鹤岗地区地震活动与矿山瓦斯异常涌出的相关性研究

张永刚 ，田 有 ， 李大伟 ， 滕 伟

（1.吉林大学，吉林 长春 130000； 2．黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；

3．鹤岗地震台，黑龙江 鹤岗 154100； 4.黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司，黑龙江 鹤岗 154100）

0　引言

鹤岗是一座因煤而立，由煤而兴的城市，煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42公里，东西走向6公里，面积252平方公里。自民国开始开采，将近百年开采史，煤炭开采带来经济效益的同时是对环境的改变，这其中最具破坏力的就是煤矿瓦斯爆炸。

近年来，随着龙煤鹤岗矿区各煤矿逐步进入深部开采，矿震等煤岩动力灾害在峻德、南山等煤矿陆续显现，对煤矿安全生产构成重大威胁。为确保矿工的生命安全和矿井的高效安全开采，需亟待弄清鹤岗矿区全境范围及特定矿井采掘工作面的冲击矿震诱发机理及活动规律，并以此为基础探索矿区及矿井具体工作面冲击矿震等动力灾害的危险性和相关性的研究就显得尤为必要。

据研究表明，天然地震与矿震之间存在一定的关联性，尤其是近场的天然地震发生后会激发矿震的发生概率，同时天然地震、矿震的发生也会激发瓦斯的异常涌出，进而引发强烈的瓦斯爆炸。2009年兴山煤矿“11.21”、2013年振兴煤矿“3.11”，2013年峻德煤矿“3.15”等矿难的发生，给矿工的生命安全和经济社会的发展造成了巨大危害。鹤岗地区的矿震次数由过去的300余次/年，上升至600余次/年，特别是在兴安、峻德、南山、兴山等煤矿，矿震、瓦斯突出等煤岩动力灾害尤为突出。

1　天然地震与矿震及瓦斯的相关性

在近场区域发生天然地震前后一段时间内会诱发本区域煤矿发生矿震，在矿震发生后会引发瓦斯爆炸，这一系列的事件之间虽不存在必然关系，但是也存在某种程度的关联，尤其是在煤矿与地震震中间均存在某些地质构造上的关联[1]。

2002-06-29T01：19，吉林汪清发生M 7.2级深源（h=570 km）地震； 2002-07-05T01：46至2002-07-06T23：21，分别在距震中430 km的黑龙江鹤岗南山、大陆、俊德发生了5次ML1.0级以上矿震，2002-07-08T14：50，鹤岗鼎盛煤矿发生瓦斯爆炸。该深源地震发生后的6天，触发了鹤岗的矿山地震活跃度，而瓦斯在矿震的作用下在巷道内汇聚，造成重大灾害。

2009-11-14T19：34，黑龙江嘉荫发生ML2.0级地震；2009-11-14T13：46至2009-12-21 T17：42分别在距震中160 km的黑龙江鹤岗俊德、富力、新兴、大陆发生了8次ML1.0级以上矿震，2009-11-21T02：29黑龙江新兴煤矿瓦斯爆炸。嘉荫与鹤岗同处于依舒断裂带北段的西盘，属同一构造区域，该地震发生后7天，鹤岗矿区的矿震频度及强度明显增强，此次瓦斯爆炸造成百余人遇难。

2013-01-05T16：58，阿拉斯加东南部发生M 7.9级强地震；2013-01-09T04：59，在距离震中约5000km的鹤岗峻徳矿发生ML3.1级矿震，峻徳矿综采一队回风（3水平北17层3.4区一段）9日05：13、05：43、06：21连续出现了3次瓦斯超限警报。2013-01-18T20：58，在鹤岗益新矿发生ML3.0级矿震，益新矿综采一队上隅角（3N2后部区15号层零段）18日01：06出现了瓦斯超限警报。此次地震虽然距离远，但震级大，在4天后鹤岗矿震从能量释放来看，震级大、频度高，尤其是对整个东北板块影响还持续了一段时间。

2013-03-05至2013-03-08，3天 时 间 内鹤岗矿区共发生15次ML1.0级以上的矿震，其中超过ML2.5级的有2次，分别是2013-03-08T08：11ML2.5级 矿震和 2013-03-08T08：11ML2.7级矿震。2013-03-11T02：30，振兴煤矿发生瓦斯爆炸。在瓦斯爆炸之前的矿震频度及强度明显呈增强趋势，且在矿震发生后的数小时内，多个巷道出现了瓦斯超限警报。

2013-03-15T04：03， 峻 徳 矿 发 生ML1.5级 矿 震；2013-03-15T04：05， 峻 徳 矿 发 生ML1.0 级矿震；2013-03-15T05：17，峻徳矿发生ML3.7级矿震；05：25峻徳矿综采一队工作面（3水平北17层3.4区1段）、05：43综采一队上隅角（3水平北17层3.4区1段）、06：21综采一队回风（3水平北17层3.4区1段）分别出现了瓦斯超限警报。此次矿震发生后18min～2h内，瓦斯数据呈现了异常涌出的现象，在瓦斯异常涌出的区域与矿震发生的位置密切相关，此类相关需要更进一步的区域化和网格化。

2015-11-14T04：51我国东海海域发生M 7.2级地震，2015-11-15T03：20我国东海海域 发 生M 6.0级 地 震；2015-11-15～2015-12-15鹤岗矿区连续发生53次ML1.0级以上矿震；2015-12-13T22：20,峻徳矿发生ML2.5级矿震，2015-12-15T11：33,峻徳矿发生ML2.9级矿震；2015-12-16T14：30，黑龙江鹤岗向阳煤矿发生瓦斯爆炸。

