1、地震活動與礦井頂板事故影響關系統計分析陳 波1，梁漢東2（1北京大學 地球與空間科學學院，構造教研室 北京100871；2中國礦業大學（北京） 煤炭資源教育部重點實驗室，北京100083）Chen Bo, Liang, Handong ,Statistical Analysis on Relevant Relationship between Rock Accidents and Earthquakes Chen Bo, School of Earth and Space Sciences , Peking University, Beijing China 100871Liang, Hand

2、ong (State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining. Beijing 100083 Abstract: The statistical research on the frequency of rock fall and earthquakes has obtained the following knowledge: (1) There is a good frequency response between rock fall accidents and macro-seismic (2)Quite a few micro

3、-seismic occurs at the same time with some rock falling accidents nearby. Some active faults pass through these coalmines, some earthquakes are caused by mining activity, and some response with macro earthquakes. The phenomenon is important, and is progressive for coalmine safety production: To give

4、n coalmines, looks for all the active faults around coalmines that affect itself most, the earthquakes on these faults will become “weatherglass” of coalmine accidents and coalmine accident will also become “stress windows” for the active faults. Roof accidents should be taken as an evidence of tect

5、onic stress fluctuation, which will interrupt dynamic equilibrium of stress on mining site. Key words: earthquake; rock fall ; tectonic; coalmine geological accident .摘要: 本文針對地震活動與頂板事故進行時空序列統計分析，得出兩點新認識：1頂板事故與宏觀地震序列有較強的頻率對應，似乎是“遙相呼應”；2相當多的頂板事故伴隨有周邊小震發生。推測部分原因是這些礦井位于地震帶附近，部分原因是采礦卸壓引發礦震，一些地震可能是宏觀地震序列中

6、的一部分。如果能夠掌握，并加以利用，對于安全生產具有一定意義：對既定煤田，查找周邊對礦區地應力影響強烈的地震帶或斷裂帶，這些礦井頂板事故有可能成為周邊地震帶或斷裂帶的“應力窗”，而地震帶或斷裂帶的活動又成為煤礦地質災害的“晴雨表”。在煤田大區，可以把頂板事故群發當作構造應力擾動的一種反映，作為大區構造應力擾動傳入礦區，再與開采卸壓作用疊加，引起地質災害的證據。關鍵詞：地震活動; 構造運動; 頂板事故; 礦井地質災害 1 前言自2001年以來，我國煤炭企業平均每天發生5-6起頂板事故，1.5起瓦斯事故，0.4起透水事故，其中，頂板事故總數占災害總數的75%以上，死亡人數與瓦斯事故相當。頂板事故單

7、次死亡人數較低，但是，頻率相當高，是造成人員傷亡的最主要的礦井災害，因此，有效的控制頂板事故，對于礦井安全生產具有重要的意義；與此同時，自2001年，中國及其鄰近地區進入新的地震活躍期，相繼有多次7-8級地震發生，這些宏觀地震往往引發大范圍中小地震，顯示大區發生應力擾動的事實；另一方面，對于礦井小區域，頂板事故是小區域應力擾動最直接的證據，那么，大區構造應力擾動與小區開采卸壓能否相互作用，是問題的核心，因此，本文針對地震活動與頂板事故影響關系，進行了統計分析，并得到看似肯定的結果。收稿日期：2009年4月29日；修回日期：2009年5月12日作者簡介：陳波 男，籍貫：黑龍江五大連池市北京大學地

8、質系博士 專業：構造地質學 方向：災害地質學 Email：chenbo3124sina. com身份證號：2326231 電話：概念認識：凡與應力擾動有關的災害，如：底板上鼓，片幫，煤巖突出，巖崩等事件統一歸為頂板事故應力擾動事件。數據可靠性認識：（1）頂板數據引自安監局，只包含造成人員傷亡的頂板事故，顯然，還有更多未造成人員傷亡的頂板事件沒有被記錄下來，那么，這種不完整的數據是否具有科研價值？在礦井環境中，各種應力釋放事件難以計數，完全記錄幾乎不可能，相關部門的事故認定準則客觀上形成一個嚴格的數據篩選標準，所有的應力擾動事件本身并沒有任何區別，而選取引發傷亡的頂板事件作為樣本提取標準，具有很

