工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 42-50   (3873KB)    
长屿采矿遗址1997年采石塌陷及地震记录
尚彦军, 杨志法, 何万通, 李丽慧, 罗巧慧, 陶晨晓, 杨朋    
① 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029;
② 浙江省温岭市长屿硐天旅游实业有限公司 温岭 317502
摘要:采矿塌陷在开采施工中被给予了特别关注,也是施工地质灾害重要表现形式之一。已有地震记录中不乏对其形态辨识,然而少见对塌陷机理和发生过程中能量转换等较全面的研究。温岭市长屿硐天采矿遗址区碧玉潭洞室群1997年8月11日早晨发生持续时间约20 s大塌方。现场残留了面积约31 380 m2、体积约1.35×106 m3的塌陷岩体。通过现场工程地质调查、塌陷过程追溯、邻近地震台站频谱记录分析,笔者认为这次发生在凝灰岩中的大规模塌陷系因地下采石过程中保安矿柱被过量开挖掉而引发局部顶板破裂和应力分布的大改变,进而发展至整个矿区岩体塌落破坏,使矿坑积水飞溅和压缩空气冲击波带来了沿途150 m范围内人员伤亡、树木折断和财产损失。塌陷区南93 km的温州台地震波谱记录了这次采矿塌陷地震活动,其波形数据与现场塌陷破坏能量转化情况基本吻合。在采矿活动中保安矿柱的合理配置、为人员安全设置变形破坏过程监测等,是需考虑的预防塌陷措施。
关键词塌陷地震    采矿    长屿硐天    凝灰岩    地震记录    能量转换    
QUARRYING-INDUCED COLLAPSE IN 1997 AND SEISMIC RECORDS AT CHANGYU CAVERN RELICS SITE
SHANG Yanjun, YANG Zhifa, HE Wantong, LI Lihui, LUO Qiaohui, TAO Chenxiao, YANG Peng    
① Key Laboratory of Shale Gas and Geological Engineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
② Changyudongtian Tourism Industrial Co., Ltd. Wenling, Zhejiang, Wenling 317502
Abstract: Quarrying-induced collapse, an issue of particular concern in mining industry, is a typical form of man-made disaster. Identification of the morphological characteristics of such collapses is commonly based on seismic records. But comprehensive studies regarding the mechanism and energy conversion mode utilizing the seismic record are seldom undertaken. A huge collapse event occurred at the Biyutan mining cavern at Changyu Dongtian in Wenling city, China. It lasted for about 20 seconds and was observed and recorded on August 11, 1997. After the collapse, nearly 1.35×106 m3 of rock blocks were left on the floor and occupied an area of about 31 380 m2. the authors conducted a field survey on engineering geology, retrospectively analyzed the collapsing process through interviewing local residents and referring related documents, and identified the seismic records from surrounding seismic stations. The roof collapse is established at the Biyutan cavern that was excavated in massive tuff. The over excavation of several pillars substantially affected the stress field in cavern roof, which gave a rise to a local failure of the roof and then gradually developed into a widespread failure. During the collapse, outbursts of water and air shock waves resulted in loss of life and property within a distance of 150 m from the mine opening. The seismic records of Wenzhou Station 93 km south from the site revealed the collapse event, which is agreement with the energy transformation in site retrospective analysis on building failures and subject movement. This event reminds us that reasonable allocation of sufficiently strong safety pillars and installation of monitoring system are absolutely essential in underground quarrying operations to avoid overall failure and ensure the safety of the people nearby.
Key words: Collapse earthquake    Quarry    Changyu Dongtian    Tuff    Seismic records    Energy transformation    

