澧水流域矿山开采与诱发地震

李爱顺

（湖南省常德市地震局，湖南 常德 415000）

澧水流域矿山开采与诱发地震

李爱顺

（湖南省常德市地震局，湖南 常德 415000）

从澧水流域矿山开采现状入手，通过对几个矿震的剖析，总结了该区矿震的几个特点。结合地震地质条件，对澧水流域未来矿山诱发地震形势作了分析，对矿山诱发地震的监测与防治工作提出了建议。

诱发地震；矿山；澧水流域

引言

澧水流域自然成矿条件好，矿产资源丰富。区内澧县、石门等地依托矿产资源优势，经济快速发展。然而，矿山资源开采带来的矿山灾害、工程及环境损伤也是无法回避的现实，其中矿山诱发地震值得重点关注。因此，全面了解区内矿山开采诱发地震现状，认清矿震监测和研究方面存在的不足，积极采取应对措施，对制定今后本区矿产开采规划，有效防治矿震灾害，保障经济、社会全面协调可持续发展具有重要意义。

1 开采现状

常德市国土局的统计资料显示，澧水流域 （取北纬29.1°～30.1°，东经110.5°～112.1°为本区近似范围）矿产资源以非金属为主，一些矿种储量大，在湖南省乃至全国、亚洲占有重要位置。其中石煤、石膏、磷矿、芒硝、岩盐、雄磺、石英砂、海泡石储量分别为55亿吨、30亿吨、13.6亿吨、3.4亿吨、2.1亿吨、50万吨、2 694万吨、410.2万吨。

从矿产开采看，澧水流域形成了以非金属矿为主体，金属、能源为两翼的矿业发展模式。根据统计，目前正在开采的矿山企业有260家，其中露天开采企业128家 （因露天开采而诱发地震的实例在世界上十分罕见［1］，本文不作讨论）、地下开采企业132家 （图1）。根据国土资源部 ［2004］208号对矿山生产建设规模分类标准，本区地下开采大型矿山企业有2家 （湘澧盐矿、新澧化工）、中型矿山企业33家、小型矿山企业97家。

随着矿山开采的深入，地表沉陷、地裂缝、顶板冒落、瓦斯、地下水突出等地质灾害也不同程度的发生，其中矿山诱发地震的危害最大。所谓矿山诱发地震，是指由地面、浅层 （几百米以下）和深层 （千米以下）的矿山开采活动所引起的地震活动［2］。矿震一般发生在矿区范围内，在一定地质背景和构造条件下，既与区域应力场有某种相关，又与矿区构造运动相关联，并受矿山开采方式、开采深度、开采规模等的影响［3］。

图1 澧水流域矿产资源空间展布图Fig.1 Spatial distribution map of mineral resources

2 震例分析

2.1 石门花薮3.6级矿山诱发地震

2.1.1 基本参数

发震时间：2006年8月19日；震中位置：微观震中N29°22′、E111°19′，宏观震中N29°16′、E111°22′；震级：ML3.6级。此次地震波形记录图 （图2）显示，其波形较为简单，面波发育，振幅、周期较大，衰减快，属典型的塌陷型地震波形。

2.1.2 塌陷现场

花薮ML3.6级矿震发生在石门县蒙泉镇天子岗村石膏矿区，是湖南省有历史记录以来最大的矿震。塌陷区原始地貌为洼地，底面高程约90 m。极震区烈度达Ⅷ度，该区长轴约250 m，短轴约150 m，面积约0.375 km2。地表破坏形式主要为塌陷和裂缝，塌陷坑南侧形成高达80余米的陡峭边坡，其他方向为阶梯状滑移台阶。最大塌陷深度约70 m；地表裂缝宽度2～30 cm，长度2～16 m，裂缝环塌陷坑呈同心圆展布，自里向外为阶梯状，发育程度随同心圆半径增大迅速衰减。

图2 桃源数字化测震台记录地震波形图Fig.2 Seismic waveform recorded by Taoyuan digital seismic station

