發布時間：2021-03-22所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:應用地球物理學的方法，基于微震數據反演分析了巖體破裂特征和斷層滑移特征。矩張量反演分析可以清晰地表達震源處受力情況，且應用矩張量分解可以探知震源的破裂面產狀及震源的破裂類型。應用矩張量反演分析方法，對某礦山震級大于-0.50的微震大事件進
摘要:應用地球物理學的方法，基于微震數據反演分析了巖體破裂特征和斷層滑移特征。矩張量反演分析可以清晰地表達震源處受力情況，且應用矩張量分解可以探知震源的破裂面產狀及震源的破裂類型。應用矩張量反演分析方法，對某礦山震級大于-0.50的微震大事件進行識別。以偏量部分大于60%為分類原則，分離出巖體剪切滑移型微震事件，并根據微震事件斷層面解，繪制了巖體破裂面方位玫瑰圖。結果顯示:F310斷層活動頻繁、微震事件震級相對較大，且巖體破裂面方位以NEE—SWW為主。礦區W9勘探線至W11勘探線為微震事件高發區。F350斷層相對穩定，但該斷層與礦體相切，增大回采和開拓工作量時，應密切注意斷層周邊的微震事件活動。
關鍵詞:地球物理學;微震監測;震源機制;斷層滑移;矩張量反演
引言
隨著經濟的飛速發展，礦產資源消耗與日俱增，采礦業隨之向深部礦藏進軍。深部硬巖開采中，礦山地壓問題日益嚴重，開采擾動可引起應力場多次改變，促使應力集中區巖層儲能增大，形成潛在的應變能釋放區，導致巖爆問題顯現、大面積巖層失穩風險增加，威脅開采安全與正常生產。加之地質構造的復雜性，井下巖體失穩范圍、具體位置、能量大小等皆屬未知，若能對礦山巖體失穩等地壓事件的震源機制進行正確的解譯，獲知礦山巖體實時破裂狀態，對保障礦山安全高效開采具有重要的意義[1]。
震源機制解是指通過分析監測記錄得到的全波形微震資料，運用一定的方法和理論來反演巖體破裂面的相關參數，從而判斷震源處的破裂類型與成核機理[2]。用于識別巖體失穩類型的方法可以總結為2個大類:波形反演法和間接推斷法。波形反演法通過對單個事件多臺站波形信息的反演，得到震源處的能量輻射模型，以此確定該事件的巖體破裂機制。間接推斷法不針對特定的單一事件，而是依靠經驗模型，通過分析微震事件群的時間和空間演化趨勢推斷該事件群反映的巖體破裂機制。
在工程實踐中，間接推斷法已廣泛應用。與波形反演法相比，間接推斷法數據處理簡單，且能處理大數量的微震事件，但該方法結果可靠度低，且有時會給出模棱兩可的結果，一般僅作為參考指標。由于微震監測系統可以方便高效地獲得微震事件波形資料，因此本次研究使用波形反演法求解某礦山微震事件的震源機制，并以此分析微震事件對應的巖體破裂類型及破裂面產狀信息，最終確定其典型斷層區域微震事件活動特征。
1震源機制識別方法
隨著地震記錄數據質量的提高和計算理論的改進，地震學的研究朝著定量解釋觀測數據的方向發展。地震學上通常以等效力模型描述巖體失穩的物理過程[2]。該等效力模型相當于線性波動方程，它不涉及震源附近的非線性問題，其在自由面產生的震動與震源處實際物理過程在自由面產生的震動相同，所以可由觀測到的地震記錄來求解等效力。微震事件波形資料包含巖體失穩震源、傳播路徑和傳感器響應的信息[3-4]。不管是研究巖體失穩或破裂過程，還是探索地震波在巖體中的傳播，除了需要對傳感器記錄時產生的畸變進行修正外，還需要把震源效應與路徑效應分開。隨著數值計算能力的提高和對地球內部結構了解的深入，當前已經可以準確地計算出路徑效應，從而使得從地震記錄數據中扣除路徑影響及儀器記錄引起的波形畸變，進而分離出震源信息成為可能。
