摘　要　本文通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，得出湖南省青山硫鐵礦區(qū)發(fā)生地震的主要原因是：由于地質(zhì)構(gòu)造和地壓活動(dòng)引起采空區(qū)頂板冒落、能量釋放，而形成塌陷地震。同時(shí)，作者總結(jié)了事故的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可為類似條件的礦山或工程提供借鑒。
　　關(guān)鍵詞　青山硫鐵礦　地質(zhì)構(gòu)造　地壓活動(dòng)　頂板冒落　地震

ANALYSIS OF CAUSES OF EARTHQUAKE
IN QINGSHAN PYRITE MINE AREA

Gu Xinjian
（Xiangtan Institute of Technology）

　　Abstract:In this pater,based on a field investigation and analysis,the main causes of earthguake occurred in the Qingshan Pyrite Mime area are pointed out.The geologic structural activity and ground pressure lead to roof fall,energy release and earthguake of sink.The author sums up a lesson of this accident,which can be helpful for other related mines.
　　Keywords:Geologic structure,Ground pressure,Roof fall,Earthquake

1　概　況
1.1　地震災(zāi)情簡(jiǎn)介
　　根據(jù)湖南省婁底、益陽、寧鄉(xiāng)、長(zhǎng)沙地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，1996年7月1日22時(shí)57分在湖南省漣源市伏口鎮(zhèn)與安化縣高明鄉(xiāng)交界之處，青山硫鐵礦區(qū)內(nèi)(北緯28°02′，東經(jīng)111°49′)發(fā)生了M_L2.6級(jí)地震。地震時(shí)震區(qū)內(nèi)的群眾普遍有感，當(dāng)時(shí)聽到地下“轟”的一聲巨響，隨之房屋晃動(dòng)，門窗作響，人有上拋感，地表少數(shù)房屋開裂破壞，礦山井下四個(gè)采場(chǎng)垮塌，垮塌面積達(dá)1000m²(見圖1)，采場(chǎng)礦柱和礦壁遭嚴(yán)重破壞，井下設(shè)備也被損壞。此次地震雖然震級(jí)不高，但震源極淺，烈度較大，破壞性大。經(jīng)專家組現(xiàn)場(chǎng)鑒定，礦井不宜恢復(fù)生產(chǎn)，青山硫鐵礦從1996年7月2日起被迫停產(chǎn)，宣布閉坑，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3000多萬元，間接損失難以估計(jì)。

圖1　220中段垮塌區(qū)平面圖

1.2　礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件
　　青山硫鐵礦區(qū)位于華南加里東—印支褶皺帶一級(jí)構(gòu)造單元中的雪峰山北部邊緣，加里東褶皺帶的東南緣，湘中印支褶皺帶北部高峰隆起帶邊緣，區(qū)域褶皺為龍坳向斜揭起端偏東部，為一單斜構(gòu)造。出露的地層為震旦系燈影組硅質(zhì)巖、陡山沱組炭質(zhì)板巖、南沱冰磧礫泥巖、南泥長(zhǎng)石石英砂巖、江口組板會(huì)礫砂巖，上覆蓋層為古生代、中生代和新生代地層，其總厚度為2500～7000m，地層傾向SW235°～250°，傾角為25°～35°。礦區(qū)為一狹窄中低陡坡溝谷地形地貌，地表遍布溶洞、石芽、洼地，屬“喀斯特”地形。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，主要有F₃扭動(dòng)-平移正斷層，其長(zhǎng)度大于7km，走向NE-SW，傾向NW320°～335°，傾角30°～51°，平移推距752m，垂直斷距340m，橫切地層走向，形成礦區(qū)北部邊界。并在F₃斷層下盤平行發(fā)育一組張扭性次一級(jí)斷層7條(f₁～f₇)切割地層和礦體，這些斷層走向均為NE-SW，傾角大于80°，斷層平均間距約為28.9m，見圖2、表1。

