蘇經(jīng)緯,楊東輝,樊 聰,李 立,呂兆恒,程虹銘

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

礦井動(dòng)力災(zāi)害是一種嚴(yán)重的礦井煤巖系統(tǒng)動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害,具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。實(shí)踐表明,煤層開采越深,地質(zhì)構(gòu)造越復(fù)雜,發(fā)生礦井動(dòng)力災(zāi)害的頻率越大,破壞性也越強(qiáng)。目前普遍認(rèn)為礦井動(dòng)力災(zāi)害是在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和開采擾動(dòng)的共同作用下,局部煤巖體力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生的劇烈動(dòng)力失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,其動(dòng)力源為地層動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過程中所聚積的彈性能。礦井動(dòng)力災(zāi)害在時(shí)間、空間和強(qiáng)度上的差異主要取決于礦井的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境[2-4]。BATUGINA et al[5]最早從地球動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害開展研究,并初步建立了地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃分理論。張宏偉等[6]通過分析我國部分沖擊地壓礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件、現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)以及淺源地震特征,提出了沖擊地壓地質(zhì)動(dòng)力條件的概念。韓軍等[7]通過分析京西煤田新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、地殼應(yīng)變能等地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境,利用構(gòu)造反差強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)估,并探討了煤巖體的破壞形式和應(yīng)變能的釋放條件。

斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域往往更容易孕育發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),甚至礦井動(dòng)力災(zāi)害。宋衛(wèi)華等[8]通過典型巖石的雙剪摩擦試驗(yàn),分析了北票礦區(qū)主要斷層的滑動(dòng)摩擦性狀,采用多區(qū)域耦合有限元法對(duì)井田區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了反演。李志華等[9]采用相似模擬和數(shù)值模擬手段系統(tǒng)地研究了采礦活動(dòng)誘發(fā)斷層滑移失穩(wěn)規(guī)律,為斷層強(qiáng)礦壓的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)和防治提供一定的指導(dǎo)。許多學(xué)者在構(gòu)造動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理和防治方法等方面取得了一定的研究成果,但由于礦井地質(zhì)條件的復(fù)雜性,以及采掘擾動(dòng)的不確定性,強(qiáng)礦壓發(fā)生機(jī)理研究多集中在局部簡化條件下的相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方面,較少涉及區(qū)域地質(zhì)條件下的強(qiáng)礦壓動(dòng)力環(huán)境分析或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。而強(qiáng)礦壓動(dòng)力源范圍不僅局限于巷道或回采空間,而是遠(yuǎn)大于采掘空間尺度,因此需要結(jié)合宏觀尺度對(duì)強(qiáng)礦壓的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行研究?；诖?本文以大同煤田雙系開采為工程背景,在分析礦井動(dòng)力災(zāi)害特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合活動(dòng)地塊學(xué)說,從地塊活動(dòng)斷裂、地層動(dòng)力運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、地震活動(dòng)規(guī)律等角度闡述大同煤田的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境及其對(duì)強(qiáng)礦壓的影響。

1 大同煤田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

大同煤田為一軸向NE不對(duì)稱的開闊向斜構(gòu)造盆地,長85 km,寬30～40 km,面積約1 739 km2,其區(qū)域構(gòu)造位于華北斷塊內(nèi)二級(jí)構(gòu)造單元呂梁-太行斷塊中的云岡斷坳(圖1)。云岡斷坳北部與內(nèi)蒙古斷塊相鄰,東部及南部與桑干河新裂陷為界,西北部與偏關(guān)-神池?cái)嗥航尤馈Ｍ镁镂挥诖笸禾锏臇|北部,毗鄰桑干河新裂陷,口泉斷裂是二者間的分界線。同忻井田范圍內(nèi)雙系煤層重疊率近100%,同忻礦開采3-5#石炭二疊系煤層,開采上覆侏羅系煤層的礦井自北向南依此為晉華宮礦、忻州窯礦、煤峪口礦、永定莊礦、同家梁礦(圖2)?？谌獢嗔咽谴笸禾锏闹饕吔鐢嗔阎?全長160 km,除南端走向近EW外,總體走向NE35°～55°,傾向SE,傾角50°～70°,呈現(xiàn)南北不對(duì)稱的“S”形空間展布特征。

