孟 慶 男

（大同煤礦集團北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州036702）

0 引 言

煤礦的安全生產(chǎn)不僅與社會經(jīng)濟發(fā)展有關(guān)，而且與人類居住環(huán)境有著密切的關(guān)系，所以需要加強煤礦的安全管理制度。梁玉霞[1]與李新娟[2]等人分別從煤礦的安全質(zhì)量標準化管理信息系統(tǒng)開發(fā)和社會經(jīng)濟發(fā)展的視角分析了煤礦安全生產(chǎn)的重要性。近年來隨著老虎臺礦開采規(guī)模和深度不斷的加大，礦震災(zāi)害顯現(xiàn)越來越頻繁，其強度和顯現(xiàn)頻度也在增加，老虎臺礦礦區(qū)附近以及撫順市區(qū)地面震感頻次在逐步增多，造成居民的恐慌。所以研究礦震對地面建筑物的破壞影響程度有著重大的意義。礦震是煤巖體內(nèi)部的沖擊地壓，是指礦井高應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤巖體及斷層在受到外界條件擾動下瞬間失穩(wěn)破壞，釋放出大量的能量進而引起猛烈震動和爆發(fā)式為破壞特征的礦山動力災(zāi)害顯現(xiàn)[3-4]。隨著礦井開采深度的不斷加深，礦震已經(jīng)成為礦山動力災(zāi)害中的主要災(zāi)害[5]。礦井開采到達深部后，生產(chǎn)條件越來越復(fù)雜，生產(chǎn)過程中礦震的顯現(xiàn)頻度也在不斷增多[6]。由于礦震的震源深度淺，既有可能誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，同時還會導(dǎo)致礦區(qū)附近地面建筑物的破壞[7-8]。因此，礦震同樣會給礦井安全生產(chǎn)以及人身安全造成安全威脅，也是不能夠準確被預(yù)測的礦山災(zāi)害之一。本文應(yīng)用地震學、統(tǒng)計學、地質(zhì)動力區(qū)劃的方法為礦震發(fā)生時，地面震感的影響范圍以及地面建筑物的破壞情況給出了參考，為礦井安全生產(chǎn)及居民生活住宅破壞情況提供了科學有效的借鑒。

1 83003 綜放工作面概況

83003 綜放工作面位于老虎臺礦井田西部，經(jīng)距77114～77797 m，開采標高-748.2～-833.5 m。83003綜放工作面對應(yīng)地表為東露天礦沉陷區(qū)回填體（綠都），工作面的走向長度為603 m,傾斜長為163.5m,煤層傾角15°～32°，煤層平均厚度11.8 m，開采煤層為四五分層。該面內(nèi)夾矸3～8 層，厚度0.4～13 m,其中四分層底板夾矸變化較大，西部厚東部薄，夾矸主要由碳質(zhì)頁巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成。煤層頂板巖層為綠色頁巖、油母頁巖，綠色頁巖的平均厚度為421.56 m,油母頁巖的平均厚度為194.08 m,底板巖層為泥灰?guī)r，平均厚度為17.4 m。83003 綜放工作面的運輸系統(tǒng)設(shè)在-830 m 水平，回風系統(tǒng)設(shè)在-780 m 水平。該面東鄰73001 已采區(qū)，西至井田邊界，南為F25斷層，北部位“保城限采”煤柱，上部為78001、78002、83001 及83002 已采綜放面，下部為五分層煤層及煤層底板。83003 綜放工作面的煤巖物理力學參數(shù)如表1 所示。

表1 83003 綜放工作面煤巖物理力學參數(shù)

2 老虎臺礦礦震活動情況簡介

老虎臺礦1907 年開始開采，現(xiàn)在已有近百年的歷史。1993 年撫順勝利礦最早發(fā)生礦震事件。隨后老虎臺礦以及龍鳳礦不斷發(fā)生礦震事件?，F(xiàn)在撫順煤田的勝利礦、龍鳳礦都已停產(chǎn)關(guān)閉，所以撫順發(fā)生礦震都是由老虎臺礦的生產(chǎn)造成的。1993～2014 年間，老虎臺礦每年發(fā)生礦震次數(shù)均在百次以上，破壞巷道數(shù)百米以上，最大震級達ML3.7。從礦震發(fā)生頻次來看，從1993 年開始，礦震呈現(xiàn)逐步增多的趨勢，至2001年礦震頻次達到了最高值，1.0 級以上達到了2024次，2.0～3.0 級達到了172 次。2001 年以后礦震次數(shù)又逐步降低。2007 礦震次數(shù)降到了最低。之后礦震又逐步增加。2010 年～2011 年礦震頻次又達到了一個較高的水平。圖1 為老虎臺礦1993 年至2014 年以來礦震發(fā)生統(tǒng)計情況。

圖1 老虎臺礦1993 年～2014 年礦震頻次分布

3 老虎臺礦礦震影響范圍預(yù)測分析

3.1 礦震影響范圍預(yù)測的依據(jù)

用來表示地震強度的指標有兩個，一個是表示地震能量釋放多少的指標震級，另一個是表示地震引起地面震動強弱程度大小的指標烈度。目前我國采用聯(lián)合國教科文組織推薦的烈度表[9]，共分12 度。地面振動的強弱直接影響到人的感覺的強弱，器物反應(yīng)的程度，房屋的損壞或破壞程度，地面景觀的變化情況等。根據(jù)中國地震烈度表得到地震震級與烈度的關(guān)系如表2 所示。

