冒落型矿震成因机理的研究

冒落型矿震成因机理的研究

谷新建　副教授(湘潭工学院资源工程系)

学科分类与代码:620130350【摘　要】　冒落型矿震属于塌陷地震的范畴,其形成和演化受到区内自然因素和人为因素的作用。笔者研究了顶板冒落的前兆特征、发展过程、运动形式和致崩原因,探讨了冒落型矿震的成因机理,提出了由于地下开采引起采空区顶板冒落,释放能量,诱发矿震的观点。【关键词】　地下开采　顶板冒落　能量释放　矿震

OriginandMechanismofMineTremorduetoFalling-in

GuXinjian,Assoc.Prof.(DepartmentofResourceEngineering,XiangtanPolytechnicUniversity)Abstract:　Theminetremorduetofalling-inappertainsakindofseismicsubsidence.Itsformationandevolutionareaffectedbymanynaturalandman-madefactorsinthisregion.Theprecursorchar2acteristics,developmentprocess,movementmodeandgenesisoftherooffallarestudied.Theoriginandmechanismofminetremorduetofalling-inareprobedinto.Theauthorconsidersthattheminetremormaybeinducedbytheenergyreleasewhenrooffallingaftertheundergroundmining.Keywords:　Undergroundmining　Rooffall　Energyrelease　Minetremor

1　引　言

冒落型矿震是由于采空区顶板冒落而引起的矿山岩层震动,属于诱发地震的范畴,亦称为人为地震。从现有的资料来看,虽然这类地震震级不是很高,但由于震源浅、震中烈度偏高,故破坏性较大。它与天然地震虽有共同基础,但它们在孕育和发展过程中又有很多不同之处。尽管前人已就矿震的形成机理、预测和防治等课题开展了大量的研究工作,并取得了显著成果,但仍有很多问题尚未获得根本解决[1]。因此,研究冒落型矿震的成因机理,对完善地震科学理论,具有重要的理论意义。在我国,地下金属矿床空场法开采的比重约为55.7%,在国外使用空场法的矿山也较多,平均比重也大于50%,并且大部分矿山未进行空区处理,采场顶板大面积垮落、地表开裂和塌陷、矿震等恶性矿山灾害时有发生,对矿山井下生产及工人安全构成很大的威胁。特别是随着矿山开采深度不断加大,深部地压活动将越来越剧烈,由此而引起采空区顶板冒落诱发矿震的可能性也会随之而增加。据1993年不完全统计,我国煤炭部门已有65对矿井发生此灾害,其中35对累计发生过2000余次具有破坏性的采掘诱发地震,造成数以百计的人员伤亡

[2]。因此,研究冒落型矿震的成因机理,对矿山防震减灾和安全生产,同样具有非常重要的现实意义和指导作用。2　冒落型矿震特征及前兆现象

2.1　冒落型矿震特征根据采空区顶板的冒落形式和冒落量,可将冒落型矿震分为因围岩发生微量位移或少量顶板岩石垮落所导致的微震活动;围岩极限应力区脆性破坏,第12卷第2期2002年4月 中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal Vol.12No.2Apr.2002采空区顶板岩石较大面积垮落所导致的冲击地震和因顶板大规模崩塌而发生的塌陷地震3种。这些地震都伴随采矿活动而发生,且仅限于矿区,故称它为采矿诱发地震,简称矿震。多发生在开采深度较大、岩性坚硬难冒和地质构造复杂的采空区,并具有以下特征:震中分布范围小,无明显迁移现象;震源浅、震级小、烈度高;地震波形简单、周期较大、面波清晰、衰减极快(见图1);地震时,一般伴随响声和空气冲击波等[3]。