此次矿震致天德、灵泉二石膏矿7名矿工死亡，4人受伤，周边11户农户，50余人受灾，其中二幢民房 （面积约320 m2）完全倒塌。

2.1.3 成因探讨

这次矿震的形成主要是矿顶重力或应力超过支撑力，造成的局部崩落。矿山开采一般采用木柱或者周边岩体支撑顶板以保护开采区，但同时也形成了潜伏隐患的应力转移和积累。当顶板在重力或应力作用下不能以冒落或开裂形式释放所积累的位能，且其附近又有处于顶板和底板之间的矿柱时，就很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，矿柱便会发生破裂，矿柱的破裂牵动上下底板活动，形成塌陷。伴随这个过程，采空区顶板因重力损失，会产生向上的 “拉力”，同时塌陷体对底板施加一个冲撞力。这两个力方向相反，大小相等，可视为垂向的一对张力，表示为一对偶极。根据中国地震局杨清源等人对我国一些典型矿山塌陷地震震源机制解的研究可知，台站记录的地震波形中P波初动皆向下 （为负），无象限分布特征，属非双力偶震源机制。

2.2 澧县中武2.1级矿山诱发矿震

2.2.1 基本参数

发震时间：2009年4月1日；震中位置：微观震中N29°46′、E111°42′，宏观震中N29°48′02″、E111°39′48″；震级：ML2.1级。此次地震波形记录图显示，它与塌陷型地震波形完全不同，与天然构造地震波形类似，S波之后相继出现大周期面波，振动的持续时间近一分钟，而尾波周期却很小。由此，笔者认为此次地震属构造型矿震。

2.2.2 震感收集

震时中武煤矿矿区以及邻近石公、陈管、牌楼坪、长岭岗、亘山等村震感强烈。室内门窗作响，地下有明显轰鸣声，多数人梦中惊醒。上述范围之外，无震感报告，似乎有明显的震感界限。井下出现顶板掉渣、局部整体冒落、顶板支撑架倾斜或折断等现象。

2.2.3 矿山地质

从岩性看，矿区地表主要为第四系残坡积层覆盖，坡脚宽谷为第四系冲洪积堆积，浮土厚度较大。主要有二叠、石炭系碳酸盐岩及泥盆系砂岩、页岩等地层。煤层于二叠系下统栖霞组一层可采；从地质构造看，矿区位于澧水流域新铺次级向斜东部近转折端北翼。矿区内断裂有两条，其中F1为张性断裂，以近东西走向横贯全区，与岩层走向基本一致，断面南倾，倾角大于70°，断层距为20～115 m，两盘垂直落差70～150 m，切割深度不详，局部见破碎带 （1～2 m），该断裂使南盘煤层下降。F2断层，走向南北，产状近于直立。该断层使东盘下降并向北平移10～40 m，垂直落差30～60 m（图3）。

2.2.4 成因分析

（1）从构造应力场影响分析，本区构造应力场主要受控于澧水断裂，其主压应力方向为近南北向，与该区天然地震震源机制解有较好的一致性。因此，本构造应力场是促使矿区断层F1作倾滑、F2作走滑错动的主要因素，矿山开采只是诱因而已；

图3 中武煤业有限公司亘山井矿区地震构造示意图Fig.3 Seismotectonic schematic diagram of Genshan well mining area Zhongwu Coral CO.LTD

（2）从断层力学观点分析，开采巷道和回采煤体都会破坏原岩应力，形成内向压缩的附加应力带。当震源处应力值较高，或处于临界状态时，该附加应力带可能诱发在巷道或开采面附近断层的活动。如前所述，目前矿山开采部位 （A）在F1以南、F2以东，随着开采的进行，由于上部的卸载 （减压），断层应力状况会发生变化，A区有发生逆断层活动的趋势，附加应力会在两断裂的交汇处不断集中，最终打破原有平衡而发生地震。采空区对断层的附加应力可由下式估算［4］：式中τζ为断层附加应力，γ为断层距开采自由面 （采空

区）的距离，μ为刚性系数，μ1为断层平均错距 （现场测算）。经计算可得τζ≈6.81×104 Ра；第三，从地下水对构造影响分析，区内裂隙、岩溶、空隙地下水均有赋存，以岩溶水为主。F1具有充、导水性，以导水为主，由西往东都有突水发生。F2切割走向各含水层，由于与之邻近的井巷均已封闭，含导水性有待查证①。地下水的影响主要有三方面：一是空隙水压影响，根据摩尔-库伦公式，岩石抗剪强度与岩石孔隙水压有关，随着介质充水，孔隙水压力增大，有效应力减小，岩石抗剪强度降低，易于滑动；二是润滑作用，随着断层的充水，水会如润滑剂一样使断层面摩擦力降低，为断层运动创造条件；三是强度影响，岩石长时被水浸泡，结构会发生变化，导致岩石抗剪、抗压和抗拉强度的降低，有利于断盘运动。

