巴圖金·安德里安·謝爾蓋耶維奇，王志強，2

(1.莫斯科國立研究技術(shù)大學(xué)(MISiS)，俄羅斯 莫斯科 119049；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

煤礦開采過程的沖擊地壓問題屬于采礦工程和地質(zhì)力學(xué)中長期存在的復(fù)雜問題之一。俄羅斯、中國和世界的其他國家，在沖擊地壓預(yù)防與預(yù)測方法的研究、地質(zhì)動力現(xiàn)象的機(jī)理研究等方面，取得了大量的研究成果[1-8]。同時發(fā)現(xiàn)了沖擊地壓有向技術(shù)型地震轉(zhuǎn)變的趨勢[9-12]，技術(shù)型地震的發(fā)現(xiàn)補充了地質(zhì)動力現(xiàn)象，具有高度的社會和經(jīng)濟(jì)意義。地球內(nèi)部和地表工程活動的技術(shù)型地震的出現(xiàn)被認(rèn)為是一個重大的全球性的問題。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，暫時還沒有足夠的模型用來解釋某地以及其他地方產(chǎn)生的對地球內(nèi)部影響的技術(shù)型地震現(xiàn)象[13]。同時，有專家給出推測，即使是震級達(dá)到7級及以上的強烈地震與人類開發(fā)能源的影響也具有關(guān)聯(lián)性。但是，在許多發(fā)生過的大型地質(zhì)動力事件中，沒有找到關(guān)于礦山巖體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)形成地質(zhì)機(jī)理的具有代表性觀點的解釋。例如，俄羅斯在2013年發(fā)生了巴恰特斯地震，震級為6.1，震中位于巴恰特斯露天礦的下方[14]。在這個工作中提出了一個假設(shè)，強烈沖擊地壓和地震誘導(dǎo)的特性和機(jī)理與地殼中極限應(yīng)力狀態(tài)的局部卸載區(qū)域有關(guān)，這個極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域是在地殼板塊的相互作用下形成的。關(guān)于在巨大的領(lǐng)域范圍內(nèi)地殼處于極限狀態(tài)這一思想，是由И.М.佩圖霍夫提出來，然后在他的研究中進(jìn)一步得到發(fā)展[15]。

在上述研究成果中提出了假說，也就是強沖擊地壓、地震誘發(fā)的性質(zhì)和機(jī)制與地殼中極限應(yīng)力狀態(tài)卸載區(qū)域相關(guān)，而這個極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域是在地殼板塊運動的相互作用下形成的。

1 理論部分與研究方法

1.1 利用地質(zhì)動力區(qū)劃方法劃分采礦工程的危險區(qū)域

采礦工程的實踐表明，礦井的地質(zhì)動力危險現(xiàn)象的顯現(xiàn)存在區(qū)域性。直到1975年左右開始逐漸明顯確定，礦井的地質(zhì)動力現(xiàn)象顯現(xiàn)的危險性取決于巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)下的自然因素。在考慮構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)代板塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，及早劃分采礦工程危險區(qū)域的思想反映在地質(zhì)動力區(qū)域規(guī)劃方法中，這一方法是俄羅斯學(xué)者巴圖金娜И.М.和佩圖霍夫И.М.[16]在20世紀(jì)70年代末提出的。首先確定礦區(qū)開發(fā)條件下沖擊地壓顯現(xiàn)的危險性，在此基礎(chǔ)上劃分出地質(zhì)動力危險等級，地殼塊體區(qū)域的劃分是這個方法的主要目的。對地質(zhì)動力危險顯現(xiàn)的不同等級水平的現(xiàn)代地殼板塊結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力場影響的概念是地質(zhì)動力區(qū)域劃分方法的基礎(chǔ)?；谧匀?地質(zhì)動力)和技術(shù)兩個系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，在礦山巖體和地殼中能源開發(fā)的條件下，綜合產(chǎn)生了相互交叉的新學(xué)科。所取得的研究結(jié)果不僅應(yīng)用在具有沖擊危險性的煤田中，而且第一次應(yīng)用在油氣井田、建筑物選址、管道等方面[15]。