9、好的代表性，避免了樣本選取中的不均衡問題。 （2）引起頂板事故的因素有很多：沖擊地壓，礦震，煤與瓦斯突出等，因此，一方面，頂板事故有其事故性確屬誤操作，另一方面，又可能受到非人為因素影響。2 頂板事故與地震對應分析2.1頂板事故與宏觀大震中國及鄰近地區，在宏觀大震發生后，其他相鄰地震帶上，中小地震頻率顯著上升，震中呈離散分布，范圍遍及整個歐亞大陸，顯示板塊發生宏觀應力擾動。2001年11月14日，昆侖山口8.1級地震發生之后，中國大部分地區均發生不同程度的地震活動，近場有川滇南北地震帶及其北西向地震帶，遠場有北東向太平洋西岸地震帶，尤其是臺灣地震活動頻繁，從2001年12月至2002年13月，

10、發生了3次7級以上地震（ms7.5,7.1,7.4）（圖1，標簽2-4）；2003年9月27日至10月4日，阿爾泰北部發生ms7.8，7.3，6.9級強烈地震，緬甸發生ms7.0級地震，隨后中國北西向、北東向（太平洋西岸地震帶）頻發中小地震，其中，以臺灣地震帶和日本地震帶活動最為強烈；2004年9月3日，日本群島以南發生強烈地震（ms6.3，6.5，7.4，7.3級），隨后北東向地震帶地震活動明顯增強，如臺灣和菲律賓群島，12月印度洋發生地震，接著臺灣，菲律賓群島，日本群島地震活動頻發；2005年3月20日，日本發生ms7.3級地震；2005年10月8日，巴基斯坦發生ms7.6級地震，2006

11、年2月1日，印度洋再次發生強烈地震，中國大陸大部，臺灣，日本等地震帶地震活動再度響應；2008年5月12日中國汶川又發生8級地震。宏觀大震序列分布規律：(1) 時間上緊湊，空間上此起彼伏。2001年來的宏觀地震都比較緊湊，間隔不到一年時間。空間上集中在中國及鄰近地區地震帶上。(2) 大震主導，小震響應。大震發生后，不僅發震斷裂，其他不同構造帶、應力場也會發生更多中小震，所以，“地震序列”在本文中包含更大范圍的中小震，震中離散分布。(3) 北東向太平洋西岸地震帶對宏觀地震響應強烈，其中，以臺灣和日本群島附近地震最為密集，震級也最大。相對應的頂板事故有“遙相呼應”的跡象，宏觀地震發生前后，頂板事故

12、頻率顯著升高，空間位置更加離散；空間分布上與宏觀地震表現出一定的方向特征，如中國臺灣地震帶有大的地震活動，大陸礦井頂板事故就在距離臺灣較近發生，或者事故礦井呈北東向，北西向展布。時序頻率分析是按一定周期對各種災害記錄頻率進行統計，分析頻率對應狀況。時序頻率統計發現頂板事故與遠場大震頻率有對應跡象（如圖，震級格式包括Ms，Ms7，ML，mb，mB。震級換算存在很大誤差，故計算中直接使用，不做轉換）。12345678101112139圖,2001年1月2006年9月,地震活動與礦井災害序列,周期3天,單位:次Fig.1 time-space sequence of earthquake and c

13、oalmine accidents 2001.01-2006.09. period: 3 days,unit:number of events1昆侖山口地震20011114 ， 2臺灣地震 20011215至18日臺灣ms7.5臺灣地震2002年1月11日至14日 4太平洋西岸沿線北東向及中國大陸北西向地震（群震）2002511至14日， 5臺灣地震（群震）20021023至26日 6川滇南北地震帶及日本北部地震2002年12月1日至4日7阿爾泰北部，俄羅斯境內地震（群震）2003924至10月3日8唐山地震20031024至27日， 9日本群島以南200493至6日10日本島中部地震 200

