D0L:10.13374f.issn1001-053x.2011.11.007 第33卷第11期 北京科技大学学报 Vol.33 No.11 2011年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2011 基于岩体加卸载响应原理的强矿震危险性预测 李 铁1,2)回 孙学会》 吕毓国) 盛继权梅亭亭2) 1)金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 3)抚顺矿业集团有限责任公司，抚顺1130084)抚顺矿业集团有限责任公司老虎台矿，抚顺113003 ☑通信作者，E-mail:fslitie@yahoo.com.cm 摘要以抚顺老虎台矿田为工程背景，采用加卸载响应比理论，开展强矿震预测技术应用研究.研究表明：0≤M1≤0.5矿 震在各开采深度作为加卸载响应震级的预测效能均较好，对于阶段峰值震级的平均预测信度为0.72：M≥1.4矿震作为加卸 载响应震级，具有深度尺度效应，响应震级与开采深度成正比，一般小于预测震级0.5~1.0，对于阶段峰值震级的平均预测信 度0.60：0.6≤M<1.4矿震作为加卸载响应震级的随机性较大，分析是两种不同机制矿旷震混合的结果，不适宜作为加卸载响 应震级；开采深度越大，地应力环境强度越高，预测敏感性和效果越好.在阜新煤田和门头沟矿田进行普适性检验，预测信度 分别为0.8和0.73.试验结果表明，加卸载响应比理论和方法预测强矿震具有较好的效能和应用前景 关键词深部开采：矿震：震级：预测 分类号TD324:P315.02 Predicting the risk of strong mining-induced seismicity based on the rock load/unload response theory LI Tie),SUN Xue-hui,LU Yu-guo,SHENG Ji-quan,MEI Ting-ting) 1)Key Laboratory of High-Efficiency Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Fushun Mining Group Co.Ltd.,Fushun 113008,China 4)Laohutai Coal Mine,Fushun Mining Group Co.Ltd.Fushun 113003,China Corresponding author,E-mail:fslitie@yahoo.com.cn ABSTRACT Taking Laohutai Coal Mine in Fushun of northeastern China as an engineering background,an application study of strong mining-induced seismicity prediction was carried out on the basis of the load/unload response ratio (LURR)theory.It is shown that when the load/unload response magnitude adopts the mining-induced seismicity of 0sM s0.5,the forecasting efficacy is very good in all mining depths and the average forecasting reliability of the staged peak magnitude is 0.72.When M1.4,the response magnitude is direct proportion to mining depth,and is generally 0.5 to 1.0 lower than the predicted magnitude,while the average fore- casting reliability of the staged peak magnitude is 0.60.When 0.6sM<1.4,there might be a mixture of two mining-induced seis- micities with different mechanisms,which is not suitable to the load/unload response magnitude due to its wide randomness.With the increase of mining depth,the in-situ stress intensity is higher,and the prediction is better.According to universal tests in Fuxin Coal Field and Mentougou Mine,the forecasting reliability is 0.8 and 0.73,respectively.The results indicate that the LURR theory and methods have a good ability and a broad application in predicting strong mining-induced seismicity. KEY WORDS deep mining:mining-induced seismicity:magnitude:prediction 矿山开采导致的岩石动力学灾害，其中一类通 采掘部位，易于沿已存在的地质弱面或地质间断面 常发生在远离采掘工作面102m级别尺度以外.这 发生，也可产生新的岩体位错：③通常是大尺度采掘 类灾害的特点是：①发生的时间相对采掘扰动活动 空间应力重分布导致的地质间断面滑移施加动荷载 具有不确定的延迟性；②发生的空间位置往往偏离 作用的结果：④主破裂强度较高-.本文称此类 收稿日期：2010-10-26 基金项目：国家高技术发展研究计划资助项目(2008AA062104)