1989年，中國開始研究地質(zhì)動力區(qū)域劃分方法。遼寧工程技術(shù)大學(xué)段克信教授、張宏偉教授與佩圖霍夫И.М.、巴圖金娜И.М.教授展開合作，首先對北票礦區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)動力區(qū)劃和沖擊地壓預(yù)測研究[17，18]，然后在中國的其他礦井陸續(xù)展開研究，如淮南、平頂山、義馬、大屯、鶴壁、鶴崗、阜新、南票和新汶等[19，20]。對地質(zhì)動力區(qū)劃方法的研究發(fā)展在中國分為三個階段[21]：第一個階段(1989年—1995年)，遼寧工程技術(shù)大學(xué)與俄羅斯全蘇礦山測量研究院(ВНИМИ)的展開合作，研究關(guān)于礦井地質(zhì)動力危險性的預(yù)測問題，在中國北票礦區(qū)地質(zhì)動力區(qū)劃方法進(jìn)行了成功應(yīng)用，開發(fā)了巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)。第二階段(1996年—2005年)，遼寧工程技術(shù)大學(xué)創(chuàng)建了地質(zhì)動力區(qū)劃研究中心，將地質(zhì)動力區(qū)劃方法應(yīng)用到中國煤礦沖擊地壓防治工作中。研究團(tuán)隊建立了多因素模式識別概率預(yù)測方法，并參與了巴圖金娜И.М.教授對中國建立一級地質(zhì)動力區(qū)劃圖的工作。第三階段(2006年—)，遼寧工程技術(shù)大學(xué)成立了地質(zhì)動力區(qū)劃創(chuàng)新團(tuán)隊，創(chuàng)建了地質(zhì)動力環(huán)境評價方法，推進(jìn)了地質(zhì)動力區(qū)劃方法在中國井工煤礦的沖擊地壓預(yù)測與防治方面的廣泛應(yīng)用[22，23]。2010—2018年間，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)喬建永教授和巴圖金娜И.М.教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊在華豐煤礦完成了地質(zhì)動力區(qū)域劃分的研究工作，在劃分出6級斷裂的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊提及了一種有效防止沖擊地壓發(fā)生的采煤方法，并取得了一系列研究成果，在中國也被稱為“負(fù)煤柱”采煤方法，實現(xiàn)了“礦井有震、巷道無災(zāi)”的防治效果。中國這一系列成果已在俄羅斯得到宣傳，引起了俄羅斯學(xué)者的廣泛興趣，并受到持續(xù)關(guān)注[24，25]。

綜上，根據(jù)地質(zhì)動力區(qū)劃方法的概念，采礦工程的危險區(qū)域形成是基于各個等級地殼活動板塊相互主動影響的結(jié)果。

1.2 地殼極限應(yīng)力概念

在地質(zhì)力學(xué)方面，極限應(yīng)用理論在解釋沖擊地壓機(jī)理、支承壓力區(qū)巖體運動、露天礦邊坡穩(wěn)定性等均得到了應(yīng)用[1，2]。煤礦技術(shù)人員的研究表明，例如，巖層內(nèi)部的機(jī)器運轉(zhuǎn)、爆破以及其他對巖層邊緣部分的影響，會立即引起極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域的變化，巖層內(nèi)部重新分布載荷，并向巖體深部轉(zhuǎn)移[15]。在這個條件下，研究區(qū)域的煤層保留了彈性壓縮勢能積蓄的能力，而極限應(yīng)力區(qū)域則被視為勢能極限飽和區(qū)。如果這個區(qū)域的煤層卸載速度不高，那么會導(dǎo)致煤體出現(xiàn)彈射和沖擊地壓形式的脆性破壞。為了避免或者降低這個現(xiàn)象的產(chǎn)生，一般會采取一些特殊措施，例如降低采煤機(jī)割煤速度。

塞繆金Е.И.院士將前方最大支承壓力區(qū)域稱為“預(yù)破壞區(qū)”。在預(yù)破壞區(qū)域的整體巖塊處于極限應(yīng)力狀態(tài)，覆巖的變形通過巖塊移動產(chǎn)生，其中部分巖塊可能處于彈性狀態(tài)，處于彈性狀態(tài)的部分巖塊的移動造成預(yù)破壞區(qū)的變形，在這種情況下形成衰弱面。

佩圖霍夫И.М.對采礦活動的發(fā)展過程進(jìn)行類推，發(fā)展了能源地質(zhì)動力理論，提出了基于地殼整體的極限應(yīng)力狀態(tài)理論[15]。地殼中極限應(yīng)力狀態(tài)是在水平擠壓應(yīng)力作用下形成的，并且首先在巖層表面達(dá)到極限狀態(tài)。如果水平應(yīng)力足夠大，那么極限狀態(tài)范圍將會向地殼中更遠(yuǎn)端的巖層發(fā)展。處于極限應(yīng)力狀態(tài)巖層的特性(與煤層開采部分進(jìn)行類比)也包括內(nèi)部保存著彈性狀態(tài)的部分(體積)。在這些條件中，受開采技術(shù)影響巖體可能出現(xiàn)不同的變形現(xiàn)象(彈性變形、技術(shù)和自然地震)。

