基于P波初动法的矿震震源机制研究

张山林 李 铁

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；2.北京科技大学土木与环境工程学院)

基于P波初动法的矿震震源机制研究

张山林1,2李 铁1,2

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；2.北京科技大学土木与环境工程学院)

为探索采矿应力场的时空演化特征，以华亭煤矿两个开采工作面为研究背景，应用地震学理论和震源机制解答的P波初动符号方法，选择发生在矿震监测网内且震相清晰的94次强矿震资料，使用自主研发的强矿压危险性预测分析工具软件MapRAS，求解出矿震的震源机制。研究得出：水平应力是发生矿震的主要作用力；矿区应力场既受区域构造应力场的控制，又受采动应力场的影响；震相清晰的矿震P波初动资料，可便捷反演出矿震岩体宏观破裂面的错动方式、破裂面产状和主应力轴产状，进而判断采场应力场大致分布；通过跟踪分析岩体破裂源空间分布及破裂机制，可以早期发现采场受力状态异动，提前采取防范措施。

矿震 震源机制 P波初动 应力场反演

由于人类对能源的依赖，目前我国浅部煤炭资源渐趋枯竭，大量矿井已进入深部开采。高应力环境采掘扰动，使得采矿诱发地震(矿震)形式的岩体动力灾害频次和强度大幅增加，已有140余次，对生产安全构成严重威胁。

矿震震源机制是指矿震发生的力学模式，即：矿震岩体宏观破裂面的错动方式、破裂面产状和主应力轴产状，通过反演矿震破裂的力学机制，认识矿震破裂孕育、发生和破坏的力学机理。震源机制的研究始于美国学者Ride 1910提出的构造地震“弹性回跳”理论，之后，日本学者发现了地震波初动符号的规律性分布，Nakano(1923)开启了震源的定量研究。探索用地震波初动符号和P、S波振幅比来确定震源等价的点源类型及其定向，是此领域后来相当长时间的研究方向[1]。

天然地震与矿震震源机制没有本质差别，震源机制解答方法可以较近似地揭示矿区采动应力场释放特征，对于分析矿震成因机制具有重要作用[2]。华亭煤田地处六盘山东麓，所处的大地构造位置系鄂尔多斯地块(陕甘宁盆地)之西南缘或是西缘断褶带的南端，因长期受区域上南西—北东以及东西向挤压应力的作用，尤其是印支运动后的燕山运动，使本区承受了来自西南方向的主动挤压应力。由于区域构造活动的长期性和复杂性，使本区构造对煤系早期沉积起控制作用，后期影响赋存煤系的改造、破坏和定型。

近40 a来，华亭矿区方圆200 km范围发生4级以上地震约50次，区域地震应力主压应力轴走向为NW—SE，表明近代区域地质动力仍很强劲和活跃。本文以华亭煤矿250104、250105工作面为研究对象，2010年3月—2012年5月，这两个工作面采掘发生了多次强矿震，选取94个震相清晰的强矿震，采用P波初动法求解强矿震源机制，以此分析强矿震发生机理和采动应力释放特征，期望为采动应力释放跟踪反演提供一种方法。

1 震源机制反演方法

求解震源机制解的常用方法主要包括初动符号法和波形反演法。初动符号法主要依据波形的初动极性信息来获取震源机制解，而波形反演法则充分利用波形资料求解矩张量解[3]。

P波初动法是求解震源机制的常用方法，通过不同台站记录的P波初动振动方向，根据迭代法和格点尝试法得到震源机制。因迭代法更依赖数据资料的质量，研究过程中多选用格点尝试法。格点尝试法主要利用多个离散分布的地震在不同位置的地震台站上的P波初动方向记录，确定与地震综合断层面解相应的平均震源机制解,即确定与断层及节面相对应的主压应力轴、中性轴、主拉应力轴方向的分布,由此推断该地区平均构造应力场的方向[4]。许忠淮等[5]提出利用格点尝试法求解P波初动的震源机制解，许向彤等[6]对格点尝试法进行改进，将震源球面分成许多小块,确定有P波初动数字的小块为正号区或负号区的概率,以全部有数据小块平均概率的高低作为选择解答的标准。刘杰[7]、赵小艳等[8]将用P、S波初动及其振幅比联合计算震源机制。胡幸平[9]利用P波初动资料，采用格点尝试法，求解了汶川地震及其强余震震源机制。

