某矿山典型断层区域微震事件活动特征研究

王玺 王剑波 赵杰 刘兴全 尹延天

摘要：应用地球物理学的方法，基于微震数据反演分析了岩体破裂特征和断层滑移特征。矩张量反演分析可以清晰地表达震源处受力情况，且应用矩张量分解可以探知震源的破裂面产状及震源的破裂类型。应用矩张量反演分析方法，对某矿山震级大于-0.50的微震大事件进行识别。以偏量部分大于60 %为分类原则，分离出岩体剪切滑移型微震事件，并根据微震事件断层面解，绘制了岩体破裂面方位玫瑰图。结果显示：F310断层活动频繁、微震事件震级相对较大，且岩体破裂面方位以NEE—SWW为主。矿区W9勘探线至W11勘探线为微震事件高发区。F350断层相对稳定，但该断层与矿体相切，增大回采和开拓工作量时，应密切注意断层周边的微震事件活动。

关键词：地球物理学;微震监测;震源机制;断层滑移;矩张量反演

中图分类号：TD32          文章编号：1001-1277（2021）02-0030-06

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20210206

引 言

随着经济的飞速发展，矿产资源消耗与日俱增，采矿业随之向深部矿藏进军。深部硬岩开采中，矿山地压问题日益严重，开采扰动可引起应力场多次改变，促使应力集中区岩层储能增大，形成潜在的应变能释放区，导致岩爆问题显现、大面积岩层失稳风险增加，威胁开采安全与正常生产。加之地质构造的复杂性，井下岩体失稳范围、具体位置、能量大小等皆属未知，若能对矿山岩体失稳等地压事件的震源机制进行正确的解译，获知矿山岩体实时破裂状态，对保障矿山安全高效开采具有重要的意义[1]。

震源机制解是指通过分析监测记录得到的全波形微震资料，运用一定的方法和理论来反演岩体破裂面的相关参数，从而判断震源处的破裂类型与成核机理[2]。用于识别岩体失稳类型的方法可以总结为2个大类：波形反演法和间接推断法。波形反演法通过对单个事件多台站波形信息的反演，得到震源处的能量辐射模型，以此确定该事件的岩体破裂机制。间接推断法不针对特定的单一事件，而是依靠经验模型，通过分析微震事件群的时间和空间演化趋势推断该事件群反映的岩体破裂机制。

在工程實践中，间接推断法已广泛应用。与波形反演法相比，间接推断法数据处理简单，且能处理大数量的微震事件，但该方法结果可靠度低，且有时会给出模棱两可的结果，一般仅作为参考指标。由于微震监测系统可以方便高效地获得微震事件波形资料，因此本次研究使用波形反演法求解某矿山微震事件的震源机制，并以此分析微震事件对应的岩体破裂类型及破裂面产状信息，最终确定其典型断层区域微震事件活动特征。

1 震源机制识别方法

随着地震记录数据质量的提高和计算理论的改进，地震学的研究朝着定量解释观测数据的方向发展。地震学上通常以等效力模型描述岩体失稳的物理过程[2]。该等效力模型相当于线性波动方程，它不涉及震源附近的非线性问题，其在自由面产生的震动与震源处实际物理过程在自由面产生的震动相同，所以可由观测到的地震记录来求解等效力。微震事件波形资料包含岩体失稳震源、传播路径和传感器响应的信息[3-4]。不管是研究岩体失稳或破裂过程，还是探索地震波在岩体中的传播，除了需要对传感器记录时产生的畸变进行修正外，还需要把震源效应与路径效应分开。随着数值计算能力的提高和对地球内部结构了解的深入，当前已经可以准确地计算出路径效应，从而使得从地震记录数据中扣除路径影响及仪器记录引起的波形畸变，进而分离出震源信息成为可能。

1971年Gilbert引入了震源矩张量的概念，并定义为作用在一点上的等效力的一阶矩，对矩张量进行一定的分解分析可以获得相应的岩体破裂类型和破裂面产状信息[5-8]。在反演得到岩体破裂矩张量之后，为了便于计算各分解分量的比重，需要对矩张量结果进行特征值化[9-10]，得到其3个特征值为M1、M2、M3。将处理后的矩张量写成矩阵形式，可将其分解为各向同性部分（ISO）和偏量部分（DEV）。

其中，MV=1[]3（M1+M2+M3），为矩张量的各向同性部分。通常认为各向同性部分来自岩体的膨胀破裂，而偏量部分来自剪切破裂[11-16]。本文在此基础上对微震事件的矩张量进行量化研究，采用如图1所示的技术路线，从反演所得矩张量中分析得到明确的岩体破裂类型和精确的破裂面产状信息。该技术路线包括波形的滤波处理、事件的定位、格林函数相关激励矩阵计算、岩体破裂运动位移谱计算及矩张量分解计算，最终得到地压失稳事件对应的岩体破裂类型。

