礦震：一種與采礦活動相關(guān)的特殊誘發(fā)地震類型詳解
礦震，也稱為礦山地震或采礦誘發(fā)地震，是一種直接由地下采礦活動（如煤炭、金屬礦、鹽礦開采等）引起的地震事件。它與天然構(gòu)造地震有本質(zhì)區(qū)別，是人類工程活動改變地下應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致的特殊地震類型。
一、礦震的核心特征
誘發(fā)根源明確： 直接由采礦活動（爆破、掘進(jìn)、采空區(qū)形成、頂板垮落、卸壓等）引發(fā)。
震源深度淺： 通常發(fā)生在采礦工作面附近或采空區(qū)上方幾米至幾百米深度，遠(yuǎn)淺于天然地震（通常數(shù)公里至數(shù)十公里）。
震級相對較小： 大部分礦震震級較小（ML < 3.0），但破壞性強(qiáng)的礦震可達(dá)ML 4.0-5.0甚至更高（如南非深部金礦）。
與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)： 常發(fā)生在斷層帶、褶皺軸部、堅硬厚層頂板、高應(yīng)力集中區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造薄弱或應(yīng)力易集中區(qū)域。
時空分布集中： 集中在礦區(qū)范圍內(nèi)，與采礦活動的時間、空間高度相關(guān)（如工作面推進(jìn)、大面積頂板垮落前后）。
破壞形式特殊： 除地震波引起的地面震動外，更主要的是在井下造成巖體突然猛烈破壞（如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巷道底鼓、片幫冒頂?shù)龋瑢θ藛T和設(shè)備構(gòu)成直接威脅。
二、礦震的主要成因機(jī)制
礦震的發(fā)生是采礦活動擾動了原始地應(yīng)力場，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布和集中，最終超過巖體強(qiáng)度極限而發(fā)生突然破裂釋放能量的結(jié)果。具體機(jī)制包括：
采空區(qū)應(yīng)力重分布與集中：
- 礦石被采出后，形成采空區(qū)，上覆巖層的重量轉(zhuǎn)移到周圍煤/巖柱和工作面前方煤/巖體上。
- 導(dǎo)致采空區(qū)邊緣（煤柱、工作面煤壁前方、上下順槽）、斷層附近、向斜軸部等區(qū)域產(chǎn)生極高的應(yīng)力集中。
- 當(dāng)集中應(yīng)力超過煤/巖體的極限強(qiáng)度時，巖體發(fā)生突然、猛烈的失穩(wěn)破壞，釋放大量彈性能，產(chǎn)生震動。
堅硬頂板大面積斷裂/垮落：
- 當(dāng)采空區(qū)上方存在堅硬、巨厚、完整的巖層（如砂巖、礫巖）作為頂板時，其不易隨采隨垮。
- 隨著采空區(qū)面積增大，懸露的堅硬頂板承受的彎矩和拉應(yīng)力不斷增加。
- 達(dá)到臨界狀態(tài)時，頂板發(fā)生突然、大面積的斷裂或整體切落（“見方垮落”），產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊震動。
斷層活化：
- 采礦活動改變了斷層周圍的應(yīng)力狀態(tài)，降低了斷層面上的正應(yīng)力（法向壓力）。
- 當(dāng)斷層面上的剪應(yīng)力克服了降低后的摩擦力時，斷層會發(fā)生突然滑動（粘滑），引發(fā)地震。這是誘發(fā)較強(qiáng)礦震（ML > 3.0）的重要機(jī)制。
高能爆破誘發(fā)：
- 大規(guī)模、大藥量的深孔爆破本身會產(chǎn)生強(qiáng)烈震動。
- 更重要的是，爆破沖擊波可能擾動附近的地質(zhì)構(gòu)造（如斷層）或高應(yīng)力區(qū)，使其提前或觸發(fā)失穩(wěn)，產(chǎn)生更大的震動事件。
煤（巖）柱失穩(wěn)：
- 設(shè)計不合理或長期受載的煤柱，在集中應(yīng)力作用下可能發(fā)生突然的壓剪破壞或劈裂破壞，引發(fā)震動。
瓦斯壓力作用（在煤礦中）：
- 高壓瓦斯氣體在煤體中積聚，一方面降低了煤體的有效應(yīng)力，另一方面氣體膨脹能參與破壞過程。在煤與瓦斯突出過程中，往往伴隨強(qiáng)烈的震動。
三、礦震的主要危害
井下直接災(zāi)害：
- 沖擊地壓： 礦震最劇烈的表現(xiàn)形式之一，瞬間釋放巨大能量，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重破壞、設(shè)備損毀、人員傷亡。
- 煤與瓦斯突出： 強(qiáng)烈的震動可能誘發(fā)或加劇突出。
- 頂板大面積垮落/切落： 造成強(qiáng)烈的空氣沖擊波（颶風(fēng)），摧毀巷道、設(shè)備，造成人員傷亡。
- 巷道破壞： 劇烈震動導(dǎo)致巷道片幫、冒頂、底鼓、支架變形破壞。
- 誘發(fā)透水： 震動可能破壞隔水層或?qū)ɡ峡账鄬铀⒑畬铀瑢?dǎo)致礦井突水。
地面影響：
- 地面震動： 較強(qiáng)的礦震（通常ML > 3.0）可被地面居民感知，引起恐慌，可能造成老舊房屋輕微損壞。
- 地表沉陷/變形： 礦震往往是大規(guī)模巖層移動的前兆或伴隨現(xiàn)象，加速地表沉陷和變形過程。
四、礦震的監(jiān)測與預(yù)警
微震監(jiān)測系統(tǒng)：
