（固体力学专业论文）矿震信号识别和定位及其在木城涧煤矿的应用.pdf

摘要 矿震是指由地面、浅层( 几百米) 和深层( 千米以下) 的矿山开采所引起的 地震活动，是影响矿井安全生产的重大灾害之一。随着时间的推移，许多煤 矿将进入深部开采，矿震灾害也将日趋严重，因此矿震的研究对于减少灾害 的损失是必不可少的。尽管国内外对矿震的研究已有近百年的历史，但在震 源定位方面和震相自动识别研究甚少。 本文对矿震的发生机理、分类和矿震波传播规律进行研究，为建立木城 涧矿矿震监测定位系统做了理论准备 介绍了木城涧矿震监测定位系统的组成、监测程序和定位主程序，并编 写了自动读取数据的接口和界面，为信号识别和定位奠定基础。综述了地震 定位的方法，给出了单台、两台、三台和多台定位方法的原理。 通过对矿震信号的特征及其干扰因素的阐述，通过v b 程序用信噪比的 方法对矿震信号进行了自动筛选。介绍了地震信号的实时识别方法，并将其 应用到矿震中，总结出p 波到时自动读取的两种方法：标准差法和自回归法。 结合木城涧监测定位系统，将到时自动读取方法应用于木城涧矿监测系 统接收到的信号，同时对定位方法也进行了试验验证，得出这些方法是可以 应用于实际的，但是存在一定的误差。最后对该系统数据处理的软件提出了 建议和展望。 关键词；矿震监测定位系统；矿震；监测；定位；震相识别；到时；木城涧 煤矿 a b s t r a c t r o c k b u r s ti se a n h q u a k ea c t i v i t yt h a ta r o u s e db ye x p l o i t i n gt h es u r f a c e ， s h a l l o w( s e v e r a lh u n d r e d so fm e t e r s )a n dd e e pm i n e( k i l o m e t e r so ft h e f o l l o w i n g ) ，w h i c hi so n eo ft h es i g n i f i c a n td i s a s t e rb e i n gt oa f f 色c tt h es a f e t yi n t h em i n e r a lp r o d u c t i o n a st i m eg o e sb y ，al o to fc o a lm i n ee x p l o i t se n t r a n c e d e e pm i n e ，t h er o c k b u r s tw i l la l s ob eg e t t i n gs e r i o u sw i t he v e r yp a s s i n gd a y ， t h e r e f b r ei ti se s s e n t i a lt os t u d yr o c k b u r s ti no r d e ft ol o s s c u t t i n gd o w na d i s a s t e r d e s p i t et h er o c k b u r s th a db e i n ga n a l y s e df b rh u n d r e d so fy e a r s ，b u tt h e a s p e c tf i x i n gp o s i t i o nb u ti ns t u d i e so fl o c a l i z a t i o na n dt h ep h a s ea u t o m a t i o n i d e n t i f i c a t i o ni sf e w w i t ht h es t u d yo ft h eo c c u r r e n c em e c h a n i s m ，c l a s s i f i c a t i o nt o r o c k b u r s t ，a n dt h es e i s m i cw a v es p r e a d sl a w i tm a d et h e o r yp r e p a r a t i o nf o rm u c h e n 蓟i a nr o c k b u r s tm o n i t o r i n ga n do r i e n t a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rh a v ei n t r o d u c e dt h es e g m e n t ，t h em o n i t o r i n gp r o g r a ma n d l o c a l i z i n gh o s tp r o g r a mo fm uc h e n g j i a nr o c k b u r s tm o n i t o r i n ga n do r i e n t a t i o n s y s t e m ，h a v ec o m p i l e dt h ei n t e r f a c ef e t c h i n gd a t aa u t o m a t i c a l l y i ti sab a s i so f s i g n a li d e n t i f y i n ga n dl