地震学报  2007, Vol. 29 Issue (3): 314-327
矿山地震与瓦斯突出的相关性及其在震源物理研究中的意义
和雪松1, 李世愚1, 3 , 潘科2, 张天中1, 王林瑛1, 许忠淮1, 蒋秀琴2, 宋绪友2, 陆其鹄1, 3, 何淑韻1, 3    
1) 中国北京100081中国地震局地球物理研究所
2) 中国沈阳110031辽宁省地震局
3) 中国北京100080北京科联广拓应用地球物理研究所
摘要:介绍了矿山地震与瓦斯突出等煤矿灾害及成因, 并通过若干煤矿瓦斯突出和矿山地震的同震现象, 论述了这些灾害在动力过程中的内在关系.这些震例表明, 在高瓦斯煤矿, 矿山地震与瓦斯突出存在密切的相关.认为较大矿震伴随瓦斯的低值延时响应可能是瓦斯突出的预警信号.从矿震定位、 震源机制、 矿震成因、 瓦斯突出条件等分析了矿震与瓦斯突出相关的机理. 进一步介绍了瓦斯流体对矿震的触发作用, 尤其超临界流体的特殊性质在矿震发生中的重要作用.依据矿震与构造地震在机制方面的相似性, 讨论了上述结果在震源物理研究中的意义.
关键词震源物理    矿山安全    矿山地震    瓦斯突出    
MINING SEISMICITY, GAS OUTBURST AND THE SIGNIFI-CANCE OF THEIR RELATIONSHIP IN THE STUDY OF PHYSICS OF EARTHQUAKE SOURCE
He Xuesong1, Li Shiyu1, 3 , Pan Ke2, Zhang Tianzhong1, Wang Linying1, Xu Zhonghuai1, Jiang Xiuqin2, Song Xuyou2, Lu Qihu1, 3, He Shuyun1, 3    
1. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
2. Earthquake Administration of Liaoning Province, Shenyang 110031, China;
3. Institute of Kelianguangtuo Applied Geophysics, Beijing 100080, China
Abstract: This paper presents an overview of mining seismicity, gas outburst and their origin. The internal relation of mining seismicity and gas outburst in the dynamic process is studied on the basis of the fact that these disasters sometimes occur simultaneously. The examples show a close relationship between mining seismicity and gas outburst in high gassy coal mines. It is proposed that strong mine shocks plus the response of low value and delay time are early warning signals. The mechanism of the relationship between mining seismicity and gas outburst is analyzed by using the location of mining shocks, focus mechanism, cause of mining shocks and conditions of gas outburst. The trigger action of gas fluid on mining shocks, especially the effect of the anomalous property of supercritical fluid on the preparation and occurrence of mining shocks is discussed. According to the similarity between mining-induced earthquakes and tectonic earthquakes in terms of mechanism, the significance of the above results in the study of physics of earthquake source is also discussed.
Key words: physics of earthquake source    safety of mines    mining seismicity    gas outburst    
引言

我国煤矿灾害事故主要表现为以下5种: 瓦斯灾害、 矿震(或冲击地压)、 透水、 地面塌陷和煤体自燃. 煤矿灾害从根本上讲,这5种灾害都属于开采与构造相互作用引起的地质灾害,是矿山动力过程失去控制的表现. 这些灾害的动力机制及其在动力过程中的内在联系,是研究灾害机理的根本途径. 对矿山灾害动力机制的研究,又是中尺度地震试验场重要内容. 本文着重讨论矿震与瓦斯突出及其相关性.

1 矿山地震 1.1 矿山地震的基本知识

矿山诱发地震简称矿震,在矿区常称为“煤爆”、 “岩爆”或“冲击地压”. 矿震是煤岩体破裂过程辐射的弹性波. 由于矿震震源浅,频度高,较小级别就能给地面造成较大的破坏.矿震的强度和频度随着开采深度和掘进的不断增加而日益严重. 全球统计结果表明,开采深度大于500 m的矿山就有发生3级以上矿震的可能.

