育机理和治理矿震灾害，其震源机制一直是人们研究的重要内容。矿山震源机制是揭示和认识矿震发生机理，从事矿震研究的重要基础。通过震源机制的研究，可以深入分析发震的内在和外在诱因、岩体的破（断）裂机理，对于矿山防震减灾具有重要的作用。到目前为止，有许多专家进行过矿震震源机制的研究，著名的有S J Gibowicz，A McGarr，S M Spottiswoode和W D Ortlepp等人。矿震震源机制的研究，最早始于对天然地震机理的研究，一些对天然地震研究的成果被直接应用到了矿山机制的研究之中。之后进一步的研究表明，矿震的震源机制与天然地震的震源机制有相似之处［4］。大部分矿震具有双力偶机制，这已被许多资料所证实。但最近有证据表明，有相当一部分矿震具有非双力偶性质。其表现为一种矿震的初动辐射图像与沿破裂面的剪切运动方向一致，另一种矿震的初动辐射图像以膨胀性质占优势，其破裂体不是剪切滑动而是汇聚，即为内向爆炸。结合现场实际进行分析，具有剪切性质的第一组矿震由煤柱破裂产生，具有内爆性质的第二组矿震由废井塌陷产生。当然，双力偶剪切和非双力偶内爆型的发生条件，在各国矿井中并不一致。两种类型的机制解不可能是截然分开的。除单纯剪切型、单纯内爆型或单纯张裂型外，还有兼而有之的混合型，如剪切－张裂型（剪张型）和剪切－内爆型（剪压型）［6］。此外，李铁等［17］通过对抚顺老虎台煤矿震源机制的研究，发现老虎台煤矿矿震与该区域天然地震的震源机制差异明显，孕育矿震的主要应力来源是卸荷产生的次生应力场，这种次生应力场受构造应力场和重力应力场的共同作用，其中卸荷重力应力场的诱发作用突出。矿震震源机制的复杂性可能与其复杂的构造环境与成因机制有关，对矿震震源机制的深入研究将为天然地震探索提供宝贵的资料。

2．2 矿震与构造关系

矿震在本质上是岩体应力集中且积累足够应变能的部位在破裂时释放应变能的过程。因此，矿震应与构造应力和构造活动相关。张宏伟［18］通过对北票矿区的研究得出，矿区Ι级断裂所形成的区域应力场是该矿区矿震的主要成因、断裂面失稳滑动是地震的主要表现形式，矿区开采则是地震的诱导因素。张少泉［19］通过对门头沟煤矿研究表明，矿震的机制与成因受开采引起的重力、原岩构造应力和现今应力场的综合影响。潘一山等［20］针对矿震受区域应力场影响进行了研究，表明矿震的发生与区域应力场相关，矿震和天然地震都是区域地壳运动变形的反映。

然而，根据传统的地震发生的断层成因说，似乎矿震的发生应该主要和大型或中型活动断裂相关。但在现场和采矿系统的有关报告中发现，并不是所有大中型构造都是矿震的发生地。矿震（冲击地压）主要发生在一些向斜构造的轴部附近，矿区的大型断裂并不一定是发生矿震的首要条件。有些煤矿（例如山东济宁三号煤矿）的矿震（冲击地压）主要发生在一些向斜构造的轴部附近，而矿区分布的几条大型断裂似乎并没有矿震发生的迹象。由此可见，矿震的发生虽然与断层有关，但不是简单的关系［21］。

根据莫尔准则，岩体的破裂条件与差应力的大小有关。因此，活动构造，例如，向斜、背斜、活动断层等，往往是高差应力存在的标志。近年来的研究表明，不仅较大矿震与构造有关，而且工作面附近的较小矿震也与构造有关，特别是与工作面遇到的小构造有关。在采矿系统中，矿震成因的重力说是一种传统说法，认为矿震发生是煤岩体不能承受顶板以上岩体重力造成顶板坍塌所致。G Buhoyino［22］，S Gibowicz［4］都 指 出，重力坍塌型矿震只占矿震类型中的一少部分，大部分矿震的成因和构造活动有关。在天然的地震成因说中，所谓的发震构造多半指活动断层，地震断层说在天然地震的成因说中往往占据统治地位。然而，许多矿山的矿震宏观统计结果表明，重力说和断层说这两种说法均不够全面，它们都忽略了更重要的构造背景。这里所说的构造，首先是向斜构造，其轴部及其附近往往是应力集中部位。矿震为什么会发生在这些部位呢？