o c a l i z a t i o n t h el o c a l i z a t i o nt h e o r e mo fs i n g l es t a t i o n ， t w os t a t i o n s ，t h r e es t a t i o n sa n dm a n ys t a t i o n sw e r es t u d i e d b ye x p o u n d i n gt ot h es i g n a l so fr o c k b u r s ta n dt h e i rd i s t u r b a n c ef a c t o r ， l i n k i n gu pw i t ht h er c c e i v e dd a t ab ym uc h e n g j i a nc o l l i e r y w r i t e rh a dc a r r i e d o u taa u t o m a t i cp r e p a r a t i o no fr o c k b u r s ts i g n a lb yv bp r o c e d u r eu s i n ga s i g n a l t o - n o i s er a t i o t h ep a p e rh a si n t r o d u c e de a r t h q u a k es i g n a lr e a lt i m e i d e n t i f i c a t i o n ，a n ds u m e du po u tt w ok i n d sm e t h o do fpw a v ea r r i v a lt i m e v o i u n t a r i l y ：s t a n d a r dd e v i a t i o nl a wa n da u t o - r e g r e s s i o nl a w c o m b i n i n gw i t hm uc h e n 蓟i a nf o c k b u r s tm o n i t o r i n ga n do r i e n t a t i o n s y s t e m ，m e t h o do ff c t c h i n ga r r i v a lt i m ea u t o m a t i c a l l yw a sa p p l i e dt ot h es i g n a l a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o do fl o c a l i z a t i o na l s oh a v c b e e nt e s t e d ，w h i c h r e a c h i n gt h e s em c t h o dw a sn o tb a da p p l y t oa c t u a l ，b u tc o n t a i n e de x i s t e n c ee r r o r h a v eb r o u g h tf b r w a r ds u g g c s t i o nt ot h es o f t w a r eo fd a t ap r o c e s s i n gs y s t e ma n d h a v el o o k e di n t ot h ed i s t a n c ef i n a l l y k e yw o r d s ： r o c k b u r s tm o n i t o r i n ga n dl o c a l i z a t i o n s y s t e m ；r o c k b u r s t ； m o n i t o r i n g ；o r i e n t a t i o n ；p h a s ei d e n t i f i c a t i o n ；a r r i v a lt i m e ；m u c h e n g ji a nc o l l i e r y 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题意义 近年来中国每年矿难的死亡人数数以万计，尤其近两年的特大矿难连续 发生，严重危害了矿工的生命。2 0 0 4 年1 1 月铜川陈家山矿难，死亡1 6 6 人； 2 0 0 5 年2 月阜新孙家湾矿难死亡2 1 4 人；2 0 0 5 年1 1 月黑龙江七台河矿难死 亡1 7 1 人，同时中国经济周刊 从安监总局网站的“事故查询”栏中统计， 进入2 0 0 6 年i o 月份以后，因为矿难而造成的死亡人数已经超过3 0 0 名。这 些惊人的数字，无疑为我们敲响了警钟l 我国如此频繁的煤矿事故，致使煤矿安全开采成为现在煤炭行业研究的 重大课题。在采矿工程中，岩石的破坏以及由此导致的一系列灾害事故如冲 击地压、瓦斯突出、突水及顶底板变形破裂等等，都是矿震的直接结果。只有 对煤矿矿震进行充分的认识、了解，特别是矿震定位监测，并将在国际上已 取得成功先例的徽地震监测技术结合我国煤矿生产的具体实际加以深入研 究完善，形成系统的理论指导和切实可行的技术路线，才能为预测防治深部 矿井中冲击地压等灾害提供基础由此可见，微地震监测在深部矿井煤矿开 采工程中的研究和应用有着广阔的前景，可使我国的煤炭事业获得巨大的经 济和社会效益。 