深井开采地质灾害及矿山地震研究.pdf
■ 第 l 3卷 第 4期 2 0 0 2年 l 2月 中国地 质灾 害与 防治 学报 T h e C h i n e s e J o u rna l o f G e o l o g i c a l Ha z a r d a n d C o n t r o l V0 1 . 1 3 No. 4 J u n. 2 0 0 2 深 井 开 采 地 质 灾 害及 矿 山地 震 研 究 隋 惠权 , 范 学理 1 . 大 连 民族学 院土 木 系 ,辽 宁 大 连 1 1 6 6 0 0;2 . 辽 宁工程 技术 大学 ,辽 宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘 要 矿 山地震 ,又称 为 “ 矿 震” ,是 深 井开采 中的地质 灾害 。 它具有 震源 浅 ,震级 小 ,烈度 大 ,破 坏 性 强等特 点 。 文章 基于地 球 动力 区划 的理 论和 方法 , 以北 票 台 吉矿 的 实 际研 究 资 料 为例 ,对地 质 动 力 引起 的矿 山灾 害及 矿 震 的 发 生规律 进行 了研 究 。认 为 “ 矿震 ” 的发 生是 受 区域 构造 应力 场 的影响 ,与地 下 采矿 活 动 密切 相 关的 一种地 质 动力 突 变现象 , 一般 发 生在地 质 构造 比较 复杂 、断裂 新 活动 比较 显著 的地 区。 文 中还 讨 论 了矿 山地 质 动力 的 作用 特 征 、 井 下活 动断裂 的 变形 -9错 动规律 和对 岩层 与地 表移 动 的影响 。研 究 了 “ 矿震 ” 的震源 机 制 、断裂错 动及 其 -9构造 应 力场 和 区域地 方震 之 间的关 系。 关 键 词 地 下 采矿 ; 动力 区划 ;矿 山地 震 文章 编号 1 0 0 3 8 0 3 5 2 0 0 2 0 4 . 0 0 4 9 04 中 图分类 号 P 6 4 2 . 2 6 文献标 识 码 B l 引 言 地 震是 一 种 自然 灾 害 ,它 是 由 地 壳 内部 岩 体 及 构造 的急剧位移而发生 的 弹性 波及 其传 播 弹性 波 的 现象 ,是组 成地 壳 内部岩 石结构 应力 集 中 、破 坏及 弹性 能的释放过程 。在高 地质应 力 区 ,人类地 下采 矿 活动 可 能 引起 地 质 动 力 重 新 分 布 ,导 致 局 部 应 力 场变化 ,诱 发产 生地 震 。因为这种 地震 发生 在生 产 矿区 ,与采矿活动 密切相 关 ,所 以又被 人们 称之 为 “ 矿 震 ” 。 深 井 矿 震 是 矿 山地 下 开 采 的又 一 地 质 灾 害 , 已引起人们 的普 遍关 注 。本 文基 于地球 动力 区划 的 理论和 方法 ,以北 票 台吉矿 的实 际研 究 资料 为例 , 对地 质 动 力 引起 的 矿 山 灾 害 及 矿 震 的 发 生 规 律 进 行 了研 究 ,为 防止 灾 害 发 生 ,指 导 矿 井 设 计 与安 全 生 产 ,提供新 的研究 途径和方法 。 2 地质动力灾害及矿 山地震 北票 台吉煤矿 是地 质动力 活 动 比较 典 型的矿井 之一 ,自然 灾害 种类 较多 ,其 中与地质 动力 活动有 关 的灾 害 有 煤 、岩 、瓦 斯 突 出 和 岩 爆 。 突 出 灾 害 发 生的位 置多在断层 、褶皱 附近 ,或 有 岩浆岩侵 入部 位 。据不完 全统计 ,建井 以来共 发 生煤 、岩 与瓦斯 突出事件 约 1 0 0 0多次 ,其 中较大的突 出多发生在石 门揭 煤 过 程 中 ,最 大 的 一 次 突 出 煤 量 为 1 6 3 5 t 。 台 吉矿竖井井 深 一8 7 2 m,分 3个水平 开采 ,随着开采 深度 的增 加 ,煤 、岩 、瓦斯突 出 和岩爆 现象逐 渐增 多 。除 此 之 外 ,在 井 下 一5 5 0 m 水 平 开 采 时 , 曾 多 次发生过断层突然错动事件 。在断层 的错动过程 中 , 井下 水 平 大 巷相 应 断 层 位 置 发 生 大 量 岩 石 突 出 ,地 面 表现 有 强 烈 震 感 。 在 台 吉 矿“ 矿 震 ” 发 生 规 律 及 特征 的研 究 课 题 中 ,经 过 4年 多 的 连 续 监 测 ,在 矿 区 内 发 生 的 微震 和 极 微 震 共 达 1 5 0 0多 次 ,最 大 的 一 次为 Ms 3 . 8级 ,震 感 范 围 达 1 2 0 0 k m 2 ,极 震 区约 2 k m2 ,最大烈度 7度 。矿震 的发生 曾使竖井工业广 场 建筑 物 及 极 震 区 民房 遭 到 不 同 程 度 破 坏 ,井 下 巷 道 也 多 处 受 损 ,对 矿 井 安 全 生 产 构 成 威 胁 。 3 地 质 动力 区与矿 震 研究 3 . 