震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究.pdf

第３６卷，第２期２０２０年４月世界地震工程ＷＯＲＬＤＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．３６，Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０２０收稿日期２０１９－０１－０７；修订日期２０２０－０１－１３基金项目中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（２０１８Ｄ１２；２０１９Ｄ１６）；黑龙江省自然科学基金项目（Ｅ２０１６０４５）；哈尔滨市应用技术研究与开发项目（２０１６ＲＡＸＸＪ０３８）；国家自然科学基金项目（５１３７８１６４）作者简介孟上九（１９７１－），男，博士，教授，主要从事土动力学及地震工程等方面的研究．Ｅ  ｍａｉｌｉｅｍｍｓｊ＠１６３．ｃｏｍ通讯作者王淼（１９９０－），男，博士，讲师，主要从事土动力学及地震工程等方面的研究．Ｅ  ｍａｉｌｊｙｌｌｗｍ１９９０＠１２６．ｃｏｍ文章编号１００７－６０６９（２０２０）０２－０２１８－１１震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究孟上九１，２，３，杨文瀚２，李宏宇４，王淼１，２，孙义强１（１．中国地震局工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０；２．哈尔滨理工大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５００８０；３．佳木斯大学黑龙江佳木斯１５４００７；４．鹤岗市地震局，黑龙江鹤岗１５４１０２）摘要矿区震动能诱发多种灾害，以瓦斯突出尤为严重。以鹤岗矿区为研究对象，统计了历年来鹤岗地区地震及矿震活动规模，分析了以往典型的矿震引起的瓦斯灾害事例，总结了矿震作用下瓦斯灾害的机理，基于统计数据，提出了矿震瓦斯灾害预警需要解决的关键问题。初步研究表明震动事件与煤矿灾害之间具有很强的关联性，呈现震动在前、灾害在后、时间间隔数分钟至数日不等的“ 先震后灾” 的特点，基于此，通过建立矿震监测台网，给出了震动诱发煤矿瓦斯灾害预警可行性，并提出了震动引起瓦斯灾害预警思路。关键词煤矿灾害；天然地震；矿震；相关性中图分类号ＴＤ７１３文献标识码ＡＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓｄｉｓａｓｔｅｒｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｈａｋｅＭＥＮＧＳｈａｎｇｊｉｕ１，２，３，ＹＡＮＧＷｅｎｈａｎ２，ＬＩＨｏｎｇｙｕ４，ＷＡＮＧＭｉａｏ１，２，ＳＵＮＹｉｑｉａｎｇ１（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥａｒｔｈｑｕａｋｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｉｂｒａｔｉｏｎ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ；３．ＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｍｕｓｉ１５４００７，Ｃｈｉｎａ；４．ＨｅｇａｎｇＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｇｅｎｃｙ，Ｈｅｇａｎｇ１５４１０２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｓｈａｋｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａｃａｎｉｎｄｕｃｅａｖａｒｉｅｔｙｏｆｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅＨｅｇａｎｇｍｉｎｉｎｇａｒｅａａｓａｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔａｎｄｃｏｕｎｔｓｔｈｅｓｃａｌｅｏｆｓｈａｋｅｓａｎｄｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎＨｅｇａｎｇａｒｅａｏｖｅｒｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅｓｏｆｇａｓｄｉｓａｓｔｅｒｓｃａｕｓｅｄｂｙｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍｅｃｈ  ａｎｉｓｍｏｆｇａｓｄｉｓａｓｔｅｒｓｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｔａ，ｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｓｔｈａｔｎｅｅｄｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄｉｎｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｏｆｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｄｉｓａｓｔｅｒａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｍ  ｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｈａｋｅｅｖｅｎｔａｎｄｔｈｅｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒｈａｖｅａｓｔｒｏｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｂｙ “ ｓｈａｋｅｐｒｅｃｅｄｅｓｄｉｓａｓｔｅｒ ” ，ｎａｍｅｌｙ，ｔｈｅｓｈａｋｅｏｃｃｕｒｓｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙ，ｔｈｅｄｉｓａｓｔｅｒｃｏｍｅｓｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｍａｙｂｅｓｅｖｅｒａｌｍｉｎｕｔｅｓｔｏｓｅｖｅｒａｌｄａｙｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｉｓｆｅａｔｕｒｅ，ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓｄｉｓａｓｔｅｒｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｈａｋｅｉｓｅｘｐｌａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔ  ｗｏｒｋ，ａｎｄｔｈｅｉｄｅａｏｆｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｏｆｇａｓｄｉｓａｓｔｅｒｃａｕｓｅｄｂｙｓｈａｋｅｉｓａｄｖｉｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｏａｌｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒ；ｎａｔｕｒａｌｅａｒｔｈｑｕａｋｅ；ｃｏａｌｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ引言煤炭是我国的主体能源和重要的工业原料，煤炭资源储量相对丰富，是我国最可靠和经济的能源资源；第２期孟上九，等震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究是我国经济社会发展的重要支撑。据统计至２０５０年为止，煤炭仍占总能源４０％，我国富煤缺油少气的特点决定煤炭仍占能源主导地位［１］。随着经济的发展，煤炭开采的强度和深度也随之增加。伴随着开采条件愈发复杂，发生安全事故的频率也随之增加。煤矿灾害种类繁多，包括煤与瓦斯突出、冲击地压与煤矿突水等，其中煤与瓦斯突出是造成人员伤亡和经济损失最严重的事故之一，众多学者也对其机理进行了研究［２－１６］。造成瓦斯突出的原因有很多，而近期的研究中发现，地震或矿震作用能在不同程度上引起瓦斯突出，甚至造成瓦斯爆炸。根据鹤岗矿务局提供的瓦斯灾害资料，近年来发生了多起矿震引起的瓦斯灾害。由此，瓦斯突出与矿震之间存在很强的关联性。天然地震是人们熟悉破坏力巨大的自然灾害，是地壳快速释放能量过程中造成的震动，期间会产生地震波的１种自然现象。