表1　斷層特征表

編號(hào) 切割
標(biāo)高
(m) 切割
層位 走向
長(zhǎng)度
(m) 平均垂
直斷距
(m) 平均水
平斷距
(m) 傾向 傾角 斷層
性質(zhì) 簡(jiǎn)單描述 F₃ 0以下 D₃S～D₂t 2300 340 752 320°～335° 30°～51° 正斷層 地層錯(cuò)位，斷層破碎帶寬約2～15m，并含有泥砂角礫，褐鐵礦和水等。 f₁ +150 D₂q⁴₂～D₂q²₂ 220 16.4 24.7 335°～356° 85°～88° 正斷層 地層錯(cuò)位，見擦痕，為隱伏斷層。 f₂ +220 D₂q⁰₂～D₂q²₂ 258 10 14.5 350°～356° 85°～88° 正斷層 地層錯(cuò)位，斷層面平直，局部是角礫巖，為隱伏斷層。 f₃ +190 D₂q⁴₂～D₂q²₂ 270 5.4 10 350°～353° 85°～89° 正斷層 地層錯(cuò)位，斷層面平直，局部是角礫巖，為隱伏斷層。 f₄ +170 D₂q⁴₂～D₂q²₂ 305 11.4 12.5 160°～172° 82°～88° 正斷層 地層錯(cuò)位，斷層破碎帶氧化深度在+260m標(biāo)高以下，為隱伏斷層。 f₅ +170 D₂q²₂～D₂q³₂ 300 5 8.2 152°～178° 85°～88° 逆斷層 地層錯(cuò)位，斷層面平直，局部是角礫巖，為隱伏斷層。 f₆ +200 D₂q²₂～D₂S¹₁ 310 2 7 162°～172° 81°～88° 正斷層 地層錯(cuò)位，斷層破碎氧化帶寬度1～3m，深度在+220m標(biāo)高以下。 f₇ +170 D₂q³₂～D₃S¹₁ 280 2.8 4 170°～172° 85°～89° 正斷層 地層錯(cuò)位，構(gòu)造線較穩(wěn)定。

圖2　地質(zhì)縱剖面圖
　　1.石灰?guī)r；2.砂巖；3.角礫巖；4.千枚巖；5.礦體；6.地質(zhì)界線；7.F₃斷層；8.次一級(jí)斷層；9.余田橋組龍口沖段下部細(xì)粉砂巖、生物灰?guī)r及白云巖互層；10.棋梓橋灰?guī)r段上蝕變帶；11.棋梓橋灰?guī)r段中蝕變帶；12.棋梓橋灰?guī)r段下蝕變帶

　　該礦區(qū)水文地質(zhì)為中等偏復(fù)雜類型，屬季節(jié)性大氣降雨、洞穴裂隙水流垂向補(bǔ)給的礦床，無地下河流，井下最大洪峰涌水量為2500m³/h，最小涌水量為70m³/h，正常涌水量為250m³/h。
1.3　礦山開采技術(shù)條件及開采歷史
　　該礦屬同生沉積-改造型礦床，礦體受地層控制，賦存于泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組灰?guī)r中，礦體走向與圍巖基本一致，為NW-SE。礦體產(chǎn)狀多為似層狀，透鏡狀和扁豆?fàn)?，礦體傾向230°～240°，傾角25°～35°。礦體分布長(zhǎng)373m，寬556m，總面積約為0.21km²，共計(jì)探明硫鐵礦地質(zhì)儲(chǔ)量545.63萬t，其中工業(yè)礦石量為283.75萬t。全區(qū)共有9個(gè)礦體，為一緩傾斜薄礦脈群體礦床，礦體平均厚度為4m，多層礦體層間間距一般為7.5m，并有穿層現(xiàn)象，礦石含硫平均品位為26.15%，礦體頂、底板均為灰?guī)r，礦石堅(jiān)硬，圍巖穩(wěn)固，但受斷層和裂隙破壞，上部礦體被氧化成泥狀褐鐵礦，深部斷層和裂隙附近的礦體也遭受了氧化和溶蝕，則不穩(wěn)固。其礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　礦巖物理力學(xué)參數(shù)表

