湖南矿山地震特征分类

2023-11-15童迎世康承旭

地震地磁观测与研究 2023年4期

童琼童迎世康承旭

1）中国湖南 410008 长沙地震监测中心站

2）中国长沙 410004 湖南省地震局

0 引言

地震是地球动力作用的产物，可能是地球内动力引起的构造地震和火山地震，也可能是外动力造成的塌陷地震等。在一定条件下，人类的工程活动会诱发地震活动，尤其是矿产资源开采，经常引发地震，从而对地表造成破坏性影响。随着矿产资源地下开采加剧，人为作用力对地表和岩石的影响逐渐增大，甚至会改变现代地壳运动的自然进程。

湖南省矿产资源丰富，种类较多，采矿点面较广，但发生矿山地震（下文简称矿震）的矿种和矿点相对不多。然而，矿山地震是湖南省诱发地震中危害最大的一类地震。一旦发生矿震，对当地居民的生产、生活将产生一定破坏性影响。本文对湖南区域发生的矿震进行统计，按矿种、成因、诱发因素进行分类，以便掌握可能发生矿震的区域，从而采取针对性的有效的监测措施，保障当地民众稳定的生产、生活环境。

1 湖南矿震按矿种分类

自湖南省有测震台网记录以来，煤矿、金属矿、非金属石膏矿开采均诱发过矿震。其中，诱发地震矿点主要分布如下：①煤矿：宁乡煤炭坝煤矿区，娄底的恩口、斗笠山和桥头河煤矿区、邵东的牛马司煤矿区，祁阳煤矿区；②金属矿：安化的硫铁矿、郴州的铀矿、凤凰汞矿区；③石膏矿：石门和衡阳与湘潭的石膏矿区。

湖南省矿震发生矿点分布见图1。

图1 湖南矿震发生矿点分布Fig.1 Distribution map of mine sites in Hunan mine quake

1.1 煤矿矿震

煤体属于一种脆性岩体，煤矿自然灾害表现为瓦斯突出、顶板冒落、井水突出和矿山地震等形式（张少泉等，1993）。其中煤矿矿震震级一般为2—3 级左右，个别达4 级以上。据调查，湖南省内煤矿矿震主要发生在宁乡煤炭坝、邵东牛马司、涟源恩斗桥等地区（图1）。

据调查，湖南省煤层一般形成于白垩纪到第三纪，深度从几十米到一百米不等。目前，煤矿通常以房柱式人工开采方式为主，机械化开采为辅。随着开采深度的增加，覆盖层压力增加，致使煤层从“易碎物质”变成“准粘滞性物质”，造成应力在深部煤层构造面或开采面附近的高度集中和聚积，以至超过煤体强度。而局部渗水和透气，都可能加速此应力集中过程。矿震发生之前，往往会出现微震活动的缓慢增加，但在较大矿震即将发生时，微震活动又急剧减弱，甚至“平静”。

1.2 金属矿矿震

湖南的金属矿开采规模不大，矿震震级一般为2—3 级，最高可达4 级以上。对于表层开采，若没有区域构造背景，则震级较低，仅2—3 级。据调查，湖南省内金属矿矿震有安化青山硫铁矿、郴州711 铀矿和凤凰汞矿（图1）。

与煤、石膏等矿的沉积变质过程不同，金属矿的矿震形成于熔岩的迁移凝聚过程，因此断层活动的参与远比煤矿强烈。金属矿所诱发的地震更接近天然地震。由开采而诱发的容积闭合对断层的复活起着不可忽视的作用。但是，天然地震震源多为平推断层或逆断层，而金属矿震震源多为正断层，这可能与形成条件和诱发条件有关。

1.3 石膏矿矿震

湖南石膏矿矿震主要发生在石门花薮和湘潭与衡山交界的矿点（图1）。

石膏矿开采过程中由于开挖洞室和坑道，使地应力分异，围岩应力跃迁及能量进一步集中，在应力作用下围岩产生张—剪脆性破坏，并伴随声响和震动。在消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化为动能，使围岩由静态平衡向动态失稳发展，造成岩片隔离母体，获得有效的弹射能量。地震发生时能听到从震区发出的垮塌声，从现场调查可知，这种矿震与其他矿震不同之处是，采空区在上覆岩体的巨大静压力作用下，在某些地段形成应力集中，使坚硬岩石产生破裂，在矿井中产生岩石鼓出等现象。