矿震是由采矿引起地壳浅部岩体失稳而诱发的矿山震动，是伴随矿山开采始终的一种动力显现形式，是１种由采矿活动诱发，伴随矿山开采的动力地质灾害［２－３］。矿震比地震震源深度较浅，较地震更接近地表。天然地震和矿震（以下简称“ 震动” ）都可以引发各种瓦斯灾害，通过统计资料，国内外有很多“ 先震后灾” 的事例，即在发生震动后的数分钟至数日之后发生煤矿灾害如煤与瓦斯突出、煤矿突水等，其中煤与瓦斯突出事故占大多数。梁汉东［１７］和啜永清等［１８］探讨了强地震中氢气在诱发瓦斯爆炸的可能性，分析山西省部分煤矿１９９７年至２００２年９月的瓦斯记录资料及山西省地震活动性和前兆观测的资料，均认为昆仑山口８．１级地震可能诱发山西瓦斯爆炸事故。陈波等［１９］从地应力变化角度出发并结合长期观察经验进行分析，认为地应力扰动是地震活动影响煤矿灾害的关键；和雪松等［２０］在对抚顺老虎台煤矿，阜新孙家湾煤矿矿震和瓦斯事故的分析中证实在矿震发生后的数分钟至数小时后，出现瓦斯浓度先下降后急剧升高的现象，认为此现象在矿井预警中有重要的意义；李铁等［２１］以现场地球物理观测为基础，从地球物理学角度对近场矿震和远场地震能量对煤矿现场作用的研究认为天然地震和矿震能量具有导致煤矿灾害发生的可能性，并提出相应预警思路；陈波［２２］对２０００－０１－０１至２００６－１０－２６时间段内的煤矿事故进行研究分析认为我国煤矿灾害事故丛集发生都伴随着地震活动的发生。因此，地震或者矿震的活动会诱发煤矿瓦斯灾害，对二者之间内在联系的研究显得尤为重要。在加强煤矿瓦斯灾害防治和预警方面，我国学者取得了大量的研究成果，如煤矿事故隐患监控预警方法、安全监测预警系统、自组织神经网络预警模型和可拓学煤矿安全预警，基于极值统计理论的瓦斯浓度预警、瓦斯含量指标异常预警、瓦斯浓度梯度异常预警、煤与瓦斯突出预警指标体系构建等［２３］。近几年预警工作大多数都是基于某种算法技术等建立的预警模型。黄淼等［２４］基于ＭＶＣ开发煤矿瓦斯预警系统；李伟山等［２５］将ＬＳＴＭ应用到煤矿瓦斯预警系统中；陈鸿等［２６］将ＥＬＭ模型与煤矿瓦斯预警相结合，提出新的预警模型，并进行验证；周捷［２７］将Ｋ线理论应用于试验矿井瓦斯浓度与瓦斯涌出量无量纲数中，建立以Ｋ线理论为基础的指标模型为瓦斯预警方法提供指导；孙宇航等［２８］将趋势面分析方法应用到瓦斯爆炸预警模型，建立瓦斯和氧气浓度的预测模型，实现对２种气体浓度分布的标定，可以对区域进行瓦斯爆炸实时预警，并通过实例应用加以分析验证；潘一山［２９］针对煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害，揭示了煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的复合机理，并创新研发了复合动力灾害一体化分类分级预测技术以及复合动力灾害一体化防治技术；朱南南等［３０］为研究煤与瓦斯突出的微震前兆特征，对关键结构体模型进行了优化，基于优化的模型，根据突出危险区域附近的煤体分布、瓦斯赋存和巷道掘进过程采动应力的演化特征，综合分析煤与瓦斯突出之前微震信号的演化规律，并进行预警案例分析。为适应煤炭需求量增大，煤矿开采方式也在不断发展，煤矿开采强度及深度也日益增长。伴随着煤矿的开采深度及强度的不断增大，地下采空面积和深度也随之日益增大。矿震规模和强度也呈明显上升趋势，与此同时，诱发煤矿次生灾害的频率也不断增大，如煤与瓦斯突出等，瓦斯突出是煤矿中最严重的事故之一，一旦发生瓦斯爆炸，将造成严重的煤矿工作人员伤亡和经济损失。因此地震及矿震作用下瓦斯预警对矿区安全生产具有重要的意义。地震或矿震活动与瓦斯突出有着很强的关联性，研究二者之间的关系可有效的避免部分瓦斯灾难的发生。我国对地震及井下瓦斯建立了完善的监测网，这些为矿震作用下瓦斯灾害的预警提供了可能。在以往矿震引起的瓦斯灾害的事例中，均是灾害在前并且瓦斯突出在后，中间间隔数分钟甚至几十小时，这一普遍的现象，给予了矿震后避免瓦斯灾害发生的时间保证。得到黑龙江省地震局、鹤岗市地震局及矿务局的支持，在矿震频繁的鹤岗矿区建立矿震监测网，在矿震发生之后，监测矿区内瓦斯相关数据，目的在于给出矿震活动与瓦斯突出的内在联系。通过搜集鹤岗市地震台与鹤岗矿务局监测的资料，统计了历年来鹤岗地区地９１２世界地震工程第３６卷震及矿震活动规模，分析了以往典型的矿震引起的瓦斯灾害的事例，总结了矿震作用下瓦斯灾害的机理，基于统计总结数据，提出了矿震瓦斯灾害预警需要解决的关键问题。１鹤岗地区震动简述１．