2.3 澧县新澧化工芒硝矿区地面沉陷

（1）灾害基本情况。2007年8月1日，新澧化工芒硝矿区约6 000 m2，地面发生沉陷，沉陷深度0.3～1.0 m，沉陷区周边及沉降面出现多条裂缝，裂缝最大长度100 m，最大宽度1 m。之后又有几次沉降。累计沉降面20 000 m2，沉降幅度0.8～2.5 m。

（2）沉陷成因分析。由于该矿超量开采 （目前年生产量超85万吨），在重力作用下，矿顶局部有整体崩落趋势，同时因直接顶与表顶 “粘结”牢固，不能通过塌陷将积累的能量释放，只有通过沉陷以及开裂的方式，即破坏性变形释放能量。

此次灾害分多次发生，每次释放能量不大，加之无微震 （或极微震）监测手段，故没有震动记录。但这种未来澧水流域可能出现的通过沉陷、裂缝释放能量的矿震形式，值得关注。

3 澧水流域矿震特点

通过上述矿震及其震害分析可知，澧水流域矿震具有以下特点和破坏特征：

（1）矿震波形记录图显示，其具有波形简单、周期较长、面波明显等特点。

（2）震级小，烈度高。石门3.6级矿震为省内有记载的最大矿震，但总体震级不高，一般为2.0～3.0级。烈度调查表明，一个2.0级左右的矿震，就有明显震感，震中烈度可达Ⅴ度弱。另外，矿震地震波衰减快，影响范围相对较小。

（3）既有地面破坏，也有井下破坏。对于天然地震来说，地下的破坏总比地面的弱得多。但澧县2.1级矿震却显示，矿区井上、井下均有震感，且井下震感更强，造成的破坏也更大。同时，矿震的破坏程度随着开采深度的增加而有所加大。

（4）矿震多与矿区地质构造有一定相关性。一方面，褶皱构造是矿震的主要发生部位；另一方面，矿山采掘卸载以及抽排水等会改变构造的应力状态，导致构造的瞬间 “复活”。

4 澧水流域未来矿山诱发地震预测

矿山诱发地震的发生是地质构造、应力环境及采矿活动共同作用的结果。澧水流域上述三方面基本情况如下：

（1）地质构造环境。根据区域水文地质普查报告石门幅 （比例尺1∶20万），澧水流域

①宁琼，龙朝晖，谭兴，等.中武煤业有限公司煤炭资源开发利用方案，2008：1-41.位于我国东部新华夏系构造第二沉降带南，地质构造以褶皱为主，断层较为发育。主要褶皱有大同山背斜、东岳观向斜等，轴向为近东西向。这些褶皱是受北南向水平挤压应力作用的产物，当地壳内某一方向的应力减弱，可能造成物质的弹性恢复运动，特别是在具有扭旋力学性质的褶皱地区。比如中武煤矿位于新铺向斜次级倒转构造上，该构造深部已积累较高弹性势能，局部地段会因应力减小而发生弹性回转，导致矿震的发生；本区断裂有近东西向澧水断裂、沿市断裂等，北北东向大河洲断裂、方石坪断裂、太阳山北延断裂等。

（2）构造应力场。本区处在常德-宜昌全国地震重点监视防御区内，其构造应力场主要为澧水断裂所控制。通过对区内褶皱轴向、断裂的运动方式及规模等分析可知，本区构造应力场最大主压应力轴方向为近南北向，与长江中下游地区这一大区域构造应力场P轴的优势取向不一致。从地震活动来看，澧水流域历史和现今地震活动水平均为湖南省境内之最。

（3）矿山开采趋势。随着我市经济社会的不断发展，对资源的需求量也在增加，多数矿山开采深度、规模都会增大。从主要矿产开采趋势看，石膏、芒硝和岩盐等主要赋存于新生代第三纪地层中，埋深小、层厚大，呈单斜缓倾产出，具备规模开采的条件。目前，多数石膏矿采空区体积大，芒硝、岩盐矿更是掠夺式开采；煤 （石煤）赋存于二叠纪、寒武纪地层中，厚度小、埋深大，储量小，不具备扩大规模的条件。另外，磷、雄黄等赋存于古生代震旦纪、泥盆纪地层中，部分开采深度超过500 m。统计表明，开采深度大于500 m时就有发生3级以上地震的可能［5］。

