老虎台矿矿震的地面效应研究

2021-01-06孟庆男

煤矿现代化 2021年1期

孟庆男

（大同煤矿集团北辛窑煤业有限公司，山西忻州036702）

0 引言

煤矿的安全生产不仅与社会经济发展有关，而且与人类居住环境有着密切的关系，所以需要加强煤矿的安全管理制度。梁玉霞[1]与李新娟[2]等人分别从煤矿的安全质量标准化管理信息系统开发和社会经济发展的视角分析了煤矿安全生产的重要性。近年来随着老虎台矿开采规模和深度不断的加大，矿震灾害显现越来越频繁，其强度和显现频度也在增加，老虎台矿矿区附近以及抚顺市区地面震感频次在逐步增多，造成居民的恐慌。所以研究矿震对地面建筑物的破坏影响程度有着重大的意义。矿震是煤岩体内部的冲击地压，是指矿井高应力区内煤岩体及断层在受到外界条件扰动下瞬间失稳破坏，释放出大量的能量进而引起猛烈震动和爆发式为破坏特征的矿山动力灾害显现[3-4]。随着矿井开采深度的不断加深，矿震已经成为矿山动力灾害中的主要灾害[5]。矿井开采到达深部后，生产条件越来越复杂，生产过程中矿震的显现频度也在不断增多[6]。由于矿震的震源深度浅，既有可能诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害，同时还会导致矿区附近地面建筑物的破坏[7-8]。因此，矿震同样会给矿井安全生产以及人身安全造成安全威胁，也是不能够准确被预测的矿山灾害之一。本文应用地震学、统计学、地质动力区划的方法为矿震发生时，地面震感的影响范围以及地面建筑物的破坏情况给出了参考，为矿井安全生产及居民生活住宅破坏情况提供了科学有效的借鉴。

1 83003 综放工作面概况

83003 综放工作面位于老虎台矿井田西部，经距77114～77797 m，开采标高-748.2～-833.5 m。83003综放工作面对应地表为东露天矿沉陷区回填体（绿都），工作面的走向长度为603 m,倾斜长为163.5m,煤层倾角15°～32°，煤层平均厚度11.8 m，开采煤层为四五分层。该面内夹矸3～8 层，厚度0.4～13 m,其中四分层底板夹矸变化较大，西部厚东部薄，夹矸主要由碳质页岩、泥岩、泥质粉砂岩组成。煤层顶板岩层为绿色页岩、油母页岩，绿色页岩的平均厚度为421.56 m,油母页岩的平均厚度为194.08 m,底板岩层为泥灰岩，平均厚度为17.4 m。83003 综放工作面的运输系统设在-830 m 水平，回风系统设在-780 m 水平。该面东邻73001 已采区，西至井田边界，南为F25断层，北部位“保城限采”煤柱，上部为78001、78002、83001 及83002 已采综放面，下部为五分层煤层及煤层底板。83003 综放工作面的煤岩物理力学参数如表1 所示。

表1 83003 综放工作面煤岩物理力学参数

2 老虎台矿矿震活动情况简介

老虎台矿1907 年开始开采，现在已有近百年的历史。1993 年抚顺胜利矿最早发生矿震事件。随后老虎台矿以及龙凤矿不断发生矿震事件。现在抚顺煤田的胜利矿、龙凤矿都已停产关闭，所以抚顺发生矿震都是由老虎台矿的生产造成的。1993～2014 年间，老虎台矿每年发生矿震次数均在百次以上，破坏巷道数百米以上，最大震级达ML3.7。从矿震发生频次来看，从1993 年开始，矿震呈现逐步增多的趋势，至2001年矿震频次达到了最高值，1.0 级以上达到了2024次，2.0～3.0 级达到了172 次。2001 年以后矿震次数又逐步降低。2007 矿震次数降到了最低。之后矿震又逐步增加。2010 年～2011 年矿震频次又达到了一个较高的水平。图1 为老虎台矿1993 年至2014 年以来矿震发生统计情况。