我国煤矿大多建于五、六十年代，随着时间推移，这些矿井将进入深部 开采，同时冲击地压、瓦斯突出、突水、顶底板变形破裂等煤矿事故将会频 繁发生，而与之相伴发生的矿震也日趋严重。因此矿震的研究对于预测、预 报这些灾害，减少这些灾害的损失是必不可少的，尤其是矿震的定位有着非 常重要的地位和现实意义，对矿震进行定位，能够加强对矿震的预测预警和 震后迅速准确地救灾减灾随着时间的推移，许多矿井将进入深部开采，矿 震发生的数量将出现进一步上升的趋势，其灾害性也将日趋严重。为了减轻 矿震的危害，对矿震进行实时监测，确定矿震发生的时刻、震源位置和震级 大小十分重要。 本论文试图根据国内外现有的微地震监测成果，针对在北京木城涧煤矿 建立的矿山微震监测定位系统，建立一套做相应的数据处理软件，通过电脑 对信号进行处理、自动识别到时、定位等一系列自动化手段，使人们能更方 便、更直观地观测矿震，以此推动微震系统的自动化、可视化和智能化的发 展。这对于及早发现并提前采取各项措施来预防各种煤矿灾害，减少生命财 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 产损失具有非常重大的现实意义。 1 2 国内外研究现状 由于矿山地震的研究不仅具有科学理论意义，而且有重要的实用价值， 因此，国际上十分重视矿山地震的研究，同时也是地震学家研究的一个重要 领域。其中，在矿山地震的定位与布局、矿山地震的类型与机理、矿山地震 的预测预报、矿山地震的危险性评估等方面进行了广泛的研究，并取得了一 些重要的成果。 1 2 1 矿震的研究现状 从世界上安装第一个矿山地震监测台网到现在对矿震的研究己有近8 0 年的历史，我国对矿山地震的大规模研究也2 0 多年了，期间在矿震监测、 矿震机理、矿震的危险评估及矿震防治等方面都取得了很多成果。但相比完 全认识矿山地震的本质，现在所取得的研究成果简直微乎其微。从研究矿震 伊始至今，地震学家们一直在不断地探索矿山地震的震源机制，所取得的认 识多是基于理想的假设，或者限于某些特定条件下发生的矿震。另外，到目 前为止还没有发现矿山地震与天然地震间存在什么系统差别，也不知道它们 之间存在什么样的联系，但是有关矿山地震机制研究的方法手段乃致结论却 都从天然地震的研究中“借用”。 由地面、浅层( 几百米) 和深层( 千米以下) 的矿山开采所引起的地震活动， 统称为采矿诱发地震，简称矿山地震或矿震。矿震的频率，一般是几赫兹到 2 0 0 赫兹；释放的能量从1 0 。j 到1 0 9 j ，相当于震级从6 到5 级。矿震是矿 井的一大自然灾害，矿震发生时，围岩迅速释放能量，煤岩被瞬间突然破坏， 造成巷道、工作面破坏，顶板下沉、底板鼓起，造成暴风、冒顶片帮、支架 折断、地面震动、房屋损坏和人身伤亡。1 7 3 3 年英国南斯塔福( s o u t hs t a m f b r d ) 煤田发生了世界上首例矿震，现在已发生矿震的国家有南非、德国、英国、 俄国斯等2 0 多个国家t ”。1 9 6 0 年1 月2 0 日南非的c o a lb r o c kn o r t h 煤矿发 生了一次矿震，井下破坏面积达3 0 0 万平方米，死亡4 3 2 人，是目前煤矿矿 震最大的一次灾难。 我国最早发生矿震的矿井是抚顺胜利矿，时间是1 9 3 3 年1 9 6 0 年全国 发生矿震的矿井只有6 个，到1 9 9 0 年仅煤炭部所属煤矿发生矿震的己增加 到5 8 个，到2 0 0 3 年7 月已超过6 0 个，现已超过1 0 0 个。矿震给煤矿带 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 来了极大的灾难1 9 7 4 年l o 月2 5 日，北京矿务局城子矿在回收煤柱时发生 了震级为3 4 级的矿震，造成2 9 人死亡到2 0 0 2 年我国煤矿矿震的最大强 度已达4 4 级 1 9 1 5 年南非成立了专门的矿震研究机构，标志着矿震研究的开始。国内 对矿震的研究从1 9 3 3 年抚顺胜利矿发生矿震后开始的，形成大规模研究是 在八十年代初。目前国内外都在研究预测和控制矿震的技术，虽然对矿震机 理有所了解并具有了一些预防治措施，但一直没有很好的解决。早期的矿震 理论认为，矿震是煤岩局部应力超过强度而发生的。这一理论称为矿震的强 度理论强度理论解释了矿震的一些现象，但是对于地下煤岩体，由于应力 集中引起局部应力超过强度极限是随处可见的，也是不可避免的，如采煤工 作面、巷道和煤柱等，但并没有都发生矿震，强度理论无法解释这些事实。 c o o k 【3 】等对金矿矿震提出了纯弹性方法，认为采矿过程期间，能量释放 的增加率超过材料的能量耗散能力，即引发矿震，这一理论被称为能量理论。 能量理论可以解释一些现象，但它把煤岩体看成纯弹性的，不符合矿震是煤 岩体破坏的事实b i e n i a w s k i 【】等，提出了两个冲击倾向性指标，即弹性能 指数，冲击能量指数置。，认为当这两个冲击倾向性指标大于某个值时， 就会发生矿震，这一理论称为冲击倾向性理论。l i p p m a n n 【5 】在一系列工作中， 研究了在一个无限大的等厚煤层中开挖一条矩形巷道的矿震问题。 p e t u k h o v l 6 】等认为矿震是由于岩石超过峰值强度后的应变软化造成的，并对 采场和巷道的矿震进行了简单的分析。 