2 断层滑移型微震事件识别

某地下开采矿山，生产能力200万t/a，地表标高1 300多m，目前采深已至840 m水平，属于深井开采矿山。该矿山从20世纪建矿以来，累计采出矿量数千万吨。但是，随着浅部资源开采完毕，矿山地压显现日益严重。受多次开采扰动引起的应力场无序改变影响，矿山开采范围内岩层出现应力集中，局部区域岩层潜能大，有可能成为潜在的应力集中释放区（定时炸弹），引发岩爆、大面积岩层失稳与支护难的问题，威胁井下开采安全与矿山正常生产。由于应力场的复杂性，矿山井下高应力分布范围与位置确定较为困难。为获知矿山地压的实时状态，该矿山于2014年建成微震监测系统。

按照文中所述的基于矩张量反演分析方法，对该矿山的微震大事件震源机制进行识别。该矿山6个月的微震事件震级统计结果显示，微震事件震级主要集中在-2.40～-0.70，0级以上微震事件仅占2.47 %，如图2-a）所示。由于断层滑移型微震事件是造成井下灾害的重要诱因之一，且一般断层滑移型微震事件的震级比其他类型微震事件震级要大[17-20]，本次研究仅对震级大于-0.50的微震事件进行震源机制识别分析。震级大于-0.50的微震事件空间分布如图2-b）所示。

由图2可知：该矿山微震大事件多分布于矿区北部，震级大于0的微震事件多分布于F310断层控制区。该矿山2014年上半年发生的最大震级微震事件（坐標（381 519.0，2 997 568.5，1 270.3），震级0.70）正好位于F310断层面之上，F310断层在W9勘探线至W11勘探线的部分位于矿体上部50～100 m，该事件产生的地震波传播至采场暴露面时，加速了假顶离层，增加了采场回采风险。

由采动或爆破导致的断层错动能够释放出较大比例的剪切波，相比于同等能量的爆破事件，断层滑移更容易诱发诸如顶板冒落和矿柱垮塌，甚至是岩爆和冲击地压等灾害[17]。从数据库中共检索出满足要求的微震事件84次（如表1所示），其中75次微震事件可通过矩张量反演分析得到震源机制解，其余9次微震事件由于传感器触发数量小于6，未能给出精确的矩张量反演结果。本文采用偏张量比重识别法，根据之前所述，%ISO代表岩体的体积改变，即各向同性部分的压缩或膨胀，而%DEV则代表震源机制中的剪切破坏部分，该部分所占比重越大，表明该事件越倾向于纯剪切。

部分微震事件的矩张量分析结果和分解结果如表1所示，并对各微震事件的岩体破裂类型进行判别，统计表中的数据显示：在84次震级大于-0.50的微震事件中，非剪切破裂仅占19次，即在微震大事件中，有80 %的事件属于剪切破坏类事件。

对表1中的数据进行统计，绘制如图3所示的偏张量所占比重分布图，假设%DEV大于90的都可近似视为纯剪切事件。由图3可知，纯剪切事件所占比重相当少，大多数的微震事件倾向于体积改变与剪切的结合。该矿山剪切性微震事件中的偏张量部分并不比体积改变即各向同性部分多太多。 %ISO分布于40～50或%DEV分布于50～60的微震事件，占微震大事件总数的40 %左右。识别出的剪切滑移型微震大事件如图4所示。

3 断层区微震事件时空强演化规律

由上文可知，该矿山微震大事件多分布于F310断层控制区，因此本文选取F310断层区为研究对象，分析其微震事件时空强演化规律。

3.1 断层及相关微震活动

该矿山F310断层南起W6勘探线附近，全长3 000 m以上，走向一般为NNE—SSW向，倾向270°～300°，倾角30°～50°，一般42°左右。在900 m标高以上，垂直断距150～220 m，水平断距170～300 m;900 m标高以下，垂直断距40～150 m，水平断距40～170 m。断距有从南到北、从地表向深部逐渐变小的趋势。该断层切割矿体，使矿体形成宽60～270 m的重复带。断层在地表于古牛背1 340 m标高处切下矿体，形成SW向延伸的矿体重复带。F310断层900 m标高以上分布特征如表2所示。

根据该矿山微震大事件岩体破裂类型分析结果，首先剔除大事件中的非剪切破裂类型，对剩余事件的时空分布进行分析，仅分析震源位置距断层垂直距离100 m内的剪切滑移型微震事件，F310断层控制区共识别震级大于-0.50微震大事件29次，即震级-0.50～0.70，将震源机制反演结果以沙滩球的形式展示，如图5所示。