图1 老虎台矿1993 年～2014 年矿震频次分布

3 老虎台矿矿震影响范围预测分析

3.1 矿震影响范围预测的依据

用来表示地震强度的指标有两个，一个是表示地震能量释放多少的指标震级，另一个是表示地震引起地面震动强弱程度大小的指标烈度。目前我国采用联合国教科文组织推荐的烈度表[9]，共分12 度。地面振动的强弱直接影响到人的感觉的强弱，器物反应的程度，房屋的损坏或破坏程度，地面景观的变化情况等。根据中国地震烈度表得到地震震级与烈度的关系如表2 所示。

表2 中国地震烈度表

确定老虎台矿矿震影响范围的具体思路为，根据抚顺地震台记录到的矿震震级，结合相应的数学模型计算出震中烈度的大小，再根据我国若干等震线资料[10]，经过数理统计建立了地震烈度、地震里氏震级和震中距三者之间的关系，应用得出的关系式求出震中距的值，然后再应用地质动力区划的方法[11-14]所划分出的老虎台矿Ⅳ级区划图，将计算出的震中距值结合微震监测系统显示的震源位置分别绘制出不同矿震震级的烈度分布图。

3.2 震中烈度大小的确定

在发生地震时，地震对地面造成破坏相对应的最大烈度值主要集聚在震中范围内。震中烈度常用I0表示，I0 表示一次地震发生时的最大烈度。影响震中烈度大小的主要因素是震源深度与地震震级。通常地震震级越大，震中烈度也越大。一般在震级大小相同的情况下，震源深度越深，相应的震中烈度会降低。通过统计分析中国历史地震数据，最终得到了地震里氏震级、震源深度和震中烈度三者有如下经验关系式[15]：

式中：ML为里氏震级；I0为震中烈度；h为震源深度。

以老虎台矿83003 综放工作面在2014 年发生过的4 次破坏较大矿震为研究对象，计算出震中烈度值如表3 所示。83003 综放工作面的4 次矿震震中烈度最高为Ⅴ级。

表3 83003 综放面矿震对应的震中烈度

3.3 微震震级与地震震级的转化关系

由老虎台矿提供的微震监测系统记录到的微震震级和抚顺地震局提供的地震震级，建立了微震震级与地震震级之间的关系，转换结果如公式2 所示。

式中：ML为地震震级；MS为微震震级。

3.4 地质动力区划方法的应用

地质动力区划方法是以板块理论为基础，以地质动力学、地形地貌学、地球物理学为依据，揭示了构造活性断裂分割出的不同规模的断块，确定了断块沿其边界相互作用的特征，分析断块的应力状态，提出了安全有效防治灾害的措施[16]。

在1∶5 万的地形图上，以老虎台矿为中心，查明Ⅳ级断块构造，划分出的Ⅳ级断裂共有5 条，划分结果如图2 所示，Ⅳ级断裂特征如表4 所示。

图2 老虎台井田Ⅳ级断块图

表4 IV 级断裂特征表

3.5 矿震的影响范围

根据我国若干等震线资料，经过数理统计，得出地震烈度、里氏震级和震中距三者之间的转换关系式：

式中：I 为地震烈度；ML为里氏震级；R 为震中距，km。

根据（3）式可以分别求出某次矿震的影响范围和相对应的烈度大小。

表5 83003 综放面矿震对应的烈度及破坏情况

以老虎台矿2.7 级矿震和2.4 级矿震为例进行里氏震级、烈度的验算。2 次矿震的里氏震级、烈度和地面震感情况如表5 所示，2 次矿震的影响范围和相对应的烈度如图3、图4 所示。

图3 老虎台矿2.7 级矿震烈度分布图

图4 老虎台矿2.4 级矿震烈度分布图

3.6 矿震的影响范围预测

根据老虎台矿的矿震情况，分别以里氏震级3.0、3.5 级矿震为例，分别绘制出这两种震级矿震的烈度分布图。不同震级矿震的烈度分布如图5 和图6 所示。

图5 老虎台矿3.0 级矿震烈度分布图

图6 老虎台矿3.5 级矿震烈度分布图

根据老虎台矿微震监测系统记录到的微震震级和抚顺地震局监测记录到的里氏震级资料，确定了不同震级矿震测影响范围和烈度。计算表明，当矿震震级达到里氏3.5 级，相应的微震震级为6.3 级时，极震区的烈度为Ⅴ级，该级别矿震不会导致地面建筑物破坏。近年来抚顺矿区矿震的最大震级为3.2级，因此不会导致建筑物破坏。