地震活动与矿井顶板事故影响统计研究样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。地震活动与矿井顶板事故影响关系统计分析陈 波1, 梁汉东2( 1北京大学 地球与空间科学学院, 构造教研室 北京100871; 2中国矿业大学( 北京) 煤炭资源教育部重点实验室, 北京100083) Chen Bo, Liang, Handong ,Statistical Analysis on Relevant Relationship between Rock Accidents and Earthquakes Chen Bo, School of Earth and Space Sciences , Peking University, Beijing China 100871Liang, Handong (State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining. Beijing 100083 Abstract: The statistical research on the frequency of rock fall and earthquakes has obtained the following knowledge: (1) There is a good frequency response between rock fall accidents and macro-seismic (2)Quite a few micro-seismic occurs at the same time with some rock falling accidents nearby. Some active faults pass through these coalmines, some earthquakes are caused by mining activity, and some response with macro earthquakes. The phenomenon is important, and is progressive for coalmine safety production: To given coalmines, looks for all the active faults around coalmines that affect itself most, the earthquakes on these faults will become ”weatherglass” of coalmine accidents and coalmine accident will also become ”stress windows” for the active faults. Roof accidents should be taken as an evidence of tectonic stress fluctuation, which will interrupt dynamic equilibrium of stress on mining site. Key words: earthquake; rock fall ; tectonic; coalmine geological accident .摘要: 本文针对地震活动与顶板事故进行时空序列统计分析, 得出两点新认识: 1顶板事故与宏观地震序列有较强的频率对应, 似乎是”遥相呼应”; 2相当多的顶板事故伴随有周边小震发生。推测部分原因是这些矿井位于地震带附近, 部分原因是采矿卸压引发矿震, 一些地震可能是宏观地震序列中的一部分。如果能够掌握, 并加以利用, 对于安全生产具有一定意义: 对既定煤田, 查找周边对矿区地应力影响强烈的地震带或断裂带, 这些矿井顶板事故有可能成为周边地震带或断裂带的”应力窗”, 而地震带或断裂带的活动又成为煤矿地质灾害的”晴雨表”。在煤田大区, 能够把顶板事故群发当作构造应力扰动的一种反映, 作为大区构造应力扰动传入矿区, 再与开采卸压作用叠加, 引起地质灾害的证据。