14、41021至24日， 11印度洋及太平洋西岸北東向地震帶（群震）20041226至29日12印度洋，臺灣及以中國為中心的歐亞板塊大范圍地震 2006129至2月1日，13印度洋（群震），格爾木地震200636至9日（箭頭：農歷新年；標簽：2001.012006.9期間，主要地震活動）如圖1所示，多處出現頂板事故頻率與地震頻率對應的時間點，幾乎每次宏觀地震序列都有頂板事故的高頻率對應。對于構造運動與礦井頂板事故影響關系，單純從頻率對應情況分析會很局限，應該參照這種“大震主導，小震響應”地震序列分布模式，因此，針對頂板事故與近場地震對應關系進行了空間對應分析。2.2頂板事故與近場地震空間對應分析，

15、以發生時間為主線，對所有災害事故進行空間投影，是所有災害時空序列的一次“回放”，能夠直接反映各類災害事故之間存在的聯系。本文以“3天”時長為單位，將頂板事故進行投影，發現相當比例的頂板事故，有近震對應。(見圖2)圖2地震活動與頂板事故空間對應，限于篇幅，只列舉2001年9月2003年12月對應數據，(災害定位取縣級行政中心坐標)Fig 2. Locations of earthquake and rock accidents, due to space limitations, data from 2001.09 to 2003.12 is listed(accidents location

16、get that of county administration center)地震活動，圓點粒度顯示震級大小頂板事故，注：同一藍點可能發生多次頂板事故。規律總結：(1) 伴隨頂板事故的地震活動，震級多為25級，距離事故礦井10850公里(2) 有些是天然地震帶普通地震(3) 有些是宏觀地震序列中的中小震(4) 有些可能是礦震，或由采煤卸壓引起的斷裂帶發震(5) 小震較之大震對頂板事故對應的現象更多在近、現場尺度，與伴隨事故發生的周邊地震多為25級小震，但是這些地震的來源不同，有些是天然地震帶普通地震。如位于川滇南北斷裂帶的攀枝花，鹽源，涇源等地，地震帶與礦井分布重合，斷裂帶穿越礦區，這些地

17、區的礦井即使不發生頂板事故，地震也照常發生；有些可能是宏觀地震序列的一部分，前已述及，中國及其鄰近地區在宏觀大震發生后，各斷裂帶、應力場都受到影響，表現為大范圍發生中小地震，發震點遍及整個歐亞板塊的大多數活動斷裂帶。2.3地震能量與頂板事故對應分析35級小震對頻率分析的貢獻度很高，但是，小震的能量低，從地震能量的角度分析地震與頂板事故對應情況似乎更支持遠震的相關性。 圖3 地震能量與頂板頻次，間隔7天，地震能量單位：（109）爾格，頂板數據單位：次數Fig.3 earthquake energy and frequency of rock accidents .7days period, ea

18、rthquake energy unit 109 erg, rock accidents unit :number of rock fall accidents從對應數據看，頂板事故與天然大震對應關系較好，見表1表1.地震能量與頂板事故頻率Tab 1，frequency of rock accidents and natural earthquake energy分類總峰值數（個）峰峰相對（個）峰谷相對（個）高能量660低能量431整體上，能量與頂板事故頻率峰峰相對的次數絕對高于峰谷相對，顯示著兩種事件正相關。2.4既定礦區，頂板事故有連發和多發現象在礦井災害記錄中，相近礦區頂板事故的連續發生

19、現象非常普遍，基本可以認定是頂板事故的基本規律。雞西，七臺河等地地域遼闊，頂板事故相對較少，災害連續發生現象容易識別，而在西南六省區，礦井空間距離近，各類災害事故頻繁發生，近距離連續發生現象更加普遍，但是，較難說清。與地震相比，同一的應力擾動幅度可能更容易引起頂板事故，所以，頂板事故的頻發，可以表征相關時空范圍內存在應力擾動。以雞西，七臺河，內江為例，列舉小部分典型的頂板事故。2004年5月24日17時黑龍江雞西市恒山區永華煤礦工人違章作業發生頂板事故。 2004年5月25日10時，黑龍江雞西市雞冠區新城煤礦發生頂板事故。 2004年7月3日0時，黑龍江雞西市雞冠區堿場煤礦六井(國有地方)井下