国内的研究早期的较少，主要是章梦涛【7 1 等提出了矿震是材料失稳的思 想以及判别矿震发生的框架，并没有对矿震进行具体分析尹祥础【s 】等根据 结构在接近失稳时加载和卸载响应是不周的，提出了地震的加载卸载响应比 发生准则。潘一山1 9 】等还采用突变理论模型定性解释了矿震发生机理。张少 泉【”1 ( 1 9 9 6 ) 是国内地震界较早从事矿震研究的学者，并提出把煤矿及其矿震 作为中尺度地震预报实验场的思路和方案，同时探讨了矿震与区域应力场的 相关性。张秀兰【( 1 9 9 8 ) 初步探讨了京西矿震与天然地震的关系，并提出了 矿震预测天然地震的地质依据。 1 2 2 定位方法的研究现状 微地震定位一般指确定微震的震源位置( 经度、纬度和深度) 及发震时 刻，并适当给出对定位结果的评价，是微震研究中最经典、最基本的问题之 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 矿震事件的定位是矿山地震活动性研究的第一步，这方面的方法研究都 基于一个准则：时间残值的处理，由此衍生出两种概念上不同的方法，第一 是不考虑时间残差值的成因，即不去辨认由时间读数误差和速度模型不准确 所引起的时间残值之间的区别，这种方法的代表是1 9 1 2 年g e i g e r 【1 2 1 提出的 经典最小二乘法，( 其实质是将非线性方程组线性化，并通过最小二乘原理 求解) 以及b a y e s i a n 【1 3 1 方法；第二种方法时间残值被分为两部分：与到时的 读数误差有关的随机性，以及由速度模型的知识不完整所引起的走时残值， 这种方法的代表是f e d o r o v 【1 3 1 ( 1 9 7 4 ) 发展的经典最小二乘法及联合反演地震 速度结构和一系列地震事件的方法。 国内外一些学者在上述研究方法的基础上，扩充和发展了矿山地震事件 定位的方法和理论波兰的a k i j k o 【1 4 1 根据巴伊索夫斯基( b a y e s ) 的评定理论 提出了矿山微震定位的新方法，该计算方法可以两种形式有效的利用和连接 输入信息：由微震波记录时间测量所知的客观信息、关于震源位置由其它来 源所知的附加主观信息。这种算法可以计算每个微震地区相互对比的强度。 - 加拿大韵l 二n i e w i a d o m s k i 【15 1 将奇异值分解方法应用于矿震定位r 指出无论厨 线性和非线性模型，均可成功的使用求解线性方程组的奇异值分解方法进行 点源定位。 ，f 震源与台站校正的联合反演 多事件定位j ii 震源与速度结构的联合反演 l l ir 主事件定位 i 相对定位j li 双差定位( 最新定位方法) l 、f 时差定位 i 空间域定位 il 区域定位 l。 if 牛顿法 非线性定位1 全局搜索法 、 ( 图1 1 定位方法分类 f i g 1 lt h cc l a s s i f i c a t i o ns c h e m eo fl o c a t i n gm e t h o d 另外a k i j k o ，e g l o w a c k a 和t s t a n k i e w i c z 讨论了地球模型的近似和地 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 震台坐标的精度对震动定位误差的影响，并且将获得的关系曲线通过波兰的 罗宾恩( l u b i n ) 铜矿的f i x 9 采区内的地震台网，来评定震源定位误差【1 6 】。 z d r o s t e 和r t e i s s e y r e 根据地震仪在井下的不同位置，用震动的初动符号公 式特征对震动性质预先加以分类【1 5 1 a k i j k o ，t s t a n l 【i e w i c z 和m k f o l 提出 了一种岩层震源定位的新算法，该方法原则上不同于给定数据和介绍结果这 两种通用方法，而是利用已知的震动位置和p 波记录的时间差作为定位的基 准数据，这种定位算法不要求提供介质模型的任何参数，己知的定位结果均 作为基准震源位置的修正量，并可确定震源精确定位可能性f i 们。 地震学家一直在不断改进或提出新的定位方法，在此基础上发展有多种 定位方法【1 7 ，1 引，如图1 1 所示 已有的研究结果证实，矿山地震与天然地震的破裂机制具有相似性【1 9 】。 因此矿山微震的定位原理与天然地震和声发射基本一样，但是以上这些方法 不能直接应用于矿山微震的定位。现在煤矿开采中定位方法主要采用二维、 三维时差定位，时差定位i l9 j 是经过对各个微震信号到达时间差、波速、距离 等参数的测量及一定的算法运算的，但是有一个问题即波速，很多情况下假 定波速是定值。这与煤矿实际不符因而存在定位误差，因此定位结果不是很 令人满意，需要我们进一步研究。造成定位不准原因作者认为还有以下几点： 1 ) 矿震定位有它自己的独特性，例如：非连续的假设、矿震定位点源、 极近场、噪声、波的衰减等； 2 ) 数学模型和定位算法难以确定： 3 1 到时读取不准确 这些都需要我们去完善，才能使定位理论更准确。 1 2 3 监测系统的研究现状 矿山微震监测定位系统是根据矿山地震的信号特征、发生规律设计并用 于矿山冲击地压监测的成套系统目前对于国内还没有成型的自己的矿山微 震监测定位系统，能够提供微震发生的时间、地点与震级等基本参数，还提 供每次振动的全波形记录，同时进行详细的震源过程分析。 