第 33 卷 第 11 期 2011 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 11 Nov． 2011 基于岩体加卸载响应原理的强矿震危险性预测 李 铁1，2) 孙学会3) 吕毓国4) 盛继权4) 梅亭亭1，2) 1) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 3) 抚顺矿业集团有限责任公司，抚顺 113008 4) 抚顺矿业集团有限责任公司老虎台矿，抚顺 113003 通信作者，E-mail: fslitie@ yahoo． com． cn 摘 要 以抚顺老虎台矿田为工程背景，采用加卸载响应比理论，开展强矿震预测技术应用研究． 研究表明: 0≤ML≤0. 5 矿 震在各开采深度作为加卸载响应震级的预测效能均较好，对于阶段峰值震级的平均预测信度为 0. 72; ML≥1. 4 矿震作为加卸 载响应震级，具有深度尺度效应，响应震级与开采深度成正比，一般小于预测震级 0. 5 ～ 1. 0，对于阶段峰值震级的平均预测信 度 0. 60; 0. 6≤ML ＜ 1. 4 矿震作为加卸载响应震级的随机性较大，分析是两种不同机制矿震混合的结果，不适宜作为加卸载响 应震级; 开采深度越大，地应力环境强度越高，预测敏感性和效果越好． 在阜新煤田和门头沟矿田进行普适性检验，预测信度 分别为 0. 8 和 0. 73． 试验结果表明，加卸载响应比理论和方法预测强矿震具有较好的效能和应用前景． 关键词 深部开采; 矿震; 震级; 预测 分类号 TD324; P315. 02 Predicting the risk of strong mining-induced seismicity based on the rock load /unload response theory LI Tie 1，2) ，SUN Xue-hui 3) ，L Yu-guo 4) ，SHENG Ji-quan4) ，MEI Ting-ting1，2) 1) Key Laboratory of High-Efficiency Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China 2) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Fushun Mining Group Co． Ltd． ，Fushun 113008，China 4) Laohutai Coal Mine，Fushun Mining Group Co． Ltd． ，Fushun 113003，China Corresponding author，E-mail: fslitie@ yahoo． com． cn ABSTRACT Taking Laohutai Coal Mine in Fushun of northeastern China as an engineering background，an application study of strong mining-induced seismicity prediction was carried out on the basis of the load /unload response ratio ( LURR) theory． It is shown that when the load /unload response magnitude adopts the mining-induced seismicity of 0≤ML≤0. 5，the forecasting efficacy is very good in all mining depths and the average forecasting reliability of the staged peak magnitude is 0. 72． When ML≥1. 4，the response magnitude is direct proportion to mining depth，and is generally 0. 5 to 1. 0 lower than the predicted magnitude，while the average forecasting reliability of the staged peak magnitude is 0. 60． When 0. 6≤ML ＜ 1. 4，there might be a mixture of two mining-induced seismicities with different mechanisms，which is not suitable to the load /unload response magnitude due to its wide randomness． With the increase of mining depth，the in-situ stress intensity is higher，and the prediction is better． According to universal tests in Fuxin Coal Field and Mentougou Mine，the forecasting reliability is 0. 8 and 0. 73，respectively． The results indicate that the LURR theory and methods have a good ability and a broad application in predicting strong mining-induced seismicity． KEY WORDS deep mining; mining-induced seismicity; magnitude; prediction 收稿日期: 2010--10--26 基金项目: 国家高技术发展研究计划资助项目( 2008AA062104) 矿山开采导致的岩石动力学灾害，其中一类通 常发生在远离采掘工作面 102 m 级别尺度以外． 这 类灾害的特点是: ①发生的时间相对采掘扰动活动 具有不确定的延迟性; ②发生的空间位置往往偏离 采掘部位，易于沿已存在的地质弱面或地质间断面 发生，也可产生新的岩体位错; ③通常是大尺度采掘 空间应力重分布导致的地质间断面滑移施加动荷载 作用的结果; ④主破裂强度较高［1 － 6］． 本文称此类 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.11.007