综合以上分析，该区地质构造复杂，应力水平相对较高，随着矿山开采深度、规模的加大，具备发生较大矿震的可能。

王金安等人，为研究矿震与地质环境、构造应力、开采深度、开采体积等的相关性，提出了开采扰动势概念。开采扰动势是指在矿井中某一位置开采时，由于开采行为而引发的对邻近构造环境的扰动影响。根据开采扰动势模型，可求得在一定时间内，矿山地震释放的总能量Ε0

式中H为开采深度，Δν为开采规模，L为到控制性构造的距离 （图4.1），к0为区域构造应力不均衡系数，D为常数，β为系数。因此，单位时间，矿震释放的总能量与深度、开采量成正比，与到控制构造的距离成反比。

图4 开采扰动势物理意义解析Fig.4 Physical meaning of the perturbation potential of mining

现假定本区某矿三年内发生一次地震，控制断裂以澧水断裂为主，根据类比方法，取东北某区经验系数为本区系数，求得最大矿震Μ∈ （3级，4级）。由此，预测未来三年内，矿震频度、强度会有增大，最大矿震为4.0级，最大烈度可达Ⅶ度。发震类型以构造型、塌陷型矿震为主。

以上讨论了矿震发生的基本因素是地质环境、构造应力场，矿山开采只是诱因，并基于此对矿震进行了定性和一定程度定量的分析。而矿山开采对区域应力场是否有影响？怎样以 “矿震窗口”预测天然地震？是相当复杂的，难度超过通常意义下的 “窗口”反应［6］。加之本区震例很少，本文未有涉及。

5 结语

为积极应对未来澧水流域矿山开采可能诱发的矿山地震，最大限度地减轻人员伤亡和财产损失，促进人与自然和谐相处，建议：

（1）建立地质灾害预测防治机制。从严审批采矿企业，加强对地质灾害的跟踪防治，建立综合防治联系机制，整合资源，健全矿震监测与研究的专家系统，提高预测预警与防治能力。

（2）选用合适的矿山开采方式。通过改进采掘技术，推广综合采掘工艺，优化开采布局和开采顺序，限制开采速度、开采量，实施边开采边回填的措施等，控制矿震活动。

（3）采取必要的抗震加固措施。对可能出现矿震，或受矿震、天然地震影响，甚至出现灾害叠加的矿区建筑及生产设施，进行抗震性能普查，达不到抗震要求的，采取必要的加固措施。

（4）突出矿山地质环境治理。按照 “谁开发、谁保护，谁受益、谁补偿，谁污染、谁治理，谁破坏、谁修复”的原则，对矿山开采地质灾害开展危险性评估，进行合理整治。

［1］蔡美峰，李治平.神经网络在开采与矿山地震活动性关系研究中的应用 ［J］.中国矿业，2002，11（2）：6-9.

［2］修济刚，张少泉，张诚，等.矿山地震研究述评 ［J］.地球物理学进展，1993，8（3）：69-85.

［3］李世愚，和雪松，张天中，等， “矿山地震监测速报系统和分析预测研究”项目成果介绍 ［J］.国际地震动态，2006，9（333）：60-66.

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［5］张少泉，沈萍，李世愚，等.地震学在减轻矿山地质灾害中的应用进展 ［J］.国际地震动态，2006，4（328）：1-9.

［6］张少泉，张连城，张建军，等.门头沟煤矿矿山地震的观测与应用研究 ［J］.地震学报，1999，8（4）：529-537.

Abstract：Based on the present exploitation situation in lishui river basin,the paper analyzed several mine earthquakes and summarized the characteristics of the mining-induced earthquakes in this area.Combining with the seismic and geological conditions,the paper analyzed the situation of mining-induced earthquakes in lishui river basin in the future and proposed some suggestions for monitoring and preventing the mining-induced earthquakes.

Keywords：Induced earthquake；Mine；Lishui river basin

Mining-induced Earthquake in Lishui River Basin

LI Aishun
（Earthquake Administration of Changde city,Changde 41500,China）

P315.728

A

1001－8662（2010）04－0105－08

2010－03－22

李爱顺，男，1974年生，工程师.主要从事监测预报工作. E－mail：xsfm717@163.com.