0 引言

代县、繁峙位于山西省东北部, 两县地界相连, 金属矿产资源品种多、储量大、分布广, 代县以铁矿居多, 繁峙以金、铁矿为主。随着露天资源枯竭, 采矿活动转入地下开采, 如今采深超过2km。金属矿山的深度回采, 形成了多地多处成片的采空区。随着开采深度加大, 地质条件逐渐恶化, 深部地压活动将更加剧烈, 因而引起采空区顶板冒落诱发矿震的可能性也会随之增加(周辉, 2000)。

矿震是指由于采矿活动所诱发的地震, 是矿区内在区域应力场和采矿活动作用影响下, 使采区及周围应力处于失调不稳的异常状态, 在局部地区积累了一定能量后以冲击或重力等作用方式释放出来而产生的岩层震动。矿震主要发生在地质构造比较复杂, 地应力相对较大, 断裂活动比较显著的矿区(刘大勇等, 2007)。从现有资料来看, 已知的国内采矿诱发的地震最高震级(本文均指M_L震级)为4.2级(董星宏等, 2005)。虽然这类地震震级不是很高, 但由于震源浅, 震中烈度偏高, 故破坏性较大(谷新建, 2000)。

据山西省地震局测震台网监测数据显示, 近年来山西矿震数量明显增加, 可监测到的微震数量平均每日十余起, 有感塌陷地震时有发生。仅2017~2018年该区就发生2次3.0级以上矿震, 即繁峙矿区2017年4月10日19时44分M_L3.3地震和代县矿区2018年7月21日02时46分M_L3.0地震, 2次塌陷都位于忻定盆地的代县、繁峙交界附近, 微观震中相距约14km。当地村民反映塌陷发生时听到闷响声, 房屋晃动, 地面摇动, 一度引起恐慌。

本文通过分析山西繁峙和代县矿震地震波动力学特征和频谱特征, 并综合代县一带的地质结构与矿业开采情况, 对代县矿震性质、发震机理做了探讨研究, 并对相关问题进行了分析。

1 基本情况简介

山西数字测震台网包括本省57个数字地震台, 共享河北等相邻4省的17个子台数据, 台站分布相对均匀。信号实时传送到山西省地震局测震台网部, 实现数据汇集、实时监控与监测。可监控到引起地面震动的各类事件, 并能对达到一定能量的事件进行测控定位(定位精度参照天然地震)。

2018年7月21日代县塌陷发生时, 恰好某科研单位在震中附近区域临时架设了6套流动子台，故震中周围2°范围内有30~40个台站, 最大空隙角小于45°。其中, DAX地震台距离2次塌陷震中最近, 震中距分别为23km和12km, 详见图 1。台网子台完整地记录了这2次塌陷孕育的起始、发展和发生的整个过程。图 1为塌陷周围地震子台分布和2次塌陷及塌陷前后时段(2016年12月~2017年5月与2018年3~9月)发生在38.3°~40°N、112°~114°E的天然地震震中分布情况。

2 代县、繁峙2次塌陷的特点 2.1 塌陷前兆特征

2017年4月10日繁峙塌陷前40天, 出现上下幅度不对称的正弦波组, 幅度很小, 大致是地脉动的3~5倍, 周期约0.6s, 形态单一, 为起始的微弱前兆, 见图 2(a)。之后10~15天内频次和幅度基本没有大的起伏, 多日偶发或日发1~3次。该前兆只在最近的DAX台有记录。随后日频次逐渐增加到5~8次。3月21日日频次开始明显增多, 为10~16次, 图 2(b)为一组连发的前兆破裂波形记录, 幅度间或增大到原来的数倍至数十倍。波形显示出持续震动的调整过程, 这个过程为3~100s, 见图 2(c)。列举的初始前兆和调整波形记录特点, 与邢台石膏矿发生矿震时赞皇地震台记录的以张力为主的微破裂形态相似(闻军等, 2007)。其间脉动中清晰记录到似近距离爆破的高频事件次数明显增加, 垂直向初动多数尖脉冲式向下, 形态有别于爆破, 有些连发多次的高频事件N-S分向清晰, E-W分向次之, U-D分向微弱, 如图 2(d)所示；图 2(d)圆角矩形放大框中是DAX台U-D向矩形框部分的放大图, 清晰看到初动向下。4月10日19时18分繁峙塌陷前，前兆破裂次数暴增, 增至每分钟3~4次, 幅度骤升到原来的数倍至数十倍。这些密集的短临事件, 预示着冒顶即将到来。19时43分在距离塌陷点7.1km左右, 前后相差3s发生0.8级和1.5级2次爆破, 紧随爆破之后, 引起持续振荡, 加剧局部破裂, 于19时44分发生繁峙3.3级塌陷。

