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【摘 要】本文利用断层活动的凹凸体模型、粘滑模型推导了断层错动过程及波形特征。结果表明:理论推导的断层错动波形与矿井实际监测到的波形特征一致;因此可以利用断层错动微震波形特征对断层错动波形进行识别,从而提高冲击矿压危险的监测和预报准确度。
【关键词】断层;波形识别;采矿工程;微震
1.引言
断层活动是引起强地震的主要原因[1],也是矿井矿震及冲击矿压主要诱因之一[2,3]。断层活动型矿震由于能量释放强,往往导致冲击矿压、煤与瓦斯突出等重大矿井地质灾害。
对于断层运动的研究,主要是针对地震规律研究进行的。文献对断层运动的凹凸体模型进行了阐述和研究;Brace和Byerlee研究岩石摩擦时提出了断层运动的粘滑结构模型;Somerville P G.等对断层活动能量释放方向性进行了细致研究,指出破裂的方向性效是断层附近地震动的基本特征之一,在记录中可以看到一个明显的长周期脉冲,观测点的方向和破裂的传播方向之间的夹角越小,则方向性效应越强。
断层是矿山开采面临的主要地质构造之一,由于断层面是地层的不连续面,使得该区域围岩稳定性较差,且断层带往往是构造应力较高的区域,矿山开采过程中,断层带附近时常出现矿山压力异常。随着矿井逐渐进入深部开采,断层活动引起的矿震是导致冲击矿压矿井发生冲击矿压的主要因素之一,因此对断层运动的研究尤为重要。断层运动的微震波形携带着大量断层运动的信息,然而目前围绕断层活动微震波形分析还较少,文献对断层活动波形的频谱特征做了简要分析。由于断层活动型矿震发生的特点,断层活动型微震波形特征明显。对断层活动型微震波形特征的研究,得出波形的识别特征,可以通过微震监测系统监测到的微震波形对断层活动进行识别。通过微震波形特征识别断层活动有如下几方面的意义:一、已知断层位置时,识别出断层活动波形,可有目的的调整微震定位结果,提高微震定位精度;二、通过微震监测推断隐伏断层,减少断层带矿山压力异常导致的危害;三、拓宽微震监测系统的应用领域,用于断层运动监测;四、有利于矿压规律分析,有效预测预报冲击矿压危险。本文利用断层运动模型分析,推导了断层错动微震波形特征。
2.断层错动微震波形特征理论分析
2.1 断层运动模型
对断层研究最典型和适用的模型是凹凸体模型和粘滑模型。
凹凸体[4,5]理论认为断层面不是一个光滑的平面,断层的滑移也不是两个平整面之间的滑移,断层滑移首先是从断层面上应力较高阻碍断层错动的凹凸体开始,之后发展为断层面大面积滑移错动。
所谓粘滑就是断层发生的突发、間歇式不稳定摩擦滑动。如图1所示为断层活动粘滑模型,设断层一盘(如上盘)围岩AB相对于断层另一盘(如下盘)以恒定速度V发生位移,断层面的静摩擦系数为,动摩擦系数为(>)。上盘围岩刚度为K,对下盘垂直断层面的作用力为W。开始模型处于静止状态,则静摩擦力为W。假设断层达到稳定极限时,AB的位移为,则有。
取断层开始滑动时为时间原点t=0,设上盘位移为S,则上盘的运动方程为:
(1)
求解该微分方程,并根据初始条件:t=0时,S=0,,可得:
(2)
在断层滑动过程中模型中M代表上盘断层面运动的部分岩体(震源),可以认为在断层滑移时,除震源M外上盘其他部分岩体沿断层滑移方向是准静止的,即V=0不随时间变化。则(2)式简化为:
(3)
对(3)求导得M速度表达式:
(4)
2.2 断层错动微震波形特征