·1308· 北京科技大学学报 第33卷 灾害为强矿震.在对强矿震的研究中，适用于近场 邻抚顺老虎台矿田的胜利矿田在1933年发生了全 冲击地压和岩爆的预测技术与方法绝大部分失效， 国最早的冲击地压灾害.从1968年12月起至今， 只有微震法可使用. 老虎台矿田一直在使用微地震设备连续监测矿震， 强矿震因破裂源远离采场，释放的能量通过介 里氏近震震级M1≥-0.3矿震观测资料连续完整 质吸收和几何衰减，通常对采场的直接破坏作用不 1990年以后，老虎台矿田开始发生M≥3.0(E= 强，但其对采场中围岩的薄弱部位、采矿技术条件造 1.8×10°J)的高强度矿震；2002年时达到能量释放 成的应力集中部位、处于亚临界失稳状态的含瓦斯 高峰，M1≥3.0的强矿震发生共21次.截至2010 煤层以及冲击地压和岩爆等潜在灾源的动力输入可 年6月30日，M≥3.0强矿震共发生108次，最高 形成能量叠加或耦合，诱导发生所谓的“低指标”煤 强度矿震M=3.7(E=2.8×10°J）. 岩瓦斯动力灾害，使得人们疏于防范，是深部采掘活 应用式(1)，将矿田所在区域地球固体潮引潮 动不可忽视的灾源之一，其危险性预测具有重要的 力的周期变化作为对矿田区地壳介质的加载和卸载 工程应用价值， 应力，将对应期间采矿产生矿震事件的能量作为响 强矿震震源区介质在开采扰动下逐渐受到损 应物理量，取m=1/2,E2即为著名的Beniof应变， 伤，最后演化为非稳定失稳，具有非线性特征，微震 是岩体应变量的测度，因此地球固体潮引潮力一本 序列统计学分析方法使用受限.本文分析了矿田和 尼奥夫应变的关系与岩体本构关系具有相似性 煤田尺度岩体破裂失稳的加卸载力学机理，进而探 选取1969一2004年M1≥0的全部矿震观测资 索了强矿震破裂失稳阶段的前兆信息，对强矿震危 料连续计算，尽量加长考察周期，保证相关的可靠 险性起提示和预警作用 性.在自然时间段和采矿深度划分的时间段尺度范 1研究方法 围分别计算，考察采矿深度对加卸载响应的影响 对于两个不同的时间尺度，计算的时间窗长和滑动 岩石受力在弹性变形范围内时，其应力一应变 步长（计算参数）从若干年变化到若干天，进行逐尺 曲线卸载可沿加载路径返回，即加载和卸载的应变 度筛选.选取各级别的矿震作为响应震级，震级范 响应相等：而进入塑性阶段后，应力一应变曲线的卸 围尽量大，力求使响应矿震的数量足够多，最后确 载路径滞后于加载路径，即加载的应变响应大于卸 定出加卸载响应矿震事件震级以及所期望的预测矿 载.根据这一原理，尹祥础等可提出了预测天然地 震强度 震的“加卸载响应比(load/unload response ratio, 为评价预测效能，本文将Y>1,且能对应上期 LURR)理论”，并将地球固体潮引潮力的周期变化 望预测强度震级矿震的异常称为可信异常α1；有异 作为对地壳介质的加载和卸载应力，而将某一区域 常但没有发生期望预测强度震级的矿震称为虚假异 及某一时段内对应的地震能量E作为响应物理量， 常2；发生了期望预测强度震级的矿震但没有出现 将加卸载响应比Y值定义为 异常称为缺信异常a,定义预测信度C,为 Cp=a1/(a1+a2+a3）(0≤C,≤1.0) (2) (1) 1.2普适性检验 式中：E为地震能量，N为地震数“+”和“-”分别 选择辽宁省阜新煤田和原北京门头沟矿田进行 表示加载和卸载，m为常数.当介质处于弹性状态 普适性检验.阜新煤田2004一2006年强矿震频发， 时，Y=1;当介质进入非线性损伤状态后，Y>1,且 附近地震台可观测到该煤田M≥1.0的矿震.在我 随着失稳状态的逼近，Y值增大.因此，Y值可以定 国，原北京门头沟矿田最早开始布设微震设备观测 量地描述介质逼近失稳的程度，并在实验室小尺度 矿震，该矿1990一2000年的M≥1.0矿震观测资料 试验和大尺度天然地震预测中取得了较好的应用 连续完整，1994年曾发生过M=4.2强矿震，是我 效果&-习 国煤矿发生的强度最高的矿震之一. 本文选择矿震活动水平较高，强矿震多发，具有 2抚顺老虎台矿的试验结果 连续矿震观测资料的矿山进行应用试验研究和普适 性检验，探索该理论可否应用于矿田或煤田尺度岩 抚顺老虎台矿田为古近系煤系建造，煤层为向 体破裂的非稳定失稳判别及其应用条件 北倾斜的向斜褶皱南翼，东薄西厚，南薄北厚，厚度 1.1试验研究 为0.6~110.5m,平均厚度58m.矿田地质构造复 选择辽宁省抚顺老虎台矿田进行试验研究.紧 杂，主体断裂走向北东东，F,断裂是构成矿田的北侧
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 灾害为强矿震． 在对强矿震的研究中，适用于近场 冲击地压和岩爆的预测技术与方法绝大部分失效， 只有微震法可使用． 强矿震因破裂源远离采场，释放的能量通过介 质吸收和几何衰减，通常对采场的直接破坏作用不 强，但其对采场中围岩的薄弱部位、采矿技术条件造 成的应力集中部位、处于亚临界失稳状态的含瓦斯 煤层以及冲击地压和岩爆等潜在灾源的动力输入可 形成能量叠加或耦合，诱导发生所谓的“低指标”煤 岩瓦斯动力灾害，使得人们疏于防范，是深部采掘活 动不可忽视的灾源之一，其危险性预测具有重要的 工程应用价值． 强矿震震源区介质在开采扰动下逐渐受到损 伤，最后演化为非稳定失稳，具有非线性特征，微震 序列统计学分析方法使用受限． 本文分析了矿田和 煤田尺度岩体破裂失稳的加卸载力学机理，进而探 索了强矿震破裂失稳阶段的前兆信息，对强矿震危 险性起提示和预警作用． 1 研究方法 岩石受力在弹性变形范围内时，其应力--应变 曲线卸载可沿加载路径返回，即加载和卸载的应变 响应相等; 而进入塑性阶段后，应力--应变曲线的卸 载路径滞后于加载路径，即加载的应变响应大于卸 载． 根据这一原理，尹祥础等［7］提出了预测天然地 震的“加 卸 载 响 应 比 ( load /unload response ratio， LURR) 理论”，并将地球固体潮引潮力的周期变化 作为对地壳介质的加载和卸载应力，而将某一区域 及某一时段内对应的地震能量 E 作为响应物理量， 将加卸载响应比 Y 值定义为 Y = ( ∑ N+ i = 1 E ) m i ( + ∑ N－ i = 1 E ) m i － ( 1) 式中: E 为地震能量，N 为地震数，“+ ”和“－ ”分别 表示加载和卸载，m 为常数． 当介质处于弹性状态 时，Y = 1; 当介质进入非线性损伤状态后，Y ＞ 1，且 随着失稳状态的逼近，Y 值增大． 