2 矿震按成因分类

湖南省矿震成因可分为顶板冒落型、顶板开裂型、矿柱冲击型和断层活动型4 类。

2.1 顶板冒落型矿震

当矿顶重力或应力超过支撑力时，会造成整体或局部崩落，此时发生的地震即为顶板冒落型矿震。伴随崩落过程，对顶板上部增加一个后坐力，冒落物对底板施加一个冲撞力。2 个力的方向相反，大小可视为相等，因而等效于在垂直方向上的一对张力，可表示为一对偶极矩。矿山开采过程中，为保护开采区采用木柱或周边岩体支撑顶板，但同时形成潜伏隐患的应力转移和积累。当顶板附近有处于顶板和底板之间的矿柱时，矿柱则自然地成为能量快速转移和积累的场所。当应力超过矿柱强度时，矿柱发生断裂，牵动上下底板活动，形成塌陷，所造成的破坏和影响范围较小。2006 年8 月19 日19 时47 分，石门花薮地区发生的ML3.6 矿震，即属于顶板冒落型矿震。

2.2 顶板开裂型矿震

当直接顶与表顶“粘结”牢固，不能在重力或应力作用下通过冒落释放积累的能量时，只能通过自身开裂，即破坏性变形来释放能量，此时发生的地震即为顶板开裂型矿震。这里的开裂等效于一对水平方向的对称张力。实际过程可能是，顶板开裂与顶板冒落共同存在，2种破坏形式的结合形成一对张力与一对压力组成的正交力系，等效于一个双力偶模型。据震区群众反映，2001 年5 月19 日牛马司ML3.0 矿震、2003 年1 月17 日湖南省衡山县与湘潭县交界石膏矿ML2.8 地震发生时有沉闷地声。调查发现，矿井顶部岩块掉落并伴有响声，矿顶出现裂缝。

2.3 矿柱冲击型矿震

矿柱冲击型矿震发生原理如下：保留柱（如煤柱、岩柱）是支撑顶板以保护开采区的一种开采方式，但同时形成潜伏隐患的应力转移和积累。当顶板在重力或应力下不能以冒落或开裂形式释放所积蓄的位能时，矿柱则自然成为能量快速转移和积累的场所。应力超过矿柱强度则会发生断裂。此时，由于矿柱的破裂牵动上下底板活动，从而形成由矿柱水平方向的张力和上下底板的压力构成的一组正交力系，即等效于一个双力偶模型。

1996 年7 月1 日湖南安化县高明乡青山硫铁矿ML2.6 地震的发生，即由于多年采掘，对采空区未采取有效技安措施，采掘面地质构造复杂，岩溶发育，断层纵横展布，加之采矿巷道不规范，致使井下岩体结构存在诸多不稳定因素。在采掘过程中，由于大跨度、大开采量使岩石原始状态受到破坏，一些地段应力得以释放，另一些地段应力得到加强，采空区在上覆岩体的巨大静压力作用下，在某些地段形成应力集中，使坚硬岩石产生破裂，在矿井中产生岩爆和岩石鼓出等现象，破碎岩石被弹射出来，从而产生矿柱冲击型矿震。

2.4 断层活动型矿震

断层活动型矿震发生原理如下：开拓巷道或回采煤体会破坏原岩应力，形成一个内向压缩的附加应力带，即容积闭合带，容易诱发在巷道或开采面附近的断层活动。若断层位于底板下部，可能因上部卸载（减压）而发生逆断层活动，若断层位于顶板上部，可能因下部卸载（减压）而发生正断层活动；若断层位于巷道一侧并与之平行，则可能因一侧卸载（减压）而引起断层的平推活动。显然，这里是一对双力偶作用，等效于一对主应力作用。