基于矿震理论和定位理论的指导，国内外开发研制了很多微震定位仪器 设备国外起步较早，已有较多成果和经验，1 9 0 8 年，明德罗普【2o 】( m i n t r o p ) 在德国鲁尔煤田的博卡( b o c h c u m ) 地区建立了第一个用于矿山观测的台站。该 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 台站配有一架( 德国) 的维歇特水平地震仪；本世纪2 0 年代，迈卡因( m a i n k a ) 【2 1 】在德国的上西里西亚( 后划归波兰) 建立了第一个用于矿井监测的地震台 网；6 0 年代，南非金矿第一个采用高频拾震器，并可对一4 级微小事件进行 定位，且精度达4 0 2 0 m ；俄罗斯【2 2 】也研制了类似的地震声学监测仪器，如 s d a e 8 型。2 0 0 0 年，加拿大北部的o n t a r l 0 四个矿的微震系统采用了 c a n m e t m r l 系统这是一个多头的实时操作系统，它可以保证完成每一 个处理过程的时间不大于给定的时问。 国内矿山微震的监测研究起步较晚，且起点较低，所用仪器非常老化且 监测方法过于简陋( 只提供触发事件数) ，根本无法确定岩体破裂的详细形态 和准确位置。同时也一直没有中国自己研制的矿震监测系统，有的煤矿是用 国外引进的系统，有的则把监测天然的地震仪直接搬上了煤矿。1 9 5 9 年，北 京门头沟矿用当时中科院地球物理所研制的5 8 l 微震仪( 哈林地震仪改装) ， 监测冲击地压活动，记录器采用熏烟走纸笔绘录。1 9 7 6 年国内以群测群防形 式，陆续在吉林辽源矿、北京门头沟矿、抚顺龙风矿、北票台吉矿、山西大 同矿、河北开滦矿、山东陶庄矿等一些有矿震活动的矿区架设了三分向地震 仪( 采用地面d d 1 地震仪单台工作) 。门头沟矿1 9 9 4 年更换为d d 2 微震仪。 1 9 8 4 年我国从波兰引进地音微震观测系统( s a k - s y l o k ) ，分别在北京门头 沟矿、抚顺龙风矿、四川天池矿和山东陶庄矿等地运转。陆其鹄提供技术协 助，1 9 9 8 年山东新纹矿务局华丰煤矿和2 0 0 1 年徐州矿务局三河尖煤矿建立 了冲击地压微震监测台网。2 0 0 2 年开始，由中国地震局地球物理所牵头，在 抚顺老虎台煤矿周围建立矿山地震监测系统直到近年来，山东煤田地质局 开发成功的w z d 2 0 0 0 微震动监测系统，经过专家鉴定，其性能达到国际先 进水平，在软件与硬件结合方面达到国际领先水平。 1 2 4 研究现状的不足 1 ) 目前的监测系统数据接收软件已实现了自动化，但是数据处理自动 化软件还没有，仍然靠人工干预完成。 2 ) 国内矿震p 、s 波到时自动识别没有实现，目前未见有论文发表。 3 ) 国内还没有针对煤矿几公里范围内的矿震定位程序，对于不多于四 个台站监测到矿震信号的定位问题，几乎没有研究。 1 3 本文主要工作 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 本文结合具体的工程实际即北京木城涧煤矿微震监测定位系统，将理论 和实际相结合，主要研究以下工作： 阐述矿震的定义、产生机理和分类以及矿震的成因和发生条件，并说明 矿震给人们带来的巨大危害，同时概述矿震的监测方法，对目前国内外主要 现场实测的监测方法进行分析研究矿震波的形成和传播规律和矿震信号的 特征，同时介绍木城涧矿震监测定位系统组成以及监测程序和部分主程序的 功能和界面。结合木城洞煤矿微震监测系统收到的信号，用信噪比的方法对 信号进行自动筛选，剔除不能用于定位和到时的信号。为数据处理实现自动 化打基础。还将介绍几种实时识别地震震相的方法，给出p 波到时自动识别 的方法一标准差法和自回归法；同时对s 波到时自动识别的方法也进行阐述。 在第四章综述地震定位方法，并介绍应用于木城润监测系统的几种定位方法 的原理。最后结合木城涧煤矿矿震监测系统这个实例，将信号识别方法和定 位方法应用其中，并针对该系统软件部分出现的问题，提出了一些对数据存 储方面和数据处理自动化软件改进的建议。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 2 矿震的发生机理及矿震波的传播规律 引发矿难的因素很多，其中由矿震引发的矿山事故占到了5 。本章将 介绍矿震的定义、矿震的成因和发生的条件以及矿震的发生机理和分类，同 时阐明矿震给人类带来的危害，并综述近年来人类对矿震采取的措旌即预测 防治矿震的方法通过本章的论述，深入了解矿震现象与开采行为空间之间 的定量关系，为矿震监测系统的研究提供理论基础。 2 1 矿震的发生机理和分类 2 1 1 矿震的定义 对于究竟什么是矿山地震，国内外学者对此做过很多描述，目前还没有 形成完全一致的看法。最简单的定义是，“矿震是指由于矿床开采活动诱发 的地震”“。 徐世杰等人在研究了北票台吉煤矿的矿山地震后认为，矿震是发生在特 定的地质背景下，矿区本身存在着发震构造，在区域应力场作用下，同时受 开采活动影响而发生的一种诱发地震，这种地震从本质上说是一种构造地 震，但其发震背景较一般天然地震复杂一些【2 3 1 胡毓良指出，“采矿诱发的 地震又被称为矿震，在矿山中常使用岩爆或冲击地压等术语”【2 4 1 。 