因此，Y 值可以定 量地描述介质逼近失稳的程度，并在实验室小尺度 试验和大尺度天然地震预测中取得了较好的应用 效果［8 － 9］． 本文选择矿震活动水平较高，强矿震多发，具有 连续矿震观测资料的矿山进行应用试验研究和普适 性检验，探索该理论可否应用于矿田或煤田尺度岩 体破裂的非稳定失稳判别及其应用条件． 1. 1 试验研究 选择辽宁省抚顺老虎台矿田进行试验研究． 紧 邻抚顺老虎台矿田的胜利矿田在 1933 年发生了全 国最早的冲击地压灾害． 从 1968 年 12 月起至今， 老虎台矿田一直在使用微地震设备连续监测矿震， 里氏近震震级 ML≥ － 0. 3 矿震观测资料连续完整． 1990 年以后，老虎台矿田开始发生 ML≥3. 0 ( E = 1. 8 × 108 J) 的高强度矿震; 2002 年时达到能量释放 高峰，ML≥3. 0 的强矿震发生共 21 次． 截至 2010 年 6 月 30 日，ML≥3. 0 强矿震共发生 108 次，最高 强度矿震 ML = 3. 7( E = 2. 8 × 109 J) ． 应用式( 1) ，将矿田所在区域地球固体潮引潮 力的周期变化作为对矿田区地壳介质的加载和卸载 应力，将对应期间采矿产生矿震事件的能量作为响 应物理量，取 m = 1 /2，E1 /2 即为著名的 Beniof 应变， 是岩体应变量的测度，因此地球固体潮引潮力--本 尼奥夫应变的关系与岩体本构关系具有相似性． 选取 1969—2004 年 ML≥0 的全部矿震观测资 料连续计算，尽量加长考察周期，保证相关的可靠 性． 在自然时间段和采矿深度划分的时间段尺度范 围分别计算，考察采矿深度对加卸载响应的影响． 对于两个不同的时间尺度，计算的时间窗长和滑动 步长( 计算参数) 从若干年变化到若干天，进行逐尺 度筛选． 选取各级别的矿震作为响应震级，震级范 围尽量大，力求使响应矿震的数量足够多． 最后确 定出加卸载响应矿震事件震级以及所期望的预测矿 震强度． 为评价预测效能，本文将 Y ＞ 1，且能对应上期 望预测强度震级矿震的异常称为可信异常 α1 ; 有异 常但没有发生期望预测强度震级的矿震称为虚假异 常 α2 ; 发生了期望预测强度震级的矿震但没有出现 异常称为缺信异常 α3，定义预测信度 Cp为 Cp = α1 /( α1 + α2 + α3 ) ( 0≤Cp≤1. 0) ( 2) 1. 2 普适性检验 选择辽宁省阜新煤田和原北京门头沟矿田进行 普适性检验． 阜新煤田 2004—2006 年强矿震频发， 附近地震台可观测到该煤田 ML≥1. 0 的矿震． 在我 国，原北京门头沟矿田最早开始布设微震设备观测 矿震，该矿1990—2000 年的 ML≥1. 0 矿震观测资料 连续完整，1994 年曾发生过 ML = 4. 2 强矿震，是我 国煤矿发生的强度最高的矿震之一． 2 抚顺老虎台矿的试验结果 抚顺老虎台矿田为古近系煤系建造，煤层为向 北倾斜的向斜褶皱南翼，东薄西厚，南薄北厚，厚度 为 0. 6 ～ 110. 5 m，平均厚度 58 m． 矿田地质构造复 杂，主体断裂走向北东东，F1断裂是构成矿田的北侧 ·1308·
第11期 李铁等：基于岩体加卸载响应原理的强矿震危险性预测 ·1309· 边界，次级断裂发育.主采煤层顶板为古近系油母 间轴位置，数字表示震级，下同)，用式(2)的预测效 页岩，厚度为25.8~362.35m,平均厚度194.08m, 能评价方法进行评价，平均信度为0.72.810m以浅 节理发育，单轴抗压强度为47.3MPa,抗拉强度为 平均预测信度0.65,810m以深平均预测信度0.81， l.8MPa;煤样单轴抗压强度为7~10MPa;底板大部 深部比浅部平均预测信度提高24.6%，表明在各应 分为太古界厚层片麻岩系变质岩，单轴抗压强度 力强度环境下均存在强矿震前岩体的微小破裂及其 136.5MPa,抗拉强度12.4MPa.矿井采用斜竖井结 自组织临界失稳，而环境应力越强，加卸载响应的敏 合阶段水平大巷开拓方式，开拓段高100~150m,回 感程度越高，非线性系统的特征越显著，预测效能 采段高50m,由上至下分层开采.先后己回采完 越高 -225m,-330m,-430m,-580m,-630m, 表1老虎台矿田自然时间秩序预测效能 -680m,-780m和-830m水平. Table 1 Prediction efficacy by time sequence at Laohutai Mine 2.1自然时间秩序的分析 采矿 预测震级，可信异 缺信异 虚假异 经反复筛选，使用全部36年的微震数据或随机 Cp 深度/m 常数/次常数/次常数/次 抽取30个月以上一段时间的数据，使用时间窗长2 510 ≥2.2 2 0 2 0.50 个月（或1）个月、滑动步长10d(或5d)的时间扫描 585 ≥2.4 5 3 0.63 参数，0≤M1≤0.5的微小震级为响应震级时，加卸 610 ≥2.5 7 1 0.88 载响应比指标Y值对相应时段发生的高强度矿震 660 ≥2.6 0 0.67 均有较显著响应：响应震级M1≥0.6时，噪声信号 710 ≥2.6 5 1 2 0.63 较强，未发现规律性前兆异常信号.即以微小震级 160 ≥2.7 4 0.57 作为加卸载响应震级，尽管采矿作业由浅入深，但具 810 ≥3.4 3 0 0.75 有统一的扫描参数：而当加卸载响应震级提高后，随 910 ≥3.4 7 1 1 0.78 机抽取一段时间，Y值与发生的高强度矿震间表现 710和910 ≥3.2 1 0 0.89 出高离散性和低相关性 合计 43 8 9 响应震级取为0≤M1≤0.5，预测效能的部分结 平均 0.72 果见表1和图1（图中箭头指示强矿震发生的时 1997 1998 1999 2000 2001 2001 2002 2003 2004 年份 年份 图1老虎台矿田自然时间秩序加卸载响应比预测强矿震效能.(a)1997一2000：(b)2001一2003 Fig.1 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by time sequence LURR at Laohutai Mine:(a)1997-2000:(b)2001-2003 2.2地应力强度时间秩序的分析 未见预测意义：M,≥1.4可作为高能量事件的下限 由于M≥0.6矿震对自然时间秩序的矿震加 响应震级，但响应震级与采矿深度成正比提高：而0≤ 卸载响应未见较好的预测效能，根据由浅入深的采 M≤0.5的微小矿震作为响应震级的计算结果与2.1 矿历史，建立一种地应力强度主导的时间秩序，即将 节基本相同.即以高能量矿震作为加卸载响应矿震，具 相同开采深度（或地应力强度）期间发生的全部矿 有统一的时间扫描参数，但响应震级具有地应力强度 震划为同一时间集合.使用时间窗长2个月（或1 效应，地应力强度越高，需要的响应震级越高 个月)、滑动步长10d(或5d)的时间扫描参数.结 预测效能见表2和图2，平均预测信度为0.60， 果显示，0.6≤M<1.4的响应震级，噪声信号较强， 910m以深预测信度有增高趋势