究其原因，煤层在生成过程中是古代大量植物遗体被上覆岩土层掩埋后在一定温度、压力和与氧气隔离的条件下形成的，而最早的煤层在很大面积上是呈水平的平坦状态。如果煤层的等高线出现向斜构造，表明这里的煤层在形成后又经历了新的构造运动，这种运动反映了近代水平向构造应力不均匀的状态。因此，煤层中的向斜构造往往是发生矿震的最重要条件，而应力大小又与深度呈正相关。在开采达到一定深度时，就有可能诱发向斜轴部及附近的矿震，主要是在该部位的大小断层。反之，如果不具备高应力条件，即使存在断层，也不一定发生矿震［23］。国内外一些矿区地震的监测表明，同样是矿区断层，且同样位于开采区，有的有矿震，有的就很少引起矿震，上述阐述在一定程度上可对该现象作出解释。

2．3 矿震与瓦斯溢出

一直以来，矿震与瓦斯溢出的关系受到矿震研究者的关注。瓦斯的主要成分是甲烷，是成煤过程的产物。在自然的煤层压力状态下，大多处于被煤体吸附状态。在煤层顶部封闭较差的地方，往往逐渐解吸扩散到大气中，因此不同煤矿瓦斯含量有很大区别。在开采卸压过程中，瓦斯被逐渐解吸，并渗透到巷道中。特别在煤岩体突然破裂时，煤体内部赋存的高压瓦斯会造成煤岩体破坏［24］。研究表明，瓦斯、矿震、透水、塌陷和煤体自燃等是具有内在联系的、是统一的动力过程。李世愚等［25－27］利用区域地震台网和小孔径流动台网地震记录和煤矿瓦斯浓度记录获得了抚顺老虎台煤矿一些矿震与瓦斯溢出相关的证据。通过对2002—2003年老虎台矿近10次瓦斯（甲烷）百分浓度异常记录曲线分析发现，有将近9次的资料曲线都显示出在瓦斯突出或溢出0．5～1h之前，有1．5级以上矿震发生。而瓦斯浓度曲线则都不同程度地出现低值延时，经过10～30 min后才出现突然上升。同样对阜新孙家湾煤矿中的矿震与瓦斯流体溢出研究中亦存在类似的规律。

矿震发生后瓦斯浓度的低值延时响应，表现出与地震引发的海啸发生前海平面响应类似。从响应机理上，二者有所不同。前者为流体扩散过程，而后者为流体重力波，但本质上都是流体对固体破裂的响应。当破裂发生时，煤体内部的瓦斯首先需要填充新产生的破裂空隙。这样，原来渗出的瓦斯流量产生暂时断流，造成回风部位瓦斯浓度记录的暂时低值现象，直到新的空隙填充完毕以后，高压瓦斯才从突出部位涌出。由此得出，该类型瓦斯溢出为矿震的同震现象，而瓦斯的高压赋存和煤岩体破裂是导致瓦斯溢出的根本原因。上述研究结果不仅在煤矿安全预警中有重大意义，而且对于震源物理研究也具有科学意义［28］。

矿震与瓦斯溢出相关的重要意义表明了部分矿山地震成因可能与流体有关。在流体作用中，需要特别关注超临界流体，因为超临界流体具有一系列特殊性质和作用。这些特性与岩石破坏、断层活动及各种地质运动的动力学过程密切相关。超临界流体的概念定义为：温度和压力分别在临界温度和临界压力以上的非凝聚性高密度流体。例如，水的临界温度为374℃，临界压力为22．06MPa；甲烷的临界温度为－82．3℃，临界压力为4．64MPa；二氧化碳的临界温度为31℃，临界压力为7．38MPa。超临界流体具有一系列极为特殊的性质，当超临界流体的密度与液体相近时，其扩散率比液体高，粘度比液体小，因而超临界流体作为溶剂时表现出许多优于一般液体的特性［29］。