由(4)式,在M运动速度第一次减为零之前,若恒定,震源作半个周期的简谐振动。由凹凸体理论,断层面开始滑移之后,由于阻碍断层滑移的凹凸体结构破坏,断层带的断层岩在断层滑移过程中变得光滑,断层面滑动摩擦系数将减小。因此,实际M的速度在断层滑移过程中的最大值,比由(4)式按恒定时计算的值大。断层在滑移错动过程中,岩体弹性能转化为M的动能。M在滑动过程中以 转化为断层面附近岩体的内能,同时以(系数取0.001~0.01、震源动能)的能量转化为震动波的能量,以波的形式向远处传播,因此,断层滑移时能量有较大衰减。由图1断层滑移过程,当断层减速滑移时,震源M的动能将转变为弹簧AB的弹性能,从而产生与滑移方向相反的弹性拉力。当M运动反向时,断层面的摩擦力也随之反向,从而阻碍M回滑。当摩擦力大于AB弹性拉力时,M不再回滑,如图2(a)所示。当摩擦力小于AB弹性拉力时,M将回滑,由于M在滑动过程中能量的衰减,M只能产生微小的回滑位移,不能回到初始位置。由于断层滑移面体积较大,断层被摩擦力阻滞停止滑移时,断层面附近岩体在弹性变形产生的弹性力作用下产生回弹,如图2(b),在回弹过程中由于弯曲伸展,断层面压力将增大△W,从而使断层面产生挤压,若挤压位移为u,则M对断层面传递能量u(W+△W)。震源回弹后,剩余的能量在不断的弹性震动中以震动波的形式传播出去,直至M停止于图2(c)的平衡位置。
由以上分析,断层滑移错动和震源弹性回滑及回弹是断层能量释放的主要阶段。震动波不只是传播的震动能量且是振动状态的传播,波的形态反应了震源的震动状态,断层能量释放的两个主要阶段正好形成一个完整的波形周期。而断层滑动开始前凹凸体的失稳破坏产生的波形是断层主震前的前兆波形,弹性体回弹后的震动是主震后的尾波,尾波能量衰减明显比主震波形到尾波之间的衰减慢。图3为断层滑移错动过程的理论震动波形图。
断层错动波形的典型特征有:
(1)由于凹凸体强度的不均匀性且相对断层错动规模较小,断层主震的前兆波形能量小,波形周期峰值变化不均匀,频率较主震高。
(2)前兆波形到主震波形,幅值急剧增大,出现跳跃增长。
(3)主震与尾波之间,震幅急剧减小,震幅跳跃式减小。
(4)尾波幅值衰减较慢,且逐步衰减,幅值包络曲线较光滑。由于震源尺寸的减小,尾波频率较主震有所增大,周期有所减小。
(5)由震动波衰减规律,波在传播过程中高频成分衰减较快。波传播到远处时,频率较高部分的前兆波形及尾波将快速衰减直至被噪音波形淹没。远处的探头接收到的波形可能只出现主震的一个周期的波形。由于P波和S波能量传播的方向性,远处探头有时也可只接收到主震的半个周期的波形。
3.结论
本文通过理论分析,对断层滑移型矿震波形特性进行了研究,得出了如下结论:
(1)断层错动过程可分为断层面凹凸体失稳破坏、断层滑移回弹、断层面粘滞震动三个阶段。断层错动震动波形可对应分为凹凸体失稳破坏的前兆波形、断层滑移回弹的主震波形、剩余弹性能震动衰减波形三个部分。
(2)断层错动前兆波形幅值变化不稳定,出现忽大忽小的变化规律,主震幅值与前兆波形相比急剧增大,主震频率低于前兆波形,主震常出现一个周期的波形,若断层面摩擦阻力较大,断层错动不出现回滑。矿井实际监测中由于P波S波在时序上分离以及叠加,断层错动波形主震可出现多个周期,周期数一般为1~3。当传播距离较远时,由于前兆波形和尾波的衰减,微震波形只剩下主震低频波形。尾波幅值较主震明显减小,尾波本身的衰减较为稳定,幅值包络线光滑,尾波频率较主震高。