1矿 区地 质 动 力 区划 矿 区地 质动 力 区 划 方 法 是 以地 球 动 力 学 的 理 论 为基 础 ,以 现代 地 形 地 貌 为 出 发 点 ,本 着“ 从 整 体 到局部 ”的原则 ,逐级 查 明研 究 区 内地 壳 的断裂构 造和地 质破坏 ,查 明现今 仍在 活动 的地质 构造 ,确 定它们 的应 力状 态 ,再 与地 下开挖 活 动 的附加应力 场进 行 迭 加 ,进 而 预 报 地 下 开 采 活 动 所 在 的 地 质 构 造 断块 附 近 岩体 应 力 状 态 和 变 化 规 律 ,判 断 地 质 动 力灾 害 发 生 的 可 能 性 , 评 价 地 下 结 构 的 稳 定 程 度 。 在查 明 活动 性 断 裂 和 断 块 结 构 的 基 础 上 ,绘 制 Ⅳ 级 断块 区划 图 ,运用 断 块 构 造 应 力 边 界 元 法 计 算 最 大 收稿 日期 2 0 0 2 . 0 3 . 1 9 ;修 回 日期 2 0 0 2 . 04. 0 l 作者 简 介 隋 惠 权 1 9 6 o 一 ,男 ,副 教 授 ,1 9 8 2年 毕 业 于 原 阜新 矿 院 ,硕 士学 位 ,主要 从事 岩 土工 程 、沉 陷与环 境灾 害控 制及 治理 工程 等方 面 的教 学 、科 研 工作 . 维普资讯 ■ 50 中国地 质灾 害 与防 治学 报 Z H0NG GU0 DI Z HI Z AI HAI YU F A NGZ HI XUE B AO 2 0 0 2年 主应力 和剪应力 的大小和方 向,绘制应力等值线 图。 在考虑断块活动 影 响下 ,进行 岩 体位 移及变 形 的数 值 模 拟 。 北 票 煤 田 位 于 天 山 一阴 山 纬 向构 造 带 与 新 华 夏 系第 二 沉 降带 的 复 合 部 位 ,属 于 波 状 凹陷 聚 煤 盆 地 中的下侏 罗纪 煤 田。煤 田走 向 N E,倾 向 S W,倾 角 变化在 2 0~7 0 。 之 间。煤 田中斜切煤系地层 的断层有 5 0多条 ,位于冠山和三宝矿 分界 处 的正断层 落差 达 2 2 0 m,位于 台吉矿 西 部 的 F 2逆 断层 落 差达 1 5 0 m, 东西 部 断 层 走 向 多 为 N E向 , 中 部 多 为 N W 向 ,见 图 l 图 1北 票 煤 田 区 域 构 造 简 图 Fi g. 1 Sk e t c h o f g e ol o g i c a l s t r uc t ur e i n Be i pi ao c o a l fie l d 根据 断 裂构 造 边 界 元 法 计 算 得 到 该 区 最 大 主 应 力 在 5 0~8 0 MP a之 间 变 化 ,相 当 于垂 直应 力 的 2~4 倍 ⋯,说 明矿 区地下 岩体 中有较高的构造应力 作用。 在构造断裂的结合处 、端部 和拐 弯处应 力 比较集 中, 最 大应 力 集 中 系 数 达 2 . 1 ,相 当 于 该 点 垂 直 应 力 的 4 . 8 倍 。最 大 主 应 力 沿 矿 区 走 向 分 布 ,最 大 剪 应 力 迹 线 走 向 N E、 N W , 因此 该 方 向上 的 断 层 最 易 受 地 质动力 的作用发生错动 。 3 . 2岩 体 变 形 与矿 震 研 究 根 据 开 采 沉 陷 与 岩 层 移 动 理 论 ,正 常 情 况 下 由 采矿造成 的地面塌 陷灾害 只发 生在 下沉 盆地 主要影 响范围 内。但 由于 北票 台吉煤 矿处 于特殊 的地 质 构 造环境下 ,构造应 力 活动显 著 ,地 质动 力参 与岩层 与地表移动 的整个 过程 ,致 使 岩层 与地 表移 动规律 发 生 变 异 。主 要 表 现 为 下 沉 盆 地 范 围 增 大 ,地 面 破 坏程度加剧 。煤层底 板 变形 ,断 层活 化 ,使地 表产 生 不 连 续 的变 形 和 破 坏 。 由 于 煤 层 底 板 岩 层 移 动 和 变形 的范 围 增 大 ,在 煤 层 底 板 砾 岩 地 表 露 头 处 出 现 裂 缝 ,附 近 建 筑 物 遭 受 破 坏 。 井 下 石 门 大 巷 内 的 导 线 测 量 结 果 也 显 示 出煤 层 底 板 岩 层 产 生 向采 空 区 方 向移 动和拉伸变形 ,见 图 2 。 图 2煤 层 底 板 变 形 示 意 图 Fi g. 2 Ske tch s h owing de f or mat i on of r o c k ma s s b en e a t h c oa l str a t um F 1 0和 F 1 2是 丽个 主要 的活 动断 裂 ,Ms 3 . 8级 地 震 发 生 时 ,井 下 多 个 水 平 ,在 F 1 0号 断 层 处 岩 石 冒落 ,断层两 盘相 对位 移 ,断层 面擦 痕 清楚 。在 穿 过 一5 5 0 m水 平 大 巷 处 ,最 大错 动 距 为 1 7 2 m m、压 缩 9 0 m m;F 1 2号 断 层 在 Ms 2 . 