１鹤岗地区灾害事故与震动事件统计鹤岗矿区１９１７年开发，现有８个煤矿峻德矿、兴安矿、富力矿、新陆矿、南山矿、益新矿（含直属振兴采区）、新岭矿和兴山矿，矿井总设计生产能力１６７０万ｔ／ａ，核定生产能力１４６８万ｔ／ａ。鹤岗矿区煤炭资源丰富、煤炭储量大和煤田赋存条件良好。所选取的数据资料在２００６年至２０１７年以鹤岗地震台监测５００ｋｍ以内的地震，鹤岗矿区发生的矿震和鹤岗矿区历年发生的灾害。所有地震和煤矿灾害事故数据统计都位于依一舒断裂带构造应力场内，在这些构造应力场内做煤矿灾害统计分析，从相关性的原理来说是可行的。２００６年至２０１７年鹤岗地区地震活动共发生４１４０起，其活动分布与震级分布如图１所示。２００６年至２０１７年鹤岗地区矿震活动共发生６９８８起，其活动分布与震级分布如图２所示。２００６年至２０１７年鹤岗地区煤矿灾害事故共发生４０起，其事故分布如图３所示。图１２００６年至２０１７年鹤岗地区地震规模统计图Ｆｉｇ．１ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃｈａｒｔｏｆｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｃａｌｅｉｎＨｅｇａｎｇａｒｅａ，２００６－２０１７图２２００６年至２０１７年鹤岗地区矿震规模统计图Ｆｉｇ．２ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃｈａｒｔｏｆｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｃａｌｅｉｎＨｅｇａｎｇａｒｅａ，２００６－２０１７从统计资料中可以看出２００６年至２０１７年地震活动共发生４１４０起，２００６年至２０１７年矿震活动共发生６９８８起，其中天然地震和矿震震级数量具体分布见表１为２００６年至２０１７年天然地震和矿震震级分布统计表。０２２第２期孟上九，等震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究图３２００６年至２０１７年煤矿灾害统计图Ｆｉｇ．３ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＣｈａｒｔｏｆＣｏａｌＭｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒｓ，２００６－２０１７表１２００６－２０１７年天然地震、矿震震级分布统计表Ｔａｂｌｅ１Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｇｎｉｔｕｄｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｎｄｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｉｎ２００６－２０１７弱震（ＭＬ＜３）有感地震（３ ≤ＭＬ≤４．５）中强震（４．５ ≤ＭＬ＜６）强震（ＭＬ≥６）ＭＬｍａｘ合计天然地震３９５３１７７９１６４１４０矿震６９６６２１１０４．８６９８８从表１可知鹤岗地区矿震数量普遍比天然地震数量要多，矿震震级普遍在３级以下属于弱震范围，少有３级以上矿震发生，强震级别矿震目前还未有记录，天然地震震级跨度比矿震广，鹤岗历史上有发生强震的先例。不同于天然地震，由于矿震震源离地表较近，小震级矿震就会造成一定程度的破坏。图４２００６年至２０１７年鹤岗地区地方震统计图Ｆｉｇ．４ＳｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｃａｌｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｉｎＨｅｇａｎｇ，２００６－２０１７鹤岗台可以监测５００ｋｍ以内的震动事件，监测范围大，收录震动事件数量丰富，而鹤岗地区发生地震事件数量却较少，如图４所示，鹤岗地区震动多以矿震为主。在探究震动诱发煤矿灾害事故的关系中，用大范围的震动事件来关联小区域的矿区事故，是不合理的，需在鹤岗矿区加密监测台站，实现矿震监测的功能。１．２天然地震与矿震根据鹤岗台监测资料，鹤岗地区发生的天然地震均属于浅源地震，其震源深度在１０ｋｍ左右，矿震左右深度在５００ｍ左右。其常见地震波形如图５所示。鹤岗地区常见矿震波形如图６所示。１２２世界地震工程第３６卷图５地震波形图Ｆｉｇ．５Ｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｆｏｒｍ２２２第２期孟上九，等震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究图６矿震波形图Ｆｉｇ．６Ｍｉｎｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｗａｖｅｆｏｒｍ如图５－６所示鹤岗地区地震与矿震初步有如下不同（１）地震波形比矿震密集，因此可以推断地震频率比矿震要高；（２）矿震震源深度比地震要浅，矿震在５００ｍ左右，地震在１０ｋｍ左右；（３）地震的震相比矿震要复杂，且矿震Ｐ波与Ｓ波时间间隔普遍比地震短。鹤岗地区矿震动与地震动特征存在很大的不同，包括波形、频率和震源等诸多方面，而实现矿震瓦斯灾害预警的首要问题就是给出矿震地震特征，基于地震动特征与灾害的关联程度为预警提供依据。２煤矿瓦斯灾害事例统计国内外有很多煤矿灾害事故具有“ 先震后灾” 的特点，统计了近几年重大的相关事例，详见表２震动作用诱发的矿区灾害统计表。常见煤矿灾害有煤与瓦斯突出、煤矿突水等。煤矿灾害可直接造成人员伤亡及财产损失，特别是煤与瓦斯突出，其特点之一就是破坏性极强，能造成特大人员伤亡事故，因此一直是研究人员的研究重点。表２震动作用诱发的矿区灾害统计表Ｔａｂｌｅ２Ｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｔａｂｌｅｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｈａｋｅ震动发生时间天然地震、矿震煤矿灾害事故间隔时间２０００年１１月１６日至１２月２日煤矿所处的２条断裂带及周边区域发生ＭＬ≥ ３．０地震５次，最高震级ＭＬ＝４．１瓦斯爆炸数日２００１年１１月１４日昆仑山口西发生Ｍｓ８．１强烈地震山西省煤矿发生５起瓦斯爆炸数小时２００３年３月３０日１９时沈阳市东陵发生ＭＬ４．１级地震，１０ｍｉｎ后，渤海湾发生ＭＬ５．１级地震抚顺市孟家沟煤矿发生瓦斯爆炸３０分钟２００５年２月１４日１４时４９分发生１次ＭＬ２．７级矿震孙家湾煤矿发生特大瓦斯爆炸１４分钟２０１０年３月５日００时１６分鹤岗发生ＭＬ１．２级矿震瓦斯爆炸９小时４４分２０１３年１月９日４时５９分鹤岗发生ＭＬ３．１级矿震３次瓦斯超限警报１４分、４４分及１小时２２分钟２０１３年１月１８日２０时５８分鹤岗发生ＭＬ３．０级矿震综采一队上隅角出现了瓦斯超限警报约４小时３２２世界地震工程第３６卷续表震动发生时间天然地震、矿震煤矿灾害事故间隔时间２０１４年１１月２６日０１时３１分阜新矿业有限公司五龙煤矿与恒大煤业公司之间发生ＭＬ１．６级矿震恒大煤业公司５３３６综放工作面回风顺槽发生瓦斯爆炸煤尘燃烧事故１小时４分１２月１５日１１时３３分峻德矿发生ＭＬ２．９级矿震向阳矿发生瓦斯爆炸２７小时２０１８年５月６日波兰南部地区发生地震，震源深度为１１．９千米，震级为里氏ＭＬ３．４级波兰亚斯琴别－兹德鲁伊市附近一家煤矿发生事故数小时２０１６年１月２１日７时３７分鹤岗兴安矿发生ＭＬ３．８级矿震新兴矿和峻德矿出现了瓦斯超限警报３３分钟２０１０年１月１６日２１时３３分发生ＭＬ１．９级矿震鹤岗煤矿二水平南十七层一区水采区６７６采后突水３小时４７分煤与瓦斯突出是煤矿井下含瓦斯煤岩体在地应力作用下以碎粉状伴随大量瓦斯喷涌的急剧的动力现象［３１］。煤与瓦斯突出是１种极为复杂的煤矿灾害，突出在满足瓦斯爆炸的条件（瓦斯爆炸三要素瓦斯浓度（５％～１５％）、氧浓度和火源点）下就会发生瓦斯爆炸，严重威胁煤矿安全生产和井下工作人员的生命安全。煤层中瓦斯有２种附着状态１个是在煤层空隙中以自由气态存在的游离态；另１个是吸附在煤体表面的的吸附态。经过资料统计发现见表２，地震和矿震活动可引起瓦斯爆炸，两者之间存在很强的关联性，呈现“ 震动在前，灾害灾后的特点” ，中间间隔几分钟到数小时乃至数日之间不等，而这一时间间隔给予了矿震瓦斯灾害预警的充足的时间。分析以上灾害事故，呈现多个特点（１）震级影响着瓦斯灾害的发生。地震震级超过３级就有可能诱发煤矿灾害事故发生，震级越高，发生的可能越高，而１级以上的矿震就有诱发煤矿灾害事故发生的可能，且可能性随震级升高而增大；（２）震源的距离影响着瓦斯灾害的发生。从表中可以看出震动可以诱发煤矿安全事故，并且震动诱发煤矿灾害事故与震源距矿区的距离有联系，距离越远，诱发矿震需要能量越大，震动级别就越高，表现为“ 远场需大震，近场需小震” ；（３）通过震级、震中距等宏观参数，在分析震动地震动特征的基础上，通过统计震后瓦斯释放量，可建立有效的灾害预测模型。