何学秋等［30］认为，由于煤体吸附瓦斯后表面能降低，使得煤体膨胀。煤的宏观膨胀随瓦斯压力增大呈指数规律。特别是，对于具有d002（缩合碳单元内芳环层间间距，即面网间距）的初始值大于4×10－10m的煤，会出现第三种类型变形。最引人注目的是，在瓦斯压力为2．2～6．1MPa区间时，参数d002有一个急剧增加的过程。其中在压力为4．5MPa上下，其增加速率为最大。而这个压力正好处于甲烷的临界压力上。由于实验的温度一般为室温，此时的甲烷正好成为超临界流体，超临界甲烷表现出了对溶质（煤）的溶解度加大的性质。

故在－500m深度，一些煤矿已经开采到甲烷和二氧化碳在局部处于超临界状态的深度。例如，抚顺老虎台煤矿－730m实测瓦斯压力平均达4．5MPa［31］。因此，部分矿震的成因除与应力增大有关外，还可能与超临界甲烷（可能还包括二氧化碳）在开采卸载过程的解吸作用有关。上述理论可以解释国内外许多煤矿的一个共同规律，即在开采到－500m深度左右，煤矿的矿震（或冲击地压）的震级和频度都会急剧增加［1］。

2．4 矿震与开采进程关系

一些研究认为矿震的强度和频度同开采的深度、速度及开采方式相关。国内外许多煤矿在开采到－500m深度左右，矿震的震级和频度都会急剧增加。通过对1968—2004年抚顺老虎台和山东兖州鲍店煤矿矿震记录资料进行统计分析，结果认为，不仅第一类矿震活动 （冲击地压 ）与煤矿开采有关，而且第二类较大矿震 （包括3级以上矿震 ）与开采活动也直接相关。开采过程中的周期来压现象不仅诱发冲击地压（第一类矿震），也会直接诱发采空区的较大矿震（第二类矿震）。当开采进度过快，或开采进度不稳定，都容易诱发较大矿震的发生。因此如果选取合适的开采方式（如抚顺）或采取其他一些措施（如山东兖州鲍店煤矿），对矿震活动会起到一定的控制作用［32］。唐子波等［23］对兖州某矿的矿震与开采日进尺、开采周期、日进尺差分值的关系进行分析得出，较大矿震的发生与开采速率过快有关；较大矿震的发生与开采速率的变化不稳定有关。当这个不稳定蕴含的周期恰好和来压周期吻合时，3级以上矿震就特别容易在来压时刻发生。谢广祥［33］分析了开采速度对开采安全的影响；有些矿山测量专家认为，开采速度与矿震有密切的关系，控制开采速度可以减小矿震的强度［34－35］；S M Spottiswoode［36］提出根据地质构造确定开采方法及开采方向来避免矿震的发生等。

2．5 矿震成因力学机制理论与实验研究

随着数学、力学方法在矿震研究中的应用，利用非线性动力学、断裂力学、损伤力学、分形、突变和混沌学等理论方法，为矿震（冲击地压）发震机理研究开辟了新途径，取得了大量的成果。国内外在矿震发生机理研究方面，提出了一系列重要理论，如强度理论、能量理论、刚度理论、冲击倾向理论等，但目前矿震研究理论的进展不大［37］。此外，岩石断裂力学、矿震破裂成核理论、地震的凹凸体模式等为矿震研究提供了一些较好的解释，如在断裂力学方面，裂纹扩展的Griffith破裂准则和Irwin的断裂韧性准则，可以解释矿震中低应力降情况下断层破裂的现象；地震的凹凸体模式对山东鲍店煤矿较大矿震前地震频次不断升高的现象作出解释等［38］。

李世愚等［39］和俄国科学院Ioffe技术物理研究所Kuksenko等合作，利用SDAE－8型声发射（地音）系统，通过岩石破裂声发射实时定位显示实验，模拟了采矿卸载和原有断层相互作用诱发矿震的过程和特征。实验还发现，微破裂发育的充分性，与加载或卸载速率有关。唐林波、李世愚等［40－41］通过岩石破裂的声发射和声波同步接收实验，研究并证实了岩石破坏前低频波辐射现象。根据相似性原理，认为地震前存在低频波辐射现象，从而解释了一系列震前低频事件的机理，包括矿井下近场记录到的矿震前低频波，强矿震前低频形变记录，以及地震前井水水位、次生波记录等现象。根据加载速率对于断裂过程区微破裂发育的影响和断裂过程区尺度对于能量释放规模的影响推断，矿山开采面卸载较快，过程区较小，因此这里发生的矿震震级较低，而断层、采空区或煤层柱附近微破裂发育时间长，微破裂发育比较充分，过程区较大，因此这里发生的矿震震级较大。