1998 年3 月12 日18 时5 分郴州市马头岭ML3.4 地震发生在茶永盆地，该盆地被两侧大断裂所夹持，其中西北侧断裂由茶陵经永兴、原郴县向西南延伸，走向基本呈NNE向；东南侧断裂由江西宁冈经三都西北、原郴县南边至骑田岭消失，走向基本呈NNE 向。2 条断裂带在地貌、物探、地层对比上均显示，对盆地的形成和发展具有一定控制作用。震区地质条件较为复杂，溶洞发育形成喀斯特地形，局部有暗河并有温泉出露。

顶板冒落、顶板开裂、矿柱冲击和断层剪切等4 类矿震成因据巷道周围构造和开采环境造成的应力状态加以区分，但实际矿震成因复杂。而且，当出现大面积悬顶并久悬不落时，可能会出现顶板冒落和顶板开裂，此时若附近存在矿柱或断层，则可能发生矿柱冲击和断层活动。

3 矿震按诱发因素分类

采矿诱发地震活动（矿震）是矿山常见地下型环境地质问题（戴塔根等，2000）。矿震是指开采地下固液体矿产过程中出现的地震，是由人类采矿活动诱发的。据研究，引起矿震的因素主要有：①地下体积亏损：从地下采取固体矿石或流体后，造成地下体积亏空，改变原有应力平衡状态，引起塌陷、断裂活动导致诱发地震；②掘进放炮时冲击波诱发断裂复合或岩溶塌陷诱发地震；③注水定向流动：矿山注水加速了地下水对白云岩、石灰岩的浸蚀（岩溶）作用，浸蚀至一定程度便诱发塌陷地震。按诱发因素，可将矿震分为诱发构造型、诱发塌陷型和岩（煤）爆诱发型3 类。

3.1 诱发构造型矿震

开拓巷道或回采煤体会破坏原岩应力，形成内向压缩的附加应力带，会诱发位于巷道或开采面附近的断层活动。若产生的附加应力增强，会导致矿区局部应力调整而触发地震活动，且地震波形与天然地震波形相近，震后现场考察发现，地震烈度等值线沿构造呈椭圆分布，此类诱发构造型矿震占比较大。例如：2007 年6 月25 日湖南宁乡县煤炭坝镇段家桥村附近ML2.8 地震，烈度分布呈椭圆形（图2），长轴与李家坝—段家桥断裂带方向基本一致，表明此次地震为该断裂带诱发的一次构造型矿震；2016 年7 月19 日发生在涟源斗笠山镇煤矿区的涟源ML3.8 地震，主破裂面走向NE12°，与地震烈度等震线长轴方向及附近的宁乡—娄底—新宁断裂带走向基本一致（图3），说明此次地震为宁乡—娄底—新宁断裂带诱发的构造型矿震，应由采矿导致断层复活和弹性能量提前释放造成。

图2 宁乡煤炭坝ML 2.8 煤矿地震等震线Fig.2 The isoseism of the ML 2.8 coal mine earthquake in the meitanba of Ningxiang

图3 涟源ML 3.8 地震影响场Fig.3 The seismic impact field of the ML 3.8 earthquake in Lianyuan

诱发构造型矿震又可分为采矿直接引发和采矿抽水诱发2 类。采矿使地下应力失去平衡直接引发矿震；采矿抽水的水压作用，使断裂面受水浸润，一旦失去水压，沿断裂面就会发生卸荷作用，形成偏差应力，当该应力大于断面的抗剪强度时，即出现粘滑效应，从而诱发地震（童迎世等，2003）。此2 类诱发构造型矿震在湖南地震活动中相对较多。例如：1995 年11 月16 日涟源七星发生的ML2.8 地震和1998 年3 月12 日湖南郴州771 矿发生的ML3.4 地震。郴州771 矿位于郴州市东北部许家洞镇，1955 年航测发现，1963 年开采，1994 年停产，矿区附近分布多处煤矿，曾于1992 年发生ML3.1 地震。ML3.4 地震发生在茶永盆地西南端，地震发生除与铀矿的长期开采有关外，与矿区地质构造有关，为典型的诱发构造型地震。由1:20 万地质图可见，震中区附近分布NW 向断裂，地下溶洞发育，形成喀斯特地形，局部有暗河，伴有温泉出露，周边地质条件较复杂。