尽管解答震源机制有多种方法，但P波初动符号反演方法由于其操作比较简单，资料较容易获取，至今仍不失为一种普遍采用的方法。

华亭煤矿装备了波兰产SOS工程精度微震观测系统，部分测站位置基本固定，部分测站随工作面推进调整。震源机制反演使用的微震测站分布如图1。进行P波初动资料的选取时，每个矿震选取不少于9个测站的有清晰记录的P波初动资料(多数矿震可选取12个以上测站的资料)，求解震源机制。

图1 华亭煤矿微震测站分布

2 震源机制解及特征

2.1 华亭煤矿微震监测

本文基于双力偶点源的震源模型，通过收集华亭煤矿94个矿震(选用的94个矿震空间分布见图2)的P波初动资料，输入自主研发的MapRAS4.0软件求解震源机制，判断煤矿采区的构造应力场的属性。

图2 华亭煤矿矿震震中分布

利用MapRAS4.0分析软件求解华亭煤矿的震源机制，得到的震源机制解，所得的矛盾符号比统计如表1。从表1可以看出，多数小于0.1，基本不大于0.2，表明选用读取数据的质量较好[10]。将矿震断层面与水平面所夹锐角α及主应力轴仰角β以25°、45°、65°为分界，大概分为水平、近水平、缓倾斜、陡倾斜、垂直和近垂直4种类型，见表2。

2.2 震源机制解特征

2.2.1 矿震震源机制多样性

非双力偶型矿震仅有2次，逆冲断层47个、正断层45个,整体而言，两者对比没有明显的优势机制。所选取的矿震基本发生在250104、250105工作面开采空间周围，正断层型矿震与逆断层型矿震相间分布，其分布如图3。

表1 震源机制解矛盾符号比统计

表2 断层滑动及主应力方向约定[7] (°)

图3 正断层矿震与逆断层型矿震分布

2.2.2 94个矿震发生时空分布

随时间推移，矿震基本沿着北西—南东方向有序发生，震源高程—平距(Z-S)剖面图如图4。前69次矿震基本发生在矿区较北，后23次发生在矿区较南。将震源机制分按南北两区讨论，采场北区主压应力优势方向显著，方位为NE—WS，主拉应力方位NW—SE，应力状态相对稳定；采场南区主压应力优势方位为NE—WS，主拉应力优势方位不明显，主应力轴分区分布见图5，主应力轴仰角统计见表3。

图4 震源高程—平距(Z-S)剖面

从图5、表3可以看出：

(1)矿震震源主应力释放主压应力轴(P轴)仰角近水平和缓倾斜的占75%，中等应力轴(N轴)仰角近水平和缓倾斜的占71.7%，优势仰角较显著，总体方位随机性较强，可认为矿震孕育和发生中主压应力为近水平偏倾斜应力，主拉应力轴(T轴)仰角近水平和缓倾斜的占64.1%，分布较离散，优势方向不明显。水平应力是发生矿震的主要作用力，有较强的区域构造应力场背景，巨厚坚硬顶板施加煤柱的压力转换为正交巷道走向的水平应力。

图5 采场主应力轴分布

表3 华亭煤矿矿震双力偶震源机制主应力轴仰角统计

(2)矿震的发生与开采活动具有较强的时空相关性，矿区某一处发生矿震后，近期发生的矿震很有可能发生在临近区域。通过94个矿震震源机制的主应力轴分布图可近似反演出矿区应力场特征，矿区整体近似受NE—WS方向的挤压应力，与区域构造应力场一致。采场北区受NW—SE方向的张拉应力，南区拉应力场有不确定性，采矿扰动产生较大的次生应力场，与原生应力场相作用，使主应力方向与水平面呈一定角度。