大同煤田位于云岡斷坳與桑干河新裂陷的交界,是地塊構(gòu)造變形的產(chǎn)物。自晚古生代形成大同煤田以來,在侏羅紀(jì)后期,經(jīng)歷了印支和燕山強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),煤田東部地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂及巖漿活動(dòng)較多,地層陡峻;北部、西北部構(gòu)造則相對(duì)簡單,以單一向斜為主,斷層、褶皺較少,整體屬簡單型構(gòu)造煤田[10]。張躍剛等[11]研究表明,鄂爾多斯斷塊和山西斷陷帶在1992—1996年間表現(xiàn)為張性,1996—2001年間表現(xiàn)為壓性,相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率分別為3.2 mm/a、2.2 mm/a,且方向一致。由于運(yùn)動(dòng)存在速率差,導(dǎo)致兩者之間的口泉斷裂邊界處于壓縮狀態(tài),易于聚積能量,為強(qiáng)礦壓發(fā)生提供了能量基礎(chǔ)。大同地震臺(tái)觀測(cè)結(jié)果表明,口泉斷裂在1990—1998年間上盤下降的平均速度為2.36 mm/a,至今南東盤仍持續(xù)下降,北西盤仍持續(xù)上升。應(yīng)用震源位置和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演方法研究表明,口泉斷裂中北段活動(dòng)強(qiáng)而南北兩端弱,其中北起圣水溝南至鵝毛口中段,活動(dòng)性最強(qiáng),可聚積較強(qiáng)的孕震或誘沖能量[12],忻州窯礦、同忻礦即位于口泉斷裂的最強(qiáng)活動(dòng)地段。

圖1 大同煤田構(gòu)造綱要圖[13]Fig.1 The structural map of Datong coalfield

圖2 同忻井田雙系煤層布置圖Fig.2 Layout of the dual-system coal seamsin Tongxin minefield

忻州窯礦位于大同煤田的東北部,井田中部構(gòu)造較為復(fù)雜,東西兩翼相對(duì)簡單。其中,10 m以上落差斷層4條,1～5 m的8條,小于1 m的近百條,向斜3個(gè),不對(duì)稱的忻州窯大向斜貫穿整個(gè)井田,背斜2個(gè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),1981—2007年間礦井發(fā)生強(qiáng)礦壓53次,2008—2011年間83次,2012—2016年間16次,主要發(fā)生在11～12#合并煤層,該層煤分叉合并較強(qiáng)烈,厚度0.80～13.02 m,平均7.5 m,普氏系數(shù)f=3.0～4.5;頂板普遍存在有10～35 m的厚層狀整體砂巖,普氏系數(shù)f=8～16;底板存在2～5 m厚砂巖,屬典型“三硬”開采條件。忻州窯礦西二11#層8935綜放工作面發(fā)育5條斷層,其走向與工作面傾向垂直或斜交。2011年工作面回采過程中發(fā)生15次強(qiáng)礦壓,且集中在距斷層360～230 m范圍內(nèi),沖擊能量2.0×104～2.2×106J,大部分為105J數(shù)量級(jí)?？芍獢鄬痈浇讓?dǎo)致局部應(yīng)力疊加,在采動(dòng)擾動(dòng)下誘發(fā)堅(jiān)硬頂板破斷,從而產(chǎn)生強(qiáng)礦壓。

同忻礦也位于大同煤田東北部,屬大同向斜的東翼,井田為一走向NE10°～50°、傾向NW、西低東高的單斜構(gòu)造形態(tài)。井田東南部毗鄰口泉斷裂,處于壓縮狀態(tài)的口泉斷裂兩側(cè)聚積大量能量,形成了井田典型的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境。井田南部邊界處發(fā)育一逆斷層,落差較大。井田開采石炭-二疊系的6層煤,主采3～5#煤層厚0～35.31 m,平均15.70 m,埋深450 m,采用綜放開采工藝。復(fù)雜的構(gòu)造背景和堅(jiān)硬頂板的彈性能量聚積,使同忻礦具備發(fā)生強(qiáng)礦壓的地質(zhì)動(dòng)力條件。8107工作面回采過程中,回風(fēng)巷道頂板下沉量達(dá)0.5～0.6 m,底鼓量達(dá)1.2～1.5 m,幫鼓量達(dá)0.7 m,導(dǎo)致巷道斷面高1.7～1.8 m,寬4.6 m,嚴(yán)重影響了巷道的正常使用。

