青山硫鐵礦區發生地震的原因分析

摘　要　本文通過現場調查和 03manbetx ，得出湖南省青山硫鐵礦區發生地震的主要原因是：由於地質構造和地壓活動引起采空區頂板冒落、能量釋放，而形成塌陷地震。同時，作者 總結了 02manbetx.com 的經驗和教訓，可為類似條件的礦山或工程提供借鑒。
　　關鍵詞　青山硫鐵礦　地質構造　地壓活動　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　地震災情簡介
　　根據湖南省婁底、益陽、寧鄉、長沙地震監測台網測定，1996年7月1日22時57分在湖南省漣源市伏口鎮與安化縣高明鄉交界之處，青山硫鐵礦區內(北緯28°02′，東經111°49′)發生了M_L2.6級地震。地震時震區內的群眾普遍有感，當時聽到地下“轟”的一聲巨響，隨之房屋晃動，門窗作響，人有上拋感，地表少數房屋開裂破壞，礦山井下四個采場垮塌，垮塌麵積達1000m²(見圖1)，采場礦柱和礦壁遭嚴重破壞，井下設備也被損壞。此次地震雖然震級不高，但震源極淺，烈度較大，破壞性大。經專家組現場鑒定，礦井不宜恢複生產，青山硫鐵礦從1996年7月2日起被迫停產，宣布閉坑，造成直接經濟損失達3000多萬元，間接損失難以估計。

圖1　220中段垮塌區平麵圖

1.2　礦區地質構造及水文地質條件
　　青山硫鐵礦區位於華南加裏東—印支褶皺帶一級構造單元中的雪峰山北部邊緣，加裏東褶皺帶的東南緣，湘中印支褶皺帶北部高峰隆起帶邊緣，區域褶皺為龍坳向斜揭起端偏東部，為一單斜構造。出露的地層為震旦係燈影組矽質岩、陡山沱組炭質板岩、南沱冰磧礫泥岩、南泥長石石英砂岩、江口組板會礫砂岩，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°。礦區為一狹窄中低陡坡溝穀地形地貌，地表遍布溶洞、石芽、窪地，屬“喀斯特”地形。區內斷裂構造十分發育，主要有F₃扭動-平移正斷層，其長度大於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，形成礦區北部邊界。並在F₃斷層下盤平行發育一組張扭性次一級斷層7條(f₁～f₇)切割地層和礦體，這些斷層走向均為NE-SW，傾角大於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 切割
標高
(m) 切割
層位 走向
長度
(m) 平均垂
直斷距
(m) 平均水
平斷距
(m) 傾向 傾角 斷層
性質 簡單描述 F ₃0以下 D ₃S～D ₂t 2300 340 752 320°～335° 30°～51° 正斷層 地層錯位，斷層破碎帶寬約2～15m，並含有泥砂角礫，褐鐵礦和水等。 f ₁+150 D ₂q ⁴ ₂～D ₂q ² ₂220 16.4 24.7 335°～356° 85°～88° 正斷層 地層錯位，見擦痕，為隱伏斷層。 f ₂+220 D ₂q ⁰ ₂～D ₂q ² ₂258 10 14.5 350°～356° 85°～88° 正斷層 地層錯位，斷層麵平直，局部是角礫岩，為隱伏斷層。 f ₃+190 D ₂q ⁴ ₂～D ₂q ² ₂270 5.4 10 350°～353° 85°～89° 正斷層 地層錯位，斷層麵平直，局部是角礫岩，為隱伏斷層。 f ₄+170 D ₂q ⁴ ₂～D ₂q ² ₂305 11.4 12.5 160°～172° 82°～88° 正斷層 地層錯位，斷層破碎帶氧化深度在+260m標高以下，為隱伏斷層。 f ₅+170 D ₂q ² ₂～D ₂q ³ ₂300 5 8.2 152°～178° 85°～88° 逆斷層 地層錯位，斷層麵平直，局部是角礫岩，為隱伏斷層。 f ₆+200 D ₂q ² ₂～D ₂S ¹ ₁310 2 7 162°～172° 81°～88° 正斷層 地層錯位，斷層破碎氧化帶寬度1～3m，深度在+220m標高以下。 f ₇+170 D ₂q ³ ₂～D ₃S ¹ ₁280 2.8 4 170°～172° 85°～89° 正斷層 地層錯位，構造線較穩定。