３震动作用下瓦斯诱发灾害机理分析瓦斯附存特征及蕴涵量对震动作用下瓦斯灾害有着重要的影响。震动作用下煤岩体间瓦斯动态平衡被破坏，导致吸附和游离态的瓦斯瞬时聚集结合，不再以自由气态形式存在。震动诱发煤矿瓦斯灾害的本质就是震动产生能量能否为含瓦斯煤层创造使瓦斯解吸异常涌出的条件和瓦斯能量能否具备推动含瓦斯煤层破裂失稳的能力。对于震动诱发煤矿瓦斯灾害的机理，陈波等［１９］认为可以从震动导致的地应力集中－释放和震动造成的物理破坏来解释。一方面在地应力集中－释放的过程中引起瓦斯超限；另一方面震动的物理破坏为瓦斯溢出提供条件。李铁等［３２］震动诱发瓦斯灾害需要３个条件（１）具有高含量瓦斯；（２）具有高地应力，高瓦斯吸附力；（３）具备瓦斯解吸涌出的构造条件。震动诱发煤矿瓦斯灾害机理的研究在国内较少，其机理解释是有必要的。多数煤与瓦斯突出都发生在煤岩体严重破坏的构造煤层，而造成破坏的方式可以分为断裂、挤压与剪切。而震动活动完全可以以上述方式造成煤岩体的破坏，原平衡煤体由于震动活动，造成失稳，该煤体内吸附瓦斯迅速解吸，形成游离气态瓦斯，伴随着煤岩体颗粒，大量涌出，达到瓦斯爆炸条件造成爆炸，造成人员伤亡。除煤采管理不当等人为原因外，通过以往震动作用下瓦斯灾害的事件，可以判断震动活动可以成为诱发煤矿瓦斯灾害的诱因之一，而矿震诱发的瓦斯灾害，通过合理的预警，采取正确的手段是完全可以避免的。４震动作用下瓦斯灾害预警的可行性４．１数据资料丰富性震动诱发瓦斯灾害存在“ 先震后灾” 性，间隔时间从数分钟到数日不等，不同于地震预警中只有数秒的反应时间，矿区震动诱发瓦斯灾害有充分的预警时间，根据“ 先震后灾” 特点建立预警系统是可行的。鹤岗台地处黑龙江省小兴安岭东北麓，位于郑庐深大断裂北延（依兰一伊通地堑西缘），青黑山断裂三角形区域，４２２第２期孟上九，等震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究可以监测并记录５００ｋｍ以内的地震活动。监测范围广，由于其监测范围涵盖整个鹤岗矿区，所以也可以监测到鹤岗矿区矿震，近１０多年来，也积累了相当丰富的震动资料。鹤岗市矿务局在每个矿井工作面中布置了传感器，利用ＳＯＳ微震监测系统来监测煤矿事故，历年来的事故资料也很丰富。收集了历年来大量的鹤岗矿区地震、矿震目录和地震动数据及瓦斯灾害目录，见表３。这些可为预警模型建立提供可靠的分析数据。表３资料预览表Ｔａｂｌｅ３Ｄａｔａｐｒｅｖｉｅｗｔａｂｌｅ２００６２００７２００８２００９２０１０２０１１２０１２２０１３２０１４２０１５２０１６２０１７煤矿灾害２１２４９６８６１０１０鹤岗地方震３６４８４８４６９０７８５７８５４３５６６５４０鹤岗矿震６７７７４１７２１５７８７２８５８６５５１６００６３８６６１２８６２２１监测地震２４４２５０３５２３０７４７１４３７３６１４７６３３３３７３２７２２６４４．２完善的矿震及瓦斯灾害监测网原鹤岗地震监测台仅是单台，不是专门监测矿震的台站，服务于全国地震监测台网。在现有的煤矿预警中，在工作面布置传感器，观测范围小，现有的煤矿监测是独立于地震监测的。该研究得到了黑龙江省地震局、鹤岗市地震局和矿务局的支持，在鹤岗矿区加密了４个矿震监测台站，如图７所示，目前已投入使用，将矿震监测台网与井下瓦斯瓦斯监测有效的结合起来，可建立可靠的灾害预测模型，对煤矿预警具有重大的意义。图７台站布置示意图Ｆｉｇ．７Ｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｔｉｏｎｌａｙｏｕｔｍａｐ区域矿震监测台网的建立，具有诸多功能（１）台网依矿区而建，台网的布置丰富了鹤岗矿区内矿震活动数据资料，一次事件，多台监测，提高了数据的准确性；（２）台网的布置对震动震源的定位，提供了更加准确的技术支持；（３）台网的布置，有利于对鹤岗地区地震和矿震的震源机制的研究；（４）台网的布置，对鹤岗地区场地类型的划分，场地效应的计算，衰减关系的确定都有很大的帮助；（５）矿区台站的建立不仅有利于监测现在工作的煤矿，还将针对废弃煤矿建造天然的试验场，进一步分析研究；（６）矿区台网的建立不仅可以监测收集数据，在收集数据的同时，可以监测违规采矿活动，可以防止盗采情况的发生，保护国有资源。４．３预警模型的初步建立以鹤岗矿区为研究对象，简单介绍鹤岗矿区内震动及其瓦斯灾害产生的机理，结合矿震台网监测和井下瓦斯监测等技术手段，初步提出１种鹤岗矿区震动诱发瓦斯灾害预警模型的思路，如图８所示。