矿山地震分为两大类型(Gibowicz,Kijko,1994): 第一种类型往往靠近开采工作面,与开采面的破裂变形相联系,其震级较小,但对工作面冲击较大,我国和前苏联、 东欧称之为冲击地压,其它国际文献则称之为第一类矿震; 第二种类型距离工作面较远,与大的地质间断面(断层)的运动相联系,其震级较大,地面震感较严重. 这两种矿震还可以再细划为6种类型(Horner,Hasegawa,1978). 矿震类型的划分具有很大的人为性,实际上没有明确界限,而且都与矿山开采有关.

外界人士多以为矿震就是矿塌. 其实,矿塌仅是矿山地震的一种,属于重力作用的类型,其余大部分是开采引起的新的应力集中和诱发的浅部构造运动,其中震源的剪切破裂占据很大成分. 矿震(冲击地压)在工作面的显现也不单纯是冒顶,还包括地鼓、 片帮、 煤与瓦斯突出等现象. 矿山地震更确切的定义是: 发生在矿区范围内,在一定地质背景和地质构造条件下,既与区域应力场有某种相关,又与矿区构造运动相关的,并受矿山开采规模和开采方式影响而发生的地震(吴淑才,覃子建,1994).

1.2 矿山地震定位

精确定位是研究矿震的首要步骤. 由于开采,造成矿山介质情况极其复杂多变,各向异性也十分强烈,所以矿震定位的难度也比其它类型地震更大. 我们采用多方法、 多步骤修订的办法,首先做初定位(事件接收台数较少的情况用交切法,台数较多的情况用P波残差法),然后用偏振分析和相对定位的方法进行一次修订,最后用波形相关分析的方法进行二次重新定位. 定位结果的精确程度用走时残差来表示(张天中等,2005).

图 1显示的是用抚顺老虎台煤矿小孔径台网记录的资料对2003年6月—2004年6月的矿震定位结果. 重新定位后矿震分布走向十分清晰,平均残差为0.001~0.002 s. 以P波平均速度为5.5×103 m/s折合成尺度残差,平均残差分别为7~10 m. 由于断层走向描绘比较粗糙,似乎西区矿震主要分布在近东西走向的浑河断裂F1上,容易使人得出一个推论,好像矿山开采使浑河主断裂活化了. 但是,如果采用老虎台煤矿底板等高线图来标记矿震震中和断层分布位置(图 2),就不难看出,图 1的表示不够精确. 抚顺矿震实际上主要是分布在老虎台矿东西两端与龙凤矿和胜利矿交界处以及中心偏东的3个向斜轴部. 西边的矿震实际上主要发生在F1断层南向斜轴部内的小断层F30上. 主断层F1上发生的矿震并不多(李世愚等, 200420052006ab). 这样,从图 1上得到的矿山开采使浑河主断裂活化了的推论在图 2上就得不出来了. 由此可见,当我们研究矿震成因的时候,精确的定位和精确的地质构造描绘都是十分重要的. 不精确的描绘往往导致不可靠的结论.

图 1 利用波形相关分析重新定位后的矿震震中分布图 图中断层引自MAPSIS公用软件中

图 2 抚顺老虎台煤矿一层煤底板等高线分布与矿震定位的关系
1.3 矿震分布与构造的关系

在有关现场的宏观调查报告中我们注意到,矿震(冲击地压)的井下破坏或有感位置主要在一些向斜构造的轴部附近,而矿区的大型断裂并不一定是发生矿震的首要条件. 抚顺矿震的精确定位结果(图 2和1.2节的说明)表明,那里的矿震确实首先与向斜轴部有关,特别是与向斜轴部附近的一些断裂(即使是小的断裂)有关. 这些向斜是由煤层等高线来表示的,表明这部分煤层经历了成煤后的近代构造变形,是应力集中区.