2018年7月21日代县塌陷与繁峙塌陷有相似之处, 也有不同之处。相似之处为, 在前期初始阶段, 前兆特征记录基本相同, 最后加速发展阶段情形相似。不同之处为, 代县塌陷的发展形成过程中, 高频事件相对较少, 调整现象较少, 且调整持续时间短；最终塌陷发生前爆发2次短期的密集前兆破裂, 即20日17时24~50分突然破裂幅度陡增数倍至数十倍, 频次每分钟4~6次, 之后相对平静数小时, 于21日02时36分又一波破裂袭来, 一次接着一次, 持续10min, 之后发生3.0级塌陷, 见图 2(e)。

2.2 塌陷的特征

2次塌陷地震具体波形显示的特点为最近的DAX台记录初始较弱, 三分向周期均约1.0s, 纵横波段界限不明, 难以区分, 3~5个周期后断崖式衰减, 繁峙塌陷尾波衰减快, 见图 3(a), 代县塌陷衔接4~6组明显小于前面周期的横波, 见图 3(b)矩形框部分。震中距在1°左右时纵横波段相对容易区分, 尾波震动持续时间超过200s, 且衰减形态不一, 有的逐渐减弱, 有的在渐弱后再次增强, 面波均非常发育, 图 3(c)为部分台站的N-S向记录, 面波周期在3~10s；台网距离震中最远处5°的台站面波记录也很清楚。总结来看, 2次塌陷均是在数小时内小能量前兆破裂加剧之后相继发生的。这类事件主要特征是震中分布范围小, 无明显迁移现象；震源浅、震级小、烈度高；地震波形简单、周期较大(国家地震局研究所, 1984)；近台衰减极快, 远台面波清晰, 尾波长衰减慢；引起地面震动辐射范围广, 传播距离远；震时一般伴随响声和空气冲击波等。

3 矿区地质构造和地震地质背景

采空区顶板冒落是多种因素综合作用的结果, 并受很多条件制约, 一是矿区地形地质条件, 即矿体形态、矿层厚度、埋藏深度、水文及工程地质条件、矿体产状、地质构造、矿石和围岩物理力学性质和化学性质等自然因素；二是矿区的开采技术条件, 即开采深度、开采方法、采空区体积及其形态、采空区处理方法等人为因素(谷新建, 2002)。

3.1 矿区地质构造和开采特点

代县和繁峙两矿区面积总和超过10km²。资源保有量约3400万吨, 地面加地下开采20余年。资料显示, 矿区开采批准标高2150~1050m, 厚度小于5m的矿体采用浅孔留矿采矿法, 厚度大于5m的倾斜中厚和缓倾斜厚矿体采用有底柱分段崩落采矿法, 存在厚度大于6m的倾斜-急倾斜矿体。开拓方式为平硐, 下盘竖井有轨运输。平硐标高2140~1700m。显然, 根据矿区矿体复杂的赋存构造特点, 多处矿体叠加甚至是高倾角叠加, 开采难度大, 回采率高, 开采技术要求随之增高, 风险也逐步逐级增高。李占金等(2018)模拟分析了在马城铁矿深部开采中, 应力和位移在一步回采和二步回采顶板和底板的变化，研究表明应力在二步回采后比一步回采后明显加大, 集中分布于顶板和底板处且达最大, 部分围岩处于失稳状态；位移在一步回采后出现沉降和底鼓现象, 顶板处位移大于底部且有厘米级位移量, 二步回采侧帮有其10倍量级的位移量。因此, 在开采过程中, 围岩一直处于动态的应力应变调整中。