前苏联学者i c i m 别图霍夫【25 】和b a 斯米尔诺夫认为，矿山开发，尤其是 地震活动区厚煤层深部开采的发展，造成了以强度为4 5 级局部浅源地震方 式表现的。感应地震”的触发。这些“感应地震”对矿山冲击的发生起诱发 机制作用。矿山开发引起的地震实质上是。施工”地震。强度为4 5 级的“施 工“地震对巷道的影响表现为强烈的小地震，它们在矿山工种实践中曾得名 矿山构造冲击车用太等【2 6 1 人将矿震定义为地下采矿或工程开挖引起的地震 现象，又称冲击地压、岩爆、煤炮等，是地下开采活动引起的巷道围岩突然 破裂，常常伴有碎裂岩体的飞速抛出，强大的气流冲击、惊人的响声等，具 有很大的破坏力粱冰等【2 7 】把矿震描述为井田范围内的断层、节理及层理等 不连续面由于采矿活动而引起的突然相对错动，猛烈释放能量的地震现象， 即为发生在断层等不连续面间的冲击地压。 中国地震局地球物理研究所的张少泉研究员总结多年对矿山地震的研 究认为，“矿山冲击可看作冲击地压、岩爆和矿山地震的总称州”j 。“所谓矿 山冲击，在地震界称为矿震，在采矿界称为顶板冒落、煤炮、岩爆 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 等，这是煤岩体在高应力状态下弹性能的急剧释放，是一种介于天然地震与 岩石声发射之间的公里尺度破裂现象埘2 9 1 “而由地面浅层( 几百米) 和深层( 几 千米以下) 的矿山开采所引起的地震活动，统称为采矿诱发地震，简称矿山地 震或矿震”i j 。 关于矿山微震与冲击地压和冲击地压与地震的关系，鲁振华等在总结了 几年在门头沟煤矿监测冲击地压的实践认为，矿山徽震与冲击地压同属于随 机动态系统，矿井微震活动的频度远大于冲击地压发生的频度。这是因为在 某开采单元的开采过程中，同时存在着煤岩体的应力调整过程，伴随应力调 整在煤岩体中产生一系列新的裂隙及原有裂隙的闭合与扩展，形成微震；而 当应力与应变超过煤岩体的极限状态时，便发生冲击地压因此微震是冲击 地压的前兆。冲击地压的产生与两个因素有关，一是开采因素，二是自然因 素。从自然因素角度讲，冲击地压是一个地学问题；地震也是一个地学问题， 它与冲击地压在本质上既有相同之处又有各自不同的特点，地震是远场的地 学问题，而冲击地压是极近场地学问题，它们时空尺度不同【3 。 库克把由采矿诱发的地震活动定义为在采掘巷道附近的岩体内因应力 场变化导致岩石破坏而引起的那些地震事件【3 ”。世界知名的矿山地震学研究 专家波兰的吉普维茨( g i b w i c z ，s 1 ) 在他的专著a ni n t r o d u c t i o nt om i n i n g s e i s m o l o g y 中对矿震和岩爆的关系作了精辟的论述：“应该注意在一个矿山 发生的地震事件( 通常叫矿山震动一m i n et r e m o r ) 与岩爆( r o c kb u r s t ) 的区 别岩爆是导致巷道损坏的岩石剧烈破坏，因此只有那些在矿山开采影响范 围内造成破坏的地震事件才叫做岩爆每年在一些矿山的地震台网能记 录到的数以千计的地震事件中，只有为数不多的是岩爆在由采矿引起的地 震事件大家族中，岩爆只是其中很小的一个分支，并且还没有明确的界限来 识别在什么条件下，什么样的特殊地震才能称其为岩爆”1 1 3 l 。 2 1 2 矿震的成因和发生条件 矿山地震的威因是一个非常复杂的问题，因为不同的矿山，甚至同一矿 山在不同地点不同时间，发生矿震的原因都可能不同。虽然每一次矿震都有 可能找到对应的诱发因素，但如同天然地震一样，矿震发生的根本原因涉及 震源机制问题，解决这一问题要走的路还很远尽管如此并不妨碍对矿山地 震的成因做出一些宏观解释。 矿床开采活动，特别是井工开采活动，往往促使构造应力和地应力场发 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 生变化，影响地层载荷的调整，改变原有水文地质条件，加剧地下水纵深循 环的动力作用，上述各种因素导致矿井围岩变形和各种矿山动力现象，如冲 击地压、冒顶、岩爆及地面塌陷和地面沉降等，伴随着这些活动有时发生矿 震【2 2 1 。 矿震是由于地下开挖导致岩体中应力重分布，在某些部位积累的应力超 过其强度时突然破裂而产生的，影响这一过程的因素既有天然的地质条件， 也有人为的采矿条件。影响矿震发生的第一个条件是岩性，特别是岩石的弹 性能积累能量与强度一般说来，岩石坚硬而弹性大时，其弹性能量指数、 弹性变形能指数等参数高，容易孕育与发生矿震。其二，构造条件在一定程 度上控制矿震的分布，说明也是影响矿震发生的重要条件。影响矿震发生的 第三个因素是采矿条件【2 6 1 矿山开采诱发的地震活动强烈的受到局部地质和构造的影响，即是说， 受到介质的非均匀性和间断性的影响，并受开采、岩石静力状态以及局部和 区域尺度上残余构造应力相互作用的影响。因此，一般来讲，较深的矿区的 地震活动受到诸如深度、产量、采区的几何尺度、地质构造以及地质间断面 等因素影响i j ”。 矿震是地下采矿引起围岩应力集中、破坏岩石完整性而释放弹性应变能 的一种地震事件。岩体破裂发生震动主要取决于岩体积聚弹性能的能力和破 坏岩体的应力，二者相辅相成，缺一不可。现分别讨论1 3 4 】如下： 1 ) 岩体的储能条件 ( 1 ) 岩体的强度；它是表示抵抗破坏能力的指数，用岩体破坏时的应力 来度量。