我们在山东兖州鲍店煤矿利用小孔径台网的观测资料进行矿震定位时,发现那里的矿震主要分布在两个活动带上: 一个活动带是位于兖州向斜轴部附近的断裂带上,另一个活动带则位于大马厂断裂带上.值得注意的是矿震活动与小构造或微构造的关系. 在开采过程中,陆续发现在工作面内有一些小断层,一般称为小构造或微构造. 当开采接近小断层时,稍远处活动带上的矿震明显增强,而在开采跨过小断层之后,稍远处活动带上的矿震又减弱. 姜福兴等(2006)的观测和研究表明,在开采过程中,首先是工作面与附近的小断层等微构造相互作用,引起微震活动乃至发生冲击地压. 而在微构造释放应变能之后,才进一步诱发较远处的矿震. 矿震似乎是由工作面触发小断层,再由小断层触发较大断层的活动. 这是一个逐级触发的过程.

1.4 矿震与开采进程的关系

矿震活动性随开采深度加大而增强,是众所周知的事实. 在山东兖州鲍店煤矿的矿震观测和研究中,我们又发现了矿震与开采进程相关的证据. 研究结果表明,矿震与开采进程的相关性分明显与不明显的不同阶段. 在开采工作面接近特征构造(向斜轴部或活动断层),并推进到接近一些小断层时,表现为明显. 在这个明显阶段,矿震的发生有两个规律:

1)矿震发生与开采进程的不稳定程度相关. 例如,将山东兖州鲍店煤矿工作面某阶段每日进尺做差分,就发现工作面附近3级以上矿震多发生在每日进尺差分值出现正负值变动剧烈的情况下(图 3),而且恰好发生在差分值出现正的高值时.

图 3 山东兖州鲍店煤矿3级以上矿震与每日开采进尺差分值的相关性

2)矿震发生时间间隔与开采进程的某种周期相关. 统计每段强矿震时间间隔内工作面采动进尺累积数ΔL,就可以发现ΔL是某个数ΔL0的整倍数(多为1~4倍,图 4). 统计结果表明

而ΔL0又与工作面冲击地压发生的周期相近. 这种周期的大小与开采后顶板不完全冒落状态下悬空状态有关. 因此,ΔL0还取决于工作面的尺度和顶板、 煤体和围岩的性质. 在图 4显示的该煤矿某工作面的某时间段,ΔL0≈23.5 m. 在其它时间段ΔL0会有所变化. 明显阶段矿震发生的这种韵律性,也叫做可公度性.

图 4 山东兖州鲍店煤矿某工作面进尺与矿震关系图. 开采进尺直方图上的数字为 ΔL值, 矿震直方图上的数字为震级

以上规律只适用于开采与矿震相关性明显阶段. 反之,在开采工作面远离特征构造(向斜轴部或活动断层),或有隔离带的情况下,矿震活动短期规律性变得不明显; 但在空间分布上与开采工作面以及特征构造的位置仍然相关.

2 瓦斯突出

瓦斯灾害在工作面主要表现为煤与瓦斯突出,即煤体内高压赋存瓦斯(甲烷)夹带煤体突然运动,造成动力型灾害、 人员窒息,在遇到明火的条件下爆炸. 瓦斯爆炸的三要素是: 瓦斯浓度(5%~15%)、 氧浓度(如向瓦斯与空气的混合气体中混入超惰气N2,则最低可爆氧浓度为9.47%; 如混入CO2则最低可爆氧浓度为12.32%)、 火源点(与人为、 地下温度、 压力有关). 比瓦斯突出剧烈程度低的过程又称之为瓦斯溢出或渗出. 瓦斯突出也往往夹带岩体,在一些煤矿,突出气体是二氧化碳.

瓦斯的主要成分是甲烷,是成煤过程的产物. 在自然的煤层压力状态下,大多处于被煤体吸附状态. 在煤层顶部封闭较差的地方,往往逐渐解吸扩散到大气中,因此不同煤矿瓦斯含量有很大区别. 在开采卸压过程中,瓦斯被逐渐解吸,并渗透到巷道中. 特别在煤岩体突然破裂时,煤体内部赋存的高压瓦斯会携带煤岩体突出造成灾害(程五一等,2005). 在发达国家,要求在开采前必须充分预抽放瓦斯,凡瓦斯灾害隐患严重的矿井均不允许开采. 而国内煤矿瓦斯抽放率很低,多数煤矿不到10%,且无论低瓦斯还是高瓦斯矿都在超量开采,不仅造成物理失衡,而且造成瓦斯能源损失(据统计,全国煤矿每年损失的瓦斯量相当于进口的天然气总量).