一般，构造诱发矿震的震中位于深采区，且震源浅，与矿区外围的天然地震相比震级较低，其成因与采矿活动密切相关。矿产资源开采形成的自由空面致使采空区周围岩体受压，由原三向变为两向或单向，引起应力、重力的重新分配，在采空区范围内沿断裂形成众多应力集中地段和高地压带，促使应变能提前分散释放，从而诱发地震。

采矿抽水也可诱发地震。如1976 年3 月11 日和4 月8 日在杉山发生的ML2.8、ML2.9地震，2 次地震震中靠近恩口向斜中部，有感范围几乎遍及整个向斜盆地，等震线长轴方向与向斜轴部的2 条断层平行。

3.2 诱发塌陷型矿震

诱发塌陷型矿震形成主要是由于采空或者顶板陷落形成塌陷，震源浅，破坏和影响范围小。诱发塌陷型地震发生后，仪器记录波形具有S 波和面波周期大以及波形持续时间短、衰减快2 个显著特征。

地震发生后，据现场考察，震区有明显塌坑，对附近建筑物有一定破坏性，等震线分布不规则，如1976年3月11日9 时17分涟源县恩口煤矿一带发生的ML2.9 地震（图4）。震区群众反映，地下有较大闷雷般的响声，窗户及未装牢的玻璃窗振动作响，器具及碗柜里的碗碰撞发声，屋顶尘土掉落，人体有较大下沉感。

图4 娄底恩口矿区ML 2.9 地震等震线Fig.4 The isoseism of the ML 2.9 earthquake in the enkou mining areas of Loudi

此类地震一般震源浅、地声大、震级小，烈度相对较高。地声大、烈度高应与震源浅及地下溶洞和煤窑较多有关。如1974 年7 月25 日7 时45 分邵东县廉桥区界岭公社腊树铺—花亭子—畔冲—长塘一带发生的ML3.6 有感地震，震中位于采煤区，震源仅6 km，震中区普遍有感，房屋震动，门窗作响，尘土掉落，墙皮出现裂缝、裂纹，旧墙缝扩大，檐边掉瓦。其等震线分布与1976 年涟源恩口煤矿ML2.9 地震相似，呈不规则图形（图5）。

图5 邵东廉桥ML 3.6 地震等震线Fig.5 The isoseism of the ML 3.6 earthquake in the lianqiao of Shaodong

3.3 诱发岩爆型矿震

在岩石巷道或开采面发生的地震，称为诱发岩（煤）爆型矿震，在煤炭部门称冲击地压。随着矿井向下延伸，基岩坑道开挖深度越来越大（童琼等，2021），在新的掌子面上，如巷道侧壁位移、井壁变形等，容易诱发岩（煤）爆型矿震。此类矿震的典型特征是等震线几乎呈圆形分布。

岩（煤）爆是地应力以小规模方式急剧释放的一种表现，产生于具有大量弹射应变能储备的硬质脆性岩体，其发生必须具备一定条件：①岩体经受过较强的地应力作用；②围岩内储存有较大弹性应变能；③埋藏位置有较紧密的围限条件；④机械开挖造成应力的突然释放。岩（煤）爆释放机制与钻孔内出现的岩崩现象类似，呈劈裂成板→剪断成块→块片弹射的渐进破坏。具体原理如下：洞室和坑道开挖造成围岩应力跃迁及能量的进一步集中，在围岩应力作用下产生张—剪脆性破坏，并伴随声响和震动。在部分弹性应变能消耗的同时，剩余能量转化为动能，使围岩由静态平衡向动态失稳发展，造成岩片隔离母体，获得有效的弹射能量，向临空方向猛烈抛射。

此类型矿震不多见，湖南省几十年来仅发生2 例，分别为1985 年2 月7 日邵阳市郊邵东煤矿ML2.8 地震（图6）和1996 年7 月1 日安化县高明乡青山硫铁矿ML2.6 地震（图7）。安化县高明乡青山硫铁矿矿震发生后，矿区少数房屋开裂；矿井采矿巷道、采场矿柱、矿壁破坏严重，崩落、塌落的岩石堆积，岩爆声持续5 天。