岩体的强度越高，破坏岩体所需要的应力就越大。因此，高强度的 岩体具有积聚较多弹性应变能的能力。岩体中的层面、层理、节理、裂隙、 断层面及夹层等造成的强度弱面，可降低岩体的强度，使岩体首先沿弱面发 生破坏，因而所积聚的弹性应变能也就越少。虽然莫尔一库仑准则不适合整 个破碎体，但它分别考虑了破碎体中的弱结构面和基质岩块在压剪应力下的 破坏准则，所以可以用莫尔一库仑准则来描述破碎体中基质岩块的强度，其 表达形式为t f = 盯t a i l ，+ c( 2 - 1 ) 式中，f 为破坏面上的剪应力，口为面上的正应力，为岩石内摩擦角， t a n 为内摩擦系数，c 称为岩石粘结力( 内聚力) 。莫尔一库仑准则的强度曲线 辽宁工程技术大学硕士学位论文 如图所示： 弋 t = o t a nm + c “卵 o 巧 圈2 1 莫尔一库仑准则强度曲线 f i g 2 1m o h r c o u l o m bt h e o f yi n t e n s t yc u r v e ( 2 ) 岩体的弹性：矿井下所遇到的岩体，大都是一种受到弱面分割的弹 塑性体，因而具有一定的弹性和塑性。弹性变形为主的岩体能积聚大量的弹 性应变能；反之，塑性变形占优势的岩体，则能储备的应变能就越少。 ( 3 ) 采空区的大小：采挖空间( 采矿时移去的煤和岩石的体积) 越大， 积聚于围岩中的弹性应变能就越多；反之，就越少。 2 1 岩体的应力分布状态 地下赋存的岩体，未采动以前处于自然应力状态，但一经采掘而形成空 洞之后，自然应力状态便受到破坏，进而引起应力重新分布，使围岩应力集 中，四周煤壁( 或煤柱) 形成以压应力为主的支撑压力带，采空区内形成以引 张力为主的卸压带煤壁( 或煤柱) 在支撑压力的作用下被压缩，而且随着采 空区的扩大，煤壁( 或煤柱) 的压缩效应变得越来越强烈。当达到其极限值时， 煤壁( 或煤柱) 就释放己积累的弹性应交能，诱发矿震。 2 1 3 矿震的发生机理 矿震发生的机理对于进一步研究矿震具有重要的意义。由于矿震的危害 性极大，所以在世界上发生第一次矿震后的二百多年里，人们一直致力于矿 震的研究，找出矿震的机理，从而更好的对矿震进行预测和防治。具有代表 性的理论如下f 3 5 6 】： 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2 1 ) 强度理论强度理论是最早的矿震发生理论，具有代表性的为夹持 煤体理论，由g b r a e n e 提出该理论认为煤体处于顶底板的夹持之中，夹持 特性决定了煤一围岩体系的力学特性。矿震是煤岩局部应力超过强度极限后 而发生的，该理论可以解释一些矿震现象，但对于地下煤岩体结构，局部应 力超过强度极限是随处可见的，也是不可避免的，但并没有都发生矿震，发 生矿震的仅是少数，强度理论无法解释这些事实。 2 ) 能量理论。库克在总结南非1 5 年矿震研究与防治的基础上，提出了 能量理论。矿震发生后，原有的矿体一围岩力学系统的平衡状态被打破，变 成新的平衡态，该过程中若系统释放的能量超过其消耗的能量即发生矿震。 随后d u n kh o u s 给出了能量平衡的方程式，佩图霍夫对产生矿震的能量结构 作了分析。能量理论未涉及到岩体的突然破坏及能量释放条件等因素。 3 ) 刚度理论。刚性试验机问世后，库克将矿柱与围岩比拟为岩石试件 与压力机。将岩样稍过峰值强度后突然破坏的刚度条件作为矿柱矿震发生的 条件。布莱克认为矿体刚度大于围岩刚度是矿震发生的必要条件，这在一定 程度上揭示了矿震的本质。 4 ) 冲击倾向性理论。该理论认为发生矿震的介质产生冲击破坏的潜力， 即为介质的冲击倾向。通过对照指标与不同介质比较，能估计矿震发生的危 险程度，但无法考虑开采方法和地质条件等因素对矿震发生的影响。 5 ) “三准则”理论。该理论是我国学者在总结了强度理论、能量理论 和冲击倾向理论之后所提出来的。其基本观点是将上述三种理论结合起来， 并且认为强度准则是煤岩体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向准则是煤岩 体突然破坏准则，只有当三个准则同时满足时，才能发生矿震。 6 ) 矿震失稳理论库克于1 9 6 5 年最早认识到矿震是力学上的失稳，后 来经过s a l a m o n ，c r o u c h 及p e t u k h o v 等人的研究工作使得这一认识更加完善。 1 9 8 7 年以来，章梦涛、潘一山等人提出矿震失稳理论，并得到了国内外同行 的认可和广泛引用。矿震失稳理论认为：破坏后的非稳定的煤、岩材料和破 坏前的稳定材料组成的煤岩结构，当处于非稳定平衡状态时受扰失稳即发生 矿震。非稳定平衡准则即为矿震发生准则，提出了能量准则和动力准则，并 研究了各种参数对矿震的影响。矿震失稳理论中包含了以前各种矿震发生理 论的合理部分。但存在着以下缺陷：能给出采场整体稳定性，无法给出矿震 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 的具体发生部位。对于一个具有几万平方米的采场来说，较准确地预测矿震 的具体发生部位，才能谈得上针对性的预防。 