瓦斯突出灾害的规模随开采深度增加而可能加大. 瓦斯灾害加大则与瓦斯压力的增大有关. 各国一般规定当瓦斯压力达到1.0 MPa时煤层会发生危险. 我国规定煤层瓦斯达到0.8 MPa时,即为突出危险煤层(程五一等,2005).

程五一等(2005)研究发现,具备瓦斯突出危险的介质有以下特征:

1)瓦斯压力较大,瓦斯含量较高.

2)煤层坚固程度差.

3)煤层孔隙度较大,有利于瓦斯解吸.

4)煤层透气性较低,不利于瓦斯的移动和扩散.

研究还发现,煤层破坏程度越严重,就越符合上述4个条件. 在瓦斯突出区域预测中,煤层所在构造活动越强,煤层变质程度就越大,煤层的变形与破坏程度也就越强(程五一等,2005).

3 矿震与瓦斯突出的相关性 3.1 基本条件的相似性

从上述资料和分析可以看出,矿震和瓦斯突出的条件有很多相似之处,二者都需要具备煤层应力高度集中和破坏严重的条件,都与开采进程密切相关. 越来越多的观测事实证明,国内多数大型矿难都与全矿区尺度的地质灾害相关,其中多伴随有矿震.

3.2 抚顺老虎台煤矿的证据

利用区域地震台网和小孔径流动台网地震记录和煤矿瓦斯浓度记录,我们获得了抚顺老虎台煤矿一些矿震与瓦斯溢出相关的证据(李世愚等, 200420052006ab).

我们分析了2002—2003年老虎台矿近10次瓦斯(甲烷)百分浓度异常记录曲线,瓦斯浓度采样间隔为5 min. 图 5给出了其中2002年10月7日ML3.2矿震事件前后瓦斯浓度曲线. 可以看出,矿震发生后,瓦斯浓度先下降(低值响应),1个小时左右后急剧上升. 在约两个小时后甲烷浓度上升到约7.6%,大大超出了爆炸危险值. 甲烷浓度高值持续8~16小时后恢复平稳. 据该矿工程师们回忆,在2002年每次发生的2级以上矿震之后1~2天之内,都有类似的瓦斯浓度突然升高的现象.

图 5 抚顺老虎台煤矿2002年10月7日ML3.2矿震前后瓦斯浓度记录曲线

图 6给出了伴随瓦斯溢出的部分抚顺矿震定位. 从图中可以看出,这些矿震多发生在开采区外围,主要分布在采空区附近. 从老虎台10个瓦斯曲线中看出,仅有一次矿震后没有瓦斯响应. 该次矿震震中位于西露天矿东部(图 6下部),距离新开采面约1.8 km,但是位置不在开采区域. 这些对比表明,远处地震波引起瓦斯压力瞬间增加未必直接导致瓦斯溢出,而是通过当地破裂才能导致瓦斯溢出. 多数矿震离老开采区边缘很近,有可能引起老开采区的新破裂.

图 6 伴随瓦斯溢出的部分抚顺矿震定位

图 5显示类似的情况是,有将近9次的资料曲线都显示出在瓦斯突出或溢出0.5~1 h之前,有ML1.5以上矿震发生. 而瓦斯浓度曲线则都不同程度地出现低值延时,经过10~30 min后才出现突然上升.

3.3 阜新孙家湾煤矿的证据

据辽宁省地震局地震台网记录 ,2005年2月14日阜新孙家湾煤矿的瓦斯爆炸事故前14 min,在孙家湾煤矿发生了ML2.0矿震. ①辽宁省地震局. 2005. 地震月报(2005年2月).

图 7给出了2005年2月14日阜新煤矿地震台DD-1微震仪的N—S向模拟记录图. 该台距离孙家湾煤矿12.8 km,位于孙家湾煤矿东南方向. 由图 7可见ML2.0矿震和瓦斯爆炸的波形,图中分别标出了P波到时,矿震在前,瓦斯爆炸在后,两者相差14 min.