圖2　地質縱剖麵圖
　　1.石灰岩；2.砂岩；3.角礫岩；4.千枚岩；5.礦體；6.地質界線；7.F₃斷層；8.次一級斷層；9.餘田橋組龍口衝段下部細粉砂岩、生物灰岩及白雲岩互層；10.棋梓橋灰岩段上蝕變帶；11.棋梓橋灰岩段中蝕變帶；12.棋梓橋灰岩段下蝕變帶

　　該礦區水文地質為中等偏複雜類型，屬季節性大氣降雨、洞穴裂隙水流垂向補給的礦床，無地下河流，井下最大洪峰湧水量為2500m³/h，最小湧水量為70m³/h，正常湧水量為250m³/h。
1.3　礦山開采技術條件及開采曆史
　　該礦屬同生沉積-改造型礦床，礦體受地層控製，賦存於泥盆係中統棋梓橋組灰岩中，礦體走向與圍岩基本一致，為NW-SE。礦體產狀多為似層狀，透鏡狀和扁豆狀，礦體傾向230°～240°，傾角25°～35°。礦體分布長373m，寬556m，總麵積約為0.21km²，共計探明硫鐵礦地質儲量545.63萬t，其中工業礦石量為283.75萬t。全區共有9個礦體，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，並有穿層現象，礦石含硫平均品位為26.15%，礦體頂、底板均為灰岩，礦石堅硬，圍岩穩固，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，則不穩固。其礦岩物理力學參數見表2。

表2　礦岩物理力學參數表

名　稱 體重
(t/m ³) 堅固係數
f 抗壓強度
(MPa) 抗拉強度
(MPa) 鬆散
係數 安息角 礦　石 3.56 14～16 140 9.8 1.65 39°05′ 圍　岩 2.83 12 121 8.5 1.65 36° 　　礦山采用下盤主、副斜井開拓，多層不規則房柱采礦方法開采。開采深度已達250m，開采曆史已有300多年。1978年以前開采285中段以上的褐鐵礦，估計采出褐鐵礦50萬t，1978年以後開采285中段以下的原生硫鐵礦，共計采出硫鐵礦130.54萬t，約占地質儲量的24%，累計形成采空區總體積約為80萬m ³。其中最大采空區為220中段341—2號采場，其體積約為1萬m ³(采空區寬30m，傾斜長度68m，傾斜厚度5m)。采空區形狀一般為傾斜似層狀和不連續的雞窩狀。開采至今未進行采空區處理。
2.地震前兆現象
2.1　婁底地震活動簡史
　　據不完全統計，婁底曆史地震記載為公元1528～1936年共發生地震11次，1972～1987年發生弱震35次 ^〔1〕。它們主要分布在東經111°～112°，北緯27°以北，主要集中在礦山和水庫附近，以及構造帶岩溶十分發育的碳酸鹽岩石地區。地震震級雖然不高，但烈度偏大，給人民的生產和生活造成了一定的損失。近10多年以來婁底地區微弱地震活動較為頻繁，查婁底地震辦總第20期地震簡訊，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境內發生了4次M-L3.1級左右的有感地震，地震波及七星和伏口兩鎮所屬的甘溪、洞源、紅仙、半山等村。震中在甘溪和半山，等震線圖長軸呈NE走向，有感麵積達50km ²。震區內無大中型水利工程和井下礦山，但區內斷裂和岩溶發育，經地震部門調查 03manbetx ，預測該區仍有小震活動發生。
2.2　礦區構造活動和地壓現象
　　青山硫鐵礦區內斷裂構造十分發育，並有構造活動跡象，在地表可以看到F ₃斷層的移動痕跡，下盤明顯下沉，斷層破碎帶明顯張裂擴大，並在地表已形成了一個300m×500m的陷落區，陷落區深度約為1～2m。在井下220中段和260中段可見f ₄、f ₅斷層麵有擦痕。285中段以上的褐鐵礦采空區多數已自然垮落，285中段以下也有較為明顯的地壓活動現象，如220中段341采場礦柱受壓剪切破壞，260中段4號沿脈鋼筋混凝土澆灌的巷道受壓破壞，底板下沉等，在井下有時還可以聽到“噝噝”、“啪啪”、“嘣嘣”的岩音，特別是在220中段241沿脈f ₄斷層附近出現一個高應力區，見圖3(1993年至1994年光彈應力計測定結果)。最高應力值達10.4MPa，超過了斷層附近岩石的抗壓強度，1996年2月至6月在此高應力區附近發生了4次采場頂板局部垮落，平均每次垮落岩石50m ³左右。