6级 地 震 发 生 时 ,井 下 断层 最 大 错 动 距 为 3 0 m m。 断 层 错 动 和 位 移 的 方 向 与 断 层 形 成 时 的运 动方 向相 反 ,见 图 3 。 . 6 5 8 6。 / 一 f , 。 一 L 一 ’ /// 1 / 。、 . F 8 F 9 F 。1 0 F1 1 F1 2 图 3井 下 一5 5 0水 平 断 块 剖 面 图 Fi g. 3 Se c t i on of f au l t bl o c k s un de r gr o u nd 一55 0 l e ve l 为 研 究 矿 震 的 发 生 规 律 ,探 讨 其 防 护 措 施 ,在 地 面 设 立 了微 震 监 测 站 ,并 且 在 井 下 煤 层 底 板 水 平 岩 石 巷 内进 行 了变 形 和地 应 力 测 量 。 地 应 力 测 量 采 用 钻 孑 L 包 体 应 力 计 法 ,位 置 选 择 在井 下的 一5 5 0 m和 一7 0 0 m水平 大巷 内 ,避开应 力 集 中区和破碎带 ,在完 整性 较好 的岩 体 中,打深孑 L 进行 测 量 。在 一7 0 0 m 水 平 观 测 两 点 ,一 点 设 在 开 采 煤 层 底 板 中粒 砂 岩 中 ,用 于 测 量 绝 对 应 力 ,另 一 点设 在 凝 灰 质 砂 岩 中 , 用 于 长 期 观 测 相 对 应 力 的 变 化。井下岩体绝对 应 力测量 结果 显示 ,最 大水平 应 力 为 5 3 . 5 P a ,方 向 N 8 4 。E ,最 小 主应 力 为 2 1 . 7 P a , 方 向 为 N 3 。 E。 矿 震 监 测 台 站 设 在 地 表 ,位 置 见 图 2 。 利 用 微 震 监 测 手 段 结 合 周 边 地 震 台 网 的 观 测 数 据 ,对 矿 震 震 源 机 制 和 波 谱 进 行 分 析 ,研 究 矿 震 与 区域 地 震 之 间的关系。根据纵波 初 动求 解 几次 较 大的矿 震震 源 维普资讯 _ 第 4期 隋惠权 等 深井 开采 地质 灾害 及矿 山 地震研 究 5 l 机制 ,其结 果见 表 l ,求解 的发 震 断层 面 与井 下宏 观调查 的结 果基 本吻合 ,见 表 2 。其 中主 压应 力轴 均 为 N E E向 ,主 张应 力 轴 为 N N W 向 。 表 1 矿 震 震源 机制 解析 参数 Tab. 1 Ep i c e n t er da t a o f mi n e e ar t hqu ak e 断层 走 向 倾 向 倾角 对应 节面 图 4反 映 出 区 域 地 震 的 年 频 次 与 矿 震 年 应 变 释 放 能之 间 的对 应 关 系 , 由 此 可 见 发 生 地 震 次 数 多 的 年 ,也是 矿震 高应 变能释放 年。 8O l 4 4 2 9 3 l 5 _7 7 l 3 . _. . 1 l i i . 图 4矿 震年 释放 应变 能与 地方 震年 频次 之 间的关 系 Fi g. 4 Re l a t i on b e t we e n r e l e a s i n g e ne r gy of mi ne e ar t hqu ak e a nd f r e que n c y o f di s t r i c t ea r t hqu a ke i n a ye ar 1 一地方 震平均 年频 次 ;2一矿 震年 释放应 变能 如 果将矿震 的年应 变释放 能√ E 与 1 0 0 k m以内的 地 震 的 年频 度 Ⅳ 的 对 数 之 间进 行 相 关 分 析 ,可 得 到 其相 关 系 数 为 0 . 2 9 5 ,表 现 出具 有 密 切 的 相 关 性 。 根 据 地 震 台站 的 监 测 结 果 分 析 ,矿 震 震 中 距 一 般 在 1 . 7~1 2 k m范 围 内,其 中较大 的矿震都 集 中发生在 竖 井 内 的 F 8 ~F 1 3号 断 层 之 间 。 图 5是 发 生 在 F 1 2号 断层 上 Ms 2 . 0级 矿 震 震 前 一 个月 内的微 震 活动序列 ,由图上可 以看 出 ,较大 的矿 震 发 生 之 前 ,微 震 活 动 明显 增 多 ,并 且 震 前 井 下在 F 1 2号断层 附近 ,可 以听到岩 体 内部 发 出似 闷 雷 的响声 ,对断 层上 下盘进 行水 准测 量 ,结 果显示 震前发生有缓慢 的相对位 移。 矿震的震源 尺度 一般 在 1 0 0 m数 量级 ,断 裂错 动距平均 为 0 . 1 ~0 . 3 c m,为一般小应力 降事件 。震 源 深 度 变 化 在 1 . 3 ~6 . 4 k m 范 围 内 ,其 中深 度 在 2~ 3 k m的 居 多 ,约 占测 算 总 数 的 5 7 . 1 % 。 