0 引言

采矿诱发地震是在特定矿山地质和采矿条件以及地壳极浅表局部应力作用下,由于采掘空间或采空区的出现提供了岩体错动空间、破坏了原有平衡状态,使岩体沿已有不连续结构面错动而发生的,它的发生不以地应力处于临界状态为先决条件;与天然地震显然不同,既不反映区域地壳应力变动,也与区域地震活动联系不密切,更不能作为活动断层证据(胡毓良等,1998)。为区分构造、爆炸和煤矿陷落地震差别,大同地震台通过总结一年半资料,将煤矿陷落地震特征概括为:在垂向记录图上初动方向均为向下,属压缩波;纵波P和横波S,特别是P波周期均大于构造地震和爆破周期,且塌陷地震波形单纯,而构造地震和爆破震动波形均有较复杂次生波;塌陷地震衰减快,构造地震和爆破震动持续时间均比塌陷地震较长(大同地震台,1974)。张丽芬等(2013)在对三峡库区构造和塌陷地震拐角频率特征分析后发现,在塌陷型地震记录中,可观测到明显面波。构造地震P波和S波拐角频率明显高于塌陷地震,并认为这一定性认识具普适性,可作为地震类型的分类指标。塌陷地震一般有面波出现,这可区分于构造地震,但也易被误认为是爆破。因此,并不是所有“面波清晰”的特征事件一定是爆破(李金龙等,2001)。

林怀存等(1990)利用鲁中南台网记录7个构造地震和4个塌陷地震资料,从塌陷地震震相和振幅随距离衰减曲线以及地震波走时曲线分析了地壳内介质结构和震源性质等有关特征。狄秀玲等(2009)用陕西数字地震台网记录的50次塌陷地震波资料,从波形及时间、空间分布上分析了榆林地区塌陷地震基本特征。在大同矿区煤层顶板坚硬地区,采空区面积可达几万至十几万平方米。一旦发生塌落面积都很大,约2~4×104 m2,个别可达8~13×104 m2时,易发生较大塌陷地震(贺秀全等,1997; 胡炳南等,2017)。三峡库区蓄水前地震活动性较弱,成因复杂,既有天然地震发生,又有开采煤矿等诱发的地震(杨清源等,1993; 胡毓良等,1998),还存在降雨引发的地震,以及塌陷引起的地震(古成志,1982; 高宇等,2014)。程海勇等(2016)刘志新等(2016)分别对保安矿柱与矿山开挖岩体稳定性相互关系进行了研究。

除地震记录外,还需从工程地质和岩石力学角度分析塌陷机理、冲击波影响等问题,以便将地震记录所反映的动能与现场塌陷破坏释放的能量结合起来系统分析。

长屿硐天是在温岭市新河镇长屿村的长屿硐天大型古洞室群遗址上开发而成的著名风景区,始建于1997年采矿塌陷地震发生后,是雁荡山世界地质公园一部分。1997年8月11日7时01分在碧玉潭洞室群采石过程中发生了体积约达1.35×106 m3的大型塌陷,造成很大损失。通过现场工程地质调查、塌陷过程回溯和地震台站频谱记录分析,本文对其发生机理进行了分析,并提出了预防发生类似施工地质灾害的建议。

1 采石活动

长屿硐天的采石活动始于1 500年前的南北朝,至宋代已形成规模开采,并一直延续至大面积塌陷发生的1997年8月11日早晨,形成了总面积约31.8×104 m2的28处硐室群,1 314个洞窟,其总容积近6×106 m3(温岭市旅游管理局,2008)。据考证,长屿硐天地区开采的石板最初用于建造坟墓。南宋时,朝廷组织沿海沿河修筑堤坝和水闸工程,石材需求量扩大,大大推动了温岭石场的发展;明代,由于抗倭需求,信国公汤和在沿海建70多处城池,进一步扩大对长屿石板需求。明清过渡时代,遗弃矿洞成为宗教活动和文人士大夫的游览地,同时兴盛了石雕行业(陈耀华等,2012)。

据现存采石场的特征和分析,可把长屿硐天一带的石板开采方式划分为露天式、半露天式和地下等3种。作者所研究的上述大塌方处所采用的是地下采矿方式。这可能是由于采石者考虑到如采用露天开采方式将面临着山顶地表剥离工程量巨大的困难,而采用的一种地下采矿方式:采用近水平平硐开拓,开面后自上而下近水平分层开采。据研究,这种方式下劳动生产率较高(一个采面一天可生产上千平方米的板材)(温岭市旅游管理局,2008)。硐室高度为30~40 m,大者达60 m,水下高度估计约为20~40 m。崩塌前,洞内分布有许多水池。它们是由于洞顶地表水流入洞内积聚而成。