2016-01-02牡丹江林口发生M 6.2级深源地震，2016-01-03至2016-01-06鹤岗矿区连续发生10次ML1.0级以上矿震；2016-01-07T05：43俊德矿多层面连续出现多次的瓦斯超限警报；2016-01-21T07：37，鹤岗兴安矿发生3.8级矿震，2016-01-21T08：10同时在新兴矿和俊德矿均出现了瓦斯超限警报。

从以上数据我们发现，天然地震与矿震、煤矿瓦斯爆炸之间存在某些关联，这些关联是有章可循的，但仅从这些有限的样本中很难统计出量化规律。开采导致应力状态失衡诱发矿震，矿震带来的空间压力瞬间失衡，导致吸附、游离态的瓦斯瞬时聚集结合，不再以自由气态形式存在[2]。在一定条件下，当压力、温度的变化时，瓦斯在密闭的空间中浓度到达爆炸临界点就形成了灾难。

（1）在近场及相互关联构造区域天然地震发生之后，4～10天时间内，鹤岗区域内的矿震活动频次及震级都会有明显的增高趋势。这表明天然地震加剧了矿区的应力积累，在采空区及应力临界区域会有明显的释放。

（2）在部分的矿震发生后，在距离震中一定的范围内，1～2天时间内，甚至是18min时间内，会有瓦斯异常涌出的事实，这个事实证实瓦斯异常涌出是煤岩体破裂的结果。

（3）瓦斯的涌出可能存在多种可能性，矿山的开采本来就会伴随着岩体的活动和破裂，另外地下水的活动也是其诱因之一[3]。

2　矿震与瓦斯突出的机理

煤炭开采诱发地震（采矿业称为冲击地压）是采矿诱发的动力地质灾害之一。矿震是在采矿活动和区域应力场作用影响下,使采区及周围应力处于不稳定状态,采区局部积累的一定能量以冲击或重力方式释放而产生的岩体振动。据不完全统计,上世纪80年代以来东北地区的黑龙江鹤岗煤矿的矿山地震水平逐渐增强，矿震的震源浅，频度高，灾害大，较强烈的矿震会引起地表强烈震感或地面建筑物的严重破坏。矿震是矿区矿山地下工程灾害的一种，在黑龙江四大矿山开采程度以及矿山地震的活动性来看，鹤岗地区无疑是比较突出的一个。研究工作表明,矿震的发生除人为开采因素外,矿山所处构造环境和区域构造应力场状况与其有密切关系[4]。

矿震与瓦斯突出之间存在着必然的联系，而是矿山动力灾害，本质上都是“矿井开采应力失衡后的煤岩微破裂产生—贯通—扩展—破裂失稳”的过程[1]。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。游离状态也称为自由状态，这种瓦斯以自由气体状态存在于煤体或围岩的裂缝、孔隙之中，随着贮存空间的体积、压力和温度等剧烈变化，其不再以自由气态形式存在，几种状态的瓦斯处于不断变化的动平衡之中，在一定条件下会互相转化，导致瓦斯的异常涌出现象。在瓦斯异常涌出的前后加强矿井的瓦斯监测和通风，稀释和排出瞬间聚集的瓦斯气体，将其浓度控制在矿山安全的阈值以下，是保障开采的必要条件。

3　结论与讨论

目前国内外很多人关注和矿山地震相关的研究，我们也是希望通过我们的不断探索和研究，为我省的煤炭生产安全和矿区的人民财产安全方面有所贡献。从震源机制、矿震成因等分析了矿震与矿山次生灾害相关的机理，矿山地震或周围区域的天然地震对矿山瓦斯溢出、隔火墙的密闭等会产生一定的影响，可能直接导致了次生灾害的发生。

仅凭借肉眼人们很难准确的辨识各种动力灾害源，尤其是远离开采工作面的深部岩体破裂震源。因此，采动煤岩破裂及应力场演化过程的研究需通过一定监测手段加以实现。其中，采动应力场的直接实观测难度较大，相对而言，监测采动煤岩的微破裂和震动过程则容易得多，震源参数的确定性也较高，因此，采用煤岩破裂的高精度微（矿）震监测技术，加以配合大尺度的地震监测、矿震监测，已逐渐成为国内外矿山动力灾害监测预警的重要手段和必然选择。

（1）天然地震的能量传播对矿震的影响非常明显，而矿震在特定条件下对周边矿井的瓦斯异常涌出需要更进一步的区域化和网格化。

（2）从天然地震对矿震的影响时间与震级、震中距等相关性来看，时间尺度约为4～10d，矿震对矿井瓦斯的影响从时间尺度来看约为18min～2h，而这种能量的传播通道目前并未明确，地震波列的传递中是否有其它弹性体物质的挤压和影响需要进一步研究。

（3）大尺度的地震和矿震监测，结合煤矿的SOS微震监测与高采样的瓦斯联合观测，可对矿震（冲击地压）与瓦斯相互诱发的灾害开展预警研究，尤其是高瓦斯、突出和冲击地压矿井进行预警模型的搭建很有必要。

参考文献：

[1]李铁,蔡美峰. 地震诱发煤矿瓦斯灾害成核机理的探讨 [J]. 煤炭学报，2008，（10）：1112-1116.

[2]李世愚. 矿山地震、瓦斯突出及其相关性[C]//煤矿安全与地球物理学术研讨会论文集2006：9.

[3]李世愚. 瓦斯溢出与矿震相关的若干证据及其对地震成因的启示[C]//中国地球物理学会第二十届年会论文集.中国地球物理学会：2004：1.

[4]李世愚. 矿震与瓦斯的相关性及其在地球物理学中的意义[C]//中国地球物理第二十一届年会论文集.中国地球物理学会：2005：2.