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矿震之间的关联性 精选

已有 5220 次阅读 2022-3-7 09:28 |个人分类:建言献策|系统分类:观点评述

我培养的一位博士,凭优异业绩去年拿到了海外优青,34日从外地专程来京看我。那天晚上,十多位学生、同事与朋友和我一起欢聚一堂,共话桑麻。席间某同事对我说:你的亲学生成长了、有成绩了,看把你乐的。我答曰:其他老师的学生虽不是我的亲学生,但取得了好成果,我也同样高兴;我们这一代人正在逐渐老去,不久将退居二线,若年轻人接不上,事业何以发展呀?

闲话就此打住,回到正题。

采矿过程中的岩爆、岩崩、片帮、煤与瓦斯突出、矿井塌陷、采空区塌陷、顶板冒落、涌水突泥等,都属于矿山灾害(简称为矿灾)。其之所以发生,是由于在应力作用下,围岩被损伤至其断裂点(一般为峰值强度点)而失稳。

一般说来,自地球内某些部位岩石(如断层中的锁固段和非锁固段)的裂纹起裂点起,就开始破裂,每次破裂会产生应力降释放弹性应变能——地震,只不过在断裂时释能较大从而震级较大而已。当然,若破裂事件规模很小,即震级很小,可能不被地震台网记录。

上述矿灾在孕育过程中和发生时一般能产生或伴随有矿震。注意矿灾通常指围岩失稳(断裂)引起的灾害,此时矿震震级较大。我国矿震的震级一般不超过4级,大多数矿震不超过3级,其中某些能造成严重的人员伤亡和财产损失。

最近,看了篇文献【1】,说根据统计分析认为相距甚远(>5km)的矿灾或矿震事件之间通过“应力扰动”有关联,出现丛集现象。如果说相距较近,从力学作用上看确有可能;但相距这么远,不大可能啊。我虽觉难以置信,但质疑也得理性啊。

的确,沟通这些事件之间联系的抓手是应力。那么,某事件一旦发生,对下一次事件的应力作用怎样呢?这存在三种作用,其一是静态应力作用,其二是动态应力作用;其三是两者的耦合作用。诸君呐,心急吃不了热豆腐,听咱慢慢道来。

1、近场的静态应力作用

如上所述,在原岩应力(自重应力与构造应力)和采掘应力作用下,巷道围岩每一次破裂(矿震)都会因应力降产生应力重分布(静态应力作用),导致某些部位应力升高——应力集中,而某些部位应力降低;这些部位统称为应力影响区。一次矿灾(如顶板冒落)发生后,若应力转移给邻区的幅度大,则导致其应力集中程度高;若应力水平达到了断裂点,可能需要扰动触发而失稳;若超过了断裂点,则能直接造成其失稳。影响应力转移幅度的因素很多,其中传播距离是重要的影响因素之一。

众所周知,静态应力在含有大量节理裂隙、断层的岩石中传播时,随距离增加是快速衰减的。譬如,文献【2】指出,静态库仑应力一般随着距发震断层距离倒数的3次方而迅速衰减。由于其衰减很快,主要表现为近场作用,即应力影响区的范围受限;换句话说,超出该范围,可认为其外的岩石所处应力状态已十分接近原岩应力,即其基本不受应力重分布影响。容易理解,应力集中区(部位)可能再次破裂产生下一波地震,如某次较大地震后附近的后续地震(震群)。文献【3】对多个震例的研究表明,震级越高,通过静态库仑应力触发地震的距离(震源之间距离)也越远;震级5.5-8.1地震相应触发的后续地震多“丛集”于5-50km范围内。文献【4】通过实测和分析指出,采煤工作面对掘进工作面发生矿震的最大影响距离(即静态应力最大影响范围)为750m,这是迄今为止我看文献所能找到的最大距离值。

上述研究给我们以启示:(1)破裂事件越小,静态应力影响范围越小;(2)对不超过4级且震源深度较浅的矿震(破裂事件),虽然我目前不能给出具体的静态应力影响范围数据,但其应远小于5km(上述5.5级地震对应值)。

再回到矿灾或矿震事件上来。根据以上分析,可认为相距甚远(>5km)的事件,不可能通过静态应力作用产生关联。

2、远场的动态应力作用

地震波通过某一区域时产生的即时瞬态应力变化称之为动态应力。由于动态库仑应力一般随着距发震断层距离倒数的1.66次方衰减【5】,其比静态库仑应力衰减要慢得多,这意味着其在远场的作用不可忽视。然而,根据附录的计算结果,一次4级地震在距震源5km处产生的动应力变化很小,只能视为应力扰动。我们知道,应力扰动只有在围岩处于临界状态(断裂点)时才可能起作用导致其失稳(矿灾);否则,可忽略其作用。再者,对某一个矿山的某一开采区而言,采掘应力扰动远大于远场应力扰动;因此,与其说远场应力扰动触发了下一次矿灾,不如说近场采掘应力扰动触发了下一次矿灾。