1997年8月10日,在采石工人开凿采石作业过程中,下午5~6点对洞内留存的岩柱放炮并撤离现场。8月11日上午工人们回到采石场时,发现洞顶板整体塌下。这里还需提及,到2001年7月温岭旅游管理局决定利用大塌方现场开展旅游项目:在崩塌巨石间修筑游步道,现已完成部分路段。

2 地质条件

长屿硐天所在区域属中亚热带季风海洋型气候区,多年平均气温17.3 ℃,极端最低气温-6.6 ℃,极端最高气温40.6 ℃(2004年7月)。多年年均降雨量1 660.0 mm,年均蒸发量1 270.2 mm。呈现两个明显雨季:5~6月份梅雨期,7~9月份台风或热带风暴影响降雨期。台风暴雨和强降雨常带来滑坡、崩塌等地质灾害。

该区位于浙江沿海丘陵平原区,属侵蚀剥蚀丘陵和坡洪积地貌区。丘陵地形起伏较大,海拔高程230~271 m,最大相对高差160~220 m,斜坡坡度一般为30°~40°,大者达40°~60°。地质历史上该区位于浙东沿海中生代火山活动带中部,温黄平原区中部,其地质特征受晚侏罗世晋岙—长屿破火山控制。地层区划上属华南地层区Ⅱ。出露地层为上侏罗统诸暨组a段(J3za)酸性熔结凝灰岩、凝灰岩夹沉积岩,系近火山通道的次火山岩。沟谷中和坡体表层发育第四系残坡积物(Q4)(图 1)。山体中局部见有产状和层厚都较稳定的多层绿灰色辉绿岩脉分布(图 2)。

图 1 长屿硐天采矿塌陷区地质条件图(据浙江省区域地质调查大队,1978) Fig. 1 Geology map of the quarrying-induced collapse site at Changyu Dongtian(according to regional geological map with a scale of 1 ︰ 200 000)

图 2 长屿硐天大塌方区岩石结构图像 Fig. 2 Rock structure pictures of the quarrying-induced collapse site at Changyu Dongtian a.凝灰岩宏观块状结构;b.凝灰岩中含中层状辉绿岩脉;c.凝灰岩显微图像(正交偏光);d.辉绿岩显微图像(正交偏光)

据浙江省区域地质志,长屿硐天地处华南褶皱系(一级构造Ⅰ2)之浙东南褶皱带(二级构造Ⅱ3)温州—临海坳陷(Ⅲ8)、黄岩—象山断坳(Ⅳ11),系形成于早燕山晚期陆缘活化阶段火山岩(J3)(浙江省地质矿产局,1989)。区域性泰顺—黄岩北东向断裂带在西北部通过。区域构造格架以北东、北西向为主(图 1)。区内构造条件较简单,断裂构造不发育,构造形迹主要为节理裂隙。节理性质属压剪性,部分组合属共轭关系。区内以倾向北、南南西向节理最为发育,南东倾向节理较发育。

本区地震动反应谱特征周期0.35 s,地震动峰值加速度小于0.05 g,震级4级以内,地震基本烈度小于Ⅵ度(据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)),属区域地壳稳定区。

3 塌陷地点工程地质条件
3.1 地层岩性

碧玉潭古洞室群遗址亦即崩塌区,位于黄尖山的南侧山体上。崩塌区的南边界止于图 3所示的一条直立陡壁(向正左走向90°)。另外,图 3中左方的石船坑是一条走向38°的大沟。它系沿NE正断层发育而成。该遗址GPS坐标为东经121°25′54.33″、北纬28°26′8.64″,平台和山顶海拔高程为50~271 m。

图 3 长屿硐天采矿遗址区大塌方场景 Fig. 3 Scene picture of the quarrying-induced collapse site at Changyu Dongtian(SE, 2013.10.16) 镜头方向南东,拍摄时间2013-10-16;左右近东西-塌陷体长约300 m,上下系南北宽约100 m