名　稱 體重
(t/m³) 堅(jiān)固系數(shù)
f 抗壓強(qiáng)度
(MPa) 抗拉強(qiáng)度
(MPa) 松散
系數(shù) 安息角 礦　石 3.56 14～16 140 9.8 1.65 39°05′ 圍　巖 2.83 12 121 8.5 1.65 36° 　　礦山采用下盤主、副斜井開拓，多層不規(guī)則房柱采礦方法開采。開采深度已達(dá)250m，開采歷史已有300多年。1978年以前開采285中段以上的褐鐵礦，估計(jì)采出褐鐵礦50萬t，1978年以后開采285中段以下的原生硫鐵礦，共計(jì)采出硫鐵礦130.54萬t，約占地質(zhì)儲(chǔ)量的24%，累計(jì)形成采空區(qū)總體積約為80萬m³。其中最大采空區(qū)為220中段341—2號(hào)采場(chǎng)，其體積約為1萬m³(采空區(qū)寬30m，傾斜長(zhǎng)度68m，傾斜厚度5m)。采空區(qū)形狀一般為傾斜似層狀和不連續(xù)的雞窩狀。開采至今未進(jìn)行采空區(qū)處理。
2.地震前兆現(xiàn)象
2.1　婁底地震活動(dòng)簡(jiǎn)史
　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，婁底歷史地震記載為公元1528～1936年共發(fā)生地震11次，1972～1987年發(fā)生弱震35次^〔1〕。它們主要分布在東經(jīng)111°～112°，北緯27°以北，主要集中在礦山和水庫附近，以及構(gòu)造帶巖溶十分發(fā)育的碳酸鹽巖石地區(qū)。地震震級(jí)雖然不高，但烈度偏大，給人民的生產(chǎn)和生活造成了一定的損失。近10多年以來婁底地區(qū)微弱地震活動(dòng)較為頻繁，查婁底地震辦總第20期地震簡(jiǎn)訊，1995年11月16日至1996年3月28日在湖南省漣源市七星和伏口兩鎮(zhèn)境內(nèi)發(fā)生了4次M-L3.1級(jí)左右的有感地震，地震波及七星和伏口兩鎮(zhèn)所屬的甘溪、洞源、紅仙、半山等村。震中在甘溪和半山，等震線圖長(zhǎng)軸呈NE走向，有感面積達(dá)50km²。震區(qū)內(nèi)無大中型水利工程和井下礦山，但區(qū)內(nèi)斷裂和巖溶發(fā)育，經(jīng)地震部門調(diào)查分析，預(yù)測(cè)該區(qū)仍有小震活動(dòng)發(fā)生。
2.2　礦區(qū)構(gòu)造活動(dòng)和地壓現(xiàn)象
　　青山硫鐵礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，并有構(gòu)造活動(dòng)跡象，在地表可以看到F₃斷層的移動(dòng)痕跡，下盤明顯下沉，斷層破碎帶明顯張裂擴(kuò)大，并在地表已形成了一個(gè)300m×500m的陷落區(qū)，陷落區(qū)深度約為1～2m。在井下220中段和260中段可見f₄、f₅斷層面有擦痕。285中段以上的褐鐵礦采空區(qū)多數(shù)已自然垮落，285中段以下也有較為明顯的地壓活動(dòng)現(xiàn)象，如220中段341采場(chǎng)礦柱受壓剪切破壞，260中段4號(hào)沿脈鋼筋混凝土澆灌的巷道受壓破壞，底板下沉等，在井下有時(shí)還可以聽到“咝咝”、“啪啪”、“嘣嘣”的巖音，特別是在220中段241沿脈f₄斷層附近出現(xiàn)一個(gè)高應(yīng)力區(qū)，見圖3(1993年至1994年光彈應(yīng)力計(jì)測(cè)定結(jié)果)。最高應(yīng)力值達(dá)10.4MPa，超過了斷層附近巖石的抗壓強(qiáng)度，1996年2月至6月在此高應(yīng)力區(qū)附近發(fā)生了4次采場(chǎng)頂板局部垮落，平均每次垮落巖石50m³左右。