2 強(qiáng)礦壓與活動(dòng)斷裂關(guān)系

前人研究[14-15]認(rèn)為,中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造變形以地塊運(yùn)動(dòng)為主要特征,主要強(qiáng)震大都發(fā)生在活動(dòng)地塊邊界帶上[16]。有史料以來,中國大陸共記錄到6級(jí)以上(含6級(jí))地震685次,其中8級(jí)以上特大地震18次,7～7.9級(jí)大地震118次,6～6.9級(jí)地震549次,不同級(jí)別地震中分布在邊界帶上的次數(shù)各占其總數(shù)的100%、86%、56%[17]。且各活動(dòng)地塊邊界帶運(yùn)動(dòng)變形的應(yīng)變速率與地震活動(dòng)應(yīng)變能釋放呈線性相關(guān),即地塊變動(dòng)過程中應(yīng)變和應(yīng)變能積累的速率越大,地震活動(dòng)水平就越高,可見,活動(dòng)地塊的運(yùn)動(dòng)變形對(duì)強(qiáng)震總體活動(dòng)水平具有控制作用。

區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起活動(dòng)地塊(煤巖體系統(tǒng))中應(yīng)力和能量的重新分布,當(dāng)能量超過巖體材料破壞極限時(shí),產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。能量聚積往往容易發(fā)生在地殼的非連續(xù)變形地塊,并在切割地殼淺層的活動(dòng)斷裂區(qū)域產(chǎn)生最強(qiáng)烈的非連續(xù)構(gòu)造變形,從而誘發(fā)礦震、地震等動(dòng)力災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國16個(gè)強(qiáng)礦壓礦區(qū)的活動(dòng)斷裂及其特性見表1,活動(dòng)地塊邊界及其活動(dòng)斷裂容易造成應(yīng)力應(yīng)變集中,導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力方向、應(yīng)力類型發(fā)生變化,成為強(qiáng)震、強(qiáng)礦壓孕育發(fā)生的重要地帶,區(qū)域地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境為強(qiáng)礦壓發(fā)生提供了所需能量。其中,口泉斷裂對(duì)大同煤田強(qiáng)礦壓的控制作用較為明顯。

表1 部分強(qiáng)礦壓礦區(qū)活動(dòng)斷裂及其特征Table 1 Active faults and their characteristics of mine fields with strong rock pressure

3 大同煤田構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析

3.1 地質(zhì)模型

本文在分析大同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)的構(gòu)造格架和地質(zhì)體主要物性,采用有限元軟件ANSYS對(duì)大同煤田雙系煤層的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬,旨在為強(qiáng)礦壓的區(qū)域預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。

建立地質(zhì)模型時(shí),采用二維平面模擬,不考慮垂向載荷,選用Plane183結(jié)構(gòu)單元,假定正常巖體單元和斷層帶為均質(zhì)彈性體,遵循摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則。正常巖石力學(xué)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室測(cè)定[17],斷層帶內(nèi)巖體力學(xué)性質(zhì)與周圍巖體相差較大,其彈性模量一般取正常地區(qū)的40%～70%,泊松比一般高出正常地區(qū)0.02。根據(jù)大同煤田主要地質(zhì)構(gòu)造特征,將侏羅系(埋深350 m)和石炭系煤層(埋深500 m)分別劃分多個(gè)構(gòu)造單元,各構(gòu)造單元巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示。根據(jù)李長洪等[18]對(duì)大同煤田地應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果(表3),確定模型的邊界條件。由表3可知:侏羅系煤層σ1、σ3近水平,σ1方位角為324.9°～330.7°,σ1大小為12.05～12.95 MPa,σ3大小為5.83～7.14 MPa;石炭-二疊系煤層σ1方位角為244.4°,σ1大小為20.96 MPa,σ3大小為11.60 MPa。通過三角變換,侏羅系煤層?xùn)|西邊界施加11.9 MPa的載荷,南北邊界施加14.1 MPa的載荷;石炭系煤層?xùn)|西邊界施加24.0 MPa的載荷,南北邊界施加20.5 MPa的載荷。

