煤田矿震地质灾害调查及预防措施研究.pdf

第 1 7 卷第 1 O期 2 0 0 8年 1 O月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG MAGAZI NE Vo 1 1 7 ，NO 1 0 0c t o be r 20 0 8 煤田矿震地质 灾害调查及预防措施研 究 刘德军 ，王恩德 ，蒋永臻 ，朱建华 ，蒋柏芳 ( 1 东北大学资源与土木工程 学院，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ； 2 辽宁省有 色地质局勘查总院，辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 3 ) 摘要 ： 辽宁省抚顺市区是矿震 易发区 ，自 1 9 3 3年以来 ，煤 田矿震 发生 频次逐年增加 ，矿震震级逐 年升 高，矿震波及范 围逐渐扩大 ，现在 已经从局部地区波及并影响到整个抚顺 市区 。煤 田矿震 已经成为 威胁抚顺 市区的主要地质灾 害之一 。矿震不仅威胁城市居 民生活安全 和抚顺 市区建筑设施 安全 ，而且还 往往成为 “ 催生或催化”各类地质灾害发生与发展的重要诱 因。矿震型地 质灾害 的研究 和预防工作 ，需 要 引起高度 的重视 。本文通过对煤 田矿震活动特征调查和煤 田矿震成 因分析 ，提出了矿震 型地 质灾害 的 预防和监控措施 ，努力实现有效控制煤 田矿震 以及 由矿震引发的各类地质灾害 。 关键词 ：煤田矿震 ；地质调查 ；预防措施 ；研究 中图分类号 ：T D7 6 文 献标识码 ：B 文章编号 ： 1 0 0 4 4 0 5 1 ( 2 0 0 8 )1 O 一0 0 4 9 0 3 The s u r v e y a n d pr e c a u t io n S r e s e a r c h o f m in e - s e is m g e o l o g ic h a z a r d in c o a l b a s in LI U De - iu n ，WANG En - d e ，J I ANG Yo n g z h e n 。 ，ZHU J i a n - h u a 。 ，J I ANG B a i f a n g ( 1 S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d Ci v il En g in e e r in g，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ，Ch i n a ； 2 L i a o n in g No n f e r r o u s Ge o l o g ic a l Ex p l o r a t i o n I n s t it u t e ，S h e n y a n g 1 1 0 0 1 3，C h in a ) Ab s t r ac t ：Fus hun c it y a r e a，Lia on in g pr o v in c e is a n a r e a o f mo r e mine s e is mSinc e 1 9 33，t h e f r e qu e n c y ma g n it u d e o f min e s e is m b y C o a l b a s in h a s in c r e a s e d y e a r b y y e a r Th e a f f e c t e d r a n g e is e x t e n d in g t o t h e wh o l e F u s h u n c i t y a r e a f r o m p a r t s o f a n a r e a Th e mi n e s e is m h a s b e c o me a ma j o r t y p e o f g e o l o g y