20、發生頂板事故。 2004年7月3日19時，黑龍江雞西市滴道區晨豐煤礦（鄉鎮有證）井下發生頂板事故。 2004年 7月13日0時，黑龍江雞西市恒山區立新礦雙安煤礦(地方國有)井下發生頂板事故。2004年7月14日6時，黑龍江雞西市雞東縣福利煤礦（國有地方）井下發生頂板事故。2004年7月15日15時，黑龍江雞西市城子河區振興煤礦(鄉鎮有證)井下發生頂板事故。 2004年7月15日0時，黑龍江雞西市雞冠區東寧縣巨源煤礦(鄉鎮有證)發生頂板事故。 2005年8月25日0時，黑龍江七臺河市新興區地豐煤礦(鄉鎮、五證齊、B類）發生頂板事故。 2005年8月25日22時，黑龍江七臺河市茄子河區一座非法煤礦

21、發生一起頂板事故。 2005年8月27日3時20分，黑龍江七臺河市新興區七臺河精煤集團新興煤礦井下頂板事故。 2005年8月29日17時10分，黑龍江七臺河市新興區七臺河精煤集團新建煤礦井下頂板事故。2005年8月29日15時30分，黑龍江七臺河市桃山區七臺河精煤集團龍湖煤礦井下頂板事故。 2005年10月22日13時，四川內江市威遠縣連界鎮金河煤礦發生一起頂板事故。2005年10月22日21時50分，四川內江市威遠縣山王鎮龍河煤礦發生一起頂板事故。3 分析總結() 頂板事故與宏觀地震序列似乎有“遙相呼應”跡象，中國及鄰近地區每當有級以上大地震發生，在隨后的“小震響應”過程中，頂板事故與中小震

22、頻率對應情況良好。() 頂板事故與微觀地震有較強的聯系，比例占5%左右，震級級，距離事故礦井1080公里，這些微震與頂板事故共同反映礦井近場發生過應力擾動，屬天然地震還是礦震，尚難界定。() 頂板事故本身具有明顯的原地多發，復發，以及與其他礦井災害叢集特征發生等現象，顯示礦井頂板事故并非孤立發生，彼此可能存在影響關系，至少可以證明礦區應力擾動的事實，較大的應力擾動，造成的可能是一系列礦井災害。4 機理分析煤田與地震帶分布空間大部分重合，這是我國煤田與地震帶分布的一大特點（見中國煤層瓦斯分布特征 58頁），我國川滇南北地震帶，北東向，北西向地震帶，多數活動斷裂或者穿過煤田，或者從旁邊經過，但是，

23、總體上與煤田距離不遠。采掘卸壓會造成煤田場地應力擾動，構造運動也會造成應力變化，二者并行又相互影響。4.1應力擾動與地震的關系宏觀大震：震前應力緩慢集中，時間可達幾十年到幾百年，震后劇烈釋放，只持續幾天到幾周，之后可能緩慢釋放，擾動的應力被地層以形變方式吸收。震后應力劇烈釋放可能是引發大范圍應力擾動的根源；中小震：也是一個“集中破裂釋放”過程，只是持時、擾動值、影響范圍等都很小，震級越小，可能持續時間越短。4.2以“過程”理解地震活動與頂板事故楊力生總結說：煤與瓦斯突出多發生在小構造應力集中區,而小構造具有繼承積累大構造應力集中的特征。突出礦井必定分布在煤田應力集中區,突出煤田必定分布在大區構

24、造應力集中區,突出大區必定分布在大地構造沉降應力集中帶911。概況的說，構造應力的傳遞類似于“冰排”擠壓效應，在地殼中，沿著實際承載應力的活動塊體傳遞，而不是均勻傳遞，正是通過這些地塊，煤田才與大區連接在一起，各自獨立運動又彼此相互影響。這些承力塊體上的任何卸壓活動均會影響大區構造應力，而大區的任何構造應力擾動，也會通過這些地塊傳遞到礦井。假設采掘活動和構造運動互相并不影響，二者發震到一定階段，必然會引發應力擾動事件頂板事故和地震活動。頂板事故誘發過程也可以理解為“集中（積累）破裂釋放”過程。如果把二者相互影響的因素考慮進來，構造運動與頂板事故的影響關系就是“過程和過程”之間的影響關系。“過程