文獻(xiàn)[17]利用了地震學(xué)中的基本概念解釋了強地震機(jī)理，實際上也是利用了地震發(fā)源區(qū)域巖體極限應(yīng)力狀態(tài)理論。在一系列研究成果中，如文獻(xiàn)[26，27]直接指出，在地殼中存在著部分靠近極限平衡應(yīng)力區(qū)域的巖體，這部分巖體對于部分區(qū)域形成了地質(zhì)動力模型，可用來預(yù)先研究板塊碰撞區(qū)域向塊體內(nèi)部逐步轉(zhuǎn)移的變形[28]。

2 西伯利亞露天礦坑巴恰特斯地震的潛在性質(zhì)

2.1 巴恰特斯露天礦的區(qū)域地質(zhì)動力情況

2013年，庫茲巴斯的巴恰特斯露天礦坑發(fā)生了地震，該地震屬于煤田的大型技術(shù)型地震[14]。這次震級達(dá)到了6.1級，而震源直接位于露天礦邊坡下方4km。巨大的能量與深度已經(jīng)不能解釋為簡單采礦工程所引起的，這些論據(jù)與技術(shù)型地震特性相反。

2013年發(fā)生地震時，巴恰特斯露天礦開采深度約300m，長度約10km，寬度約2km。采礦工程活動中經(jīng)常有規(guī)律地進(jìn)行爆破，爆破過程中經(jīng)常使用350t炸藥量。庫茲巴斯是第一批開始進(jìn)行地質(zhì)動力分區(qū)工作的露天礦[16]。庫茲巴斯塊體結(jié)構(gòu)片段如圖1所示。根據(jù)對先兆、沖擊礦壓顯現(xiàn)性質(zhì)和地震的研究工作，可以采取眾所周知的實例，如地質(zhì)動力災(zāi)害事件孕育范圍R超過動力發(fā)源地尺寸L的10～20倍，甚至更多[29]。與此同時，地震發(fā)源區(qū)域尺寸L與地震能量(震級M)可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式[30]，如下：

圖1 庫茲巴斯塊體結(jié)構(gòu)片段

lg(L) = 0.57M+2.64

利用這個公式，可以得到巴恰特斯地震在M=6.1級震級的條件下震源范圍尺寸L可以達(dá)到不少于10km。根據(jù)余震范圍尺寸監(jiān)測，可以得出同樣的結(jié)論?？紤]到地震孕育范圍R=(10～20)L，可以得到巴恰特斯地震范圍R=100～200km。這個區(qū)域劃分如圖1中的灰色部分，它的尺寸與庫茲巴斯這部分地殼活動板塊的尺寸相適應(yīng)。

巴恰特斯露天礦位于庫茲巴斯西南部分的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，這里反映出兩個不同主應(yīng)力坐標(biāo)軸系的構(gòu)造階段[31]。對于庫茲巴斯西南范圍得到結(jié)論，現(xiàn)代最大擠壓力的方向與南西—北東古應(yīng)力之一的最大擠壓力方向相一致[32]。在這個應(yīng)力場中存在的北—東方向斷層，如巴恰特斯的薩拉伊爾逆斷層，經(jīng)受了逆斷層上盤發(fā)生向上移動趨勢的活化進(jìn)程，如圖2所示。

圖2 巴恰特斯露天礦地震的構(gòu)造物理學(xué)模型

按照文獻(xiàn)[7]，巴恰特斯地震的主要推動力來自逆斷層，震源深度為4km。從圖2中可以看出，逆斷層正交平面其中之一是南—西方向，假設(shè)存在的大型逆斷層活化并發(fā)生移動，可能是薩拉伊爾逆斷層，在局部應(yīng)力場控制下發(fā)生了大型逆斷層上盤的移動。

主要證據(jù)表明巴恰特斯地震具有技術(shù)特性，認(rèn)為其震中位置直接位于巴恰特斯露天礦范圍內(nèi)。然而很難解釋的是，總計深度320m的露天礦的采礦工程以什么形式觸發(fā)震級6.1級、震源深度4km的地質(zhì)動力事件[32]。但是可以嘗試?yán)玫貧O限應(yīng)力狀態(tài)的觀點給出解釋。