如上所述,崩塌区的南边界走向近东西。换言之,近东西走向的直立陡壁构成了塌陷体向南发展最后阶段后缘(图 3)。

对现场采集岩石样品光学显微薄片鉴定发现,塌陷体岩性主要为紫灰色块状流纹粗面质玻屑熔结凝灰岩,熔结凝灰结构,假流纹构造发育,含极少量刚性角砾,偶见压扁的塑性岩块(图 2c)。

整体状凝灰岩体中发育有中厚层(厚1.5~2.9 m)缓倾辉绿岩脉(产状357°∠75°)。两者界限清晰,接触面光滑,可沿其分开。据推测,其为沿构造节理侵入。对作为脉岩的暗绿灰色辉绿岩取样进行岩石化学全分析,结果表明,Fe、Mg和Al氧化物含量较高(表 1)。

表 1 辉绿岩岩石化学全分析结果表 Table 1 Chemical compositions results of doleritic vein

构造结构面间距大且数量稀少,但倾角普遍较大。硬性结构面起伏不平,一般为剪切作用形成,局部规模较大者表现为张扭性断层。例如水云洞中石门洞里侧断层产状20°∠75°,发育垂向擦痕,张开宽度5~10 cm,断面沿走向有分叉现象。现场实测15组构造节理总体走向近东西(260°),与大塌方后缘陡崖走向和北侧沟谷走向近乎一致(图 4)。上半球极射赤平投影出的节理走向玫瑰花图显示这些可见可测节理的走向较集中,而其他方向的节理不够发育。

图 4 大塌方区附近节理走向玫瑰花图 Fig. 4 Rose diagram of geological discontinuity strikes around collapse site

3.2 岩石物理力学参数

为了对塌陷地点工程作出评价,作者取有代表性的凝灰岩和辉绿岩样进行室内试验,有关试验结果如表 2所示。从表 2可见,凝灰岩密度、抗压强度和弹性模量都较低;辉绿岩密度、抗压强度和弹性模量都较高。人工开采出来的凝灰岩石条和石板都较坚固。据试验结果,凝灰岩为不软化的较硬岩,而辉绿岩属于易软化的坚硬岩。

表 2 岩石物理力学参数 Table 2 Physics and mechanics parameters of rock

3.3 工程地质条件评价

据发生大塌陷的1997年前所掌握的资料及作者的现场调查(包括对破坏特点和块度等内容的调查)和试验结果可见,丘陵地形特点和平缓的坡体、整体状-块状结构(块体尺寸可达5 m,即节理不发育)(谷德振,1979; 王思敬等,1984)、凝灰岩高的抗压、抗拉等力学强度、断层和节理稀少的岩体,都显示了长屿硐天碧玉潭洞室群工程地质条件较好。

4 长屿洞天大塌方过程的调查和分析

据长屿硐天碧玉潭洞室群所在的塌陷地现场调查、对矿场技术负责等人的走访,以及从浙江地震局查阅到的原始地震频谱记录资料,1997年8月11日7:01在碧玉潭洞室群大塌方遗址区发生了持续时间约20 s的采矿大塌陷。现在现场仍可见到面积31 380 m2(东西长约300 m、南北宽约100 m)、体积达1.35×106 m3(塌陷体高度45 m)的塌陷岩体。

经过调查走访,塌陷发生时的情景大致如下:山体沿西南近东西走向断层下落,岩块大者直径百米。当时采石洞内有9人,被塌陷山体砸中身亡。顶板塌下后,洞内水池中的水受到快速挤压而喷射出来,同时将直径达十几米的大石块抛到空中。硐外形成的强大气流和冲击波,夹着水流喷出后,首先越过上述东西向小沟而撞击到沟北的石壁(即位于沟北的水云硐洞室群所在山体)上,但未冲击爬升到石壁上方的植被处;而后顺着水云洞景区大门口(即有移动铁护栏的大门口)带着强大的冲击力流下,将沿途的树木等折断;当时在水云洞景区大门口行走着的3个人(应为采石工人)也被冲到了大门口东面的石船坑大沟(图 3)里面并遇难。因此这次大塌陷总共造成了12人直接遇难。