(3)经矿井微震波形识别统计,断层区矿震波形符合断层错动波形特征的比例较高,统计中达到97.4%。非断层区矿震波形符合断层错动波形特征的比例较小,仅为4.6%,且这部分还包含矿井隐伏断层的震动波形。由此,利用断层错动微震波形特征可以有效的对断层活动进行识别。
【关键词】断层;波形识别;采矿工程;微震
1.引言
断层活动是引起强地震的主要原因[1],也是矿井矿震及冲击矿压主要诱因之一[2,3]。断层活动型矿震由于能量释放强,往往导致冲击矿压、煤与瓦斯突出等重大矿井地质灾害。
对于断层运动的研究,主要是针对地震规律研究进行的。文献对断层运动的凹凸体模型进行了阐述和研究;Brace和Byerlee研究岩石摩擦时提出了断层运动的粘滑结构模型;Somerville P G.等对断层活动能量释放方向性进行了细致研究,指出破裂的方向性效是断层附近地震动的基本特征之一,在记录中可以看到一个明显的长周期脉冲,观测点的方向和破裂的传播方向之间的夹角越小,则方向性效应越强。
断层是矿山开采面临的主要地质构造之一,由于断层面是地层的不连续面,使得该区域围岩稳定性较差,且断层带往往是构造应力较高的区域,矿山开采过程中,断层带附近时常出现矿山压力异常。随着矿井逐渐进入深部开采,断层活动引起的矿震是导致冲击矿压矿井发生冲击矿压的主要因素之一,因此对断层运动的研究尤为重要。断层运动的微震波形携带着大量断层运动的信息,然而目前围绕断层活动微震波形分析还较少,文献对断层活动波形的频谱特征做了简要分析。由于断层活动型矿震发生的特点,断层活动型微震波形特征明显。对断层活动型微震波形特征的研究,得出波形的识别特征,可以通过微震监测系统监测到的微震波形对断层活动进行识别。通过微震波形特征识别断层活动有如下几方面的意义:一、已知断层位置时,识别出断层活动波形,可有目的的调整微震定位结果,提高微震定位精度;二、通过微震监测推断隐伏断层,减少断层带矿山压力异常导致的危害;三、拓宽微震监测系统的应用领域,用于断层运动监测;四、有利于矿压规律分析,有效预测预报冲击矿压危险。本文利用断层运动模型分析,推导了断层错动微震波形特征。
2.断层错动微震波形特征理论分析
2.1 断层运动模型
对断层研究最典型和适用的模型是凹凸体模型和粘滑模型。
凹凸体[4,5]理论认为断层面不是一个光滑的平面,断层的滑移也不是两个平整面之间的滑移,断层滑移首先是从断层面上应力较高阻碍断层错动的凹凸体开始,之后发展为断层面大面积滑移错动。
所谓粘滑就是断层发生的突发、間歇式不稳定摩擦滑动。如图1所示为断层活动粘滑模型,设断层一盘(如上盘)围岩AB相对于断层另一盘(如下盘)以恒定速度V发生位移,断层面的静摩擦系数为,动摩擦系数为(>)。上盘围岩刚度为K,对下盘垂直断层面的作用力为W。开始模型处于静止状态,则静摩擦力为W。假设断层达到稳定极限时,AB的位移为,则有。
取断层开始滑动时为时间原点t=0,设上盘位移为S,则上盘的运动方程为:
(1)
求解该微分方程,并根据初始条件:t=0时,S=0,,可得:
(2)
在断层滑动过程中模型中M代表上盘断层面运动的部分岩体(震源),可以认为在断层滑移时,除震源M外上盘其他部分岩体沿断层滑移方向是准静止的,即V=0不随时间变化。则(2)式简化为:
(3)
对(3)求导得M速度表达式:
(4)
2.2 断层错动微震波形特征