关键词: 地震活动; 构造运动; 顶板事故; 矿井地质灾害 1 前言自 以来, 中国煤炭企业平均每天发生5-6起顶板事故, 1.5起瓦斯事故, 0.4起透水事故, 其中, 顶板事故总数占灾害总数的75%以上, 死亡人数与瓦斯事故相当。顶板事故单次死亡人数较低, 可是, 频率相当高, 是造成人员伤亡的最主要的矿井灾害, 因此, 有效的控制顶板事故, 对于矿井安全生产具有重要的意义; 与此同时, 自 , 中国及其邻近地区进入新的地震活跃期, 相继有多次7-8级地震发生, 这些宏观地震往往引发大范围中小地震, 显示大区发生应力扰动的事实; 另一方面, 对于矿井小区域, 顶板事故是小区域应力扰动最直接的证据, 那么, 大区构造应力扰动与小区开采卸压能否相互作用, 是问题的核心, 因此, 本文针对地震活动与顶板事故影响关系, 进行了统计分析, 并得到看似肯定的结果。收稿日期: 4月29日; 修回日期: 5月12日作者简介: 陈波 男, 籍贯: 黑龙江五大连池市北京大学地质系博士 专业: 构造地质学 方向: 灾害地质学 Email: chenbo3124sina. com身份证号: 2326231 电话: 概念认识: 凡与应力扰动有关的灾害, 如: 底板上鼓, 片帮, 煤岩突出, 岩崩等事件统一归为顶板事故应力扰动事件。数据可靠性认识: ( 1) 顶板数据引自安监局, 只包含造成人员伤亡的顶板事故, 显然, 还有更多未造成人员伤亡的顶板事件没有被记录下来, 那么, 这种不完整的数据是否具有科研价值? 在矿井环境中, 各种应力释放事件难以计数, 完全记录几乎不可能, 相关部门的事故认定准则客观上形成一个严格的数据筛选标准, 所有的应力扰动事件本身并没有任何区别, 而选取引发伤亡的顶板事件作为样本提取标准, 具有很好的代表性, 避免了样本选取中的不均衡问题。 ( 2) 引起顶板事故的因素有很多: 冲击地压, 矿震, 煤与瓦斯突出等, 因此, 一方面, 顶板事故有其事故性确属误操作, 另一方面, 又可能受到非人为因素影响。2 顶板事故与地震对应分析2.1顶板事故与宏观大震中国及邻近地区, 在宏观大震发生后, 其它相邻地震带上, 中小地震频率显著上升, 震中呈离散分布, 范围遍及整个欧亚大陆, 显示板块发生宏观应力扰动。 11月14日, 昆仑山口8.1级地震发生之后, 中国大部分地区均发生不同程度的地震活动, 近场有川滇南北地震带及其北西向地震带, 远场有北东向太平洋西岸地震带, 特别是台湾地震活动频繁, 从 12月至 13月, 发生了3次7级以上地震( ms7.5,7.1,7.4) ( 图1, 标签2-4) ; 9月27日至10月4日, 阿尔泰北部发生ms7.8, 7.3, 6.9级强烈地震, 缅甸发生ms7.0级地震, 随后中国北西向、 北东向( 太平洋西岸地震带) 频发中小地震, 其中, 以台湾地震带和日本地震带活动最为强烈; 9月3日, 日本群岛以南发生强烈地震( ms6.3, 6.5, 7.4, 7.3级) , 随后北东向地震带地震活动明显增强, 如台湾和菲律宾群岛, 12月印度洋发生地震, 接着台湾, 菲律宾群岛, 日本群岛地震活动频发; 3月20日, 日本发生ms7.3级地震; 10月8日, 巴基斯坦发生ms7.6级地震, 2月1日, 印度洋再次发生强烈地震, 中国大陆大部, 台湾, 日本等地震带地震活动再度响应; 5月12日中国汶川又发生8级地震。宏观大震序列分布规律: (1) 时间上紧凑, 空间上此起彼伏。 来的宏观地震都比较紧凑, 间隔不到一年时间。空间上集中在中国及邻近地区地震带上。(2) 大震主导, 小震响应。大震发生后, 不但发震断裂, 其它不同构造带、 应力场也会发生更多中小震, 因此, ”地震序列”在本文中包含更大范围的中小震, 震中离散分布。(3) 北东向太平洋西岸地震带对宏观地震响应强烈, 其中, 以台湾和日本群岛附近地震最为密集, 震级也最大。相对应的顶板事故有”遥相呼应”的迹象, 宏观地震发生前后, 顶板事故频率显著升高, 空间位置更加离散; 空间分布上与宏观地震表现出一定的方向特征, 如中国台湾地震带有大的地震活动, 大陆矿井顶板事故就在距离台湾较近发生, 或者事故矿井呈北东向, 北西向展布。