3、两者的耦合作用

由对前两者的分析知,无论是静态应力作用,还是动态应力作用,均重在近场,故两者的耦合作用也如此。嗯,“舍近求远”不可取也。

综上,因未考虑应力传播随距离衰减这一客观规律,故文献【1】宣称的“相距甚远(>5km)的某些矿灾或矿震是丛集案例”乃无稽之谈。

其之所以得出这样的认识,是因为:研究区范围越大,包含的矿山越多,发生的各种灾害事件也越多(尤其是2000-2006年间的小煤矿,因开采力度大且安全管理措施跟不上,不时会出事儿),故越能找到几次时间上相近的事件。我认为此乃巧合耳,因为作者未提供物理依据确认其有内在关联(因果关系)。

如果缩小统计范围,虽然灾害事件相对较少,但由于事件空间距离越近越可能存在强力学作用,似乎这些事件都应以丛集方式发生,这是合理的推断。然而,文献【1】的统计分析结果为“煤矿灾害较少,丛集现象极少”。这种不一致性再次表明,其发现的事件丛集现象仅限于统计层面,而并非是客观事实。

众所周知,即使统计分析得到事件之间的相关性很好,也不能认定事件间存在因果关系;如果相关性很差,更谈不上因果关系。文献【1】的统计结果是“近一半的灾害事故呈现丛集特征”,这说明相关性不好,更遑论“丛集现象的真实性和可靠性”。

总之,利用统计分析结果推断事件的因果关系具有强非确定性,据之难以得出可靠结论。只有从事件之间的内在本质联系(机理)出发,再结合数据分析佐证,才能得出较为可靠的结论,这才是正确方法。

历经长期探索,人们已认识到某矿山某处较大的矿震发生前,其附近确有较小的矿震丛集现象【8】。因为这些矿震发生在同一个块体,应力转移仅在其内进行,故这样的认识靠谱。根据岩石力学原理,自岩石的体积膨胀点起,由于裂纹的自发联接和贯通,开始出现破裂事件的显著丛集现象;当断裂时,大破裂事件发生(图1)。这在原理上能被清晰地解释。

image.png

图1 天然闪长岩试样应力-应变-AE能率曲线【9

C点为体积膨胀点或损伤应力点)

至于矿灾或矿震和天然地震是否有内在关联?若看懂了上述内容,就知该如何看待了。

地质事件的演变主要牵涉到物理过程,掌握其演变机理和规律需要丰富的地学和力学知识以及物理学思想。鉴于此,有志于攻克地质难题的学者,需融会贯通之,才能拥有挑战难题的知识储备;否则,眼高手低,徒劳无功矣。

撰写本文的目的,是通过剖析具体事例提醒诸君:科学探索之路上陷阱密布,须小心提防。为尽量做到此,应不断提升自己的学术素养,扩大知识面,多和高手交流。

附录

因为目前尚无非常可靠的方法准确计算动应力随传播距离的衰减,不得已只能采用估算方法。

若把破裂源(震源)简化为圆形区域,且参考文献【5-6】的研究,则动应力降与传播距离的关系可粗略表达为:

Dsd=Dsd0(a/r)b

式中,Dsd0为震源处的动应力降,r为距震源的距离,a为装药源半径或破裂源半径,Dsd0r处的动应力降,b为衰减系数。当震源为爆炸时,b=3;为地震时,b=1.66。根据文献【7】的研究,较大地震的Dsd0通常约为1-10MPa

若一个半径为10m的圆形顶板(相当于跨度20m,在实际中不算小)冒落,顶板断裂时相应的矿震为4级(取Dsd0=1MPa),则在r=5km时,Dsd=3.31×10-5MPa。这说明在震源处1MPa的应力变化,传播到5km时引起的应力变化为3.31×10-5MPa。如此小的应力增量,相当于微小的应力扰动。只有在顶板处于临界状态(位于峰值强度点),该扰动才可能导致下一次顶板冒落;否则,绝无可能。

参考

【1】陈波.中国煤矿灾害与地震活动时空分布丛集特征的初步研究[J]. 地学前缘, 2016, 23(3):156-169.

2Steacy S, Nalbant S S, Mccloskey J , et al. Onto what planes should Coulomb stress perturbations be resolved? [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2005, 110(B5).

3】王璞, 王成虎, 武志德,等. 基于案例分析的库仑应力变化触发地震机理探索[J]. 地震工程学报, 2019, 41(4): 1006-1014.

4】李铁张建伟吕毓国周澎乔中栋陈双虎采掘活动与矿震关系[J].煤炭学报,2011, 36(12), 2127-2132.

5Lay T, Wallace T C. Modern Global Seismology [M]. Academic Press, 1995.

6】陈文昭, 刘夕奇, 李斌. 岩体爆炸应力波衰减规律的颗粒流数值模拟[J]. 南华大学学报(自然科学版), 2016, 030(001):118-123.

7Kanamori, H. Energy Budget of Earthquakes and Seismic Efficiency [M]. Academic Press, 2001:293-305.

8】蔡明华.常村煤矿矿震时空分布规律分析研究,2020https://max.book118.com/html/2020/0601/6050134123002204.shtm

9】高子兴, 夏冬, 杨意德,. 基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究[J]. 采矿技术, 2018, 18(1):51-55.



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