3 研究展望

目前来看，对于矿震的识别主要基于两种方式：一是直接根据经验对波形特征进行人工识别。二是通过采用不同的信号处理方法进行判断。但无论从定性还是定量方面，目前都尚未有较为具有普遍指导意义的方法，加之不同区域、不同传播介质情况下，矿震的波形及频谱特征可能不同，因而可能要结合区域矿震的实际加以研究和鉴别。目前地震台网监测系统中缺乏矿震与地震模式识别的软件系统，也未见更多的从数字化台站记录波形中提取矿震与地震差异特征量的研究成果，目前虽然在矿震识别研究方面取得了一些进展，但目前尚未有简洁而通用的识别方法，实现区域矿震的自动模式识别将是未来的研究方向。

近些年，矿震成因研究深化了对天然地震的认识，如李世愚等［42］利用岩石断裂力学和损伤理论的研究成果对两类矿震的机理和区分做出了解释；矿区中的地震有的未发生在断层附近，而发生在向斜构造附近。上述研究对于大地震发生的成因及非断层地震成因具有重要启示。矿震大多具有双力偶源的成分，其地震矩和应力降的关系同天然地震相似，都满足Kanamori提出的尺度不变性。最新理论认为，地震成因与地下流体作用有关。矿震成因中甲烷（可能还包括二氧化碳）流体的作用与十几千米深部水同属超临界状态，因而解吸作用相似，对于地震的发生都起到了触发和释放应变能的作用。这个观点如果得到证实，将为研究构造地震成因和震前地球物理场的变化，提供千米尺度实验依据［43］。因此，矿山是天然地震研究的中尺度实验场，可为地球动力学、地震成因、地震预测等科学研究提供借鉴。

矿震震源浅、频度高，具有小震大灾的特征，特别是，近些年来随着矿山开采的力度加大，矿震造成的危险日趋严重，开展矿震成因研究对煤矿安全生产和减轻灾害具有重要的社会、经济意义。矿震的发生机理较为复杂，这是因为引起矿震的原因是多种多样的。但是，就煤矿开采而言，矿震的发生机理关键在于：采矿引起的井下围岩结构发生破坏，煤岩体应力重新分布，能量发生转换。当这种结构破坏过程中导致的能量转换足以引起煤岩体发生震动时，就导致矿震的发生。当然，在煤矿，由于瓦斯爆炸、岩爆、冲击地压、顶板垮落、放炮震动、矿井突出、断层活动等均能引起矿震的发生，因此在研究矿震发生机理时，必须针对具体条件进行深入讨论与分析［44］。

矿震是一种动力学现象，在它的孕育和发生过程中影响因素众多、发生原因极为复杂。对于矿震发生机理的研究，今后应更多采用有关数学和力学手段，结合具体的生产地质条件和科学实验研究，有针对性地开展研究工作。地应力、采动应力与矿震关系研究是基础，地应力的大小和方向及不同区域地应力的差异和矿震的发生具有密切的关系，采动过程中的应力分布规律是矿震发生的直接影响因素，可通过大量的地应力测量，观测采动过程中矿体岩层的应力分布规律，研究矿体地应力分布规律和特点，并通过数值模拟研究地应力和采动应力对矿震的影响。运用现代数学中分形、混沌及非线性动力学，寻找矿震可操作的矿震发生判据，认识矿震发生的过程，寻找矿震发生的敏感因素。进一步开展矿震发生机理的实验室研究，进而从实验角度认识矿震、研究矿震的发生机理［37］。

可在密集台网的矿区开展震源参数研究，利用数字波形资料，精确计算出这些中小地震的震源谱、应力降、震源尺度等震源参数，结合层析成像技术详细了解矿震演变过程，研究区域应力场的空间分布特征和动态特征，深化对地壳介质在应力作用下发生破裂或位错过程的认识，探讨应力场变化与较大矿震的关系。同时结合地质构造建立有限元模型进行数值模拟计算，研究矿区应力变化及矿震的孕育过程，进而对矿震发震成因进行研究。

致谢

特别感谢李世愚研究员的宝贵意见！

（作者电子信箱，张华：huazhang1222＠163．com）

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