1971年Gilbert引入了震源矩張量的概念，并定義為作用在一點上的等效力的一階矩，對矩張量進行一定的分解分析可以獲得相應的巖體破裂類型和破裂面產狀信息[5-8]。在反演得到巖體破裂矩張量之后，為了便于計算各分解分量的比重，需要對矩張量結果進行特征值化[9-10]，得到其3個特征值為M1、M2、M3。將處理后的矩張量寫成矩陣形式，可將其分解為各向同性部分(ISO)和偏量部分(DEV)。
2斷層滑移型微震事件識別
某地下開采礦山，生產能力200萬t/a，地表標高1300多m，目前采深已至840m水平，屬于深井開采礦山。該礦山從20世紀建礦以來，累計采出礦量數千萬噸。但是，隨著淺部資源開采完畢，礦山地壓顯現日益嚴重。受多次開采擾動引起的應力場無序改變影響，礦山開采范圍內巖層出現應力集中，局部區域巖層潛能大，有可能成為潛在的應力集中釋放區(定時炸彈)，引發巖爆、大面積巖層失穩與支護難的問題，威脅井下開采安全與礦山正常生產。由于應力場的復雜性，礦山井下高應力分布范圍與位置確定較為困難。為獲知礦山地壓的實時狀態，該礦山于2014年建成微震監測系統。
按照文中所述的基于矩張量反演分析方法，對該礦山的微震大事件震源機制進行識別。該礦山6個月的微震事件震級統計結果顯示，微震事件震級主要集中在-2.40～-0.70，0級以上微震事件僅占2.47%，如圖2-a)所示。由于斷層滑移型微震事件是造成井下災害的重要誘因之一，且一般斷層滑移型微震事件的震級比其他類型微震事件震級要大[17-20]，本次研究僅對震級大于-0.50的微震事件進行震源機制識別分析。震級大于-0.50的微震事件空間分布如圖2-b)所示。
由圖2可知:該礦山微震大事件多分布于礦區北部，震級大于0的微震事件多分布于F310斷層控制區。該礦山2014年上半年發生的最大震級微震事件(坐標(381519.0，2997568.5，1270.3)，震級0.70)正好位于F310斷層面之上，F310斷層在W9勘探線至W11勘探線的部分位于礦體上部50～100m，該事件產生的地震波傳播至采場暴露面時，加速了假頂離層，增加了采場回采風險。
由采動或爆破導致的斷層錯動能夠釋放出較大比例的剪切波，相比于同等能量的爆破事件，斷層滑移更容易誘發諸如頂板冒落和礦柱垮塌，甚至是巖爆和沖擊地壓等災害[17]。從數據庫中共檢索出滿足要求的微震事件84次(如表1所示)，其中75次微震事件可通過矩張量反演分析得到震源機制解，其余9次微震事件由于傳感器觸發數量小于6，未能給出精確的矩張量反演結果。本文采用偏張量比重識別法，根據之前所述，%ISO代表巖體的體積改變，即各向同性部分的壓縮或膨脹，而%DEV則代表震源機制中的剪切破壞部分，該部分所占比重越大，表明該事件越傾向于純剪切。
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部分微震事件的矩張量分析結果和分解結果如表1所示，并對各微震事件的巖體破裂類型進行判別，統計表中的數據顯示:在84次震級大于-0.50的微震事件中，非剪切破裂僅占19次，即在微震大事件中，有80%的事件屬于剪切破壞類事件。
對表1中的數據進行統計，繪制如圖3所示的偏張量所占比重分布圖，假設%DEV大于90的都可近似視為純剪切事件。由圖3可知，純剪切事件所占比重相當少，大多數的微震事件傾向于體積改變與剪切的結合。該礦山剪切性微震事件中的偏張量部分并不比體積改變即各向同性部分多太多。%ISO分布于40～50或%DEV分布于50～60的微震事件，占微震大事件總數的40%左右。識別出的剪切滑移型微震大事件如圖4所示。
3斷層區微震事件時空強演化規律
由上文可知，該礦山微震大事件多分布于F310斷層控制區，因此本文選取F310斷層區為研究對象，分析其微震事件時空強演化規律。
3.1斷層及相關微震活動
