南丹大厂矿区人工爆破与天然地震的判定研究

牟剑英, 韦 峰， 谢夜玉， 龙政强

（1. 广西壮族自治区地震局， 南宁 530022； 2. 广西华锡股份有限公司铜坑矿， 广西 南丹 547207）

0 引言

广西河池市南丹大厂矿区是世界著名的有色金属生产基地， 以锡为主， 锑、 铟、 铅、 锌共生的特大型矿床， 储量大、 品位高， 经济价值巨大。该矿山自宋代以来就已地下开采， 历史悠久[1]。 矿区矿产的开采， 往往使用爆破的方法将矿石破碎，因此， 该区矿山爆破活动较为频繁。 有些爆破波形特征明显， 具有典型爆破特征， 易于识别， 有些爆破则较为复杂。 矿区长期的作业开采， 形成纵横交错的地下坑道和大面积的采空区， 从而导致地压与矿震频繁发生， 但由于地震与爆破在同一区域交替出现， 增加了识别爆破与天然地震的复杂性。

关于爆破与地震的识别， 国内外许多学者进行了广泛和深入的研究， 并提出多种识别方法，比如研究P 波初动、 震源深度、 体波震级m 与面波震级M 之比、 P 波和S 波震相幅值比、 频谱分析、 小波变换等分析方法[2-6]。 南丹大厂矿区地震监测台网自2010年1月正式运行（图1）， 台网由8个遥测子台和一个台网中心组成， 台网孔径小，东西约7.5 km， 南北约8.5 km， 台站均匀分布，台间距平均仅3 km 左右， 监测震级下限低至ML-0.5 级[7]。 高密度的台网布局和高灵敏度短周期的地震观测仪器为研究识别爆破和天然地震提供了良好的条件， 产出了丰富的数字地震波形数据。根据所获得的大厂矿区爆破或地震事件波形数据，本文采用波形对比方法对发生在同一地区的305次爆破或地震事件及可疑事件进行对比分析， 找出适合本区域正确区分人工爆破和天然地震的判断判据， 提高该区域的地震编目质量， 服务于矿区的安全生产及该区域地震活动性研究。

1 资料的选取

根据所记录事件的台站数不少于4个， P 波初动方向清楚的台站不少于3个， 以及震中距离台站均不大于8 km 的要求， 本文选取了大厂矿区（24.79°～24.92°N， 107.52°～107.67°E）自2010年台网正式运行以来记录到的305个事件（震级区间L 0.5～2.7）波形进行分析对比研究， 根据矿区采矿生产作业爆破记录， 确认其包含263个爆破、 32个天然地震和10个可疑事件。

图1 大厂矿区地震监测台网台站分布及研究事件分布Fig.1 The distribution of the monitoring network stations and the research events in Dachang mining area

2 资料的分析处理

2.1 震相特征

由于爆破与地震的震源特性不同， 因此两者的波形特征不同。 在震相特征上， 对所选区域爆破和地震的P 波发育状况、 S 波发育状况进行分析对比。

爆破是膨胀源， 主要产生P 波， 但由于爆破方式、 传播路径复杂等的影响可能产生剪切力S波。 爆破有较强的P 波群， S 波相对较弱。 而地震过程中， 岩石要发生剪切错动， 所以大多数地震会产生较强的S 波[8]。 根据两者的P 波和S 波发育情况对比分析发现， 大厂矿区的爆破P 波极为发育， 各台站波形呈头大尾小的纺锤形状， S 波基本无法区分， 这主要是因为爆破的能量释放极快，爆破地点离记录台站近而造成的， 如图2。 而该地区大部分天然地震波形则表现为P 波段振幅小， S波段振幅极大， P 波和S 波分段性极好， 易于识别， 如图3。

但事实上， 该矿区部分天然地震波形特征也存在P 波发育， S 波基本不发育， 外观上极易混淆成爆破事件， 如图4。 因此不能单纯从震相特征上去判定。

图2 大厂矿区2013年7月2日爆破波形Fig.2 The waveform of blastings recorded in Dachang mining area in July 2nd, 2013

图3 大厂矿区2010年4月20日地震波形Fig.3 The waveform of earthquakes recorded in Dachang mining area in April 20th， 2010

2.2 P 波周期特征

地震波的周期也是地震波的动力学特性之一，地震波的动力学特性的变化一定程度上依赖于地震的震源机制和介质的结构与性质等许多因素。从介质的结构及传播路径来看， 天然地震震源较深， 且地震波成分复杂， 衰减慢， 波及面大。 爆破瞬间发生， 震源浅， 经过松散地层， 结构路径介质差异较大， 波的高频成分被吸收较多， 地层对爆破产生的波的衰减是一种低通滤波作用， 与地震波相比P 波的周期比较大， 衰减快， 且面波较发育[9]。 对比同一位置不同爆破当量和不同位置相近当量的爆破波形， 发现波形的P 波周期与震级大小关系不大， 主要与爆破方式有关（表1）。

天然地震平均周期范围在0.02～0.04 s， 优势平均周期为0.03 s， 爆破的P 波平均周期范围在0.04～0.08 s， 优势平均周期在0.06 s（表2）。 据此， 通过P 波平均周期的分析对比， 可很好区分矿区爆破事件和人工爆破。

图4 大厂矿区2010年8月16日地震波形Fig.4 The waveform of earthquakes recorded in Dachang mining area in August 16th, 2010

表1 大厂矿区爆破、 地震P 波平均周期Table 1 The average period of P-wave of natural earthquake and artificial blasting in Dachang mining area

表2 大厂矿区爆破、 地震P 波平均周期特征分析结果Table 2 The analysis results of the average period of P-wave of natural earthquake and artificial blasting in Dachang mining area