宏 观 调 查 统 计 ,当震级 Ms ≥1 . 0级 时 ,台吉 区就有 感 ;1 . 5级 ≤Ms ≤2 . 0级 时 ,产 生轻 微 破 坏 ;Ms ≥2 . 0级 时 , 地 面及 井 下 有 明 显 破 坏 。 相 对 较 大 的 矿 震 发 生 的 地 点 ,大 多 数 在 开 采 区 附 近 的 煤 层 底 板 中 ,明 显 破 坏 地点一般 为开采 区的边 界断层 处 ,岩 体 的变形规 律 与断层 的错 动方向与动力 区划分析 的结 果基本 吻合 。 图 5 Ms 2 . 0级 矿 震震前 微 震序 列 图 Fi g. 5 M i c r o - ea r t hqu ak e s e q ue n ce be f or e M s 2. 0 g r ad e e ar t h qua k e d l 4结语 矿 震 是 深 井 开 采 的 又 一 地 质 灾 害 。 它 具 有 震 级 小 ,烈度大 ,震源浅 ,破坏 性强 等特点 。如 同大 多 数 浅 源 地 震 一 样 , 北 票 台 吉 矿 震 一 般 发 生 在 原 有 断 层 处 。矿 震 发 生 时 ,断 层 错 动 ,并 以 弹 性 波 的 形 式 释放 弹 性 能 , 井 下 煤 层 底 板 岩 石 突 出 , 巷 道 受 损 , 对 井下 安 全 生 产 构 成 威 胁 。 地 面 有 强 烈 震 感 ,极 震 区房 屋 及 建 筑 设 施 遭 受 破 坏 。 研究表 明,矿震 的发生是 受 区域构 造应 力场 的 影 响,并与地下采 矿活 动密切 相关 的一 种地 质动力 突变现象 。它发 生在地 质构 造 比较复 杂 、断 裂新 活 动 比较 显 著 的 地 区 。 采 用 地 质 动 力 区 划 方 法 ,可 以 查 明 区域 断 裂 构 造 和 活 动 断 裂 板 块 间 的 相 互 关 系 , 分 析地 下 应 力 场 的状 态 ,探 讨 矿 震 的 发 生 机 理 ,研 究矿井地质灾 害的 防范措施 ,指导 采矿 工程设 计 和 施工 ,减少灾 害发生 ,为矿 井安全 生产 提供 可靠依 据 。 参考 文献 [ 1 ] 张 宏 伟 , 等 .北 票 矿 区岩 体 应 力 状 态 的 数 值 分 析 [ J ] .阜 新矿 业学 院学报 .1 9 9 6.1 5 3 2 5 72 6 1 . [ 2 ] 范 学理 ,等 .台 吉矿 急 倾斜 开采 煤 层地 板 移 动引 起 的 矿 山破 坏 [ J ] .阜新 矿 业学 院学 报 .1 9 8 6 .5 2 5 1 57. 维普资讯 ■ 5 2 中 国地质 灾 害与 防治 学报 ZH0NGGU0 DI ZHI ZAI HAI YU F ANGZHI XUEBAO 2 0 02薤 S t u dy o n g e o l o g i c a l h a z a r d a nd e a r t h qu a ke i n de e p mi n i ng S UI Hu i . q u a n ,F AN Xu e . 1 i 1 . Dali a n I n s t i t u t e F o r Na t i o n a l Mi n o r i t i e s ,Dali a n 1 1 6 6 0 0,C h i n a ; 2. L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y,F u x i n 1 2 3 0 0 0,Ch i n a Abs t r a c t Ea rth qu a k e b r o k e n i n mi n e i s c a l l e d mi n e qu a ke. I t i s a n e w g e o l o g i c ha z a r d i n un de r g r o u n d mi n i n g.I t h a s s o me c h a r a c t e r s s u c h a s s h all o w e pi c e n t e r b u t g r e a t i n t e ns i t y,s ma l l g r a d e b u t s t ron g de s t roy a n d s o o n.Base d o n t h e t he o r y a nd me t ho d o f g e od y n a mi c s e c t i o n d i v i s i o n,b y t ak i n g t he p r a c t i c al d a t a o f Be i pi a o mi n e f o r e x a mp l e,g e o l o g i c al haza r d an d min e q u a k e a f f e c t e d