图1　冒顶震相曲线2

.2　顶板冒落的前兆现象由于采矿活动,破坏了原岩体的应力平衡,采场、围岩和矿体内应力重新分布,形成次生应力场,使矿柱、采场顶板和围岩发生位移和变形,甚至发生破坏。根据湖南锡矿山锑矿的经验[4]:首先征兆是岩层发响,称为“岩音”。大响(如炸雷声)是岩层深部离层和断裂;小响(如鞭炮声)

表明岩层浅部受压破坏。响声由深部向浅部和矿柱扩展,频率由低向高增加。大冒落前数天响声剧增,冒落前夕的声响每分钟达70次以上。此时,采场顶板岩层和矿柱承压破坏发响,连续不断,预示大冒落即将来临。第二个现象是采场顶板松动和掉块。

大冒落前3个月内掉块次数为1.5～6次/h;临近大冒落前约10余天,增加到15～17次/h;在大冒落前夕,剧增至27～30次/h。第三个现象是矿柱破坏和采场顶板下沉、开裂、局部冒落。在大冒落前一个月时,发生裂隙和剥落的矿柱占矿柱总数的12%;在大冒落前3个月,顶板下沉速度为0.3～0.5mm/d,并出现采场底鼓、巷道开裂等现象。3　冒落型矿震成因机理分析3.1　顶板冒落的影响因素巷道和采空区顶板冒落是多种因素综合作用的结果,并受很多条件制约,主要包括两个方面:一是矿区地形地质条件,即矿体形态、矿层厚度、埋藏深度、水文及工程地质条件、矿体产状、地质构造、矿石和围岩物理力学性质和化学性质等自然因素;二是矿区的开采技术条件,即开采深度、开采方法、采空区体积及其形态、采空区处理方法等人为因素。自然因素是自然形成的,难以改变。人为因素是人为造成的,可随人的主观意志为转移,只要开采技术条件适当,就可避免或减轻矿山顶板冒落灾害的损失。3.2　拱形冒落理论矿山采掘过程中,由于在地下形成的巷道和采空区破坏了原岩体的应力平衡,致使巷道和采空区的顶板岩层在自身重力和上覆岩层的压力作用下,应力重新分布形成次生应力场,于是产生向下的顶板弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超过该岩层的抗拉强度极限时,直接顶板便首先发生断裂和破碎。一般而言,顶板冒落总是以部分岩层缓慢破裂为先导,随着破裂过程的不断延深,有关岩体最终将从母体中脱落下来,并相继冒落。俄罗斯的M・M普罗托吉亚科夫,德国的哈元和吉列策尔等人通过对顶板冒落的调查,认为巷道和采空区的顶板往往冒落成一抛物线拱形而最终稳定下来,形成自然平衡拱,如图2所示。3.3　能量假说顶板岩石冒落的过程本身就是能量释放的过程。根据能量原理,冒落岩石的重力势能为:Ep=mgH(1)式中,Ep———冒落岩石的势能,J;m———冒落岩石的质量,kg;g———重力加速度,g=9.8m/s2;H———冒落高度,m。将空区顶板岩石冒落看成自由落体运动,岩石・16・第二期 谷新建:冒落型矿震成因机理的研究

图2　顶板冒落示意图在空气中运动时,在冒落岩石的前后形成压力差,迫使大量空气被迅速压缩和膨胀,形成冲击气浪,释放能量,对采空区围岩作功,使岩层产生震动。冲击气浪的能量可用下式计算[5]:Ec=CSn(S-Sn)SρgH2(2)式中,Ec———冲击气浪的能量,J;C———冲击风压校正系数,C=0.32～0.77;S———空区底面积,m2;Sn———冒落岩石在垂直风流方向上的投影面积,Sn=π3G4πγn2/3,m2;ρ———井下空气密度,ρ=1～1.27kg/m3;G———冒落岩石的重量,kg;γn———冒落岩石的体重,kg/m3。3.4　能量转换根据能量转换与守恒定律,冒落岩块的重力势能和冲击气浪的能量叠加,转化为冲击动能,对采空区围岩作功,冲击采空区,使采空区围岩产生震动,并发出响声。这种岩层震动就是矿震,这种能量转换机制就是顶板冒落型矿震的成因机理。它们的转换关系可以根据李希特———古登堡的震级体系公式求得[6]:E=Ep+Ec(3)logE=11.8+1.5Ms(4)1.5Ms=1.9ML-0.02M2L(5)式中,E———顶板冒落产生的总能量,erg;ML———近震震级。