圖3　220中段測點應力分布曲線

3　地震原因03manbetx
　　地震是一種地質現象，是地殼運動的一種表現，是地球上的震動。而產生地震的原因是多種多樣的，它可以由地質構造運動等原因引起天然地震，也可以由人為活動而產生誘發地震^〔2〕。如礦山井下開采誘發塌陷地震，簡稱礦震。關於青山硫鐵礦區發生地震的原因，目前有幾種不同的看法，一些人認為它是由於汨羅-灰湯-新寧斷裂最新活動引起的，屬於婁底地震活動群的餘震型地震；而另一些人則認為是礦區采礦導致井下采空區頂板岩石突然冒落，誘發礦山塌陷型地震。作者多次深入現場調查研究，認為青山硫鐵礦區發生地震的主要原因與下列因素有關。
　　(1)婁底地震活動影響
　　根據有關資源03manbetx ^〔3〕，汨羅—灰湯—新寧斷裂是存在的，是一條統一的地殼斷裂，該斷裂起於汨羅，經寧鄉延至婁底附近，現時作NE40°～50°延伸，長約200km，寬約數公裏至十數公裏的一個條帶，由F₁₇、F₁₈兩條平行延伸的斷層之間及其近側組成的一個斷帶。斷帶以東是湖南東部新華夏構造的集中帶，斷帶以西則是湘中弧形構造帶(或稱祁陽弧形構造帶)的北翼。據不完全統計(公元202～1954年)湖南省境內發震總數為242次，其中148次地震直接位於汨新斷裂帶上，或位於斷裂帶兩側，直線距離不超過50km範圍內。由此說明以斷帶為中心的地震頻數較大，雖然不能肯定這些地震全係本斷帶所致，但也足以說明它是第四紀以來仍在活動的活動斷層，是最重要的發震構造。因此前人推斷汨新大斷裂經過婁底，將婁底地區劃為五級(六度)地震危險區。多數人認為婁底地震原因主要是受汩新大斷裂最新活動影響，誘發區內地質構造活動，在人為活動集中的礦山和水庫附近，以及一些構造帶岩溶十分發育的碳酸鹽岩石分布區發生地震。
　　(2)礦區地質構造活動
　　青山硫鐵礦位於湘中印支褶皺帶北部高峰隆起帶邊緣，為湘中弧形構造帶北冀，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日發生在湖南省漣源市七星和伏口兩鎮境內的4次有感地震範圍僅5km，且同為石炭係和泥盤係地層，受“汨新斷裂”和湘中弧形構造帶活動影響，按照區域地震活動規律，容易使青山硫鐵礦區不穩定，誘發礦區主斷層F₃活動，同時可以引起F₃下盤雁行排列的一組次一級斷層(f₁～f₇)移動，在地表可以看到F₃斷層新的移動痕跡，在井下220中段和260中段241沿脈、341沿脈可見f₄、f₅斷層麵有擦痕。
　　(3)采礦影響
　　青山硫鐵礦礦石堅硬，圍岩非常穩固，開采礦石量較少、采空區體積較小，地震前從未發生過大規模的地壓活動。但隨著開采深度加深，采空區體積不斷增加，且長期沒有進行空區處理，時間效應的作用，采空區也會不穩定，加之礦床賦存情況複雜，使用的是“多層不規則房柱法”開采，采空區形狀多為不穩定的多層傾斜框架式結構和不規則的串珠狀結構，上、下層傾斜采場礦柱的位置也不規則，難以上下對齊傳遞壓力，采空區容易產生結構失穩，出現地壓活動現象，如礦柱承壓剪切破壞，采場片幫，頂板局部冒落，等等，甚至誘發采場頂板塌陷型地震。