h a z a r d F u s h u n c it y a r e a No t o n l y it is t h r e a t e n in g t h e s e c u r it y o f t o wn s p e o p l e ，b u il d in g s a n d f a c il it ie s ，b u t o f t e n b e c o me s imp o r t a n t p r e d is p o s it io n o f t h e o c c u r r e n c e a n d d e v e l o p me n t o f v a r io u s g e o l o g y h a z a r d s Th e S u r v e y a n d Pr e c a u t io n s Re s e a r c h o f M in e - S e is m Ge o l o g ic H a z a r d s h o u l d b e h ig h l y p a id a t t e n t io n t o Th r o u g h s u r v e y in g t h e a c t iv it ie s c h a r a c t e r is t ic s a n d a n a l y z in g t h e c a u s e o f M in e - S e is m Ge o l o g ic H a z a r d ，t h is p a p e r s u g g e s t s s o me p r e c a u t io n a n d mo n it o r in g me a s u r e s ， a n d t r ie s t o c o n t r o l e f f e c t iv e l y M in e - S e is m in c o a l b a s in a n d v a r io u s Ge o l o g ic Ha z a r d Ke y wo r d s ：min e s e is m in c o a l b a s in ； g e o l o g ic s u r v e y ； p r e c a u t io n me a s u r e s ；r e s e a r c h 抚顺市是一座煤炭资源型城市，煤炭资源是抚 顺市经济发展 的基础 ，也是抚顺市工业经济的重要 组成部分。抚顺市采煤历史 已逾百年，从 1 9 0 1年 至今，抚顺煤 田陆续建成古城子井 田、胜利井 田和 深部井井 田、胜利矿、老虎台矿、龙凤矿 、西露天 矿 、东 露天矿 。 经过一个多世纪时间的露天和井下开采 ，抚顺 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 7 1 8 基金项 目：辽宁省资源补偿费地质环境保护项 目，由辽 宁省 国土资 源厅资助 作者简介 ：刘德军 ( 1 9 6 8 一) ，辽宁丹东 人，高级工 程师 ，在读 博 士研究生 ，主要从事地质勘查与灾害防治方 面的研究 。 市区已挖掘形成 了两座规模 巨大的露天采场和广泛 分布的地下采空区 ，不断引发矿震、地面沉陷、塌 陷、滑坡、泥石流 、地 裂缝 等多种地 质灾害。其 中，矿震不仅威胁城市居民生活安全和抚顺市区建 筑设施安全 ，而且还往往成为 “ 催生或催化”各类 地质灾害发生与发展的重要诱 因。根据抚顺煤 田矿 震资料分析 ，西露天矿东采区地裂缝变形区位于煤 田矿震 频发 区 内 ，每 一次矿 震过后 ，或 多或少 都要 产生新 的地裂缝或者使原有地裂缝发生活化 。这种 现象说明 ，矿震与各类地质灾害之间存在着 内在的 相互关联性。因此 ，为有效控制由矿震引发的各类 中 国 矿业 第1 7 卷 地质灾害，迫切需要加强对矿震的调查、监测与预 防工作。 