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现象背后潜在的科学问题

已有 1292 次阅读 2016-12-15 18:44 |系统分类:博客资讯

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1)大地构造应力场控灾

事故矿井多位于板块边界附近,块体内部较少,推测构造应力场的扰动引发煤矿灾害事故。宏观上,中国大部分煤田与各主要地震带,在空间上都有重合或部分重合。现代地质研究显示,大地构造运动是以板块或块体的整体或有限形变为基本运动形式Tapponnier & Molnar1976;Tapponnier et al.,1981; England 

&Houseman 1986; England et al.,1997,板块边界的断陷盆地则恰恰是构造应力/应变调整的重要场所。新生代始新世以来,印度板块对其他板块的持续挤压碰撞(张岳桥等,1999;张岳桥和廖昌珍,2006;张岳桥等,2006;马寅生等,2007万天丰,2011,1993)。现今,在这些板块边界附近(断陷盆地内)开采的煤矿无不受到构造应力场的作用,这是煤矿应力灾害研究的大地构造基础。板块内部煤矿灾害的近乎缺失,令人怀疑板块边界控灾。甚至,可以推测查找高事故矿井的构造位置,怀疑这些构造位置可能对构造应力场有窗口效应。

2)大规模采掘卸压,可能导致浅表沉积层失稳

任何地壳的力学性质都是固定的,中国有26395家煤矿,这些煤矿长时间,大范围的开采,可能使中国大陆成为绝好的天然试验场:人们无限制地采掘地下煤炭,当卸载的构造应力大于浅表地壳的力学支撑能力,可能会造成煤田周边地层松动失稳——煤矿灾害丛集现象可能检验了浅表地壳的物理力学特性。理论上,不仅煤矿,对于非煤矿山、各种大型的地下工程乃至未来人类开展的各类探地工程等,只要达到煤矿开采同样规模,都应该存在应力扰动致灾的可能性。

3)揭示煤矿地质灾害深层次的构造机理问题

当前,矿井灾害丛集特征及其与地震活动的响应现象尚未被人们认识。而理论认识上没有突破,造成现今煤矿领域各种场地监测,力学分析等解释性研究集中于采掘面附近做场地分析。思路局限于单个矿井的“点”,而非整个矿区甚至多个矿区的“面”。

采煤活动本身就是对构造应力场卸压,随着中国26395家煤矿的开采,这种大范围的卸压在持续进行;同时,大地构造运动也在持续进行(各地震带不同规模的地震活动)。这样看来,“人”在动,“场”也在动,那么,“人”的动,能否引发“场”的动?反过来,“场”的动,能否影响“人”的动?

目前,第一个问题:“人”动引发“场”动的问题,已经有了明确认识:随着开采的深入,我国多个矿井陆续出现冲击地压,矿震等应力灾害,显示采煤活动是能够引发周边构造应力场的失稳扰动。但是,对于矿井之间,矿区之间是否彼此影响而致灾,因缺少事故矿井定位而没有认识;第二个问题:大地构造运动伴随的构造应力的扰动,能否传递到矿区的应力场,引发异常?探索性研究可以从地震和煤矿应力灾害的时空分布入手:大地震发生后,一方面,查看天然地震、矿震、煤矿地质灾害的时空分布特征,是否呈现丛集特征,另一方面,查看在中国大陆范围,地震与煤矿灾害丛集序列的频率、频度是否与灾害性地震对应,在前期研究中已经获得了较好的频率对应(附录2)。解释性研究可以结合现场地震监测,震源机制解,矿井场地应力监测,数值模拟等多个角度,采用多种手段论证二者之间的因果关系。

研究意义

如果“煤矿地质灾害丛集特征及其与地震活动伴随现象”得到现场验证,则具有多方面的研究意义:

1煤矿地质灾害之间、地震活动和灾害之间,以往都是孤立看待,现在被煤矿灾害的丛集现象联系到一起。在关系紧密的几个领域,可能找到了背后的总的致灾因素——在目前所认识的各致灾要素中,能够引发各种不同类型的灾害集中连续发生的,只有地应力扰动。不仅煤矿,对于非煤矿山、各种大型的地下工程乃至未来人类开展的各类探地工程等,都存在应力扰动控灾的可能性。

2).探索“以灾害预测灾害”——不同类型灾害互报的新途径

1)各煤矿大区建立灾害通报机制,彼此掌握开采进程,周边地震活动以及灾害情况,提早识别灾害的“丛集”迹象,提前防范,以利于煤矿生产防灾,减灾。

2)充分利用在微震与灾害对应研究中揭示出的“地震在前,灾害在后”的现象,以中国地震监测网的监测信息为依据,进行煤矿灾害监测,探索实现煤矿灾害预警。

3地震事件本身也呈现丛集特征,前期研究中,探索出的研究方法可以成功的提取丛集序列,并且,揭示出煤矿地质灾害的时空丛集序列与大地震具有较好的频率/频度对应(附录2)。长期以来,在地震研究领域0-3级微震一直被当作“背景”地震,没有更广泛的应用。如果将该方法应用在“长周期,大范围”地震活动时空丛集特征计算上,在地震中、短期预报,地震活跃期识别,断层活动周期计算等方面可能会大有作为。

4).对于煤矿生产,深入研究矿井应力传递过程及其与构造运动的相互作用,认识其影响机制,综合利用二者之间的影响关系,可能大大缓解煤矿灾害的压力,具有非常现实的生产意义

当前,矿井灾害丛集特征及其与地震活动的响应现象尚未被人们认识,煤矿各生产单位都是采用独立的采掘方案和开采规划,所有措施都是围绕各自安全生产制定的,对于彼此之间的影响考虑较少。利用这种应力传递关系,各矿区结合区内地质构造和灾害时空特征,进行统一、科学、合理的生产规划(卸压),制定更全面的卸压方案:

1)对于矿井密集的矿区,每个煤矿要了解周边邻近煤矿采掘点,构造应力场、区域应力场情况。在制定开采方案过程中,除了保证自身生产的需要,还要保证整个矿区的应力平衡;

2)各煤矿/矿区查找周边地区彼此影响强烈的矿区、地震带以及彼此影响强烈的矿井。这些扎堆发生的灾害及地震活动成为周边地震带的“应力窗”,而周边大范围的地震活动成为煤矿地质灾害的“晴雨表”。

5)矿井灾害丛集特征可能极具科研价值,有可能改变地震监测,地应力研究的方向。

一旦发现矿井发生不可抗拒的应力异常,那么,空间范围多大,涉及多少矿井,持续时长,过程如何?这些信息将从不同的角度反映浅表地壳的应力传递过程,进而是否与构造运动相关联。迄今为止,矿井是人类进入地下,大规模卸载地应力的“最前缘”,这种大规模卸载,在岩体力学性质既定情况下,造成应变要远比地表监测的数值可观,如果地震领域开展的以应变为基础的地压监测设施延伸至矿井,那么,监测效果应该更加明显。




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