冒落型矿震成因机理的研究

冒落型矿震成因机理的研究

谷新建　副教授

(湘潭工学院资源工程系)

学科分类与代码:620130350

【摘　要】　冒落型矿震属于塌陷地震的范畴,其形成和演化受到区内自然因素和人为因素的作用。笔者研究了顶板冒落的前兆特征、发展过程、运动形式和致崩原因,探讨了冒落型矿震的成因机理,提出了由于地下开采引起采空区顶板冒落,释放能量,诱发矿震的观点。

【关键词】　地下开采　顶板冒落　能量释放　矿震

Origin and Mechanism of Mine Tremor due to Falling-in

G u Xinjian,Assoc.Prof.

(Department of Resource Engineering,Xiangtan Polytechnic University)

Abstract:　The mine tremor due to falling-in appertains a kind of seismic subsidence.Its formation and evolution are affected by many natural and man-made factors in this region.The precursor char2 acteristics,development process,movement mode and genesis of the roof fall are studied.The origin and mechanism of mine tremor due to falling-in are probed into.The author considers that the mine tremor may be induced by the energy release when roof falling after the underground mining.

K ey w ords:　Underground mining　Roof fall　Energy release　Mine tremor

1　引　言

冒落型矿震是由于采空区顶板冒落而引起的矿山岩层震动,属于诱发地震的范畴,亦称为人为地震。从现有的资料来看,虽然这类地震震级不是很高,但由于震源浅、震中烈度偏高,故破坏性较大。它与天然地震虽有共同基础,但它们在孕育和发展过程中又有很多不同之处。尽管前人已就矿震的形成机理、预测和防治等课题开展了大量的研究工作,并取得了显著成果,但仍有很多问题尚未获得根本解决[1]。因此,研究冒落型矿震的成因机理,对完善地震科学理论,具有重要的理论意义。

在我国,地下金属矿床空场法开采的比重约为55.7%,在国外使用空场法的矿山也较多,平均比重也大于50%,并且大部分矿山未进行空区处理,采场顶板大面积垮落、地表开裂和塌陷、矿震等恶性矿山灾害时有发生,对矿山井下生产及工人安全构成很大的威胁。特别是随着矿山开采深度不断加大,深部地压活动将越来越剧烈,由此而引起采空区顶板冒落诱发矿震的可能性也会随之而增加。据1993年不完全统计,我国煤炭部门已有65对矿井发生此灾害,其中35对累计发生过2000余次具有破坏性的采掘诱发地震,造成数以百计的人员伤亡[2]。因此,研究冒落型矿震的成因机理,对矿山防震减灾和安全生产,同样具有非常重要的现实意义和指导作用。

2　冒落型矿震特征及前兆现象

2.1　冒落型矿震特征

根据采空区顶板的冒落形式和冒落量,可将冒落型矿震分为因围岩发生微量位移或少量顶板岩石垮落所导致的微震活动;围岩极限应力区脆性破坏,

第12卷第2期2002年4月

中国安全科学学报

China Safety Science Journal

Vol.12No.2

Apr.2002

采空区顶板岩石较大面积垮落所导致的冲击地震和因顶板大规模崩塌而发生的塌陷地震3种。这些地震都伴随采矿活动而发生,且仅限于矿区,故称它为采矿诱发地震,简称矿震。

多发生在开采深度较大、岩性坚硬难冒和地质构造复杂的采空区,并具有以下特征:震中分布范围小,无明显迁移现象;震源浅、震级小、烈度高;地震波形简单、周期较大、面波清晰、衰减极快(见图1);地震时,一般伴随响声和空气冲击波等[3]

。

图1　冒顶震相曲线

2.2　顶板冒落的前兆现象

由于采矿活动,破坏了原岩体的应力平衡,采

场、围岩和矿体内应力重新分布,形成次生应力场,使矿柱、采场顶板和围岩发生位移和变形,甚至发生破坏。根据湖南锡矿山锑矿的经验[4]:

首先征兆是岩层发响,称为“岩音”。大响(如炸雷声)是岩层深部离层和断裂;小响(如鞭炮声)

表明岩层浅部受压破坏。响声由深部向浅部和矿柱扩展,频率由低向高增加。大冒落前数天响声剧增,冒落前夕的声响每分钟达70次以上。此时,采场顶板岩层和矿柱承压破坏发响,连续不断,预示大冒落即将来临。

第二个现象是采场顶板松动和掉块。大冒落前3个月内掉块次数为1.5～6次/h ;临近大冒落前约10余天,增加到15～17次/h ;在大冒落前夕,剧增至27～30次/h 。第三个现象是矿柱破坏和采场顶板下沉、开裂、局部冒落。在大冒落前一个月时,发生裂隙和剥落的矿柱占矿柱总数的12%;在大冒落前3个月,顶板下沉速度为0.3～0.5mm/d ,并出现

采场底鼓、巷道开裂等现象。

3　冒落型矿震成因机理分析

3.1　顶板冒落的影响因素

巷道和采空区顶板冒落是多种因素综合作用的结果,并受很多条件制约,主要包括两个方面:

一是矿区地形地质条件,即矿体形态、矿层厚度、埋藏深度、水文及工程地质条件、矿体产状、地质构造、矿石和围岩物理力学性质和化学性质等自然因素;

二是矿区的开采技术条件,即开采深度、开采方法、采空区体积及其形态、采空区处理方法等人为因素。自然因素是自然形成的,难以改变。人为因素是人为造成的,可随人的主观意志为转移,只要开采技术条件适当,就可避免或减轻矿山顶板冒落灾害的损失。

3.2　拱形冒落理论

矿山采掘过程中,由于在地下形成的巷道和采空区破坏了原岩体的应力平衡,致使巷道和采空区

的顶板岩层在自身重力和上覆岩层的压力作用下,应力重新分布形成次生应力场,于是产生向下的顶板弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超过该岩层的抗拉强度极限时,直接顶板便首先发生断裂和破碎。

一般而言,顶板冒落总是以部分岩层缓慢破裂为先导,随着破裂过程的不断延深,有关岩体最终将从母体中脱落下来,并相继冒落。俄罗斯的M ・M 普罗托吉亚科夫,德国的哈元和吉列策尔等人通过对顶板冒落的调查,认为巷道和采空区的顶板往往冒落成一抛物线拱形而最终稳定下来,形成自然平衡拱,如图2所示。3.3　能量假说

顶板岩石冒落的过程本身就是能量释放的过程。根据能量原理,冒落岩石的重力势能为:

E p =m gH

(1)

式中,E p ———冒落岩石的势能,J ;

m ———冒落岩石的质量,kg ;g ———重力加速度,g =9.8m/s 2;H ———冒落高度,m 。

将空区顶板岩石冒落看成自由落体运动,岩石

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16・第二期 谷新建:冒落型矿震成因机理的研究