4　实例分析

青山硫铁矿属于缓倾斜薄矿脉群体矿床,矿体赋存于泥盆系中统棋梓桥组灰岩中,矿岩坚硬和稳固(f>12),断层裂隙破坏严重,地质构造复杂。该矿采用下盘主、副斜井开拓,房柱法开采,开采深度已达250m,开采历史已有300多年,累计形成采矿区总体积约为80×104m3,开采至今未进行空区处理。1997年7月1日在220中段341—2#采场发生了较大规模的采场顶板冒落,地震后现场目测估计冒落体积约为1000m3,冒落高度约为30m,冒落岩石体重为2.83t/m3,采空区底部面积约为900m2。应用上述理论公式分别计算出:冒落岩石的势能为8.32×1015erg;冲击气浪的能量为7.5×1012erg;顶板冒落总能量约为8.33×1015erg,换算成近震震级ML为2.5。这一结果与地震台网测定的ML2.6接近[7]。5　认识与结论

(1)冒落型矿震是矿山的动力现象,是由矿岩体的自然条件、岩层压力以及围岩的结构和特性决定的,而采矿活动是冒落型矿震发生的条件。(2)岩石冒落的过程就是能量的释放过程,释放的能量将对采场围岩作功,使围岩产生震动。这种岩层震动就是冒落型矿震。释放的能量大,矿震震级就高;反之,能量小,震级就小。它们成对数线性关系。因此,只要知道采空区的冒落情况,就可以预测矿震震级及产生的危害程度。至于采空区顶板冒落的预测和预报,现在已有很多先进的方法和仪器设备,例如:地音仪、应力计等,都能较准确地进行预测和预报

。(3)笔者应用能量原理分析和研究了冒落型矿震的成因机理,提出了一种新的矿震预测和预报的方法;得出的结论与现场实际情况基本相符。这种方法及其机理对完善矿震理论和实现矿山防震减灾具有重要的意义。(4)由于冒落型矿震主要是由采空区顶板冒落诱发的,因此,在矿山采矿活动中,应选择合理的开采技术方案,优化开采顺序和开挖步骤。采用卸压开采技术,避免采空区顶板局部应力集中和应变能聚集;加强采空区顶板观察,及时处理采空区;合理进行爆破设计,减少爆破震动影响等,避免采空区顶板冒落,以达到防治矿震的目的。(5)矿震成因非常复杂。针对其成因及诱发规律进行分析,并提出相应措施;利用数值预测技术预测矿震等方面,还有待进一步研究和探讨。・26・中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal 第12卷2002年(收稿:2001年6月;作者地址:湖南省湘潭市雨湖区石马头2号;湘潭工学院资源工程系;邮编:411201)

参考文献

1　周　辉.矿震孕育过程的混沌性及非线性预测理论研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(6):813～816.2　王来贵,潘一山,章梦涛.采掘诱发地震的成因及对策[J].中国安全科学学报,1996,6(3):40～4313　国家地震局地震研究所编.中国诱发地震[M].北京:地震出版社.1984:168～174.4　《采矿手册》编辑委员会编.《采矿手册》第四卷[M].北京:冶金工业出版社,1990:01～512.5　王英敏著.矿内空气动力学与矿井通风系统[M].北京:冶金工业出版社,1994:305～322.6　李善邦著.中国地震[M].北京:地震出版社,1981:156～168.7　谷新建.青山硫铁矿区发生地震的原因分析[J].中国矿业,2000,(1):84～87.

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