第 11 期 李 铁等: 基于岩体加卸载响应原理的强矿震危险性预测 边界，次级断裂发育． 主采煤层顶板为古近系油母 页岩，厚度为 25. 8 ～ 362. 35 m，平均厚度 194. 08 m， 节理发育，单轴抗压强度为 47. 3 MPa，抗拉强度为 1. 8 MPa; 煤样单轴抗压强度为 7 ～ 10 MPa; 底板大部 分为太古界厚层片麻岩系变质岩，单轴抗压强度 136. 5 MPa，抗拉强度 12. 4 MPa． 矿井采用斜竖井结 合阶段水平大巷开拓方式，开拓段高 100 ～ 150 m，回 采段高 50 m，由上至下分层开采． 先后已回采完 － 225 m，－ 330 m，－ 430 m，－ 580 m，－ 630 m， － 680 m，－ 780 m 和 － 830 m 水平． 2. 1 自然时间秩序的分析 经反复筛选，使用全部 36 年的微震数据或随机 抽取 30 个月以上一段时间的数据，使用时间窗长 2 个月( 或 1) 个月、滑动步长 10 d( 或 5 d) 的时间扫描 参数，0≤ML≤0. 5 的微小震级为响应震级时，加卸 载响应比指标 Y 值对相应时段发生的高强度矿震 均有较显著响应; 响应震级 ML≥0. 6 时，噪声信号 较强，未发现规律性前兆异常信号． 即以微小震级 作为加卸载响应震级，尽管采矿作业由浅入深，但具 有统一的扫描参数; 而当加卸载响应震级提高后，随 机抽取一段时间，Y 值与发生的高强度矿震间表现 出高离散性和低相关性． 响应震级取为 0≤ML≤0. 5，预测效能的部分结 果见表 1 和图 1 ( 图中箭头指示强矿震发生的时 间轴位置，数字表示震级，下同) ，用式( 2) 的预测效 能评价方法进行评价，平均信度为0. 72． 810 m 以浅 平均预测信度 0. 65，810 m 以深平均预测信度 0. 81， 深部比浅部平均预测信度提高 24. 6% ，表明在各应 力强度环境下均存在强矿震前岩体的微小破裂及其 自组织临界失稳，而环境应力越强，加卸载响应的敏 感程度越高，非线性系统的特征越显著，预测效能 越高． 表 1 老虎台矿田自然时间秩序预测效能 Table 1 Prediction efficacy by time sequence at Laohutai Mine 采矿 深度/m 预测震级， ML 可信异 常数/次 缺信异 常数/次 虚假异 常数/次 Cp 510 ≥2. 2 2 0 2 0. 50 585 ≥2. 4 5 3 0 0. 63 610 ≥2. 5 7 0 1 0. 88 660 ≥2. 6 2 0 1 0. 67 710 ≥2. 6 5 1 2 0. 63 760 ≥2. 7 4 1 2 0. 57 810 ≥3. 4 3 1 0 0. 75 910 ≥3. 4 7 1 1 0. 78 710 和 910 ≥3. 2 8 1 0 0. 89 合计 — 43 8 9 — 平均 — — — — 0. 72 图 1 老虎台矿田自然时间秩序加卸载响应比预测强矿震效能． ( a) 1997—2000; ( b) 2001—2003 Fig． 1 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by time sequence LURR at Laohutai Mine: ( a) 1997—2000; ( b) 2001—2003 2. 2 地应力强度时间秩序的分析 由于 ML≥0. 6 矿震对自然时间秩序的矿震加 卸载响应未见较好的预测效能，根据由浅入深的采 矿历史，建立一种地应力强度主导的时间秩序，即将 相同开采深度( 或地应力强度) 期间发生的全部矿 震划为同一时间集合． 使用时间窗长 2 个月( 或 1 个月) 、滑动步长 10 d( 或 5 d) 的时间扫描参数． 结 果显示，0. 6≤ML ＜ 1. 4 的响应震级，噪声信号较强， 未见预测意义; ML≥1. 4 可作为高能量事件的下限 响应震级，但响应震级与采矿深度成正比提高; 而 0≤ ML≤0. 5 的微小矿震作为响应震级的计算结果与 2. 1 节基本相同． 即以高能量矿震作为加卸载响应矿震，具 有统一的时间扫描参数，但响应震级具有地应力强度 效应，地应力强度越高，需要的响应震级越高． 预测效能见表 2 和图 2，平均预测信度为 0. 60， 910 m 以深预测信度有增高趋势． ·1309·
·1310· 北京科技大学学报 第33卷 表2老虎台矿田地应力强度时间秩序预测效能 Table 2 Prediction efficacy by in-situ stress intensity time sequence at 3普适性检验结果 Laohutai Mine 科学研究中的“普适性”问题十分重要.目前的 采矿深 响应震预测震可信异缺信异虚假异 一些研究显示，在一个矿山总结出的矿震活动规律， 度/m 级，ML级，M1常数/次常数/次常数/次 往往在另外的矿山并不适用或不完全适用.加卸载 510 ≥1.4 ≥2.2 2 0 1 0.67 响应比这个力学机理比较明晰的理论能否在此方面 585 ≥1.4 ≥2.4 5 3 0 0.63 有所突破需要得到检验.本文使用阜新煤田和原门 610 ≥1.5 ≥2.5 7 0 6 0.54 头沟矿田比较完整的矿震观测资料进行普适性检 660 ≥1.5 ≥2.6 2 0 2 0.50 验，结果表明具有较好的普适性. 710 ≥1.8 ≥2.6 4 3 1 0.50 采用本文上述相同的方法，由于没有得到这两 760 ≥2.2 ≥2.7 4 2 0.57 个矿M<1.0的矿震资料，响应震级则选取了高震 810 ≥2.7 ≥3.4 2 0 0.50 级段的矿震事件. 