表2 各構(gòu)造單元巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Lithomechanic parameters of tectonic units

表3 大同煤田實(shí)測(cè)主應(yīng)力結(jié)果[18]Table 3 Results of measured principal stress in Datong coalfield

3.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

圖3顯示了大同煤田等效應(yīng)力(地應(yīng)力)分布特征,雙系煤層主要控煤構(gòu)造不同,地應(yīng)力分布差別明顯。侏羅系煤層?xùn)|北部主要受口泉斷裂帶和青磁窯斷裂帶的控制,西部主要受西南斷層帶的影響。石炭系煤層整體上受口泉斷裂帶影響顯著。模擬結(jié)果顯示:侏羅系煤層水平地應(yīng)力主要在11.3～20.4 MPa之間,高地應(yīng)力主要分布在斷層邊界和頂角(可以在圖中標(biāo)出斷層或者在上部加一個(gè)模型圖),數(shù)值在17.4～26.5 MPa之間,不作討論。低地應(yīng)力集中在西南部和東部斷層發(fā)育的地區(qū)。石炭系煤層水平地應(yīng)力主要在14.6～34.1 MPa之間,高地應(yīng)力主要分布在口泉斷裂中部邊界附近,數(shù)值在29.2～43.8 MPa之間。

圖3 大同煤田地應(yīng)力分布云圖Fig.3 Cloud map of ground stress distribution in Datong coalfield

雙系煤層地應(yīng)力分布均呈現(xiàn)四周向內(nèi)部逐漸增大的趨勢(shì),總體上區(qū)塊邊界和斷層拐點(diǎn)處應(yīng)力較大,斷裂帶應(yīng)力較小,且構(gòu)造曲率越大,水平應(yīng)力越小。說明地應(yīng)力分布主要受地質(zhì)構(gòu)造分布的控制。石炭系煤層地應(yīng)力整體上高于侏羅系煤層,主要是由于石炭系煤層埋深大于侏羅系煤層,煤層水平應(yīng)力隨埋深增大而有所增加。

3.3 構(gòu)造主應(yīng)力跡線方向

圖4顯示了大同煤田雙系煤層局部區(qū)域最大主應(yīng)力跡線分布特征,最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主,整體NW向展布,與研究區(qū)邊界張拉方向存在一定夾角,局部地區(qū)差異性明顯。侏羅系煤層總體上最大主應(yīng)力方向以NNW為主,忻州窯礦和口泉斷裂中上段最大主應(yīng)力為NW和NNW向,與地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果一致。東部和南部局部區(qū)域由于受到口泉斷裂帶及煤層相變的影響,最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)為NNE和NE向,且分布范圍有限,對(duì)煤層總體應(yīng)力分布影響不大。

(a)侏羅系煤層

(b)石炭系煤層

石炭系煤層總體上最大主應(yīng)力方向以NE為主,同忻礦和煤層中部最大主應(yīng)力均為NE向,南部區(qū)域由于受到口泉斷裂帶及其它斷層帶的影響,最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)為NNW向,對(duì)煤層?xùn)|部及南部應(yīng)力分布影響較大。

結(jié)合地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境分析,大同煤田水平擠壓應(yīng)力方向基本為NW,后期向NNW轉(zhuǎn)動(dòng),是對(duì)燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力NW水平擠壓應(yīng)力的繼承和發(fā)展。大量震源機(jī)制解結(jié)果顯示[19-20],大同地區(qū)存在走向?yàn)镹NE和NNW的兩條地震節(jié)面,其中NNE向節(jié)面與大同盆地走向一致,另一條與其斜交。大同煤田現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力為NEE向,方位角30°～60°,仰角變化較大,在10°～60°之間,主張應(yīng)力為NNW向,仰角較小。而采用有限元法模擬得出的大同煤田構(gòu)造主應(yīng)力跡線方向,不同于華北區(qū)域性NE向擠壓的走滑型應(yīng)力場(chǎng),體現(xiàn)了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分區(qū)性,但與實(shí)測(cè)地應(yīng)力方向具有明顯的一致性,且受口泉斷裂帶的控制和影響較為顯著。