青山硫鐵礦地震時，在井下220中段341采場(f₂～f₅斷層之間)發生了較大規模的采場頂板冒落，地震後現場目測估計冒落體積約為1000m³，冒落高度約為30m，將冒落岩層作為自由落體考慮，可以計算出頂板突然冒落產生的能量約為1.05×10¹⁶erg，根據古登堡李希特和普雷斯關於地震震級與能量的兩個關係^〔4〕：
　　LogE=1.5Ms+11.8
　　1.5Ms=1.9M_L-0.02M²_L
計算出采空區頂板岩石突然冒落時產生的能量可形成近震震級M_L2.3，這一結果與地震台網測定的M_L2.6相接近。
　　(4)綜合分析
　　綜上所述，作者認為青山硫鐵礦區發生地震的原因是上述三個因素的有機結合，是它們共同作用的結果，從成因上講，既有自然因素的影響，又有人為因素的誘發。可以肯定，青山硫鐵礦區發生地震時，井下采空區發生了頂板大冒落，冒落就必須釋放能量，能量就會轉化成彈性衝擊波，並產生震動和巨響，形成塌陷型地震。因此采空區頂板突然冒落是本礦區發生地震的直接原因；婁底地震、地質構造和井下采礦等活動可能是引起采空區結構失穩，頂板冒落的重要原因，是地震發生的條件，地震則是采空區頂板冒落的結果。
4　經驗和教訓
　　湖南省青山硫鐵礦係省石化局直屬企業，硫鐵礦年產規模15萬t，開采曆史悠久和輝煌，曾獲省級先進企業、花園式礦山和部級安全先進企業等榮譽稱號。由於地震破壞，礦井被迫閉坑，給國家和企業造成了較大的損失。為了總結經驗、吸取教訓，預先防範，避免和減少地震災害的損失，並為類似條件的礦山或工程提供借鑒，特對該礦區地震原因進行總結。
　　(1)青山硫鐵礦工程地質情況非常複雜，地質勘探部門和礦山對此研究不夠，特別是對活斷層的研究較少。
　　(2)由於礦石堅硬，圍岩穩固，采空區長期未作處理，蓄存能量，為頂板冒落和誘發地震創造了條件。
　　(3)青山硫鐵礦屬於緩傾斜薄礦脈群體礦床，開采難度較大，采用“多層不規則房柱法”開采，采空區本身就屬於不穩定結構，容易發生結構失穩，致使采空區頂板冒落。
　　(4)對出現的地壓活動現象未引起高度重視和采取相應的措施，特別是對於高應力區也未進行處理，總認為礦岩穩固，不可能誘發大規模地壓活動，抱有僥幸心理。
　　(5)防震和抗震意識不強，缺少必要的宣傳和教育，特別是對區域地震研究不夠。

〔作者簡介〕　穀新建　湘潭工學院高級工程師
穀新建（湘潭工學院^.411201）

參考文獻

〔1〕劉奇武，婁底地區地質災害概況及其防治，《湖南地質》，第3期，第42頁，1990
〔2〕中國科學院地球物理研究所編著，地震學基礎，第1版，第16頁，科學出版社，1976
〔3〕梁承禮等，關於汨羅—寧鄉—婁底斷裂帶的煤田地質意義的探討，《湖南煤田地質勘探》，第2期，第5頁，1985
〔4〕李善邦著，中國地震，第1版，第156頁，地震出版社，1981