1 煤 田矿 震 1 1 煤 田矿震的危害 矿震波及范围逐渐扩大，早期矿震波及范围局 限于煤田部分地区，现在已经从局部地 区波及并影 响到整个抚顺市区，整个市区均处于高频度矿震环 境中。调查提出的矿震波及区主要位于抚顺市区中 心的南阳、南北台、榆林 、南站、劳动公 园地 区。 抚顺市区居 民稠 密，石油、化工企业 设施 规模庞 大，企事业单位分布集 中，如果发生高震级矿震 ， 势必会造成重大人员伤害和经济损失。 据地震科研部门预测 ，随着抚顺煤 田采掘纵向 深度增加，矿震频次将继续增大，矿震震级将不断 提高，未来矿震震级可达 4 2级 ，地震裂度可达 度 以上 。 1 2 煤 田矿震活动特征 煤 田矿震属于地震类型之一 ，根据地震特征分 类 ，抚顺 市 区 地 震 可 分 为 构 造 地 震 和 矿 震 两 种 类 型：构造地震是指区域地壳产生差异性运动、地应 力场改变 、地应力沿地壳薄弱部位聚集释放的冲击 震动现象 。矿震是指由抚顺煤 田采空区、沉陷区和 滑坡体等工程灾体局部应力场失衡后而产生的震动 现象 。由定义可知，两种地震有 明显 的成因差别 ， 构造地震是 自然力作用的产物，矿震是人类工程活 动 的结果 。 抚顺地 区构造地震特点是发生频度高 、规模 小、破 坏 力 差，一 般 震 级 3 0级，震 源 深 度 1 0 k m左右 ，大多数属于有感浅源地震 。抚顺煤 田 矿震特点是震源浅、范围小 、震级低、破坏性强 。 抚顺 市 区是 矿震 易发 区 。 2煤 田矿震 成 因分析 煤 田矿震不仅与煤 田开采时间、开采深度 、开 采工艺、煤层厚度 、围岩物理力学性质等多种 因素 有关 ，甚至 还与 区域地 质构造 应力场 条件变 化 以及 区域地应力聚集和释放方式有关 。 ( 1 )开 采深度 因素 井工采区煤层承载力来 自于上方岩体的垂直应 力 ，其应力 值 可 以表示 为 ：P一7 H +a 。其 中， 7 H 为原始应力 i y为岩层容重；H 为深度 ；n为 开采过程中产生的附加应力 。根据胜利矿抗压强度 冲击实验，煤样抗压强度为 1 5 0 2 0 0 k g c m 。而 老虎台井 田开采深度达到 2 5 0 m时，煤层原始应力 值 不超 过 9 0 k g c m。 ；开 采 深 度 达 到 6 0 0 m 时 ，原 始应力值可达 1 7 0 k g c m。 ，即无须增加多少附加应 力即可达到冲击界 限。据此 ，可 以得出初步结论 ： 煤田井下开采深度越大，发生矿震的强度就越大 ， 引发矿震 的频率也越高。 ( 2 )地质构造因素 抚顺煤田为近东西向向斜构造 。老虎台矿位于 向斜中部 ，以东是保存较为完整的近东西向向斜构 造 ，以西受近东西向 F 1断层和近南北 向 F 6断层 联合控制 ，发育近南北向的平缓向斜构造。由于老 虎台矿所处地质构造环境特殊 ，导致矿区原始构造 应力强度明显大于其它矿区，特别是在褶 曲与断层 交切地带 ，极易形成地应力集 中区，引发震级高、 破坏力强 、范围广的有感矿震 ，危及市区建筑设施 和居 民生命 财产 安全 。 ( 3 )煤层物理力学性质因素 根据抚顺煤 田矿震资料分析 ，煤层物理力学性 质是煤田矿震发生和发展的重要因素。中等硬度的 煤层 、弹性和脆性较大的煤层以及光泽度较高的煤 层 ，容易引发煤爆和低震级的微弱矿震 ；煤质硬度 中等 、均质、致密、节理裂隙发育差的煤层 ，容易 引发震级较高的强烈矿震 ；高硬度煤层 、软质煤 层 、湿 润煤 层 ，一般不 容易 引发矿 震 。 ( 4 )井工开采工艺因素 2 0世纪 8 0年代以前 ，抚顺煤 田井工采煤均采 用水砂或废页岩充填工艺，采空区回填率达 8 0 。 2 0世纪 9 0年 以后 ，煤 田改用综采 放顶煤开采 工 艺，采空区自然垮落不充填。从抚顺煤田矿震发生 和发展的时间关系分析 ，2 O世纪 7 0年代采用传统 工艺开 采 煤 层 ，矿 震 发 生 频 率 仅 为 9 0年 代 的 1 0 9 ， 6 。而随着采矿工艺的改进和采矿强度的提高 ， 矿震发 生频 率逐年 增高 ，矿震 震级也 明显 增大 。