圖3　220中段測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布曲線

3　地震原因分析
　　地震是一種地質(zhì)現(xiàn)象，是地殼運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)，是地球上的震動(dòng)。而產(chǎn)生地震的原因是多種多樣的，它可以由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因引起天然地震，也可以由人為活動(dòng)而產(chǎn)生誘發(fā)地震^〔2〕。如礦山井下開采誘發(fā)塌陷地震，簡(jiǎn)稱礦震。關(guān)于青山硫鐵礦區(qū)發(fā)生地震的原因，目前有幾種不同的看法，一些人認(rèn)為它是由于汨羅-灰湯-新寧斷裂最新活動(dòng)引起的，屬于婁底地震活動(dòng)群的余震型地震；而另一些人則認(rèn)為是礦區(qū)采礦導(dǎo)致井下采空區(qū)頂板巖石突然冒落，誘發(fā)礦山塌陷型地震。作者多次深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，認(rèn)為青山硫鐵礦區(qū)發(fā)生地震的主要原因與下列因素有關(guān)。
　　(1)婁底地震活動(dòng)影響
　　根據(jù)有關(guān)資源分析^〔3〕，汨羅—灰湯—新寧斷裂是存在的，是一條統(tǒng)一的地殼斷裂，該斷裂起于汨羅，經(jīng)寧鄉(xiāng)延至婁底附近，現(xiàn)時(shí)作NE40°～50°延伸，長(zhǎng)約200km，寬約數(shù)公里至十?dāng)?shù)公里的一個(gè)條帶，由F₁₇、F₁₈兩條平行延伸的斷層之間及其近側(cè)組成的一個(gè)斷帶。斷帶以東是湖南東部新華夏構(gòu)造的集中帶，斷帶以西則是湘中弧形構(gòu)造帶(或稱祁陽弧形構(gòu)造帶)的北翼。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)(公元202～1954年)湖南省境內(nèi)發(fā)震總數(shù)為242次，其中148次地震直接位于汨新斷裂帶上，或位于斷裂帶兩側(cè)，直線距離不超過50km范圍內(nèi)。由此說明以斷帶為中心的地震頻數(shù)較大，雖然不能肯定這些地震全系本斷帶所致，但也足以說明它是第四紀(jì)以來仍在活動(dòng)的活動(dòng)斷層，是最重要的發(fā)震構(gòu)造。因此前人推斷汨新大斷裂經(jīng)過婁底，將婁底地區(qū)劃為五級(jí)(六度)地震危險(xiǎn)區(qū)。多數(shù)人認(rèn)為婁底地震原因主要是受汩新大斷裂最新活動(dòng)影響，誘發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，在人為活動(dòng)集中的礦山和水庫附近，以及一些構(gòu)造帶巖溶十分發(fā)育的碳酸鹽巖石分布區(qū)發(fā)生地震。
　　(2)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)
　　青山硫鐵礦位于湘中印支褶皺帶北部高峰隆起帶邊緣，為湘中弧形構(gòu)造帶北冀，距離“汨新大斷裂”F₁₇斷層46km，距離1995年11月16日至1996年3月28日發(fā)生在湖南省漣源市七星和伏口兩鎮(zhèn)境內(nèi)的4次有感地震范圍僅5km，且同為石炭系和泥盤系地層，受“汨新斷裂”和湘中弧形構(gòu)造帶活動(dòng)影響，按照區(qū)域地震活動(dòng)規(guī)律，容易使青山硫鐵礦區(qū)不穩(wěn)定，誘發(fā)礦區(qū)主斷層F₃活動(dòng)，同時(shí)可以引起F₃下盤雁行排列的一組次一級(jí)斷層(f₁～f₇)移動(dòng)，在地表可以看到F₃斷層新的移動(dòng)痕跡，在井下220中段和260中段241沿脈、341沿脈可見f₄、f₅斷層面有擦痕。
　　(3)采礦影響