露天礦巴恰特斯地震的可能特性。如前所述，根據(jù)地震發(fā)源地尺寸L與震級M之間的經(jīng)驗關(guān)系表達(dá)式，震級M為6.1級，巴恰特斯地震發(fā)源地尺寸L在震源深度4km的條件下約為10km。在發(fā)源地尺寸10km和震源深度4km這種關(guān)系條件下，可以表明發(fā)源地尺寸從地表到地下占有一定的巖體范圍，如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)代觀點，地震發(fā)源區(qū)域類似于沖擊地壓發(fā)源區(qū)域，在這個區(qū)域發(fā)生了巖體的破壞。因此，可以將地震發(fā)源區(qū)域視為巖體范疇進(jìn)行研究，在這個巖體領(lǐng)域內(nèi)達(dá)到了極限應(yīng)力狀態(tài)。在巴恰特斯露天礦的條件下可以得到，地震前夕地殼從地表到幾公里深度范圍內(nèi)處于極限應(yīng)力狀態(tài)。在這種情況下，露天礦進(jìn)行爆破工作，數(shù)百萬噸巖石的移動可以作為工程活動對地殼極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域(由100～200km巨大板塊的相互作用形成的)的持續(xù)的直接影響因素。最終，這種影響可能觸發(fā)了巴恰特斯地震。在自然條件下，當(dāng)?shù)刭|(zhì)進(jìn)程速度足夠低時，巖體極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域的能量來得及在巖體內(nèi)重新分布，能夠形成動力狀態(tài)的緩和條件并且不會造成動力事件。然而，在進(jìn)行采礦工作、布置鉆孔的油井開采以及其他對巖體有影響的過程中，施加載荷的速度可能超過它的卸載速度，這樣形成了地質(zhì)動力現(xiàn)象的產(chǎn)生條件。

借助于上述觀點，可進(jìn)一步研究中國北票礦區(qū)臺吉煤礦的強烈沖擊地壓現(xiàn)象(技術(shù)型地震)。

2.2 中國北票礦區(qū)沖擊地壓的自然性質(zhì)

對采礦構(gòu)造型沖擊地壓的構(gòu)造物理學(xué)的研究表明，其顯現(xiàn)的危險性取決于大型構(gòu)造破壞的重新激活，也即相對于構(gòu)造應(yīng)力場軸的位置[33]。

臺吉煤礦是中國北票礦區(qū)具有突出-沖擊危險性的礦井之一。在這里1990年由中國和俄羅斯組成的聯(lián)合專家組完成了關(guān)于井田區(qū)域動力劃分的工作。研究確定臺吉井田與地殼中的北票大斷層相連，其范圍延展超過300km[17，18]。北票斷裂有碎片結(jié)構(gòu)，且它的碎片在臺吉礦井范圍內(nèi)發(fā)生相互移動。采礦工程條件下動力現(xiàn)象主要發(fā)生在臺吉井田范圍內(nèi)被這個斷裂穿過的領(lǐng)域。

受井田范圍內(nèi)三條大斷裂(F8，F(xiàn)9和F10)引起的強烈沖擊地壓震級可達(dá)4.2，并且它的震源大體位于巖體深部3km的位置。如圖3所示，F(xiàn)10斷層一盤的最大移動距離在巷道內(nèi)監(jiān)測得到其數(shù)值為17cm，斷層兩盤水平移動的性質(zhì)表明，移動發(fā)生的條件是在具有最大水平擠壓應(yīng)力軸形成的應(yīng)力場的影響下。

圖3 北票礦區(qū)沖擊地壓的構(gòu)造物理學(xué)模型

依據(jù)礦井巷道內(nèi)實測結(jié)果，震源區(qū)域的半徑不小于300m，且向深部可達(dá)到1～2km。如圖4中灰色區(qū)域反映的是這個沖擊地壓發(fā)育區(qū)域的大概范圍。地殼中的極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域可能是由北票斷裂碎片形成，并且直接作用于技術(shù)應(yīng)力場，這個技術(shù)應(yīng)力場是在采礦工程進(jìn)行中形成的，并且導(dǎo)致巨大能量動力現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 臺吉礦井田內(nèi)地質(zhì)動力環(huán)境

3 結(jié) 論

根據(jù)地殼極限應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)概念，揭示了采礦工程對發(fā)生在地下深處的大型地震進(jìn)程的影響，以巴恰特斯露天礦和臺吉礦井地震舉例進(jìn)行了說明，得到如下結(jié)論：

1)分析了震中深度、震級和震源范圍的聯(lián)系，證明了人類活動在資源開發(fā)過程中存在著對局部巖石的極限應(yīng)力狀態(tài)的影響。

2)在自然條件中，如果構(gòu)造形成的速度足夠低，那么極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域的能量來得及重新分布在巖石中，也就可以避免形成動力形式的破壞條件。

3)在采礦或者其他的對地下資源和地表的人類工程影響條件下，加載速度可能會超過它的卸載速度，這樣就為人為技術(shù)因素地震的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，因此，必須綜合考慮礦區(qū)的開發(fā)、開采計劃。