b y g e ody n a m i c w e r e s t u d i e d .A v i e w w as p r e s e n t e d t h a t m i n e q u a k e i s a g e o l o gi c d y n a m i c p h e n o m e n o n a ff e c t e d b y r e gi o n al s t r e s s a c t i v i t y .A n d i t h a s a d i re c t b e a ri n g o n u n d e r g r o u n d m i n i n g . G e n e r all y ,i t t a k e s p l a c e a t t h e r e - g i o n o f g e o l o g i c s t r u c t u re m o r e c o mp l e x a n d f a u l t s a c t i v i t y m o re o b v i o u s . T h e e f f e c t c h a r a c t e rs o f min e g e o l o gic d y n a mic , t h e l a w o f d e f o r ma t i o n an d b r e a k o f u n d e r g r o u n d a c t i v e f a u l t s,i t s e f f e c t t o mo v e me n t o f r o c k s t r a t a an d g r o u n d,b r e a k pa t t e r n o f min e q u a k e a n d t h e rel a t i o n s h i p b e t w e e n min e q u ake and regio n al s t res s fi e l d w a r e d e s c ri b e d i n t h i s p a p e r . Ke y wo r d s u n d e r g r o u n d mi n i n g;d y n a mi c d i v i s i o n;mi n e e a r t h q u ak e 上 接 第 2 8页 e x p l o i t a t i o n i n we s t e rn Chi na. Th e p rob l e ms o f d e b ris flo w d i s a s t e rs wi l l b e mo re i mp o rtan t i n t he r a p i d dr o g r e s s. I t b e - c ome s a n i mp o r t a n t t as k t o res o l v e t h e s e p rob l e ms an d t o mi t i g a t e d e bris fl o w di s as t e rs i n t h e e x p l o i t a t i o n. Th e d i s t ribu t i o n a n d haza r d s o f d e b ris flo ws o f mo u n t a i n t o wns i n we s t e rn Ch i n a are di s s e r t a t e d. Th e d e v e l o p i n g t e n d e n c y o f de b ris flo ws o f mo u n t a i n t o wn s u n d e r t he e x p l o i t a t i o n o f we s t e rn Ch i n a i s pr e - e s t i ma t e d. Th e p rob l e ms o f o l d c o n t rol wo r ks o f d e b ris flo w an d d e b ris fl o w d i s ast e rs i n t he t o wn s r e b ui l d i n g an d e x t e n d i n g a n d h i g hwa y c o n s t ruc t i o n a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . Be i n g a i me d a t t h e s e p rob l e ms o f de b ris flo w, a c o mp reh e n s i v e c o un t e rm e as u re o