图 7 2005年2月14日阜新煤矿地震台DD-1微震仪的N—S向模拟波形记录图 图中瓦斯爆炸振幅远小于矿震, 原因是瓦斯在空气中爆炸, 辐射波进入煤岩体为弱耦合

图 8显示了孙家湾煤矿2005年2月14日7号点和53号点瓦斯浓度记录曲线. ML2.0矿震发生后,53号点的甲烷浓度在上升背景下立即出现低值突降,经约3 min后再次急剧上升至4%. 15h03min因人为操作原因(电工合闸)引起瓦斯爆炸后记录通讯中断. 停电后排风不畅虽然可以部分解释瓦斯浓度上升,但不足以解释瓦斯浓度何以上升如此剧烈,尤其是53号点的甲烷浓度低值响应与抚顺煤矿资料相似的问题. 这明显是矿震破裂的同震效应.

图 8 阜新孙家湾煤矿2005年2月14日 部分风口瓦斯浓度记录

据本文作者之一蒋秀琴参与的现场专家组调查结果显示,在发生ML2.0矿震时,井下强烈有感,在3316工作面出现冒顶、 片帮、 地鼓等剧烈变形现象,与地震台网定位结果基本相符. 由此断定,ML2.0矿震的震中位于3316工作面附近,震中处于一个典型构造(向斜轴部)附近. 调查结果表明: ① 孙家湾煤矿曾发生冲击地压10余次,冲击地压后皆有瓦斯异常涌出; ② 事后2月19日16时,3316外风道巷帮裂缝中瓦斯浓度最高达3.4%. 该处的积水不断有气泡,说明仍有大量瓦斯涌出,位置与ML2.0矿震的宏观震中基本相同(李世愚等, 20052006ab2007).

总之,矿震发生后瓦斯浓度的低值延时响应,表现出与地震引发的海啸发生前海平面响应类似. 从响应机理上,二者有所不同. 前者为流体扩散过程,而后者为流体重力波,但本质上都是流体对固体破裂的响应. 当破裂发生时,煤体内部的瓦斯首先需要填充新产生的破裂空隙. 这样,原来渗出的瓦斯流量产生暂时断流,造成回风部位瓦斯浓度记录的暂时低值现象,直到新的空隙填充完毕以后,高压瓦斯才从突出部位涌出. 由此得出,该类型瓦斯溢出为矿震的同震现象,而瓦斯的高压赋存和煤岩体破裂是导致瓦斯溢出的根本原因. 上述研究结果不仅在煤矿安全预警中有重大意义,而且对于震源物理研究也具有科学意义.

3.4 震源机制分析 3.4.1 抚顺矿震分析

我们利用抚顺矿震小孔径台网和辽宁省地震台网近台记录,筛选了的7个震级较大的矿震波形,根据P波垂直向初动方向,得到7次矿震震源机制解. 表 1中序号1~7给出了这7次抚顺矿震的大体情况.

表 1 选择做震源机制解的矿震的基本情况

表 2 给出了这8次矿震的震源机制解. 其中序号1,2,3,5,7和图 9a给出的是只用最佳读数求得的(1,2,3,5,7号)5次地震的平均震源机制解. 该解似乎含正断层成分. 序号4,6(1)图 9b给出了4号和6(1)号矿震的可能平均解之一——走滑断层解.

表 2 选取的8次矿震的震源机制解

图 9 抚顺部分矿震的震源机制解 (a) 1, 2, 3, 5, 7号地震的平均震源机制解; (b) 4, 6(1)号矿震的可能平均震源 机制解; (c) 4, 6(2)号矿震的可能平均震源机制解

由于记录台站数量较少,本文能给出的震源机制解反演结果并不唯一. 表 2中序号4,6(2)图 9c给出了4号和6(2)号矿震的可能平均解之二——逆断层解.

根据收集整理的辽宁境内1969—1999年较强地震(主震)的震源机制解(张萍,蒋秀琴,2001)(乌尔夫网上半球投影)显示,该区域天然地震的震源机制解一致性较强,总体上应力轴优势方向为: P轴走向NEE—SWW,倾角0°~40°; T轴走向NNW—SSE,倾角0°~30°; N轴陡立,倾角40°~80°,断层节面优势倾角60°~90°.