3.2 矿区地震地质特点

2017年繁峙塌陷和2018年代县塌陷均发生在忻定盆地的北部。忻定盆地是山西地震带中北部一个易积累起高应变能的重要盆地, 北侧以恒山隆起区、南侧以石岭关次级隆起区分别与大同盆地、太原盆地分开(黄福明等, 1992), 总体走向NE, 由3个凹陷(代县凹陷、原平凹陷和定襄凹陷)及凹陷间2个凸起(大营凸起和金山凸起)共5个次级构造单元组成。盆地内活动断裂按平面展布方向可分为NE、NNE及NW向三组。代县凹陷位于忻定盆地东北部, 北、南界分别受恒山南麓断裂和五台山北麓断裂控制。恒山南麓断裂长约66km, 走向NEE, 倾向SSE, 由一系列阶梯状正断层组成；五台山北麓断裂, 长约85km, 走向N60°E~70°, 倾向NW, 是一高角度的断裂带, 两断裂皆为第四纪全新世活动断裂, 由于凹陷南侧断裂活动幅度大于北侧, 使得凹陷基底向南倾斜, 凹陷中心偏向南侧, 南北两侧新生界不等, 构成不对称的掀斜构造组合(杨国礼, 1983)。盆地内断裂在几何学和运动学方面所表现出的特征与区域应力场的作用密切相关。无论是深部物探资料、微震活动面状分布特点(尹兆民, 1986；蔡妍等, 2014), 还是2.0级以上弱震震源机制解(郭祥云等, 2017)，研究结果均一致表现出区域应力场为拉张的特性。

4 塌陷发展过程特征及成因机理分析

金属矿山地下开采地面塌陷是由于矿山地下开采形成采空区, 采空区上覆岩体在自重和上覆岩土体的压力作用下, 产生向下的弯曲与移动(周春梅等, 2010)。垂直方向上形成所谓的“三带”, 即弯曲带、断裂带、垮落带(王超凡等, 1998；武磊彬等, 2009；郭念民等, 2012)。

金属矿山在岩体物理力学性质、地层结构、矿体形态、赋存条件以及采矿方法方面与煤矿存在较大差异, 但在引发矿震的成因机理方面二者也有相似之处。现今利用数字技术和现代化手段针对金属矿山的研究越来越丰富和全面, 越来越多的研究成果为我们今天认识和解析同类型的实例提供了依据。本文结合实际地震记录图特征, 进一步探求该区塌陷的发展、发震机理。

4.1 现象1：塌陷的前兆记录及持续调整现象

在实际地震观测波形记录中, 发现DAX台在记录小的前兆破裂发生进展阶段, 繁峙塌陷记录到的破裂之后持续调整现象多于代县塌陷, 且持续时间也远远长于代县塌陷。在3月22日记录到破裂后的震动持续时间由原来的不到1 s增长为3~6s, 而且出现次数也明显增多；其后调整时长延续更长、破裂次数更多。而代县塌陷孕震过程中, 这种现象相对较少。就此回头查看2次塌陷前后时段的波形数据和周围的地震情况, 见图 4。

通过查看记录，发现其一是繁峙塌陷区域周围50km范围内同时期小震频发, 图 4(a)中虚线框部分为山阴小震密集。2017年3月20日繁峙北西距离约48km的山阴在16时16分~19时25分短短不到3.2h, 就密集发生27次小震, 震级在0.4~0.9级的有22次, 1.0~ 1.5级的有5次, 23日18时山阴再次发生2.1级地震, 能量累计达一次3.0级的地震, 震源深度(8.1±2.0)km。26日紧邻繁峙西10km的代县发生0.8级地震, 4月4日繁峙当地距离震中约13km处发生1.1级地震。如此在山阴和繁峙代县两边交替发震, 22日在地脉动记录中多次出现“破裂—弹性调整—应变恢复—再次破裂”的现象；26日后调整时长延续到12~100s。图 4(b)虚线框中表现的是2018年代县塌陷前40km范围内原平和代县小震增多。这些充分说明了小震的密集发生对区域局部的应力调整影响明显, 矿区大面积采空区的围岩和顶板原来所处的平衡状态被打破, 受其作用产生形变, 从而寻求新的稳定状态。此时顶板受到水平向张力及剪切力作用, 处于失稳状态。杨美宏等(2018)对大梨树沟铁矿采空区对地表稳定性影响进行模拟分析, 结果表明采空区周围岩体强度的折减远远大于采空高度变化对地表沉降量的影响，说明围岩受力并未达到平衡状态, 不断有弹性能转化为裂隙表面能而引起岩体的破坏。其二是DAX台周围爆破时间如往日一样, 日均6~8次, 震级在0.4~1.8级之间。图 5为2017年3月23日17时59分DAX台N-S向记录的一次爆破的特征, 部分爆破后有明显的引起地面震动的效应, 说明采矿使顶板产生张裂, 采矿爆破震动可造成采空区上部的顶板越来越疏松(杨美宏等, 2018), 爆破后的破裂表明顶板岩层内部形成的张拉应力弹性势能在转化。2017年4月10日19时43分相隔3s发生2次爆破, 爆破产生的波叠加, 传播经过繁峙矿区采空区, 引起同步振荡, 19时44分诱发3.3级的塌陷地震。因此, 在繁峙塌陷中, 爆破加速了矿震的发生进程。