910 ≥2.9 ≥3.4 4 2 0 0.67 阜新煤田经筛选，扫描时间窗长选取2个月，滑 710和910≥2.1 ≥3.2 8 1 0.80 动步长选取10d,响应震级M1≥2.9，预测M≥3.5 合计 38 12 17 矿震，这样的参数在该煤田预测效能最高（图3）. 平均 0.60 预测期内共发生5组(7次)M≥3.5矿震，其中4 3.0 31 26 172 990 99 1992 1993 200 2012 2003 2004 年份 年份 图2老虎台矿田地应力强度时间秩序加卸载响应比预测强矿震效能.(a)1990一1994,710m深度：(b)2001一2004,910m深度 Fig.2 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by in-situ stress intensity time sequence LURR at Laohutai Mine:(a)1990- 1994,710 m in depth (b)2001-2004,910 m in depth M1≥3.2矿震.连续10年资料显示，发生M1≥3.2 3.63.6 矿震12次（图4），其中11次有显著可信异常，但出 35 现3次虚假异常，1次缺信漏报，预测信度0.73.门 头沟矿田的震前响应异常出现较早，持续时间相对 较长，为3~5个月，这可能与该矿田厚层坚硬的石 英岩顶板有关. 4讨论与结论 2005 2006 年份 (1)加卸载响应比理论和方法的力学机理清 图3卓新煤田加卸载响应比预测强矿震效能 晰，在抚顺老虎台矿田的应用研究和阜新煤田及原 Fig.3 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes 门头沟矿田的普适性检验表明，该理论预测强矿震 by LURR at Fuxin Coal Field 的效能较高，具有良好的应用前景 (2)老虎台矿田的试验显示：0≤M1≤0.5作为 组(6次)存在可信异常，1次缺信漏报，预测信度 加卸载响应震级的预测效果较好，适用于各开采深 为0.8. 度，对于阶段峰值震级的平均预测信度为0.72；M,≥ 原门头沟矿田经筛选，扫描时间窗长选取2个 1.4作为加卸载响应震级，具有深度尺度效应，响应 月，滑动步长选取10d,响应震级M≥2.7，预测 震级与开采深度成正比，一般小于预测震级0.5~
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表 2 老虎台矿田地应力强度时间秩序预测效能 Table 2 Prediction efficacy by in-situ stress intensity time sequence at Laohutai Mine 采矿深 度/m 响应震 级，ML 预测震 级，ML 可信异 常数/次 缺信异 常数/次 虚假异 常数/次 Cp 510 ≥1. 4 ≥2. 2 2 0 1 0. 67 585 ≥1. 4 ≥2. 4 5 3 0 0. 63 610 ≥1. 5 ≥2. 5 7 0 6 0. 54 660 ≥1. 5 ≥2. 6 2 0 2 0. 50 710 ≥1. 8 ≥2. 6 4 3 1 0. 50 760 ≥2. 2 ≥2. 7 4 1 2 0. 57 810 ≥2. 7 ≥3. 4 2 2 0 0. 50 910 ≥2. 9 ≥3. 4 4 2 0 0. 67 710 和 910 ≥2. 1 ≥3. 2 8 1 1 0. 80 合计 — — 38 12 17 — 平均 — — — — — 0. 60 3 普适性检验结果 科学研究中的“普适性”问题十分重要． 目前的 一些研究显示，在一个矿山总结出的矿震活动规律， 往往在另外的矿山并不适用或不完全适用． 加卸载 响应比这个力学机理比较明晰的理论能否在此方面 有所突破需要得到检验． 本文使用阜新煤田和原门 头沟矿田比较完整的矿震观测资料进行普适性检 验，结果表明具有较好的普适性． 采用本文上述相同的方法，由于没有得到这两 个矿 ML ＜ 1. 0 的矿震资料，响应震级则选取了高震 级段的矿震事件． 阜新煤田经筛选，扫描时间窗长选取 2 个月，滑 动步长选取 10 d，响应震级 ML≥2. 9，预测 ML≥3. 5 矿震，这样的参数在该煤田预测效能最高( 图 3) ． 预测期内共发生 5 组( 7 次) ML≥3. 5 矿震，其中 4 图 2 老虎台矿田地应力强度时间秩序加卸载响应比预测强矿震效能． ( a) 1990—1994，710 m 深度; ( b) 2001—2004，910 m 深度 Fig． 2 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by in-situ stress intensity time sequence LURR at Laohutai Mine: ( a) 1990— 1994，710 m in depth; ( b) 2001—2004，910 m in depth 图 3 阜新煤田加卸载响应比预测强矿震效能 Fig． 3 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by LURR at Fuxin Coal Field 组( 6 次) 存在可信异常，1 次缺信漏报，预测信度 为 0. 8． 原门头沟矿田经筛选，扫描时间窗长选取 2 个 月，滑动步长选取 10 d，响应震级 ML ≥2. 7，预测 ML≥3. 2矿震． 连续 10 年资料显示，发生 ML≥3. 2 矿震 12 次( 图 4) ，其中 11 次有显著可信异常，但出 现 3 次虚假异常，1 次缺信漏报，预测信度 0. 73． 门 头沟矿田的震前响应异常出现较早，持续时间相对 较长，为 3 ～ 5 个月，这可能与该矿田厚层坚硬的石 英岩顶板有关． 4 讨论与结论 ( 1) 加卸载响应比理论和方法的力学机理清 晰，在抚顺老虎台矿田的应用研究和阜新煤田及原 门头沟矿田的普适性检验表明，该理论预测强矿震 的效能较高，具有良好的应用前景． ( 2) 老虎台矿田的试验显示: 0≤ML≤0. 5 作为 加卸载响应震级的预测效果较好，适用于各开采深 度，对于阶段峰值震级的平均预测信度为 0. 72; ML≥ 1. 4 作为加卸载响应震级，具有深度尺度效应，响应 震级与开采深度成正比，一般小于预测震级 0. 5 ～ ·1310·