該礦山F310斷層南起W6勘探線附近，全長3000m以上，走向一般為NNE—SSW向，傾向270°～300°，傾角30°～50°，一般42°左右。在900m標高以上，垂直斷距150～220m，水平斷距170～300m;900m標高以下，垂直斷距40～150m，水平斷距40～170m。斷距有從南到北、從地表向深部逐漸變小的趨勢。該斷層切割礦體，使礦體形成寬60～270m的重復帶。斷層在地表于古牛背1340m標高處切下礦體，形成SW向延伸的礦體重復帶。F310斷層900m標高以上分布特征如表2所示。
根據該礦山微震大事件巖體破裂類型分析結果，首先剔除大事件中的非剪切破裂類型，對剩余事件的時空分布進行分析，僅分析震源位置距斷層垂直距離100m內的剪切滑移型微震事件，F310斷層控制區共識別震級大于-0.50微震大事件29次，即震級-0.50～0.70，將震源機制反演結果以沙灘球的形式展示，如圖5所示。發生于2014-05-19T14:51:04的最大震級微震事件位于該斷層面上。由圖5-c)可知:斷層相關微震事件多分布于斷層面的下盤靠近礦體和采場附近，因此判斷識別出微震大事件有些與斷層滑移直接相關，即斷層滑移本身產生的微震事件;而有些則為斷層滑移微震事件發生后導致斷層內貯存的巨大能量以剪切波形式釋放，從而誘發采場周邊破壞。該事件發生后1h內分別在采場和斷層上盤發生小震級微震事件，如圖6所示。
該礦山F350斷層為一隱伏逆斷層，該斷層分布特征如表3所示。F350斷層控制區微震事件數較少，發生震級-0.50以上微震事件11次，這11次微震事件在空間分布上相對集中，距斷層面距離較近，多分布于北1盤區N1采場至N5采場，垂直方向上集中于962～1081m，最大震級微震事件坐標(381395.8，2997000.0，942.0)，震級0.30，如圖7所示。區別于發生在F310斷層上的最大震級微震事件，發生在F350斷層上的最大震級微震事件并未引起后續連鎖反應，斷層周邊采場未出現明顯巖體破裂。相比于礦區北部，該地區爆破活動頻率較低，出礦量較少，推斷該處斷層活化主要為礦區北部回采和爆破所致。該處斷層發生活化滑移，并釋放能量，但由于周邊空場較少，斷層滑移型微震事件并未引發次生微震事件。
3.2微震事件產狀分析
通過矩張量反演得到的F310斷層控制區微震事件的斷層面解如表4所示，F350斷層控制區的6次微震事件斷層面解如表5所示。由于每個微震事件通過矩張量反演都將得到2個相互垂直的節面，這2個節面中的一個為斷層的滑移面。
F310斷層控制區微震事件破裂面走向統計玫瑰圖如圖8所示。從統計信息中可知，該控制區微震事件的走向多集中于NEE—SWW，與F310斷層走向NNE—SSW呈15°～30°的夾角。根據玫瑰圖統計結果和F310斷層的產狀信息對相關微震事件滑移面的選取進行分析，選取結果在表4中以灰色背景標出。同時注意到，存在11次微震事件的破裂面傾角大于等于80°，這些事件可能由于波形信噪比較低，導致依據波形反演分析得到的結果誤差較大，也可能并非斷層滑移直接產生，而是斷層滑移后誘發的采場周邊微震事件。
F350斷層控制區微震大事件較少，破裂面的產狀如表5所示。由表5可知:節面走向相差很大，沒有出現較為集中的破裂面走向區間，僅24#和29#微震事件的走向與F350斷層走向(240°)較為接近。該區域微震破裂面的傾角和滑動角也未出現較為集中的區間。綜上所述，F350斷層控制區微震大事件離散性較大，事件較為孤立，時間和空間上不具有明顯的因果關系。盡管F350斷層未出現大的斷層活化，周邊微震事件活動并不頻繁，但該斷層距礦體較近，部分區域將礦體切割，導致采場頂板較為破碎，在該區域回采工作量增大后，應密切注意斷層及斷層周邊微震事件的活動，防止斷層活化誘發次生災害。——論文作者：王璽，王劍波，趙杰，劉興全，尹延天
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