4.2 现象2：繁峙塌陷脆裂的现象多, 代县塌陷脆裂少

记录中还发现, 脆裂的现象在繁峙塌陷前较多, 而在代县塌陷前较少, 即DAX台记录到频发的周期在0.01~0.03s, 较之破裂而言, 高频的小事件与爆破频率(周期约为0.04s)相似但形态特征又有别, 垂直分向初动多数向下, 有的衰减不到1s, 2~3个周期很快结束；有的几乎等幅持续2~5s；在小震(群)频发时段该类高频事件相伴多次发生, 有时会相继连续数次, 比相同幅度的爆破记录到的台站要少, 如果发生爆破, 周围3~5个台会同期有地震动记录, 而这些高频小幅事件基本仅在DAX台出现, 且在DAX台的北南向强于EW向, 垂直分向最弱(图 2(c))。这表明当时区域主要受水平外力的作用, 即SN向受到挤压所致。

这些事件从记录的“形”上与谷新建(2002)描述的冒顶岩层发响征兆“岩层内小响如鞭炮声”的“声”相吻合, 表明岩层浅部受挤压破坏, 岩体发生小的脆性破裂, 围岩受力并未达到平衡状态, 不断有弹性能转化为裂隙表面能而引起岩体的破坏。一般而言, 顶板冒落总是以部分岩层缓慢破裂为先导, 随着破裂过程的不断延伸, 有关岩体最终将从母体中脱落下来, 并相继冒落(谷新建, 2002)。当岩块弹射崩落后使得另外一部分岩石暴露, 岩石的崩落使得应力又重新分布, 未崩落的岩体应力更大, 新暴露的岩石受力状态由三轴应力转化为单轴应力, 这样就造成持续性的、滞后性的第2次乃至更多次的矿震(刘大勇等, 2007)。

代县塌陷的这类前兆现象较少, 我们认为原因主要在于岩层中孔隙水的含量不同, 繁峙塌陷发生在经历数月风大干寒的冬季后少雨的春季, 岩体的韧性被削弱, 更多地增加了其脆性。代县塌陷发生在7月, 正处于当地一年中降雨集中的时段, 很好地改善了矿区周围和顶层岩体中孔隙水含量, 增加了其韧性, 降低了脆性, 同时也降低了岩石的抗压、抗剪强度, 而且由于裂隙的产生、扩大, 破坏了岩体的整体性, 增加了不稳定因素, 改变了地压的分布状态, 受弱的外力时容易通过弹性变形来调整释放该能量。

4.3 现象3：2次塌陷前的短临现象

2次主塌陷前均出现短临前兆, 破裂间歇性高频率突发(图 2(d))。具体现象是主震前10~30min, 前震破裂开始明显增多, 其中1s左右低频波组居多, 偶有33Hz左右的高频波组。这些低频前震波形态与主震波高度相似, 能量有大有小, 且衰减均很快, 其中能量小的仅在最近的DAX台记录清楚。低频前震破裂短时间内密集发生, 表明应力集中部位已产生塑性变形, 处于临界破裂状态。这种前兆现象和刘万琴等(1999)描述的现象基本一致, 后者采用弹性波理论和地震破裂成核理论进行分析, 认为低频振动可能是亚临界扩展向前时激发的长周期波, 是不可恢复的形变；高频振动是脆性破裂辐射的波场。震前短临阶段孕震断裂端点的扩容区体积变化不大, 亚临界扩展不仅激发长周期波, 而且也常诱发小事件, 主震发生时, 扩容区体积迅速增大。

4.4 现象4：2次塌陷的特点及DAX台横波段波形存在差异

2次塌陷地震波的形态基本一致, 说明诱发因素、形成机制和矿震类型相同；DAX近台S尾波段存在不同, 说明落体激发的振动波的频率不同, 这可能与采空区内赋存物不同有关。查看当地气象资料, 显示7、8月是当地一年中降雨集中的月份, 也是一年主要的降雨期, 雷雨天气多。实际的降雨情况是, 2018年6月有数日少量降雨, 7月1~21日间有12天断续降雨, 其中8~9日、17日、19日和20日雨量均很大。雨水大量渗透, 采空区内容易形成积水, 改变了采空区的赋存物质, 空区内水气共存。2017年4月10日震前, 4月7~8日也有连续降雨, 雨量中等, 但绵绵春雨, 滴滴浸润, 不足以在采空区内形成积水。共同之处是降雨大大增加了上覆岩体和上覆土体自重、渗透压力以及静水压力, 不断给地下中空层增加负担。重力作用增大, 超过顶层岩体的最大临界载荷时, 偌大塌落体瞬时崩落, 对空区内的气体产生的冲击和对水气共存物质产生的冲击激发了不同频率震动波。因此, 降雨是2次塌陷发生的自然因素的助推器和催化剂, 更是导致代县塌陷的“最后一根稻草”。