发生于2014-05-19 T 14：51：04的最大震级微震事件位于该断层面上。由图5-c）可知：断层相关微震事件多分布于断层面的下盘靠近矿体和采场附近，因此判断识别出微震大事件有些与断层滑移直接相关，即断层滑移本身产生的微震事件;而有些则为断层滑移微震事件发生后导致断层内贮存的巨大能量以剪切波形式释放，从而诱发采场周边破坏。该事件发生后1 h内分别在采场和断层上盘发生小震级微震事件，如图6所示。

该矿山F350断层为一隐伏逆断层，该断层分布特征如表3所示。F350断层控制区微震事件数较少，发生震级-0.50以上微震事件11次，这11次微震事件在空间分布上相对集中，距断层面距离较近，多分布于北1盘区N1采场至N5采场，垂直方向上集中于962～1 081 m，最大震级微震事件坐标（381 395.8，2 997 000.0，942.0），震级0.30，如图7所示。

区别于发生在F310断层上的最大震级微震事件，发生在F350断层上的最大震级微震事件并未引起后续连锁反应，断层周边采场未出现明显岩体破裂。相比于矿区北部，该地区爆破活动频率较低，出矿量较少，推断该处断层活化主要为矿区北部回采和爆破所致。该处断层发生活化滑移，并释放能量，但由于周边空场较少，断层滑移型微震事件并未引发次生微震事件。

3.2 微震事件产状分析

通过矩张量反演得到的F310断层控制区微震事件的断层面解如表4所示，F350断层控制区的6次微震事件断层面解如表5所示。由于每个微震事件通过矩张量反演都将得到2个相互垂直的节面，这2个节面中的一个为断层的滑移面。

F310断层控制区微震事件破裂面走向统计玫瑰图如图8所示。从统计信息中可知，该控制区微震事件的走向多集中于NEE—SWW，与F310断层走向NNE—SSW呈15°～30°的夹角。根据玫瑰图统计结果和F310断层的产状信息对相关微震事件滑移面的选取进行分析，选取结果在表4中以灰色背景标出。同时注意到，存在11次微震事件的破裂面倾角大于等于80°，这些事件可能由于波形信噪比较低，导致依据波形反演分析得到的结果误差较大，也可能并非断层滑移直接产生，而是断层滑移后诱发的采场周边微震事件。

如表5所示。由表5可知：节面走向相差很大，没有出现较为集中的破裂面走向区间，仅24#和29#微震事件的走向与F350断层走向（240°）较為接近。该区域微震破裂面的倾角和滑动角也未出现较为集中的区间。综上所述，F350断层控制区微震大事件离散性较大，事件较为孤立，时间和空间上不具有明显的因果关系。尽管F350断层未出现大的断层活化，周边微震事件活动并不频繁，但该断层距矿体较近，部分区域将矿体切割，导致采场顶板较为破碎，在该区域回采工作量增大后，应密切注意断层及断层周边微震事件的活动，防止断层活化诱发次生灾害。

根据表4和表5矩张量反演得到的震源机制解，该矿山断层滑移型微震事件群震源机制解的三维显示如图9所示。图9-a中的红色和蓝色节面表示该处岩体可能的滑移破坏面，图9-b中的红蓝箭头表示结构面两侧岩体可能的错动方向。在明确了微震事件的主要破坏形式及错动方向后，该矿山在现场组织支护施工，并尽可能垂直破裂面安装锚杆，支护效果显著提高。

4 结 论

1）应用地球物理学的方法，基于微震数据反演分析了岩体破裂特征和断层滑移特征，发现应用矩张量反演分析可以清晰地表达震源处的受力情况，且应用矩张量分解可以探知震源的破裂面产状及震源的破裂类型。

2）F310断层控制区微震事件群中微震事件84次，最大震级0.70;F350微震事件群中微震事件6次，最大震级0.30。

3）F310断层微震事件群的破裂面方位以NEE—SWW为主，与F310断层走向（NNE—SSW）呈15°～30°的夹角。

4）从微震事件的宏观分布上看，矿区W9勘探线至W11勘探线为微震事件高发区，该区域的微震事件数量在时间分布上并不单纯集中于生产爆破之后，这与F310断层的滑移相关。

5）F350断层相对稳定，周边并未出现大的微震事件，已经出现的断层滑移型微震大事件并未表现明显的滑移集中方向，但该断层与矿体相切，该区域增大回采和开拓工作量时，应密切注意断层周边的微震事件活动。

[参 考 文 献]

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