上述结果表明,抚顺矿震的震源机制解与辽宁—吉林地区的天然地震的震源机制解基本相近.

3.4.2 孙家湾“2.14”矿难前矿震的震源机制

阜新孙家湾煤矿2005年2月14日ML2.0矿震的地震参数见表 1第8号,震源机制解参数见表 2第8号和图 10. 该矿震震源破裂为正断层,震源以倾滑为主. 这种倾滑带有张性破裂的性质,有助于瓦斯突出.

图 10 阜新孙家湾煤矿2005年2月14日14时49分ML2.0矿震的震源机制解
4 矿震与瓦斯突出相关的机理分析 4.1 瓦斯突出与冲击地压关系的研究

瓦斯突出与矿震(冲击地压)关系的研究最早可以追朔到20世纪60年代中期. 南非的库克和苏联的霍多特分别提出了冲击地压和瓦斯突出的能量理论,认为两者都是由于煤岩体破坏而导致(布霍依诺,1981). 近年来,国内外在矿山煤与瓦斯突出机理问题取得了一系列研究成果:

1)证明了在开采深度的压力条件下,瓦斯(甲烷)在煤体中的赋存呈化学吸附、 物理吸附(固态)和自由态(俞善炳等,1998; 张子敏等,1998张建博等,2000). 景耀光(2001)在现场利用电子顺磁谐振光谱方法,观测了瓦斯涌出初速度与顺磁中心浓度的关系,发现在正常的情况下,钻孔过程中顺磁中心的浓度升高应与钻孔瓦斯涌出初速度的平稳增大相吻合,但是在发生煤与瓦斯突出时,这种关系被打破. 随着瓦斯涌出初速度的成倍增加,电子顺磁谐振谱线宽度变窄,表明顺磁中心浓度降低. 由此证明,在煤与瓦斯突出时存在其它瓦斯涌出源,即存在吸附状态的固态烃转化为气态烃的过程.

2)矿山地震和瓦斯突出,多发生在应力集中部位. 而在开采卸压过程中,甲烷解吸和相变,引起孔隙压增高,也是煤与瓦斯突出的重要触发条件(蒋承林,俞启香,1998).

3)煤与瓦斯突出煤层中瓦斯内能要比煤体的弹性潜能大1~3个数量级(郑哲敏,2004).

这些成果表明,煤矿瓦斯突出和矿震(冲击地压)不仅在动力学意义上具有内在的统一性,而且在发生的过程上也有密切关系.

以下我们将说明,矿震的成因与冲击地压没有本质区别,因此上述研究结果不难用来说明矿震与瓦斯溢出(或突出)的相关性.

4.2 煤岩体的破坏准则

根据Mohr-Kulun准则(Jaeger,Cook,1979),岩石材料的破坏条件为

其中,f为摩擦系数,σn为作用于剪切面上的正应力,p0为孔隙压力,τf为材料的抗剪切强度. 当Mohr圆与破裂线相切时,材料发生破坏. 我们称σn-p0为有效正应力. 冲击地压和矿震都是应力集中条件下的煤岩体破裂,因此可以统一用Mohr-Kulun准则来判断. 例如,由于煤矿开采造成局部质量亏损,作用在断层面上的σn减小,从而诱发断层的剪切破坏,在采空区形成的被称作是矿震,在工作面附近微断层的错动就被称作冲击地压,两者仅仅在发生地点上有区别,其实本质是一样的.

4.3 损伤理论的分析

煤矿回采面为新开挖区域,卸载应力调整速度快. 依据损伤理论,这些部位微破裂发育时间较短,因此过程区微破裂密度低,发生的矿震震级较低(但对工作面有直接威胁). 而采空区和煤柱,应力调整时间较长,微破裂发育比较充分. 特别是断层构造区,由于应力调整时间长,微破裂密度高,甚至形成断层泥,而且发育空间尺度大,因此应变能释放量就大,相应的震级也大. 这里需要从理论上解释,为什么微破裂发育密度与发育演化时间有关.

