張永剛 ，田 有 ， 李大偉 ， 滕 偉

（1.吉林大學，吉林 長春 130000； 2．黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；

3．鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗 154100； 4.黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責任公司，黑龍江 鶴崗 154100）

0　引言

鶴崗是一座因煤而立，由煤而興的城市，煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42公里，東西走向6公里，面積252平方公里。自民國開始開采，將近百年開采史，煤炭開采帶來經(jīng)濟效益的同時是對環(huán)境的改變，這其中最具破壞力的就是煤礦瓦斯爆炸。

近年來，隨著龍煤鶴崗礦區(qū)各煤礦逐步進入深部開采，礦震等煤巖動力災(zāi)害在峻德、南山等煤礦陸續(xù)顯現(xiàn)，對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。為確保礦工的生命安全和礦井的高效安全開采，需亟待弄清鶴崗礦區(qū)全境范圍及特定礦井采掘工作面的沖擊礦震誘發(fā)機理及活動規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)探索礦區(qū)及礦井具體工作面沖擊礦震等動力災(zāi)害的危險性和相關(guān)性的研究就顯得尤為必要。

據(jù)研究表明，天然地震與礦震之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，尤其是近場的天然地震發(fā)生后會激發(fā)礦震的發(fā)生概率，同時天然地震、礦震的發(fā)生也會激發(fā)瓦斯的異常涌出，進而引發(fā)強烈的瓦斯爆炸。2009年興山煤礦“11.21”、2013年振興煤礦“3.11”，2013年峻德煤礦“3.15”等礦難的發(fā)生，給礦工的生命安全和經(jīng)濟社會的發(fā)展造成了巨大危害。鶴崗地區(qū)的礦震次數(shù)由過去的300余次/年，上升至600余次/年，特別是在興安、峻德、南山、興山等煤礦，礦震、瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害尤為突出。

1　天然地震與礦震及瓦斯的相關(guān)性

在近場區(qū)域發(fā)生天然地震前后一段時間內(nèi)會誘發(fā)本區(qū)域煤礦發(fā)生礦震，在礦震發(fā)生后會引發(fā)瓦斯爆炸，這一系列的事件之間雖不存在必然關(guān)系，但是也存在某種程度的關(guān)聯(lián)，尤其是在煤礦與地震震中間均存在某些地質(zhì)構(gòu)造上的關(guān)聯(lián)[1]。

2002-06-29T01：19，吉林汪清發(fā)生M 7.2級深源（h=570 km）地震； 2002-07-05T01：46至2002-07-06T23：21，分別在距震中430 km的黑龍江鶴崗南山、大陸、俊德發(fā)生了5次ML1.0級以上礦震，2002-07-08T14：50，鶴崗鼎盛煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。該深源地震發(fā)生后的6天，觸發(fā)了鶴崗的礦山地震活躍度，而瓦斯在礦震的作用下在巷道內(nèi)匯聚，造成重大災(zāi)害。

2009-11-14T19：34，黑龍江嘉蔭發(fā)生ML2.0級地震；2009-11-14T13：46至2009-12-21 T17：42分別在距震中160 km的黑龍江鶴崗俊德、富力、新興、大陸發(fā)生了8次ML1.0級以上礦震，2009-11-21T02：29黑龍江新興煤礦瓦斯爆炸。嘉蔭與鶴崗?fù)幱谝朗鏀嗔褞П倍蔚奈鞅P，屬同一構(gòu)造區(qū)域，該地震發(fā)生后7天，鶴崗礦區(qū)的礦震頻度及強度明顯增強，此次瓦斯爆炸造成百余人遇難。

2013-01-05T16：58，阿拉斯加東南部發(fā)生M 7.9級強地震；2013-01-09T04：59，在距離震中約5000km的鶴崗峻徳礦發(fā)生ML3.1級礦震，峻徳礦綜采一隊回風（3水平北17層3.4區(qū)一段）9日05：13、05：43、06：21連續(xù)出現(xiàn)了3次瓦斯超限警報。2013-01-18T20：58，在鶴崗益新礦發(fā)生ML3.0級礦震，益新礦綜采一隊上隅角（3N2后部區(qū)15號層零段）18日01：06出現(xiàn)了瓦斯超限警報。此次地震雖然距離遠，但震級大，在4天后鶴崗礦震從能量釋放來看，震級大、頻度高，尤其是對整個東北板塊影響還持續(xù)了一段時間。