第11期 李铁等：基于岩体加卸载响应原理的强矿震危险性预测 ·1311· 124 B33 32323233 1990 1991 199219931994 1995 1995 1996 1997 1998 1999 2000 年份 年份 图4门头沟矿田加卸载响应比预测强矿震效能.(a）1990一1994：(b)1995一1999 Fig.4 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by LURR at Mentougou Coal field:(a)1990-1994:(b)1995-1999 1.0,对于阶段峰值震级的预测信度为0.5~0.8.而 Geophys Pol,1988,35(2):157 810m采深以下随着环境应力增强，0≤M≤0.5响 2]Johnston JC.Einstein M H.A survey of mining associated seis- micity /Rockbursts and Seismicity in Mines:Proceedings of the 应震级的预测信度趋于增高，反映加卸载响应的敏 2nd International Symposium.Minneapolis,1990:121 感程度增强，表明高应力环境的非线性特征趋于 3]Knoll P,Kuhnt W.Investigation of the mechanism of rockbursts by 显著 seismological measurements//Rockbursts,Global Experiences,In- (3)对于由浅入深分水平开采的煤田或矿田， ternational Bureau of Strata Mechanics.Hyderabad,1990:11 选择高震级段矿震作为响应震级需逐级逐开采深度 [4 Gaviglio P,Revalor R,Piguet J P,et al.Tectonic structures,stra- 筛选的方法不是很方便，但对于观测能力不足或缺 ta properties and rockbursts occurrence in French coal mine / Rockbursts and Seismicity in Mines:Proceedings of the 2nd Interna- 少微小矿震观测资料的矿山，仍不失为一种可供使 tional Symposium.Minneapolis,1990:289 用的预测方法和参数 [5] Krishnamurthy R,Shringarputale S B.Rockburst hazard in Kolar (4)加卸载响应比出现时间的迟早和持续的长 Gold Fields /Rockbursts and Seismicity in Mines:Proceedings of 短，与顶板岩层的坚硬程度有关，厚层坚硬顶板异常 the 2nd International Symposium.Minneapolis,1990:411 出现早、持续时间长，但异常值的大小未见与预测震 [6]Li T,Cai M F.Cai M.A discussion on the classification of min- ing-induced seismicity.Chin Rock Mech Eng,2006,25 (Suppl 级有显著相关性. 2):3679 (5)微小震级事件作为响应震级的无深度尺度 (李铁，蔡美峰，蔡明.采矿诱发地震分类的探讨.岩石力学与 效应现象，表明在各应力强度环境均存在强矿震前 工程学报，2006,25（增刊2）：3679) 的岩体微小破裂自组织临界失稳.高强度破裂事件 ] Yin X C,Chen X Z,Song Z P,et al.The load-unload response 作为响应震级与采矿深度成正比，这种深度（应力 ratio theory:a new approach to earthquake prediction.Chin J Geo- hs,1994,37(6):767 强度)尺度效应问题，表明在系统趋于临界状态后， (尹样础，陈学忠，宋治平，等.加卸载响应比：一种新的地震 越接近主破裂强度的前震破裂，其对加卸载的响应 预报方法.地球物理学报，1994,37(6)：767) 越敏感.老虎台矿田的0.6≤M1<1.4矿震作为加 [8]Yin X C,Chen X Z,Song Z P.The development of load-unload 卸载响应震级的随机性较大，不适宜作为加卸载响 response ratio theory and its application to earthquake prediction. 应震级，缘于此震级段的矿震包含采矿直接相关和 Chin J Geophys,1994,37 (Suppl 1):223 间接相关两种不同机制岩体破裂事件所致0 (尹样础，陈学忠，宋治平。加卸载响应比理论及其在地震预 测中的应用研究进展.地球物理学报，1994,37（增刊1）：223) 致谢 9]Yin XC.A new approach to earthquake prediction:load/unload 感谢中国地震局地球物理研究所张少泉研究 response ratio (LURR)theory.Mech Eng,2004,26(6):1 (尹样础.地震预报的新途径：加卸载响应比理论.力学与实 员，抚顺市地震局和阜新市地震局提供的资料 践，2004,26(6)：1) [10]Li T,Chen S H.The mechanism of the self-similarity of the 参考文献 Gutenburg-Richter relation:a km-scale in-situ observational in- [Kijko A,Drzezla B,Stankiewicz,T.Bimodal character of the dis- vestigation /RaSiM7 (2009):Controlling Seismic Hazard and tribution of extreme seismic events in Polish mines.Acta Sustainable Development of Deep Mines.Dalian,2009:1003