表2 中國地震烈度表

確定老虎臺礦礦震影響范圍的具體思路為，根據(jù)撫順地震臺記錄到的礦震震級，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學模型計算出震中烈度的大小，再根據(jù)我國若干等震線資料[10]，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計建立了地震烈度、地震里氏震級和震中距三者之間的關(guān)系，應(yīng)用得出的關(guān)系式求出震中距的值，然后再應(yīng)用地質(zhì)動力區(qū)劃的方法[11-14]所劃分出的老虎臺礦Ⅳ級區(qū)劃圖，將計算出的震中距值結(jié)合微震監(jiān)測系統(tǒng)顯示的震源位置分別繪制出不同礦震震級的烈度分布圖。

3.2 震中烈度大小的確定

在發(fā)生地震時，地震對地面造成破壞相對應(yīng)的最大烈度值主要集聚在震中范圍內(nèi)。震中烈度常用I0表示，I0 表示一次地震發(fā)生時的最大烈度。影響震中烈度大小的主要因素是震源深度與地震震級。通常地震震級越大，震中烈度也越大。一般在震級大小相同的情況下，震源深度越深，相應(yīng)的震中烈度會降低。通過統(tǒng)計分析中國歷史地震數(shù)據(jù)，最終得到了地震里氏震級、震源深度和震中烈度三者有如下經(jīng)驗關(guān)系式[15]：

式中：ML為里氏震級；I0為震中烈度；h為震源深度。

以老虎臺礦83003 綜放工作面在2014 年發(fā)生過的4 次破壞較大礦震為研究對象，計算出震中烈度值如表3 所示。83003 綜放工作面的4 次礦震震中烈度最高為Ⅴ級。

表3 83003 綜放面礦震對應(yīng)的震中烈度

3.3 微震震級與地震震級的轉(zhuǎn)化關(guān)系

由老虎臺礦提供的微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的微震震級和撫順地震局提供的地震震級，建立了微震震級與地震震級之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)換結(jié)果如公式2 所示。

式中：ML為地震震級；MS為微震震級。

3.4 地質(zhì)動力區(qū)劃方法的應(yīng)用

地質(zhì)動力區(qū)劃方法是以板塊理論為基礎(chǔ)，以地質(zhì)動力學、地形地貌學、地球物理學為依據(jù)，揭示了構(gòu)造活性斷裂分割出的不同規(guī)模的斷塊，確定了斷塊沿其邊界相互作用的特征，分析斷塊的應(yīng)力狀態(tài)，提出了安全有效防治災(zāi)害的措施[16]。

在1∶5 萬的地形圖上，以老虎臺礦為中心，查明Ⅳ級斷塊構(gòu)造，劃分出的Ⅳ級斷裂共有5 條，劃分結(jié)果如圖2 所示，Ⅳ級斷裂特征如表4 所示。

圖2 老虎臺井田Ⅳ級斷塊圖

表4 IV 級斷裂特征表

3.5 礦震的影響范圍

根據(jù)我國若干等震線資料，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計，得出地震烈度、里氏震級和震中距三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

式中：I 為地震烈度；ML為里氏震級；R 為震中距，km。

根據(jù)（3）式可以分別求出某次礦震的影響范圍和相對應(yīng)的烈度大小。

表5 83003 綜放面礦震對應(yīng)的烈度及破壞情況

以老虎臺礦2.7 級礦震和2.4 級礦震為例進行里氏震級、烈度的驗算。2 次礦震的里氏震級、烈度和地面震感情況如表5 所示，2 次礦震的影響范圍和相對應(yīng)的烈度如圖3、圖4 所示。

圖3 老虎臺礦2.7 級礦震烈度分布圖

圖4 老虎臺礦2.4 級礦震烈度分布圖

3.6 礦震的影響范圍預(yù)測

根據(jù)老虎臺礦的礦震情況，分別以里氏震級3.0、3.5 級礦震為例，分別繪制出這兩種震級礦震的烈度分布圖。不同震級礦震的烈度分布如圖5 和圖6 所示。

圖5 老虎臺礦3.0 級礦震烈度分布圖

圖6 老虎臺礦3.5 級礦震烈度分布圖

根據(jù)老虎臺礦微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的微震震級和撫順地震局監(jiān)測記錄到的里氏震級資料，確定了不同震級礦震測影響范圍和烈度。計算表明，當?shù)V震震級達到里氏3.5 級，相應(yīng)的微震震級為6.3 級時，極震區(qū)的烈度為Ⅴ級，該級別礦震不會導(dǎo)致地面建筑物破壞。近年來撫順礦區(qū)礦震的最大震級為3.2級，因此不會導(dǎo)致建筑物破壞。

4 結(jié) 論

1）確定了微震震級、里氏震級之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定了不同震級礦震的影響范圍和相對應(yīng)的烈度。

2）當?shù)V震震級達到3.5 級時，震中區(qū)范圍內(nèi)的最高烈度為Ⅴ級，結(jié)合地震烈度表可知，該級別的礦震不會造成地面建筑物的破壞。

3）將計算結(jié)果與地面實際情況對比分析表明，計算得到的地震烈度與實際情況基本吻合，所以可以用來對礦震的地面效應(yīng)進行預(yù)測。