预警工作对５２２世界地震工程第３６卷降低震动对矿区带来的灾害以及保障煤矿安全生产有重要的意义。震动诱发瓦斯灾害预警模型的初步工作思路如下通过建立的矿区台网以及井下瓦斯监测系统，实时监测震动数据以及井下瓦斯数据，首先将收集到震动数据（天然地震与矿震）区分开；其次研究矿震与瓦斯灾害之间的关联性，并基于研究成果建立震动诱发瓦斯预警模型，通过实测资料验证模型，最后建立预警系统。图８预警思路示意图Ｆｉｇ．８Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｍｏｄｅ５结论与讨论煤炭是世界三大能源之一，也是我国最经济最可靠的能源，随着经济的发展，煤矿的开采强度与深度不断增大，矿区发生灾害事故的频率也随之增大，矿区的灾害事故会造成巨大的经济损失，因此矿区灾害一直是国内外研究学者研究的重点，煤矿瓦斯灾害预警的研究也是重中之重。以鹤岗地区为例，收集并整理了鹤岗地区震动及历年发生事故资料。在时空分布上，地震和矿震活动先于灾害发生，具有“ 先震后灾” 的特点，时间间隔几分钟至数日之间不等。这种“ 先震后灾” 特性结合鹤岗历年来丰富的数据也为矿区灾害预警提供了可能性，同时在鹤岗矿区布置台网，为预警工作的开展做基础，在矿震瓦斯灾害预警中，需要解决４个方面的问题（１）矿震和瓦斯灾害的相关性研究。（２）瓦斯释放与震动特征定量关系研究。（３）场地效应与衰减规律研究。（４）矿震瓦斯灾害预警方法研究。现阶段的工作还需进一步深入，将地震学中的监测方法与煤矿瓦斯预警有效的结合起来对保证矿区安全生产，确保工作人员生命财产安全具有重要意义的。参考文献［１］谢克昌．推动能源生产和消费革命战略研究［Ｍ］．科学出版社，２０１７．６２２第２期孟上九，等震动诱发煤矿瓦斯灾害预警初步研究ＸＩＥＫｅｃｈａｎｇ．ＳｔｒａｔｅｇｉｃＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰｒｏｍｏｔｉｎｇＥｎｅｒｇｙｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ［Ｍ］．ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ，２０１７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］窦林名，何学秋．煤矿冲击地压的分级预测研究［Ｊ］．中国矿业大学学报．２００７，３６（６）６－１２．ＤＯＵＬｉｎｍｉｎｇ，ＨｅＸｕｅｑｉｕ．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｒｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏ  ｇｙ．２００７，３６（６）６－１２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］潘一山．矿震的发生和破坏规律研究［Ｒ］．北京中国地震局地质研究所，２００３１１－１５．ＰＡＮＹｉｓｈａｎ．Ｓｔｕｄｙｏｎｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅａｎｄｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｌａｗｏｆｍｉｎｉｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅ［Ｒ］．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，２００３１１－１５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ＤＩＡＺＡＧＵＡＤＯＭＢ，ＧＯＮＺＡＬＥＺＮＩＣＩＥＺＡＣ．Ｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｓｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓ，Ｒｉｏｓａ  Ｏｌｌｏｎｉｅｇｏｃｏａｌｆｉｅｌｄ，Ｓｐａｉｎ［Ｊ］．１ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏａｌＧｅｏｌｏｇｙ．２００７，６

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