f d e bris flo w d i s ast e rs mi t i g a t i o n for mo u n t a i n t o wns i s ma d e o u t . Th i s c o u n t e rm e asu r e i n c l u d e s c o n t rol l i n g d e b ris flo w di s as t e r s wi t h c i v i l wo r k s , i mp rov i n g t h e wa t e rsh e d e n v i ron me n t w i t h b i o e n gin e e rin g for i n flu e n c e t h e i n i t i al o f d e b ri s fl o w and t h e d e c i s i o n s u p p o rt s y s t e m c o mp o s e d o f d e b ri s fl o w f o rec as t an d ala r mi n g, t h e predi c t i o n o f de b ris flo w i n un da t e d a r e a, p r e - e v alu a t i o n o f c o n di t i o n o f d e bris flo w d i s ast e r a n d e me r g e n c y p rog r a ms for d e b ris f l o w d i s ast e rs b ase d o n t h e res e a r c h o n t h e d e b ris flo ws a rou n d t he t o wn s. Ke y wo r d s e x p l o i t a t i o n o f we s t e r n Ch i n a;mo u n t a i n t o w ns;de b ris flo w;haza rd mi t i g a t i o n 上接 第 4 8页 S t u d y o n t h e g e o l o gic a l h a z a r d i n me t a l mi n e s a nd i t s p r e v e nt i o n c o unt e r m e a s ur e s L I S hu . 1 i n C h a n g x h a I n s t i t u t e o f Mi n i n g R e s e a r c h,Ch a n g s h a 4 1 0 01 2 ,C h i n a Abs t r a c t Ge o l o g i c al h az a r d i n me t al mi n e s i s n 3 a n ma d e o n e i n mi n i n g a c t i v i t i e s. Th e a c c i de n t s ha v e b e e n g o i n g u p s h a r p l y ,and a v a r i e t y o f l a t e n t p e ri l s h a v e i n c rease d a p p a ren t l y i n r e c e n t y e a r s .Th e t y p i c al g e o l o gi c al h aza r d s i n m e t al mi n e s, s u c h as r o c k f all , l an d s u b s i de nc e, l an d s l i d e, r o c k bu rst , wa t e r i n rus h, t a i l i n g d a m c o l l a p s e, a re s u mma riz e d i n t h e p a p e r .Th e n e c e s s i t y for s t u d y o n g e o l o gi c al h a z a rds a n d c o u n t e rme asu res o f p re v e n t i n g h aza r d s a r e p o i n t e d o u t . Ke y w o r d s m e t al min e ;g e o l o gic al h aza rds ;p rev e n t i n g and d e c reasi n g h aza r d s ;s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t 维普资讯