·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·