时序频率分析是按一定周期对各种灾害记录频率进行统计, 分析频率对应状况。时序频率统计发现顶板事故与远场大震频率有对应迹象( 如图, 震级格式包括Ms, Ms7, ML, mb, mB。震级换算存在很大误差, 故计算中直接使用, 不做转换) 。12345678101112139图, 1月 9月,地震活动与矿井灾害序列,周期3天,单位:次Fig.1 time-space sequence of earthquake and coalmine accidents .01- .09. period: 3 days,unit:number of events1昆仑山口地震 1114 , 2台湾地震 1215至18日台湾ms7.5台湾地震 1月11日至14日 4太平洋西岸沿线北东向及中国大陆北西向地震( 群震) 511至14日, 5台湾地震( 群震) 1023至26日 6川滇南北地震带及日本北部地震 12月1日至4日7阿尔泰北部, 俄罗斯境内地震( 群震) 924至10月3日8唐山地震 1024至27日, 9日本群岛以南 93至6日10日本岛中部地震 1021至24日, 11印度洋及太平洋西岸北东向地震带( 群震) 1226至29日12印度洋, 台湾及以中国为中心的欧亚板块大范围地震 129至2月1日, 13印度洋( 群震) , 格尔木地震 36至9日( 箭头: 农历新年; 标签: .01 .9期间, 主要地震活动) 如图1所示, 多处出现顶板事故频率与地震频率对应的时间点, 几乎每次宏观地震序列都有顶板事故的高频率对应。对于构造运动与矿井顶板事故影响关系, 单纯从频率对应情况分析会很局限, 应该参照这种”大震主导, 小震响应”地震序列分布模式, 因此, 针对顶板事故与近场地震对应关系进行了空间对应分析。2.2顶板事故与近场地震空间对应分析, 以发生时间为主线, 对所有灾害事故进行空间投影, 是所有灾害时空序列的一次”回放”, 能够直接反映各类灾害事故之间存在的联系。本文以”3天”时长为单位, 将顶板事故进行投影, 发现相当比例的顶板事故, 有近震对应。(见图2)图2地震活动与顶板事故空间对应, 限于篇幅, 只列举 9月 12月对应数据, (灾害定位取县级行政中心坐标)Fig 2. Locations of earthquake and rock accidents, due to space limitations, data from .09 to .12 is listed(accidents location get that of county administration center)地震活动, 圆点粒度显示震级大小顶板事故, 注: 同一蓝点可能发生多次顶板事故。规律总结: (1) 伴随顶板事故的地震活动, 震级多为25级, 距离事故矿井10850公里(2) 有些是天然地震带普通地震(3) 有些是宏观地震序列中的中小震(4) 有些可能是矿震, 或由采煤卸压引起的断裂带发震(5) 小震较之大震对顶板事故对应的现象更多在近、 现场尺度, 与伴随事故发生的周边地震多为25级小震, 可是这些地震的来源不同, 有些是天然地震带普通地震。如位于川滇南北断裂带的攀枝花, 盐源, 泾源等地, 地震带与矿井分布重合, 断裂带穿越矿区, 这些地区的矿井即使不发生顶板事故, 地震也照常发生; 有些可能是宏观地震序列的一部分, 前已述及, 中国及其邻近地区在宏观大震发生后, 各断裂带、 应力场都受到影响, 表现为大范围发生中小地震, 发震点遍及整个欧亚板块的大多数活动断裂带。2.3地震能量与顶板事故对应分析35级小震对频率分析的贡献度很高, 可是, 小震的能量低, 从地震能量的角度分析地震与顶板事故对应情况似乎更支持远震的相关性。 图3 地震能量与顶板频次, 间隔7天, 地震能量单位: ( 109) 尔格, 顶板数据单位: 次数Fig.3 earthquake energy and frequency of rock accidents .7days period, earthquake energy unit 109 erg, rock accidents unit :number of rock fall accidents从对应数据看, 顶板事故与天然大震对应关系较好, 见表1表1.