2.3 P 波垂直向初动方向符号分布特征

由于爆破是膨胀源， 产生的压缩波无象限分布， 通常情况下， P 波初动方向都是向上， 地震则是岩石的破裂或错动， 产生压缩波和膨胀波， 有象限分布[10]。 在各向同性介质中， 点源爆破的振幅与方位无关， 且只有压缩初动， 而地震的振幅和极性均会随方位变化[11]。 本文所研究区域范围小，台站密度高， 区域的震动事件的在P 波初动方向较为清楚， 特别是在震级ML0.5 级以上， 在研究的295个爆破和地震事件中， 初动方向清楚的台站占96%。 在263 次爆破事件中记录到P 波垂直向初动向上的台站除YQD 台外均超过60%。 从某种程度上说， 大厂矿区爆破P 波垂直初动方向符号整体还是趋于向上的， 特别是TJC、 LAJ、 BMP 台站， 初动向上占初动清晰比例分别为81.7%、77.9%和77.1%。 在32 次天然地震中记录到的P波垂直向初动向下的台站除DSJ 台为72%最低外，其他台站均超过80%， 全部向下的台站就有BMP、YLP 和YQD 台， 见表3。

理论上爆破事件P 波垂直向应是向上的， 但由于大厂矿区地下竖井和坑道纵横交错， 存在大面积的采空区， 加之不同的爆破方式， 使得波形更为复杂。 现在爆破类型除一次性爆破， 还有微差爆破。 矿区内爆破P 波垂直向初动全部向上的事件有74个， 占28%， 全部向下3个， 占1%，相异的130个， 占71%。 而在32 次地震事件中，全部向下的事件22个， 向下比例超过60%就有91%， 见表4。 在32 次地震事件中， 全部向下的台站就有BMP、 YLP 和YQD， 该矿区天然地震P波垂直向初动整体向下， 见表5。

表3 大厂矿区各台站P 波垂直向初动方向特征Table 3 Characteristics of first motion for p-wave in vertical direction of each station in Dachang mining area

表4 大厂矿区人工爆破P 波垂直向初动情况Table 4 Situation of first motion for p-wave in vertical direction of artificial blasting in Dachang mining area

表5 大厂矿区天然地震P 波垂直向初动情况Table 5 Situation of first motion for p-wave in vertical direction of natural earthquake in Dachang mining area

在对比同一地方爆破波形后发现， 若两个事件的爆破位置水平坐标和垂直坐标都一样的话，两者的初动方向基本一致， 若两个事件的爆破位置在水平上坐标相同而在垂直坐标不同， 两者的初动方向就有所差异（表6）。

综合分析矿区爆破及地震P 波垂直向初动方向符号特征， 认为P 波的初动方向不能作为区分爆破和地震的重要判据， 但可在多种波形特征综合分析的基础上辅以判断， 如根据P 波、 S 波发育情况及发震时间， 加上对各台站所记录的P 波垂直向初动方向统计的一致性比例， 作为区分事件类型的重要参考依据。

表6 大厂矿区爆破事件不同地点P 波初动特征对比Table 6 Characteristics of first motion for p-wave of the blasting event in different site of Dachang mining area

2.4 发震时间规律分布

大厂矿区主要有几家大型采矿企业， 一般开采爆破时间安排在下午15 时至17 时进行。 我们将矿主给的大厂2010年以来所记录到的600 余次爆破事件按小时段时间进行统计， 结果表明， 15时至17 时三小时内的事件频次占总次数的67%，而地震事件则没有明显的时间规律， 又由于爆破时段不定， 也不排除有半夜偷矿放炮的可能， 因此发震时间也不能作为区分爆破和地震的绝对判据， 只能做辅助依据。

3 可疑事件待进一步研究

大厂矿区除爆破或地震事件外， 还经常记录到一些可疑事件。 这些可疑事件与本地区以往的爆破和地震波形记录存在明显差异， 因此对这些事件的判定较为因难。 本文截取了10 次可疑事件进行分析。 这些可疑事件存在以下特征： ①P 波、S 波都不发育， 呈正弦面波组； ②事件波组单调，周期均匀， 均在0.28s 左右； ③初动没有一个台清晰； ④发震时间全天候都有， 早上4、 5 点和晚上10 点、 11 点居多。 对此， 曾怀疑过是否为该矿区的塌陷或陷落事件， 但根据波形的特征和时间持续特点分析， 无后续尾波， 不符合塌陷和陷落特点。 是否为矿区外震动事件以及事件类型都需进一步研究探讨。

4 结论

通过以上对大厂矿区爆破和地震的波形特征分析对比， 可以得出以下结论。

（1）人工爆破P 波较天然地震发育， 在一定震中距呈头大尾小的纺锤形状； 因天然地震部分波形也存在头大尾小特征， 因此不能单从P 波和S波发育情况来作为两者识别的判据。

（2）P 波平均周期能很好区分该区域爆破事件和天然地震， 爆破的P 波平均周期较地震大，爆破当量的增大对P 波周期影响不大。

（3）波形记录P 波的初动方向均较清晰， 但因矿区环境复杂， 竖井、 坑道、 采空区纵横交错，爆破事件P 波初动方向大部分存在相异现象， 但总体偏于向上； 天然地震P 波初动方向总体偏于向下， 有些事件更具有向下的一致性。 因此， P 波垂直向初动从综合判断事件类型可作为辅助判断依据， 但不能作为识别判定的决定依据[12]。

（4）根据企业爆破作业时间规律， 可辅助作为区分爆破和地震的依据。

总之， 大厂矿区记录波形事件类型难以单从P波初动符号、 震相发育特征或发震时间来识别，但可从事件P 波平均周期来判定识别。

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