第 11 期 李 铁等: 基于岩体加卸载响应原理的强矿震危险性预测 图 4 门头沟矿田加卸载响应比预测强矿震效能． ( a) 1990—1994; ( b) 1995—1999 Fig． 4 Efficacy to predict strong mining-induced earthquakes by LURR at Mentougou Coal field: ( a) 1990—1994; ( b) 1995—1999 1. 0，对于阶段峰值震级的预测信度为 0. 5 ～ 0. 8． 而 810 m 采深以下随着环境应力增强，0≤ML≤0. 5 响 应震级的预测信度趋于增高，反映加卸载响应的敏 感程度增强，表明高应力环境的非线性特征趋于 显著． ( 3) 对于由浅入深分水平开采的煤田或矿田， 选择高震级段矿震作为响应震级需逐级逐开采深度 筛选的方法不是很方便，但对于观测能力不足或缺 少微小矿震观测资料的矿山，仍不失为一种可供使 用的预测方法和参数． ( 4) 加卸载响应比出现时间的迟早和持续的长 短，与顶板岩层的坚硬程度有关，厚层坚硬顶板异常 出现早、持续时间长，但异常值的大小未见与预测震 级有显著相关性． ( 5) 微小震级事件作为响应震级的无深度尺度 效应现象，表明在各应力强度环境均存在强矿震前 的岩体微小破裂自组织临界失稳． 高强度破裂事件 作为响应震级与采矿深度成正比，这种深度( 应力 强度) 尺度效应问题，表明在系统趋于临界状态后， 越接近主破裂强度的前震破裂，其对加卸载的响应 越敏感． 老虎台矿田的 0. 6≤ML ＜ 1. 4 矿震作为加 卸载响应震级的随机性较大，不适宜作为加卸载响 应震级，缘于此震级段的矿震包含采矿直接相关和 间接相关两种不同机制岩体破裂事件所致［10］． 致 谢 感谢中国地震局地球物理研究所张少泉研究 员、抚顺市地震局和阜新市地震局提供的资料． 参 考 文 献 ［1］ Kijko A，Drz ' zla B，Stankiewicz，T． Bimodal character of the distribution of extreme seismic events in Polish mines． Acta Geophys Pol，1988，35( 2) : 157 ［2］ Johnston J C，Einstein M H． A survey of mining associated seismicity / / Rockbursts and Seismicity in Mines: Proceedings of the 2nd International Symposium． Minneapolis，1990: 121 ［3］ Knoll P，Kuhnt W． Investigation of the mechanism of rockbursts by seismological measurements / / Rockbursts，Global Experiences，International Bureau of Strata Mechanics． Hyderabad，1990: 11 ［4］ Gaviglio P，Revalor R，Piguet J P，et al． Tectonic structures，strata properties and rockbursts occurrence in French coal mine / / Rockbursts and Seismicity in Mines: Proceedings of the 2nd International Symposium． Minneapolis，1990: 289 ［5］ Krishnamurthy R，Shringarputale S B． Rockburst hazard in Kolar Gold Fields / / Rockbursts and Seismicity in Mines: Proceedings of the 2nd International Symposium． Minneapolis，1990: 411 ［6］ Li T，Cai M F，Cai M． A discussion on the classification of mining-induced seismicity． Chin J Rock Mech Eng，2006，25( Suppl 2) : 3679 ( 李铁，蔡美峰，蔡明． 采矿诱发地震分类的探讨． 岩石力学与 工程学报，2006，25( 增刊 2) : 3679) ［7］ Yin X C，Chen X Z，Song Z P，et al． The load-unload response ratio theory: a new approach to earthquake prediction． Chin J Geophys，1994，37( 6) : 767 ( 尹祥础，陈学忠，宋治平，等． 加卸载响应比: 一种新的地震 预报方法． 地球物理学报，1994，37( 6) : 767) ［8］ Yin X C，Chen X Z，Song Z P． The development of load-unload response ratio theory and its application to earthquake prediction． Chin J Geophys，1994，37( Suppl 1) : 223 ( 尹祥础，陈学忠，宋治平． 加卸载响应比理论及其在地震预 测中的应用研究进展． 地球物理学报，1994，37( 增刊 1) : 223) ［9］ Yin X C． A new approach to earthquake prediction: load /unload response ratio ( LURR) theory． Mech Eng，2004，26( 6) : 1 ( 尹祥础． 地震预报的新途径: 加卸载响应比理论． 力学与实 践，2004，26( 6) : 1) ［10］ Li T，Chen S H． The mechanism of the self-similarity of the Gutenburg-Richter relation: a km-scale in-situ observational investigation / / RaSiM7 ( 2009) : Controlling Seismic Hazard and Sustainable Development of Deep Mines． Dalian，2009: 1003 ·1311·