地震能量与顶板事故频率Tab 1, frequency of rock accidents and natural earthquake energy分类总峰值数( 个) 峰峰相对( 个) 峰谷相对( 个) 高能量660低能量431整体上, 能量与顶板事故频率峰峰相正确次数绝对高于峰谷相对, 显示着两种事件正相关。2.4既定矿区, 顶板事故有连发和多发现象在矿井灾害记录中, 相近矿区顶板事故的连续发生现象非常普遍, 基本能够认定是顶板事故的基本规律。鸡西, 七台河等地地域辽阔, 顶板事故相对较少, 灾害连续发生现象容易识别, 而在西南六省区, 矿井空间距离近, 各类灾害事故频繁发生, 近距离连续发生现象更加普遍, 可是, 较难说清。与地震相比, 同一的应力扰动幅度可能更容易引起顶板事故, 因此, 顶板事故的频发, 能够表征相关时空范围内存在应力扰动。以鸡西, 七台河, 内江为例, 列举小部分典型的顶板事故。 5月24日17时黑龙江鸡西市恒山区永华煤矿工人违章作业发生顶板事故。 5月25日10时, 黑龙江鸡西市鸡冠区新城煤矿发生顶板事故。 7月3日0时, 黑龙江鸡西市鸡冠区碱场煤矿六井(国有地方)井下发生顶板事故。 7月3日19时, 黑龙江鸡西市滴道区晨丰煤矿( 乡镇有证) 井下发生顶板事故。 7月13日0时, 黑龙江鸡西市恒山区立新矿双安煤矿(地方国有)井下发生顶板事故。 7月14日6时, 黑龙江鸡西市鸡东县福利煤矿( 国有地方) 井下发生顶板事故。 7月15日15时, 黑龙江鸡西市城子河区振兴煤矿(乡镇有证)井下发生顶板事故。 7月15日0时, 黑龙江鸡西市鸡冠区东宁县巨源煤矿(乡镇有证)发生顶板事故。 8月25日0时, 黑龙江七台河市新兴区地丰煤矿(乡镇、 五证齐、 B类) 发生顶板事故。 8月25日22时, 黑龙江七台河市茄子河区一座非法煤矿发生一起顶板事故。 8月27日3时20分, 黑龙江七台河市新兴区七台河精煤集团新兴煤矿井下顶板事故。 8月29日17时10分, 黑龙江七台河市新兴区七台河精煤集团新建煤矿井下顶板事故。 8月29日15时30分, 黑龙江七台河市桃山区七台河精煤集团龙湖煤矿井下顶板事故。 10月22日13时, 四川内江市威远县连界镇金河煤矿发生一起顶板事故。 10月22日21时50分, 四川内江市威远县山王镇龙河煤矿发生一起顶板事故。3 分析总结() 顶板事故与宏观地震序列似乎有”遥相呼应”迹象, 中国及邻近地区每当有级以上大地震发生, 在随后的”小震响应”过程中, 顶板事故与中小震频率对应情况良好。() 顶板事故与微观地震有较强的联系, 比例占5%左右, 震级级, 距离事故矿井1080公里, 这些微震与顶板事故共同反映矿井近场发生过应力扰动, 属天然地震还是矿震, 尚难界定。() 顶板事故本身具有明显的原地多发, 复发, 以及与其它矿井灾害丛集特征发生等现象, 显示矿井顶板事故并非孤立发生, 彼此可能存在影响关系, 至少能够证明矿区应力扰动的事实, 较大的应力扰动, 造成的可能是一系列矿井灾害。4 机理分析煤田与地震带分布空间大部分重合, 这是中国煤田与地震带分布的一大特点( 见中国煤层瓦斯分布特征 58页) , , 中国川滇南北地震带, 北东向, 北西向地震带, 多数活动断裂或者穿过煤田, 或者从旁边经过, 可是, 总体上与煤田距离不远。采掘卸压会造成煤田场地应力扰动, 构造运动也会造成应力变化, 二者并行又相互影响。4.1应力扰动与地震的关系宏观大震: 震前应力缓慢集中, 时间可达几十年到几百年, 震后剧烈释放, 只持续几天到几周, 之后可能缓慢释放, 扰动的应力被地层以形变方式吸收。震后应力剧烈释放可能是引发大范围应力扰动的根源; 中小震: 也是一个”集中破裂释放”过程, 只是持时、 扰动值、 影响范围等都很小, 震级越小, 可能持续时间越短。4.2以”过程”理解地震活动与顶板事故杨力生总结说: 煤与瓦斯突出多发生在小构造应力集中区,而小构造具有继承积累大构造应力集中的特征。