矿 震发生频率和强度 ，既与采矿工艺密切相关 ，也与 煤 田采空区充填率高低密切相关 。煤层开采工艺决 定采空区充填率 ，采空区充填率决定矿震的频率和 强度。综采放顶煤开采工艺增大了机械化作业对煤 层上覆岩体的破坏性 ，降低了煤 田深部采空区的充 填率。研究认为，采空区充填率越低 ，引发矿震的 频率和强度越大。反之，采空区充填率越高，引发 矿震的频率和强度越小 。 3 煤 田矿震预 防措施 ( 1 )加强矿震防治领导工作 ，对城市发展实 施统筹 规划 开展矿震预防与治理工作，必须坚持科学发展 观 ，贯彻 “ 预防为主 ，标本兼治”的方针，坚持避 让与治理相结合的原则 ，工程措施与非工程措施并 举 ，灾害治理与环境保护同步，切实做好矿震灾害 第 1 O期 刘德 军等 ：煤 田矿震地质灾 害调查及预 防措施研究 防治工作。必须加强对矿震防治工作 的组织领导 ， 政府相关部门和地质灾害勘查单位 ，要组建多层次 的防灾 、减灾、避灾领导机构，落实领导责任制和 岗位问责制 。由市政府主管部门负责组织，会 同相 关单位共同参与制定矿震综合治理方案 。方案应提 交抚顺市人大会议审议批准 ，以提高矿震灾害防治 方案的法律效力 ，增强全社会对加强矿震灾害综合 治理工作的法律意识。同时 ，把地质灾害防治工作 同城市经济发展、市区规划建设紧密结合起来 ，统 筹规划 、周密部署 。对抚顺市区已经发生矿震及存 在矿震隐患的区段 ，要根据矿震发生和发展状况 ， 制定行之有效 的矿震防治措施 ，抓紧矿震危险区和 易发区综合治理工作。 ( 2 )建立矿震 监测、勘查 与防治组 织系统 ， 加强地质灾害监测工作 建立矿震监测、勘查与防治组织系统，是顺利 开展矿震综合治理工作的组织保障。 通过建立抚顺市区矿震监测系统，可以对矿震 易发区和危险区引发矿震灾害的可能性 ，做出近期 及 中长期预测分析 ，勘查单位可以根据矿震灾害监 测部门提出的预警信息 ，有 目的有针对性地开展野 外矿震灾害调查与勘查工作。矿震监测工作是一项 复杂的系统工 程，涉及岩土 工程 、环境地 质、测 绘 、计算机等技术领域。调查认为 ，抚顺市区矿震 灾害监测系统和矿震灾害预测方法、预测手段 、预 测能力仍有待于完善 、改进 和提高。矿震监测工作 应 着 力 抓 好 以下 工 作 ：一 是 以 地 理 信 息 技 术 ( GI S )为核心，加强监测信息 “ 联 网” ，各监测部 门共享监测成果信息 ；二是规范各监测单位独立布 设监测网的地质灾害技术监测基准 ，提高技术监测 数据的可靠性 ；三是增加矿震监测指标和监测工作 的连续性 ，大量获取矿震监测数据信息 ，提高预测 和预报的准确性 。 ( 3 )制定矿震 型地质灾害应 急救援预案 ，完 善应急抢险组织系统 抚顺市 区是矿震等地质灾害 的频发 区和重灾 区 ，必须加强地质灾害应急抢险组织系统建设 ，提 高全社会防灾应急救援能力 ，保障灾害发生时能够 迅速有序地展开应急救援工作 ，以切实有效地减少 地质灾害造成的人员伤害和财产损失 。建立多层次 的矿震应急救援预案 ，保持各级和有关抢险救援部 门应急预案的联动与互助机制 ，应急预案要成立务 实高效 的应急组织机构 ，配备专业 的应 急救援人 员，提供充足的应急保障救援资源，加强应急培训 和演练，及时对预案进行针对性的评审、更新与完 善，保证预案的充分 、适宜和有效性。增强 日常矿 震灾害防范意识教育 ，注重地质灾害防治信息沟通 工作 ，认真做好监测信 息集 中分析 、灾害系统调 查、人员合理疏散、医疗救护及时、受灾居民与单 位搬迁安置 、灾区内外秩序维护、抢险调度等方面 政策措施的宣传工作 ，逐渐增强人 民群众对地质灾 害 的防灾 、减灾 和避灾 意识 。 ( 4 )加大地质灾害防治资金投入，保障监测 研 究工 作 的连续 性 建国后三十多年来 ，抚顺市区地质灾害防治资 金投入有限，地质灾害监测工作停 留在 “ 地质灾害 发生时或资金充足时就监测一段时间，资金不足或 地质灾害过后就停止监测”的水平上。这种时断时 续 的地面监测所采集的监测数据 ，显然无法客观反 映地质灾害孕育