從煤層賦存上來講,侏羅系煤層標(biāo)高在+1 000～+1 100 m,石炭系在+800～+900 m或更深,層間距150～200 m,局部約130 m,而口泉斷裂東側(cè)地表標(biāo)高在+1000～+1100 m。侏羅系煤層由于未受到口泉斷裂東側(cè)地層的約束,最大主應(yīng)力方向發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn),聚積的彈性能相對(duì)較低;石炭系煤層由于受到口泉斷裂東側(cè)地層的約束,聚積大量彈性能,導(dǎo)致水平主應(yīng)力急劇增大,構(gòu)造活動(dòng)性明顯增強(qiáng),發(fā)生礦井動(dòng)力失穩(wěn)破壞的頻率和強(qiáng)度顯著增加。由此可見,口泉斷裂NW伸展的正斷型應(yīng)力場(chǎng)控制著礦區(qū)“雙系兩硬”煤層開采的動(dòng)力災(zāi)害。

4 大同煤田區(qū)域地震特征

4.1 區(qū)域地震分布

研究認(rèn)為,地震多發(fā)生在構(gòu)造應(yīng)力作用復(fù)雜、強(qiáng)烈地區(qū)和應(yīng)力區(qū)邊界,其次在局部應(yīng)力變化區(qū)和活動(dòng)斷裂帶上[21]。大同煤田屬于山西地震帶的一部分,山西地震帶是華北地震活動(dòng)較強(qiáng)的地區(qū)之一。歷史上大同煤田東側(cè)的口泉斷裂曾發(fā)生4次古地震事件,其中3次距今2.52、5.68、13.73 ka,另一次距今6.76～10.82 ka,平均間隔約3.74 ka,反映了口泉斷裂可能具備準(zhǔn)周期的強(qiáng)震活動(dòng)。整理國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http://data.earthquake.cn)大同煤田及其鄰域(39.0°～40.5°N、112.0°～114.0°E)在1983—2022年間ML≥1.0級(jí)的地震記錄(1983—2012年來源于中國地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄,2013—2022年來源于中國地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄),總計(jì)656次,其中ML≥3.0級(jí)地震216次,占總數(shù)的32.9%,ML≥5.0級(jí)地震7次,僅1989年便發(fā)生5次,最大為10月18日大同5.9級(jí)。通過ArcGIS平臺(tái)對(duì)大同煤田區(qū)域地震目錄和地貌圖進(jìn)行疊加,展現(xiàn)出地震活動(dòng)和活動(dòng)斷裂的空間分布關(guān)系(圖5)。六棱山北麓和大同煤田東北部地震分布較為密集,與復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性。大同礦區(qū)典型動(dòng)力災(zāi)害礦井忻州窯礦、煤峪口礦、同家梁礦、同忻礦等,均位于地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜的大同煤田東北部?？梢姷卣鸹顒?dòng)性越強(qiáng),構(gòu)造運(yùn)動(dòng)就越劇烈。根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄,大同煤田及其鄰域在2009年1月1日—2022年12月31日共發(fā)生ML≥1.0級(jí)地震546次,其中天然地震占62.1%,塌陷型地震占30.0%,爆破型地震占7.3%,可知煤炭開采活動(dòng)誘發(fā)地震占總數(shù)的將近一半,其中采空區(qū)頂板垮落極易誘發(fā)地震活動(dòng)。圖6顯示了大同煤田區(qū)域地震時(shí)間分布具有一定的規(guī)律性,不同年度地震頻發(fā)交替出現(xiàn),主要集中在1988—1992、1998—2002和2013—2022三個(gè)時(shí)間段,最近10 a地震活動(dòng)性呈現(xiàn)上升趨勢(shì),地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境活躍程度也明顯增強(qiáng),為礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生提供能量基礎(chǔ)。