25、”分大過程和小過程，大過程如宏觀地震的孕震過程；小過程如小震和頂板事故誘發過程，同類“過程”之間，不同“過程”之間相互影響，結果是有些被消減、延緩，有些被增強，加速。每個“過程”發生“破裂”時，是對其他過程產生影響的時刻，如果采取科技手段監測每一過程的發展階段，深入研究過程與過程之間的影響，那么，可能會減少一部分礦井災害，甚至，對一部分地震進行預報。從現象上看，應力擾動以下幾個來源：（1） 來自構造運動宏觀地震引發整個區域發生較大的應力擾動(大尺度)，傳遞到局部區域（包含多個礦井的大區）活動斷裂帶，引發中、小震（中尺度）后，繼續傳遞到煤田場地（小尺度），可能引起來壓周期異常，加之場地小構造影響

26、，引發頂板事故；另外，礦井附近地震帶的一般活動，應力擾動幅度較大也可能引起附近礦井災害事故；（2） 來自人工開采開采卸壓，當卸壓應力積累到一定程度，突然發生破裂，應力釋放引發礦井災害；事故引發事故：一處頂板事故造成場地地壓失衡，應力波傳遞到周邊礦井，導致周邊礦井發生頂板事故，瓦斯事故或透水事故。5 科研意義對既定煤田，查找周邊對礦區地應力影響強烈的地震帶或斷裂帶，這些礦井頂板事故有可能成為周邊地震帶或斷裂帶的“應力窗”，而地震帶或斷裂帶的活動又成為煤礦地質災害的“晴雨表”。在煤田大區，可以把頂板事故群發當作構造應力擾動的一種反映，作為大區構造應力擾動傳入礦區，再與開采卸壓作用疊加，引起地質災害

27、的證據。6 討論探索遠、中、近場的應力擾動與地質災害之間的影響規律，實現地震活動與礦井地質災害的互報，是地學近年出現的研究熱點之一，并被認為是防震減災的新思路。然而，從天然地震到礦井災害，應力傳遞需要跨越不同層次的活動地塊，又跨越不同應力場，范圍大而過程復雜，似乎無從入手。筆者研究發現深入研究后發現：無論從時空關系上，還是應力傳遞上，礦震都是問題的核心，在整個過程中，起到“承上啟下”的作用。邏輯上，如果天然地震能夠引發礦震，而礦震又能夠引發礦井災害，那么，“天然地震可能引發礦井災害”這個命題也是成立的，因此，該課題也可以被分解研究：(1)天然地震與礦震影響關系1-4；(2)礦震與礦井地質災害影

28、響關系5,8,9。從這個意義上講，地震活動與礦井災害之間影響關系課題應該不完全屬于新課題。地震數據來自中國地震臺網目錄(E80°-E140°,N9°N59°震級0-10)；頂板數據來自國家安全生產監督管理總局（2000-012006-10)，在此一并致謝。References:1 Li Tie, Earthquake-induced Unusual Gas Emission in CoalminesA km-scale in-situ experimental investigation at Lao Hutai mine ,International

29、Journal of Coal Geology,2007,71,209224. 2 Xiao H P, Mechanism of the Tectonic Mine-earthquake in Coal District, Hua nan Geology,1999,18(213), 141-146. (in Chinese)3 Xiao H P,Coalmine Earthquake Stress Windows Effect,South China Journal of Seismology, 1999,19(1), 85-90. (in Chinese)4Zhang S Q, Ren Z

30、Q, et al,The Usage of Middle Scale Earthquake Prediction Proving Ground on Mentougou Coalmine ,Acta Seismologica Sinica,1996,18(4),529-537. (in Chinese)5Liang H D, Shanxis Continual mining-gas explosion happening in possible Response to Kun Lun shan s Earthquakes ,Science Technology and Engineering,2002,3(2),197-200. (in Chinese)6Li S Y, He X S, et al, Recent Developments of Mining Seismology f