3 结论与讨论

本文利用P波初动资料求解华亭煤矿90余微震的震源机制，分析其构造应力场特征。研究发现：

(1)尽管矿震震源机制类型较多，但根据矿震破裂主应力轴仰角判断，水平应力是发生矿震的主要作用力。水平应力有较强的区域构造应力场背景，巨厚坚硬顶板施加煤柱的压力转换为正交巷道走向的水平应力。

(2)所研究采区的矿震应力场主压应力方向大致为NE—SW，与煤田所受区域构造应力一致，但主应力与水平面之间呈一定的角度，表明矿震应力场既受区域构造应力场的控制，又受采动应力场的影响。

(3)中小矿震发生在开采面附近，矿震的发生与开采活动具有较强的时空相关性，当矿区某一区域发生矿震时，应加强临近采空区或工作面的监测与防护。

(4)挑选震相清晰的矿震P波初动资料，可反演出矿震岩体宏观破裂面的错动方式、破裂面产状和主应力轴产状，进而判断采场应力场大致分布，对高应力集中或有冲击危险性区域在岩体所受主应力方向上采取卸压措施，可减少后期矿震的发生。

(5)装备工程精度的微震系统，跟踪分析岩体破裂源空间分布及破裂机制，可以早期发现采场受力状态异动，提前采取防范措施。

[1] 孙学会，李 铁.深部矿井复合型煤岩瓦斯动力灾害防治理论与技术[M].北京:科学出版社,2011.

[2] 李 铁，蔡美峰，左 艳，等.采矿诱发地震的震源机制特征—以辽宁省抚顺市老虎台煤矿为例[J].地质通报，2005,24(2):136-144.

[3] 祁玉萍，李闽峰，李圣强，等.地震震源机制波形自动反演系统的研究现状与展望[J].地震，2013,33(1):74-85.

[4] 惠乃玲，刘耀权，杨明皓，等.抚顺老虎台煤矿矿震震源机制的研究[J].地震地磁观测与研究，1998(1):41-47.

[5] 许忠淮，阎 明，赵仲和.由多个小地震推断的华北地区构造应力场的方向[J].地震学报，1983(3):268-279.

[6] 许向彤，许忠淮，张东宁.求震源机制P波初动解的格点尝试概率法[J].地震地磁观测与研究，1995(4):34-42.

[7] 刘 杰，郑斯华，康 英，等.利用P波和S波的初动和振幅比计算中小地震的震源机制解[J].地震，2004,24(1):19-26.

[8] 赵小艳，苏有锦，付 虹，等.用P波、S波初动和振幅比计算中小地震震源机制在云南地区的应用[J].内陆地震，2009,23(3):394-402.

[9] 胡幸平，俞春泉，陶 开，等.利用P波初动资料求解汶川地震及其强余震震源机制解[J].地球物理学报，2008,51(6):1711-1718.

[10] 俞春泉，陶 开，崔效锋，等.用格点尝试法求解P波初动震源机制解及解的质量评价[J].地球物理学报，2009(5):1402-1411.

Study on the Focal Mechanisms of Mining-induced Earthquake Based on P Wave First Motion Method

Zhang Shanlin1,2Li Tie1,2

(1. State Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education;2. School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing)

In order to explore the time-space evolution of the stress field of mining, two working faces of Huating mine are taken as the trial research background. Based on seismic theory and P-wave first motion method for solving focal mechanism, the data of 94 strong mining-induced earthquakes with clear phases, occurred in mine earthquake monitoring network is selected. The self-developed software MapRAS with the function of predicting and analyzing strong rock burst is used to solve the focal mechanisms of mining-induced earthquake. The analysis results show that:Horizontal stress is the main force causing mining-induced earthquake;the stress field of mining area is controlled not only by the regional tectonic stress field, but also affected by the mining stress field;with the clear phases P-wave first motion data of mining earthquake, the rock macroscopic fracture surface dislocation mode, the occurrence of fracture surface and the occurrence of principal stress axes can be retrieved conveniently so as to judge the stress field distribution. Through tracing and analyzing the rupture source spatial distribution of rock mass and its rupture mechanism, the alteration of mining stress field can be detected and the preventive measures can be taken in advance.

Mining-induced earthquake, Focal mechanisms, P-wave first motion, Stress field inversion

2015-05-10)

张山林(1990—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。