纵观尾波衰减形态, WUJ、YUY等台站记录有明显的不同。如图 6中YUY台的记录与ZCH台的三道记录形态就不同, 横波段衰减长, YUY台U-D分向毛刺比较多、不光滑, 而两水平分向在衰减后又再次增强, 产生一串较光滑的相对低频的波。

对上述两现象, 卫红学等(2014)和段建华等(2010)给出解释, 认为采空区以空洞(充水、充气、水气共存)的形式存在时, 采空区处的反射波与两边的煤层形成的反射波相比, 能量变强(振幅增强), 频率变低。查阅地质灾害、国土资源等诸多相关资料确定, 右玉地区是山西老矿区, 采空区确实存在。这也启发我们通过波形记录图的不同形态特征, 充分地读懂和利用这些波形数据的内涵, 以探索地下的更多“秘密”。

4.5 现象5：同一区域相继发生2次3级(以上)塌陷

日常实时监测记录显示, 矿区及其周围构造地震时有发生, 爆破作业日复一日进行, 新的采空区也在不断形成、扩大。微小震级的矿震日均十次之多, 因其多数不被人们察觉而不受关注。但是, 每次这些事件的发生, 都会使得围岩和顶板的应力和位移的平衡被打破, 应力和位移的分布呈现出各自不同的特点。随着周围采空区的不断形成, 在某一个区域内形成了一个“采空区群”, 该区域的应力和位移分布较单个采空区均有了较大增加, 且增加幅度并不是单纯的叠加, 说明在该区域内形成了一种采空区的“群效应”, 这种效应使采空区的围岩和顶板的应力状态更加危险, 加剧了采空区的危险等级。在采空区群形成过程中, 采空区顶板的垂直向位移、应力和矿柱的应力均保持着增加, 围岩的应力应变状态在采空区群区域的中心位置最差, 而非某个采空区(付建新等, 2013)。这也就是说, 塌陷的震源体并不大, 3级以上的矿震震源体也不足百米, 而孕震体尺度远远大于震源体(车用太等, 1995)。所以在高应力叠加区域, 作业、降雨等因素影响上覆岩体极限承压能力, 导致其失去平衡和稳定, 诱发连续的矿震。而且, 有研究显示, 随着开采的继续和周围应力应变的持续动态调整, 矿震级别也有逐渐增高的趋势。

5 结论

纵观代县和繁峙2次塌陷地震的发展到发震, 过程受区域拉张应力作用影响, 并和周围地震的活动关系密切, 也与持续的开采、采空区的成片、采深的增加以及自然气象因素(如降雨)等息息相关。可见该区域塌陷地震的孕育发震成因机理有着复杂性、多因性、表现性、持久性等特性, 因而难以规避塌陷发生的风险。查阅2008年以来山西台网记录到的M_L≥2.5的塌陷, 其中有像代县和繁峙塌陷类似特征的情况, 比如大同地区部分塌陷, 但并非全部。这说明前兆特征表现与区域地质、应力、构造及每次诱发(主要、次要)等因素关系密切。曾有山西大同矿务局第一中学周忠银先生用微震法(LJ-1微震仪)成功预报了1980年12月19日晋华宫矿南山井古塘塌陷和1981年6月7日煤峪矿小煤窑顶板陷落引起的塌陷地震(贺秀全等, 1997)，故我们有必要收集和积累更多震例, 深入研究, 探索预报的可能。另外, 2次塌陷地震的孕育、发生过程, 均历时数十天。震源体附近高精度的测震仪器, 真实记录了发展过程的表征现象。因此, 可采取措施, 加强矿区安全监测预警系统, 便于捕捉有前兆特征的塌陷来预报和预警, 更好服务社会, 服务应急等相关部门, 防患于未然，努力将塌陷可能造成的灾害损失减到最小。

致谢: 本文在成文过程中得到中国地震台网中心赵永老师的指导, 部分图件得到山西省地震局李丽的帮助, 匿名评审专家对本文提出了宝贵修改意见, 在此一并致谢!