- 在井下和地表布設(shè)高靈敏度地震檢波器（傳感器），實時捕捉巖體中產(chǎn)生的微小破裂（微震）信號。
- 通過分析微震事件的時空分布、能量（震級）、震源機(jī)制等參數(shù)，圈定應(yīng)力異常區(qū)和高風(fēng)險區(qū)域，評估巖體穩(wěn)定性狀態(tài)，是預(yù)測沖擊地壓/強(qiáng)礦震的核心手段。
地音監(jiān)測：
- 監(jiān)測巖體破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射（AE）信號，原理類似微震，但頻率更高，監(jiān)測范圍較小，常用于工作面或局部區(qū)域的實時監(jiān)測。
應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測：
- 在煤巖體內(nèi)部鉆孔安裝應(yīng)力計、應(yīng)變計，直接測量應(yīng)力變化和變形，評估應(yīng)力集中程度。
鉆屑法：
- 在潛在危險區(qū)域打鉆，測量鉆孔排出的煤粉量及其變化，判斷煤體應(yīng)力狀態(tài)和沖擊危險性（主要針對沖擊地壓）。
地球物理方法：
- 電磁輻射法、震動波CT（層析成像）等，用于探測地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場分布和破壞區(qū)。
綜合預(yù)警：
- 基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)（微震、應(yīng)力、鉆屑量、瓦斯涌出量等），結(jié)合地質(zhì)采礦條件，利用統(tǒng)計分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法建立綜合預(yù)警模型，發(fā)布不同級別的風(fēng)險預(yù)警。
五、礦震的防治措施
源頭防控（優(yōu)化設(shè)計）：
- 合理布局： 避免在強(qiáng)構(gòu)造區(qū)（大斷層、向斜軸部）布置工作面；采用合理的開采順序（如避免形成孤島工作面、刀把工作面）。
- 優(yōu)化采煤方法與參數(shù)： 選擇能有效卸壓的開采方法（如長壁垮落法優(yōu)于房柱式）；合理確定工作面長度、推進(jìn)速度、采高。
- 保護(hù)層開采： 先開采鄰近的、無沖擊危險的薄煤層（或巖層），使下方（或上方）有沖擊危險的主采煤層得到充分卸壓。
區(qū)域卸壓：
- 大直徑鉆孔卸壓： 在高應(yīng)力區(qū)施工大直徑鉆孔（? 100-300mm），破壞煤體完整性，釋放彈性能，降低應(yīng)力集中。
- 深孔爆破卸壓： 在高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行深孔爆破，人為制造裂隙區(qū)，轉(zhuǎn)移和釋放集中應(yīng)力。
- 高壓注水軟化： 向煤體高壓注水，降低煤體強(qiáng)度和彈性模量，增加塑性，削弱其積聚彈性能和突然破壞的能力。
局部解危：
- 在工作面煤壁前方、巷道兩幫、煤柱等局部高應(yīng)力區(qū)，采用煤體鉆孔卸壓、爆破卸壓、煤層注水軟化等措施。
- 加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度與韌性，采用強(qiáng)力錨桿（索）支護(hù)、可縮性U型鋼支架、液壓支架等，提高抗沖擊能力。
加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急管理：
- 建立完善的微震等監(jiān)測系統(tǒng)，實時分析數(shù)據(jù)，及時發(fā)布預(yù)警。
- 制定科學(xué)有效的應(yīng)急預(yù)案，在預(yù)警后或發(fā)生強(qiáng)礦震后，迅速組織危險區(qū)域人員撤離，采取緊急卸壓措施。
法規(guī)與規(guī)范：
- 嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》、《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》等相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，對沖擊地壓（強(qiáng)礦震）礦井進(jìn)行鑒定、設(shè)計、開采、監(jiān)測、防護(hù)等全過程管理。
總結(jié)
礦震是采礦活動深刻改變地下應(yīng)力環(huán)境所誘發(fā)的一種特殊地震類型，其淺源特性使其對井下安全構(gòu)成巨大威脅，尤其是引發(fā)沖擊地壓等災(zāi)害。理解其成因機(jī)制（應(yīng)力集中、頂板斷裂、斷層活化等）是防治的基礎(chǔ)。通過優(yōu)化開采設(shè)計、實施卸壓措施、建立完善的微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以及嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程，可以顯著降低礦震的發(fā)生頻率和災(zāi)害程度，保障礦山安全生產(chǎn)。隨著深部開采和復(fù)雜條件開采的增加，礦震的預(yù)測和防治仍然是礦山安全領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)和研究熱點。