由(4)式,在M运动速度第一次减为零之前,若恒定,震源作半个周期的简谐振动。由凹凸体理论,断层面开始滑移之后,由于阻碍断层滑移的凹凸体结构破坏,断层带的断层岩在断层滑移过程中变得光滑,断层面滑动摩擦系数将减小。因此,实际M的速度在断层滑移过程中的最大值,比由(4)式按恒定时计算的值大。断层在滑移错动过程中,岩体弹性能转化为M的动能。M在滑动过程中以 转化为断层面附近岩体的内能,同时以(系数取0.001~0.01、震源动能)的能量转化为震动波的能量,以波的形式向远处传播,因此,断层滑移时能量有较大衰减。由图1断层滑移过程,当断层减速滑移时,震源M的动能将转变为弹簧AB的弹性能,从而产生与滑移方向相反的弹性拉力。当M运动反向时,断层面的摩擦力也随之反向,从而阻碍M回滑。当摩擦力大于AB弹性拉力时,M不再回滑,如图2(a)所示。当摩擦力小于AB弹性拉力时,M将回滑,由于M在滑动过程中能量的衰减,M只能产生微小的回滑位移,不能回到初始位置。由于断层滑移面体积较大,断层被摩擦力阻滞停止滑移时,断层面附近岩体在弹性变形产生的弹性力作用下产生回弹,如图2(b),在回弹过程中由于弯曲伸展,断层面压力将增大△W,从而使断层面产生挤压,若挤压位移为u,则M对断层面传递能量u(W+△W)。震源回弹后,剩余的能量在不断的弹性震动中以震动波的形式传播出去,直至M停止于图2(c)的平衡位置。
由以上分析,断层滑移错动和震源弹性回滑及回弹是断层能量释放的主要阶段。震动波不只是传播的震动能量且是振动状态的传播,波的形态反应了震源的震动状态,断层能量释放的两个主要阶段正好形成一个完整的波形周期。而断层滑动开始前凹凸体的失稳破坏产生的波形是断层主震前的前兆波形,弹性体回弹后的震动是主震后的尾波,尾波能量衰减明显比主震波形到尾波之间的衰减慢。图3为断层滑移错动过程的理论震动波形图。
断层错动波形的典型特征有:
(1)由于凹凸体强度的不均匀性且相对断层错动规模较小,断层主震的前兆波形能量小,波形周期峰值变化不均匀,频率较主震高。
(2)前兆波形到主震波形,幅值急剧增大,出现跳跃增长。
(3)主震与尾波之间,震幅急剧减小,震幅跳跃式减小。
(4)尾波幅值衰减较慢,且逐步衰减,幅值包络曲线较光滑。由于震源尺寸的减小,尾波频率较主震有所增大,周期有所减小。
(5)由震动波衰减规律,波在传播过程中高频成分衰减较快。波传播到远处时,频率较高部分的前兆波形及尾波将快速衰减直至被噪音波形淹没。远处的探头接收到的波形可能只出现主震的一个周期的波形。由于P波和S波能量传播的方向性,远处探头有时也可只接收到主震的半个周期的波形。
3.结论
本文通过理论分析,对断层滑移型矿震波形特性进行了研究,得出了如下结论:
(1)断层错动过程可分为断层面凹凸体失稳破坏、断层滑移回弹、断层面粘滞震动三个阶段。断层错动震动波形可对应分为凹凸体失稳破坏的前兆波形、断层滑移回弹的主震波形、剩余弹性能震动衰减波形三个部分。
(2)断层错动前兆波形幅值变化不稳定,出现忽大忽小的变化规律,主震幅值与前兆波形相比急剧增大,主震频率低于前兆波形,主震常出现一个周期的波形,若断层面摩擦阻力较大,断层错动不出现回滑。矿井实际监测中由于P波S波在时序上分离以及叠加,断层错动波形主震可出现多个周期,周期数一般为1~3。当传播距离较远时,由于前兆波形和尾波的衰减,微震波形只剩下主震低频波形。尾波幅值较主震明显减小,尾波本身的衰减较为稳定,幅值包络线光滑,尾波频率较主震高。
(3)经矿井微震波形识别统计,断层区矿震波形符合断层错动波形特征的比例较高,统计中达到97.4%。非断层区矿震波形符合断层错动波形特征的比例较小,仅为4.6%,且这部分还包含矿井隐伏断层的震动波形。由此,利用断层错动微震波形特征可以有效的对断层活动进行识别。