同时,沿着长屿硐天大门口到水云洞景区大门口道路上(原名运石路,现今宽度3.6 m),原先还有四幢石屋(一层楼的发电机房两幢和3层楼的民居房两幢),也被水气流冲毁。这些房子的宽度达25 m,但现已看不到痕迹。水流最远到达的距离也是这几座石屋,然后主要流入位于路东侧的石船坑大沟里呈顺流而下态势。石屋最南端,也就是离水云洞景区大门口最近的那一端,距水云洞景区大门口东侧停车场81 m。而在上述的建在运石路旁的石屋以外151 m,一辆本田重型摩托车被气流直接冲到了路东侧的石船坑大沟里,一辆拖拉机则在行进过程中被气流冲击移位1 m多。在现在水云洞景区大门口东南侧的应急疏散基地正上方,原先有一户人家。滚石将整个房子压倒并压死当时正在家做饭的一位老太太。综上所述,这次大塌陷形成了一次损失十分严重的地质灾害。

据移动物体的质量,可计算冲击波对物体移动距离所做的功W和物体运动的动能E。据式(1)和式(2):

$ W = F \cdot S $ (1)

$ E = 1/2m{v^2} $ (2)

并考虑到拖拉机的重量为1 000 kg,水平移动了1 m的条件,若设摩擦系数为0.3,则做功WT为:

$ {W_T} = 3000J $ (3)

另外,按爆破安全规程(GB6722-2003),一般民房允许振动速度为v=1 cm ·s-1。考虑到房屋已严重破坏且里面人未来得及跑出,这里取v=1 m ·s-1,房屋质量为10 000 kg,则动能EF为:

$ {\mathit{E}_F} = 10000J $ (4)

若假定单辆重型摩托车质量200 kg,移动速度10 m ·s-1,则动能EM为:

$ {E_M} = 20000J $ (5)

据式(3)~式(5),离塌方区约80 m处,冲击波所产生的能量约为33 000 J。它摧毁了房屋,并移动了拖拉机和摩托,可见其动量之巨大。

5 塌方地震记录分析
5.1 地震台站记录

有研究者认为在采空区上方由于重力、区域应力和边坡应力的作用易产生正断层,而在采空区下方易产生逆断层,沿节理面和层面都可能产生滑动。因此,节理面走向不固定,反映出多个裂隙面滑动的结果(杨清源等,1993)。

图 5所示,温州地震台(WEZ)位于塌陷地点南93 km,其地理位置为北纬27.93°、东经120.67°,海拔高程20 m。建于花岗岩中的台站记录了上述长屿硐天采矿塌陷的全过程地震频谱曲线(图 6),而远在北172 km的宁波地震台(NIB)和北西240 km的新安江地震台(XAJ)却未记录到它。这也反映出塌陷地震受地质介质影响很大,其高频成分少、面波发育而持续时间短、随距离增加快速衰减的特点。

图 5 相关地震台和采矿塌陷区平面分布图 Fig. 5 The distribution of collapse site and surrounding seismic stations 图中3个地震台站新安江(XAJ)、宁波(NIB)和温州(WEZ);塌陷点碧玉谭洞室群(BYT)

图 6 温州台站的长屿硐天采矿塌陷地震频谱曲线 Fig. 6 Seismic spectrum curves from Wenzhou Station for the quarrying-induced collapse at Changyu Dongtian

与现有的塌陷地震记录比较,长屿硐天塌陷地震波的波形较简单、振幅小、频率低,剪切波S波不发育,压缩波P微弱。记录显示上下(UD)的弱地震P波达到时间为7:01:20,南北向(NS)记录显示近地震波S达到时间7:01:30.7,最大振幅1.5~1.8(图上相对单位)。P波和S波两体波到达时间相差10.7 s。图 6上N、E和Z三向波形放大倍数(即无量纲数)分别为2.97×104、1.85×104和1.27×104。从完整的地震记录频谱纸质图上,大致可推测出震中(即崩塌发生位置)距温州台站93 km(由GPS坐标值计算)。地震台站超过170 km即无记录显示。同其他煤矿塌陷地震振幅较大而波形层次丰富相比较,本次塌陷具有能量较小,持续时间较短的特点(表 3)。