　　青山硫鐵礦礦石堅(jiān)硬，圍巖非常穩(wěn)固，開采礦石量較少、采空區(qū)體積較小，地震前從未發(fā)生過大規(guī)模的地壓活動(dòng)。但隨著開采深度加深，采空區(qū)體積不斷增加，且長(zhǎng)期沒有進(jìn)行空區(qū)處理，時(shí)間效應(yīng)的作用，采空區(qū)也會(huì)不穩(wěn)定，加之礦床賦存情況復(fù)雜，使用的是“多層不規(guī)則房柱法”開采，采空區(qū)形狀多為不穩(wěn)定的多層傾斜框架式結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的串珠狀結(jié)構(gòu)，上、下層傾斜采場(chǎng)礦柱的位置也不規(guī)則，難以上下對(duì)齊傳遞壓力，采空區(qū)容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)地壓活動(dòng)現(xiàn)象，如礦柱承壓剪切破壞，采場(chǎng)片幫，頂板局部冒落，等等，甚至誘發(fā)采場(chǎng)頂板塌陷型地震。青山硫鐵礦地震時(shí)，在井下220中段341采場(chǎng)(f₂～f₅斷層之間)發(fā)生了較大規(guī)模的采場(chǎng)頂板冒落，地震后現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)估計(jì)冒落體積約為1000m³，冒落高度約為30m，將冒落巖層作為自由落體考慮，可以計(jì)算出頂板突然冒落產(chǎn)生的能量約為1.05×10¹⁶erg，根據(jù)古登堡李希特和普雷斯關(guān)于地震震級(jí)與能量的兩個(gè)關(guān)系^〔4〕：
　　LogE=1.5Ms+11.8
　　1.5Ms=1.9M_L-0.02M²_L
計(jì)算出采空區(qū)頂板巖石突然冒落時(shí)產(chǎn)生的能量可形成近震震級(jí)M_L2.3，這一結(jié)果與地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的M_L2.6相接近。
　　(4)綜合分析
　　綜上所述，作者認(rèn)為青山硫鐵礦區(qū)發(fā)生地震的原因是上述三個(gè)因素的有機(jī)結(jié)合，是它們共同作用的結(jié)果，從成因上講，既有自然因素的影響，又有人為因素的誘發(fā)?？梢钥隙?，青山硫鐵礦區(qū)發(fā)生地震時(shí)，井下采空區(qū)發(fā)生了頂板大冒落，冒落就必須釋放能量，能量就會(huì)轉(zhuǎn)化成彈性沖擊波，并產(chǎn)生震動(dòng)和巨響，形成塌陷型地震。因此采空區(qū)頂板突然冒落是本礦區(qū)發(fā)生地震的直接原因；婁底地震、地質(zhì)構(gòu)造和井下采礦等活動(dòng)可能是引起采空區(qū)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，頂板冒落的重要原因，是地震發(fā)生的條件，地震則是采空區(qū)頂板冒落的結(jié)果。
4　經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)
　　湖南省青山硫鐵礦系省石化局直屬企業(yè)，硫鐵礦年產(chǎn)規(guī)模15萬t，開采歷史悠久和輝煌，曾獲省級(jí)先進(jìn)企業(yè)、花園式礦山和部級(jí)安全先進(jìn)企業(yè)等榮譽(yù)稱號(hào)。由于地震破壞，礦井被迫閉坑，給國家和企業(yè)造成了較大的損失。為了總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、吸取教訓(xùn)，預(yù)先防范，避免和減少地震災(zāi)害的損失，并為類似條件的礦山或工程提供借鑒，特對(duì)該礦區(qū)地震原因進(jìn)行總結(jié)。
　　(1)青山硫鐵礦工程地質(zhì)情況非常復(fù)雜，地質(zhì)勘探部門和礦山對(duì)此研究不夠，特別是對(duì)活斷層的研究較少。
　　(2)由于礦石堅(jiān)硬，圍巖穩(wěn)固，采空區(qū)長(zhǎng)期未作處理，蓄存能量，為頂板冒落和誘發(fā)地震創(chuàng)造了條件。
　　(3)青山硫鐵礦屬于緩傾斜薄礦脈群體礦床，開采難度較大，采用“多層不規(guī)則房柱法”開采，采空區(qū)本身就屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，致使采空區(qū)頂板冒落。
　　(4)對(duì)出現(xiàn)的地壓活動(dòng)現(xiàn)象未引起高度重視和采取相應(yīng)的措施，特別是對(duì)于高應(yīng)力區(qū)也未進(jìn)行處理，總認(rèn)為礦巖穩(wěn)固，不可能誘發(fā)大規(guī)模地壓活動(dòng)，抱有僥幸心理。
　　(5)防震和抗震意識(shí)不強(qiáng)，缺少必要的宣傳和教育，特別是對(duì)區(qū)域地震研究不夠。

〔作者簡(jiǎn)介〕　谷新建　湘潭工學(xué)院高級(jí)工程師
谷新建（湘潭工學(xué)院^.411201）

參考文獻(xiàn)

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