突出矿井必定分布在煤田应力集中区,突出煤田必定分布在大区构造应力集中区,突出大区必定分布在大地构造沉降应力集中带911。概况的说, 构造应力的传递类似于”冰排”挤压效应, 在地壳中, 沿着实际承载应力的活动块体传递, 而不是均匀传递, 正是经过这些地块, 煤田才与大区连接在一起, 各自独立运动又彼此相互影响。这些承力块体上的任何卸压活动均会影响大区构造应力, 而大区的任何构造应力扰动, 也会经过这些地块传递到矿井。假设采掘活动和构造运动互相并不影响, 二者发震到一定阶段, 必然会引发应力扰动事件顶板事故和地震活动。顶板事故诱发过程也能够理解为”集中( 积累) 破裂释放”过程。如果把二者相互影响的因素考虑进来, 构造运动与顶板事故的影响关系就是”过程和过程”之间的影响关系。”过程”分大过程和小过程, 大过程如宏观地震的孕震过程; 小过程如小震和顶板事故诱发过程, 同类”过程”之间, 不同”过程”之间相互影响, 结果是有些被消减、 延缓, 有些被增强, 加速。每个”过程”发生”破裂”时, 是对其它过程产生影响的时刻, 如果采取科技手段监测每一过程的发展阶段, 深入研究过程与过程之间的影响, 那么, 可能会减少一部分矿井灾害, 甚至, 对一部分地震进行预报。从现象上看, 应力扰动以下几个来源: （1） 来自构造运动宏观地震引发整个区域发生较大的应力扰动(大尺度), 传递到局部区域( 包含多个矿井的大区) 活动断裂带, 引发中、 小震( 中尺度) 后, 继续传递到煤田场地( 小尺度) , 可能引起来压周期异常, 加之场地小构造影响, 引发顶板事故; 另外, 矿井附近地震带的一般活动, 应力扰动幅度较大也可能引起附近矿井灾害事故; （2） 来自人工开采开采卸压, 当卸压应力积累到一定程度, 突然发生破裂, 应力释放引发矿井灾害; 事故引发事故: 一处顶板事故造成场地地压失衡, 应力波传递到周边矿井, 导致周边矿井发生顶板事故, 瓦斯事故或透水事故。5 科研意义对既定煤田, 查找周边对矿区地应力影响强烈的地震带或断裂带, 这些矿井顶板事故有可能成为周边地震带或断裂带的”应力窗”, 而地震带或断裂带的活动又成为煤矿地质灾害的”晴雨表”。在煤田大区, 能够把顶板事故群发当作构造应力扰动的一种反映, 作为大区构造应力扰动传入矿区, 再与开采卸压作用叠加, 引起地质灾害的证据。6 讨论探索远、 中、 近场的应力扰动与地质灾害之间的影响规律, 实现地震活动与矿井地质灾害的互报, 是地学近年出现的研究热点之一, 并被认为是防震减灾的新思路。然而, 从天然地震到矿井灾害, 应力传递需要跨越不同层次的活动地块, 又跨越不同应力场, 范围大而过程复杂, 似乎无从入手。笔者研究发现深入研究后发现: 无论从时空关系上, 还是应力传递上, 矿震都是问题的核心, 在整个过程中, 起到”承上启下”的作用。逻辑上, 如果天然地震能够引发矿震, 而矿震又能够引发矿井灾害, 那么, ”天然地震可能引发矿井灾害”这个命题也是成立的, 因此, 该课题也能够被分解研究: (1)天然地震与矿震影响关系1-4; (2)矿震与矿井地质灾害影响关系5,8,9。从这个意义上讲, 地震活动与矿井灾害之间影响关系课题应该不完全属于新课题。地震数据来自中国地震台网目录(E80-E140,N9N59震级0-10); 顶板数据来自国家安全生产监督管理总局( -01 -10), 在此一并致谢。References:1 Li Tie, Earthquake-induced Unusual Gas Emission in CoalminesA km-scale in-situ experimental investigation at Lao Hutai mine ,International Journal of Coal Geology, ,71,209224. 2 Xiao H P, Mechanism of the Tectonic Mine-earthquake in Coal District, Hua nan Geology,1999,18(213), 141-146. 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