歷史上山西地震頻發(fā),且大部分強(qiáng)震發(fā)生在斷陷盆地。大同煤田雖未發(fā)生過7級(jí)以上地震,但中小地震不斷,且空間分布具有一定的規(guī)律性,主要發(fā)生在邊界斷裂和隱伏斷裂帶上。究其原因,主要是均勻區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了局部應(yīng)力變化。我國華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)總體上以NE向擠壓走滑型為主,而山西斷陷帶以NW—NNW向拉張為主,大同煤田則以NW—NNW向擠壓為主,與華北區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相比,應(yīng)力方向和結(jié)構(gòu)類型發(fā)生了明顯的變化。

圖5 大同煤田及其鄰域地震分布Fig.5 Earthquake distribution of Datong coalfield and its neighborhood

圖6 大同煤田及其鄰域年度地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 The annual earthquake statistics of Datong coalfield and its neighborhood

4.2 地震應(yīng)變積累-釋放特征

大同煤田及其鄰域地震資料比較完整,以1983年為起點(diǎn),繪制該區(qū)域1983—2022年地震應(yīng)變積累-釋放曲線及M-t圖(圖7)。在1983—2022總計(jì)40 a大同煤田區(qū)域平均應(yīng)變釋放率ε=5.8×105J1/2/a,相當(dāng)于每年釋放0.41次5級(jí)地震,與華北地區(qū)平均應(yīng)變釋放率ε=5.9×106J1/2/a[22-24]相比,應(yīng)變積累略低,地震活動(dòng)性稍弱。圖7(a)顯示的應(yīng)變積累釋放曲線大致反應(yīng)了一個(gè)平靜活躍周期,從1989年開始經(jīng)過5次5.0級(jí)以上地震和1991年1次5.8級(jí)地震,應(yīng)變能釋放基本完成,其應(yīng)變值達(dá)到最低,而后應(yīng)變能一直處于積累階段。該區(qū)域至今應(yīng)變值波動(dòng)式增加,很快達(dá)到積累階段峰值并釋放出來,預(yù)測(cè)數(shù)年內(nèi)地震活動(dòng)性會(huì)明顯增強(qiáng),地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境趨于活躍,礦井動(dòng)力災(zāi)害逐漸增加。

(a)1983—2022年應(yīng)變釋放曲線

(b)1983—2022年M-t圖

5 結(jié)論

1)礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和開采擾動(dòng)共同作用的結(jié)果。活動(dòng)地塊邊界及其活動(dòng)斷裂是強(qiáng)礦壓孕育的動(dòng)力學(xué)條件,區(qū)域地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境為強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)提供了所需能量。

2)大同煤田的構(gòu)造作用以NW-NNW向的近水平壓應(yīng)力為主,侏羅系煤層水平地應(yīng)力介于11.3～20.4 MPa,石炭系煤層地應(yīng)力介于14.6～34.1 MPa,口泉斷裂NW伸展的正斷型應(yīng)力場(chǎng)控制著礦區(qū)“雙系兩硬”煤層開采的動(dòng)力災(zāi)害。

3)大同煤田地震活動(dòng)具有明顯的時(shí)空分布特征?？臻g上煤田東北部地震活動(dòng)頻繁,與復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性;時(shí)間上不同年度地震頻發(fā)交替出現(xiàn),主要集中在1988—1992、1998—2002和2013—2022三個(gè)時(shí)間段,且最近10 a地震活動(dòng)性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

4)大同煤田區(qū)域1983—2022年間應(yīng)變釋放率ε=5.8×105J1/2/a,相當(dāng)于每年釋放0.41次5級(jí)地震;區(qū)域應(yīng)變能現(xiàn)今仍處于積累階段,其應(yīng)變值波動(dòng)式增加,很快達(dá)到峰值并釋放出來。預(yù)測(cè)數(shù)十年內(nèi)地震活動(dòng)性會(huì)明顯增強(qiáng),地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境趨于活躍,礦井動(dòng)力災(zāi)害逐漸增加。