7 ) 突变理论煤岩体的突变理论是从1 9 7 2 年t h o m 创立的突变论 ( c a t a s t r o p h et h e o r y ) 而发展起来的一种较新的理论该理论主要从建立煤岩 体的尖点突变模型( c u s p m o d e l ) 出发，对影响煤岩体的主要控制因素，即顶底 板压力、刚度和煤岩的损伤扩展耗散能量的定量分析，来定性地解释发生矿 震的机理。 8 ) 分形理论该理论是利用分形几何学( f r a c t a lg e o m e t r y ) 的方法来研究 矿震发生的机理和预测预报手段，主要对矿震和岩爆的分形特征及微震活动 的时空变化的分形特征进行了试验研究这一理论目前的主要研究成果是， 在矿震和岩爆发生前，微震活动均匀地分布在高应力区，这时分形维数值较 高，而临近矿震发生时，微震活动集聚，其分形维数值较低，也即分形维数 值随岩石微断裂的增多而减小，最低的分形维数值则出现在临近矿震发生 时。 9 ) 。三因素”理论矿震的“三因素”理论认为矿震发生的过程是煤 岩地层受力的瞬间粘滑过程，是煤岩层满足剪切强度准则，突然滑动并在滑 动过程中伴随着动能释放的动力过程。由此而得到了“三因素”机理模型， 即内在因素( 煤岩的冲击倾向性) 、力源因素( 高度的应力集中或高变形能 的贮存与外部的动态扰动) 和结构因素( 具有软弱结构面和易于引起突变滑 动的层状介面) 是导致矿震发生的最主要因素 1 0 ) 矿震的变形局部化失稳理论。预测矿震的具体发生部位的有效方法 是采用材料的分叉分析和应变局部化的数值模拟研究。后者可以考虑复杂的 边界条件、复杂的地质构造、煤岩各向异性和更实用且复合煤岩实际的本构 关系，因而将更为有效 2 1 4 矿震的分类 矿震发生后，在井下会造成严重破坏。破坏往往表面上看起来杂乱无章， 这对于记录矿震、研究矿震的机理、预测及防治带来了极大困难，因而有必 要对矿震的发生类型进行分类研究。与根据不同的依据和分类原则，矿震可 分为不同的种类。目前国内外采用的分类依据有：矿震成因、矿震发生地点、 矿震的失稳机理、开采方式等 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 按矿震成因划分，灾害大百科) 中按成因把矿震简单的分为：构造型 矿震；塌陷型矿震；岩爆型矿震1 2 2 1 胡毓良【2 4 1 将矿震按发生原因分为三类： ( 1 ) 由于采矿引起的应力集中导致完整岩石产生破坏而发震； ( 2 ) 由于井巷布置和采掘方式不合理导致沿已有断层重新错动而发生 地震； ( 3 ) 由于大面积冒顶，岩体冲击引起的地震。 张少泉研究员把矿震按成因分为四大类5 0 】： ( 1 ) 冒落型，当煤系地层较厚时，各煤层之间都有坚硬、厚层状的矽质 胶结的中粒石英砂岩岩层。这种岩层称为煤层的上下项板。因岩层的强度大、 弹性高，在采煤以后，往往形成大面积悬空在上覆的重力和区域构造应力 作用下，岩体内集聚了相当大的变形能。当应力高于岩体本身的强度时，一 旦受到外界微小的扰动，便在瞬问发生失稳破坏，同时释放出所集聚的巨大 能量，而引起猛烈地震动，并波及地面。这种震动震级较大，可达4 级，一 般说来膨， o 冒落型矿震又可细分为顶板冒落型和顶板开裂型； ( 2 ) 冲击型，若煤体也具有较高的弹性和脆性特征，即使顶板没有冒落， 煤体也极易发生由开采面向外冲击的破坏，而引起震动这种震动所涉及的 范围较小，震级较低，一般说来m ， 2 矿震发生1 7 7 次，造成 3 0 6 2 米巷道破坏，1 1 人死亡1 9 7 8 年2 月2 2 日抚顺龙凤矿矿震造成5 人死 亡。 北京门头沟煤矿1 9 9 4 年5 月1 9 发生过一次m ：，= 4 2 ( m 。；3 8 ) 的矿震， 整个海淀区震感明显，5 3 1 8 间民房受损，直接经济损失3 0 0 余万元。该矿区 1 9 5 9 年发生的肘= 3 8 矿震，井下生产设施造成严重破坏，波及地面，震坏 房屋百余间，有感震动半径5 k m ，由于该矿一矿震间题严重，被列为北京市十 大城市灾害之一，因此被迫于1 9 9 9 年闭井停采 贵州六枝化处煤矿，1 9 8 2 年2 月8 日一3 月2 0 日，连续发生6 次肘，3 o 矿震，最高震级肘。= 4 1 ，极震区2 k m2 烈度6 度，井下设施严重破坏，地表 3 栋楼房破坏较重，一些构筑物受损。 阜新煤矿进入深部开采后，矿震灾害加剧，据阜新市地震局提供的资料， 2 0 0 0 年后矿震活动水平显著增强，2 0 0 4 年1 月一2 0 0 4 年4 月1 4 日的四个月 内，m 。2 3 o 矿震发生了2 9 次，2 0 0 4 年强矿震活动水平急剧增强，前3 个 月余，盯。3 o 矿震就已经发生了1 0 次，2 0 0 4 年4 月1 4 日发生了该矿区有 史以来射，= 3 6 的最强矿震，矿山损失惨重，地表强烈震动，已经威胁到城 市安全。 随着开采深度的增加，矿震的危害相继体现在诱发强度较大、引起一定 范围的地震动，对地表建筑和环境造成损伤，给公众造成心理恐慌，矿山局 部动力灾害已经演变为整个矿山尺度或更大范围的地震动灾害，上升为社会 问题，逐步引起相关学科的重视。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 2 1 6 矿震监测方法 矿震监测是指以监视和测量各种矿震发生发展为目的的各种物理方法 和措施。常用的矿震监测方法和手段有地( 微) 震监测、地音( 声发射) 观测、 地应力测量( 动态和静态) 、煤粉观测、项底板变形观测等，其中