根据显微观察和损伤理论,岩石的破坏不是一下子从原始状态就突然发生的,它要经历微裂纹的萌生、 发育、 成核等一系列演化过程. 引入似化学平衡法,将晶体中有序—无序转化过程和缺陷的生成过程模拟为一个似化学反应(唐有祺,1979). 根据阿累尼乌斯方程和过渡理论,这种似化学反应基本过程的速度常数为

式中,U0为活化能,T为物体绝对温度,k为波尔兹曼常数,A为指数前因子或频率因子. 当材料受到外力F时,原子之间的结合能降低为U0-γF,其中γ为材料力学特征参数. 此时的缺陷或微裂纹的生长速度为

由此得到材料的寿命为

上式由Zhurkov(1965)导出. 其中t0为固体内原子自激振动的周期,t0≈10-13 s. 其后的一系列实验遍及各种材料. 实验结果表明,该公式对各种材料,包括岩石都可以满足(Kuksenko,1996).

上述理论表明,微裂纹的发育程度与应力状态和时间进程有关. 在应力分布不均匀的介质中,不同部位微裂纹的生长速度不一致,应力的大小与微裂纹生长速度呈指数关系. 在应力集中部位,缺陷和微裂纹的生长速度较快,形成过程区.

在工作面附近. 由于卸载速率较快,这种应力差异迅速拉大,会使局部过程区裂纹系过早归并,达到成核尺度,并失稳形成剪切破坏; 而其它部位裂纹生长则密度不足. 这样,剪切破裂失稳的长度受到限制,失稳变形范围小,发生的矿震震级较低(即第一类矿震).

第二类矿震往往发生在较大的发震构造(特别是活动断层)上. 另一部分发生在采空区,这些地方损伤发育的时间长,因而微破裂发育广泛且充分,坚固程度降低,孔隙度增加,这些情况不仅有利于矿震发生,也有利于瓦斯解吸和突出. 由于采空区面积远大于新开采的工作面(尤其是具有几十年甚至上百年历史的老煤矿),因此容易发生较大的矿震(即第二类矿震). 当第二类矿震的震源接近工作面或巷道时,就会直接引起破坏和人员伤亡.

5 矿山地震成因与流体关系

矿震与瓦斯溢出相关的重要意义表明了部分矿山地震成因可能与流体有关. 这种表现和工作面可以观察到煤与瓦斯突出在本质上没有区别. 已有的研究表明,流体对矿震的发生主要有以下作用:

1)孔隙压力增加触发矿震,相当于式(2)中的p0增加. 在开采卸压过程中,甲烷从吸附状态解吸,变为自由态进入孔隙,增加孔隙压力p0.

2)应力腐蚀,使煤体强度降低,相当于式(2)中的fτ0减小.

何学秋等(1996)研究了瓦斯孔隙气体对煤体变形及应力腐蚀作用机理,指出,煤吸附瓦斯会使煤表面自由能降低,从而使煤体强度降低.

在流体的作用中,我们需要特别关注超临界流体,因为超临界流体具有一系列特殊性质和作用. 这些特性与岩石破坏、 断层活动及各种地质运动的动力学过程密切相关.

超临界流体的概念定义为: 温度和压力分别在临界温度和临界压力以上的非凝聚性高密度流体(Yasuhilo,Takeshi,1993; 谢鸿森,1997). 例如,水的临界温度为374 ℃,临界压力为22.06 MPa; 甲烷的临界温度为-82.3 ℃,临界压力为4.64 MPa; 二氧化碳的临界温度为31 ℃,临界压力为7.38 MPa. 超临界流体具有一系列极为特殊的性质:

1)超临界流体的密度介于气体与液体之间,因而许多物理性质,例如扩散系数、 粘度值等也介于气体与液体之间.

2)超临界流体作为溶剂的最大特点是: 通过压力的微小变化可得到溶剂密度很大的变化. 一般说来,溶解度与密度有关. 通过增大压力来增大超临界流体的密度,从而使溶解度加大.

3)超临界流体的渗透性远远超出常温常压状态,因此深部的连通性并不因为孔隙度减少而减弱(谢鸿森,1997).