2013-03-05至2013-03-08，3天 時 間 內(nèi)鶴崗礦區(qū)共發(fā)生15次ML1.0級以上的礦震，其中超過ML2.5級的有2次，分別是2013-03-08T08：11ML2.5級 礦震和 2013-03-08T08：11ML2.7級礦震。2013-03-11T02：30，振興煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。在瓦斯爆炸之前的礦震頻度及強度明顯呈增強趨勢，且在礦震發(fā)生后的數(shù)小時內(nèi)，多個巷道出現(xiàn)了瓦斯超限警報。

2013-03-15T04：03， 峻 徳 礦 發(fā) 生ML1.5級 礦 震；2013-03-15T04：05， 峻 徳 礦 發(fā) 生ML1.0 級礦震；2013-03-15T05：17，峻徳礦發(fā)生ML3.7級礦震；05：25峻徳礦綜采一隊工作面（3水平北17層3.4區(qū)1段）、05：43綜采一隊上隅角（3水平北17層3.4區(qū)1段）、06：21綜采一隊回風（3水平北17層3.4區(qū)1段）分別出現(xiàn)了瓦斯超限警報。此次礦震發(fā)生后18min～2h內(nèi)，瓦斯數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了異常涌出的現(xiàn)象，在瓦斯異常涌出的區(qū)域與礦震發(fā)生的位置密切相關(guān)，此類相關(guān)需要更進一步的區(qū)域化和網(wǎng)格化。

2015-11-14T04：51我國東海海域發(fā)生M 7.2級地震，2015-11-15T03：20我國東海海域 發(fā) 生M 6.0級 地 震；2015-11-15～2015-12-15鶴崗礦區(qū)連續(xù)發(fā)生53次ML1.0級以上礦震；2015-12-13T22：20,峻徳礦發(fā)生ML2.5級礦震，2015-12-15T11：33,峻徳礦發(fā)生ML2.9級礦震；2015-12-16T14：30，黑龍江鶴崗向陽煤礦發(fā)生瓦斯爆炸。

2016-01-02牡丹江林口發(fā)生M 6.2級深源地震，2016-01-03至2016-01-06鶴崗礦區(qū)連續(xù)發(fā)生10次ML1.0級以上礦震；2016-01-07T05：43俊德礦多層面連續(xù)出現(xiàn)多次的瓦斯超限警報；2016-01-21T07：37，鶴崗興安礦發(fā)生3.8級礦震，2016-01-21T08：10同時在新興礦和俊德礦均出現(xiàn)了瓦斯超限警報。

從以上數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，天然地震與礦震、煤礦瓦斯爆炸之間存在某些關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)是有章可循的，但僅從這些有限的樣本中很難統(tǒng)計出量化規(guī)律。開采導致應(yīng)力狀態(tài)失衡誘發(fā)礦震，礦震帶來的空間壓力瞬間失衡，導致吸附、游離態(tài)的瓦斯瞬時聚集結(jié)合，不再以自由氣態(tài)形式存在[2]。在一定條件下，當壓力、溫度的變化時，瓦斯在密閉的空間中濃度到達爆炸臨界點就形成了災(zāi)難。

（1）在近場及相互關(guān)聯(lián)構(gòu)造區(qū)域天然地震發(fā)生之后，4～10天時間內(nèi)，鶴崗區(qū)域內(nèi)的礦震活動頻次及震級都會有明顯的增高趨勢。這表明天然地震加劇了礦區(qū)的應(yīng)力積累，在采空區(qū)及應(yīng)力臨界區(qū)域會有明顯的釋放。

（2）在部分的礦震發(fā)生后，在距離震中一定的范圍內(nèi)，1～2天時間內(nèi)，甚至是18min時間內(nèi)，會有瓦斯異常涌出的事實，這個事實證實瓦斯異常涌出是煤巖體破裂的結(jié)果。

（3）瓦斯的涌出可能存在多種可能性，礦山的開采本來就會伴隨著巖體的活動和破裂，另外地下水的活動也是其誘因之一[3]。

2　礦震與瓦斯突出的機理

煤炭開采誘發(fā)地震（采礦業(yè)稱為沖擊地壓）是采礦誘發(fā)的動力地質(zhì)災(zāi)害之一。礦震是在采礦活動和區(qū)域應(yīng)力場作用影響下,使采區(qū)及周圍應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài),采區(qū)局部積累的一定能量以沖擊或重力方式釋放而產(chǎn)生的巖體振動。據(jù)不完全統(tǒng)計,上世紀80年代以來東北地區(qū)的黑龍江鶴崗煤礦的礦山地震水平逐漸增強，礦震的震源淺，頻度高，災(zāi)害大，較強烈的礦震會引起地表強烈震感或地面建筑物的嚴重破壞。礦震是礦區(qū)礦山地下工程災(zāi)害的一種，在黑龍江四大礦山開采程度以及礦山地震的活動性來看，鶴崗地區(qū)無疑是比較突出的一個。研究工作表明,礦震的發(fā)生除人為開采因素外,礦山所處構(gòu)造環(huán)境和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場狀況與其有密切關(guān)系[4]。