表 3 发生在中国6个不同地区塌陷地震的特征对比 Table 3 Contrast analysis of 6 collapse earthquakes occurred in China

5.2 塌陷过程中所产生的能量及能量转化问题

据分析,从1997年8月10日开采矿柱引起岩石应力集中和局部出现破裂开始,至8月11日早晨7:01产生塌陷,在这10多个小时的时间段里矿体经历了局部顶板破裂、应力重分布并导致整体塌陷的过程。在矿体整体塌陷时,破坏的巨大能量以冲击波和岩石碎块形式出现(图 7)。塌陷区以南93 km之外的温州台站记录了这次深度浅、体波不发育而面波发育、频率低、振幅小、持续时间约20 s的塌陷地震。

图 7 长屿硐天碧玉潭洞室群采矿塌陷及其地质灾害发生过程示意图 Fig. 7 Development sketch of the quarrying-induced collapse and geological hazard at Biyutan Cavern, Changyu Dongtian

长屿硐天采矿引起的塌陷导致了塌陷地震波的传播并被地震台记录下来。据对现场破坏的分析,该地震烈度约为7度,地震震级约为1.5,实际观测到的地震烈度约为7度。按通常的1级地震能量2×1013尔格(2×106 J)、2级地震能量6.3×1014尔格(6.3×107 J),那么此次塌陷地震记录显示的能量约为6.12×106 J。假设冲击出来飞出的水体质量为20 000 kg,冲击速度为15 m ·s-1,则消耗的水势能为4.5×106 J。这说明在冲击波冲出该采石沟后,能量消耗很大。因此,在80 m外它用于推移拖拉机和掀走摩托的能量看来不到3.3×104 J(式(3)~式(5))。

6 预防同类采矿塌陷及相关地震灾害的若干经验

长屿硐天碧玉潭洞室群自1997年8月11日发生采矿塌陷地质灾害以后,不再采石,而是转而建成了长屿硐天风景区,所以在理论上这里不再发生因过分开采保安矿柱而引发的大塌陷事件。但由该次采矿塌陷事件可总结出若干对其他同类矿山防灾有参考价值的经验:在预防此类采矿塌陷及相关地质灾害时,首先需注意制止过分开采保安矿柱等危害性很大的不当采石行为,必要时还需在关键部位布置变形监测系统和声波监测系统,以控制采矿规模、监测矿体顶板和岩柱的变形破坏。另外,在可能发生大规模塌方破坏之前要及时疏散附近沿途人员,以便将次生灾害和人员伤亡降到最低。

7 结论

1997年8月11日发生在长屿硐天碧玉潭洞室群的大塌方是地下采石中过分开采保安矿柱而引发的、从局部破坏发展到整体的采矿大塌陷。温州地震台(WEZ)的地震记录显示该塌陷事件以低频和小振幅的面波为主、体波不发育的特征,但距离上述塌陷区分别为172 km和240 km的宁波台和新安江台却都无记录显示。这说明这种浅部塌陷多是以面波形式传播,影响距离有限。

塌陷地震能量显示了1.5级地震,现场破坏说明其烈度约为7度。但地震记录显示的能量主要消耗在了水冲击势能、冲击波动能等转换上,造成了其沟谷下游150 m范围内植被破坏和生命财产损失。由此而总结出的若干经验对其他同类矿山预防采矿塌陷灾害的发生有一定参考价值。

致谢 地震记录资料收集自浙江省地震局。地震频谱记录曲线解释过程中得到了王妙月研究员帮助。现场考察工作得到了温岭市长屿硐天旅游实业有限公司林玉球先生等人的帮助。谨致谢忱!
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