因此,当超临界流体的密度与液体相近时,其扩散率比液体高,粘度比液体小,因而超临界流体作为溶剂时表现出许多优于一般液体的特性.

这些性质为我们研究矿震与瓦斯等气体突出的关系提供了新思路. 何学秋等(1996)的研究结果表明,当瓦斯压力较高,瓦斯的能量高于煤分子(或原子)间的键能时,瓦斯分子能够楔开并进入到与瓦斯气体分子直径相当的煤物质大分子(或芳香层)之间. 瓦斯分子进入到微裂隙以后以固溶体的形式停留下来且不易脱附. 何学秋等(1996)认为,由于煤体吸附瓦斯后表面能降低,使得煤体膨胀. 煤的宏观膨胀随瓦斯压力增大呈指数规律. 特别是对于具有d002(缩合碳单元内芳环层间间距,即面网间距)的初始值大于4×10-10 m的煤,会出现第三种类型变形. 最引人注目的是在瓦斯压力为2.2~6.1 MPa区间时,参数d002有一个急剧增加的过程. 其中在压力为4.5 MPa上下,其增加速率为最大. 我们注意到,这个压力正好处于甲烷的临界压力上. 由于实验的温度一般在室温下,此时的甲烷正好成为超临界流体. 因此何学秋等(1996)的实验结果表明,超临界甲烷确实表现出了对溶质(煤)的溶解度加大的性质.

上述可以看出,在-500 m深度,一些煤矿已经开采到甲烷和二氧化碳在局部处于超临界状态的深度. 例如,抚顺老虎台煤矿-730 m实测瓦斯压力平均达4.5 MPa(孙峰,2001). 因此,部分矿震的成因除与应力增大有关外,还可能与超临界甲烷(可能还包括二氧化碳)在开采卸载过程的解吸作用有关. 上述理论可以解释国内外许多煤矿一个共同规律,即在开采到-500 m深度左右,煤矿的矿震(或冲击地压)的震级和频度都会急剧增加.

6 讨论和结论

以上分析对构造地震的成因认识也带来了新的启示. 近年来,在地震破裂动力学中关于断层超S波速破裂研究中提出了一种基本条件,就是破裂前端未破裂段落必须处于临界状态,即剪切应力的分布达到介质抗剪切能力,且这些段落已经形成滑动弱化带,即充分发育的过程区. 超S波速剪切破裂实际上就是P波前沿触发这些区域的新破裂造成的. 这就意味着未破裂段落应存在能量快速补给的条件. 根据Mohr准则,我们提出一种假说,即被触发段落发生超临界流体的快速解吸,引起孔隙压力急速增大,能够满足上述条件. 这样,能否找出流体动力作用的证据就成为问题的关键. 震源流体的动力作用是否真的存在? 这个问题虽然用地震波观测给出了一些间接证据,如大地震前的低频脉动,但还很难给出直接证据,说服力不足. 其原因在于流体的作用主要是在连通的孔隙内,而地震波主要记录固体格架在地面的运动. 其中一个重要研究方向就是从中尺度实验场利用相似性原理来找出证据.

国际上对矿震研究最重要的进展,是证实了矿山地震与天然地震机制的相似性: ① 都具有双力偶源的成分; ② 地震矩和应力降的关系相似(Gibowicz,Kijko,1994),都满足Kanamori和Anderson(1975)提出的尺度不变性. 这两个相似性,加上矿震震源的可见性,是矿山成为国际上天然地震研究的中尺度实验场的重要依据. 我们认为,矿震成因中甲烷(可能还包括二氧化碳)流体的作用与十几公里深部水同属超临界状态,因而解吸作用相似,对于地震的发生都起到了触发和释放应变能的作用. 这个观点如果得到证实,则将证明矿震与天然地震存在第三相似性,即流体作用物理机制的相似性.

本文的观点仅依据了现有的观测资料,进一步的研究尚有待于更多矿山的监测.

抚顺矿务局孙学会等提供了瓦斯浓度资料,抚顺市地震局李铁等对老虎台煤矿的矿震监测给与了协助,在此一并致谢.

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