礦震與瓦斯突出之間存在著必然的聯(lián)系，而是礦山動力災(zāi)害，本質(zhì)上都是“礦井開采應(yīng)力失衡后的煤巖微破裂產(chǎn)生—貫通—擴展—破裂失穩(wěn)”的過程[1]。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的。游離狀態(tài)也稱為自由狀態(tài)，這種瓦斯以自由氣體狀態(tài)存在于煤體或圍巖的裂縫、孔隙之中，隨著貯存空間的體積、壓力和溫度等劇烈變化，其不再以自由氣態(tài)形式存在，幾種狀態(tài)的瓦斯處于不斷變化的動平衡之中，在一定條件下會互相轉(zhuǎn)化，導致瓦斯的異常涌出現(xiàn)象。在瓦斯異常涌出的前后加強礦井的瓦斯監(jiān)測和通風，稀釋和排出瞬間聚集的瓦斯氣體，將其濃度控制在礦山安全的閾值以下，是保障開采的必要條件。

3　結(jié)論與討論

目前國內(nèi)外很多人關(guān)注和礦山地震相關(guān)的研究，我們也是希望通過我們的不斷探索和研究，為我省的煤炭生產(chǎn)安全和礦區(qū)的人民財產(chǎn)安全方面有所貢獻。從震源機制、礦震成因等分析了礦震與礦山次生災(zāi)害相關(guān)的機理，礦山地震或周圍區(qū)域的天然地震對礦山瓦斯溢出、隔火墻的密閉等會產(chǎn)生一定的影響，可能直接導致了次生災(zāi)害的發(fā)生。

僅憑借肉眼人們很難準確的辨識各種動力災(zāi)害源，尤其是遠離開采工作面的深部巖體破裂震源。因此，采動煤巖破裂及應(yīng)力場演化過程的研究需通過一定監(jiān)測手段加以實現(xiàn)。其中，采動應(yīng)力場的直接實觀測難度較大，相對而言，監(jiān)測采動煤巖的微破裂和震動過程則容易得多，震源參數(shù)的確定性也較高，因此，采用煤巖破裂的高精度微（礦）震監(jiān)測技術(shù)，加以配合大尺度的地震監(jiān)測、礦震監(jiān)測，已逐漸成為國內(nèi)外礦山動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的重要手段和必然選擇。

（1）天然地震的能量傳播對礦震的影響非常明顯，而礦震在特定條件下對周邊礦井的瓦斯異常涌出需要更進一步的區(qū)域化和網(wǎng)格化。

（2）從天然地震對礦震的影響時間與震級、震中距等相關(guān)性來看，時間尺度約為4～10d，礦震對礦井瓦斯的影響從時間尺度來看約為18min～2h，而這種能量的傳播通道目前并未明確，地震波列的傳遞中是否有其它彈性體物質(zhì)的擠壓和影響需要進一步研究。

（3）大尺度的地震和礦震監(jiān)測，結(jié)合煤礦的SOS微震監(jiān)測與高采樣的瓦斯聯(lián)合觀測，可對礦震（沖擊地壓）與瓦斯相互誘發(fā)的災(zāi)害開展預(yù)警研究，尤其是高瓦斯、突出和沖擊地壓礦井進行預(yù)警模型的搭建很有必要。

參考文獻：

[1]李鐵,蔡美峰. 地震誘發(fā)煤礦瓦斯災(zāi)害成核機理的探討 [J]. 煤炭學報，2008，（10）：1112-1116.

[2]李世愚. 礦山地震、瓦斯突出及其相關(guān)性[C]//煤礦安全與地球物理學術(shù)研討會論文集2006：9.

[3]李世愚. 瓦斯溢出與礦震相關(guān)的若干證據(jù)及其對地震成因的啟示[C]//中國地球物理學會第二十屆年會論文集.中國地球物理學會：2004：1.

[4]李世愚. 礦震與瓦斯的相關(guān)性及其在地球物理學中的意義[C]//中國地球物理第二十一屆年會論文集.中國地球物理學會：2005：2.