周 建 陳 超

(河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院)

微震監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用*

周 建 陳 超

(河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院)

微震監(jiān)測是集信息化、智能化、可視化于一體的動力監(jiān)測技術(shù)。由于其具有遠程、全天候?qū)崟r、全方位立體等特點，被廣泛應(yīng)用于礦山、非礦山行業(yè)的地下工程安全監(jiān)測。介紹了微震監(jiān)測技術(shù)的基本原理、定位方法，及其在國內(nèi)外礦山工程中各領(lǐng)域的應(yīng)用。

地下工程 微震監(jiān)測 監(jiān)測原理 震源定位

近年來，由于科學技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的快速發(fā)展，以及地球物理學、地震學等學科研究的不斷豐富，微震監(jiān)測技術(shù)得到了空前的發(fā)展。由于該技術(shù)本身特有的遠程、全方位立體、連續(xù)不斷實時監(jiān)測等特點，在地下工程中的作用尤為突出。在礦山行業(yè)主要表現(xiàn)為：預測瓦斯突出、煤巖突出、礦山邊坡及采場礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測、巖爆的發(fā)生等。白越、王經(jīng)明在梧桐莊煤礦底板突水預測試驗研究中采用微震監(jiān)測系統(tǒng)，并對所得到的微震事件進行分析，得出微震規(guī)律與煤層底板“遞進導升”突水機理相符合的結(jié)論[1]。姜福興等通過微震監(jiān)測技術(shù)在華豐煤礦及魯西煤礦的實際應(yīng)用，表明該技術(shù)在預測沖擊地壓及煤與瓦斯突出和突水等礦山災(zāi)害方面是一種有效的手段，可以在礦山推廣應(yīng)用[2]。微震監(jiān)測技術(shù)在非礦山行業(yè)的應(yīng)用也有許多的成功案例，如油氣勘探及核廢料地下存儲、大型水電工程隧道穩(wěn)定性監(jiān)測等。張文東、馬天輝等通過對錦屏二級水電站引水隧道施工過程中的微震監(jiān)測實例分析，得知應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)對深埋巖體隧洞巖爆進行預測是可行的，其預測結(jié)果是可靠的[3]。

1 微震監(jiān)測技術(shù)

1.1 微震監(jiān)測技術(shù)原理

微震是指巖體在外界應(yīng)力作用下，介質(zhì)中一個或多個局域源以瞬態(tài)彈性波的形式迅速釋放其存儲的彈性應(yīng)變能的過程[4]。通過傳感器采集、記錄、分析微震信號，并以此為依據(jù)推算出震源的震級、位置等特征的技術(shù)稱為微震監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)是在地震監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在原理上與地震監(jiān)測、聲發(fā)射技術(shù)相同，是基于巖體受力破壞過程中破裂的聲能原理[5]。

1.2 震源定位方法

對于微震事件的震源進行快速、精確的定位是微震監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。國內(nèi)外學者對此進行了大量的研究工作，提出了有很多種震源定位方法，其中Geiger震源定位算法在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的較多。

Geiger震源定位算法是由德國物理學家Geiger于1912年提出[6]。其原理是由一個給定的起始點，通過迭代的方法得到與實際震源位置最接近的值，每一步迭代都是根據(jù)最小二乘法原理計算修正向量Δω(ΔX,ΔY,ΔZ)，得到的修正向量加到上一次得到的迭代結(jié)果上，從而得到一個新的起始點，驗證其結(jié)果是否滿足定位要求，如果滿足則計算停止，反之重復上一步驟，直至計算結(jié)果滿足定位要求為止。

將每一次的迭代結(jié)果與所規(guī)定的誤差范圍比較，當?shù)Y(jié)果滿足誤差范圍時結(jié)束計算，反之，重復上一步驟，直到迭代結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi)為止。最后的結(jié)果取其幾何中心，即為所求震源位置。

實踐證明Geiger算法是一種可靠的、精確的震源定位方法，該方法的優(yōu)點是其對定位所需的條件較少，只需一個較為準確的起始點即可。

2 微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 巖爆監(jiān)測

在礦山地下采場的掘進過程中,由于開采深度逐漸增大，巖爆發(fā)生的可能性也隨之增大。巖爆的發(fā)生不但破壞生產(chǎn)設(shè)備,影響采場的掘進,還嚴重威脅著生產(chǎn)和工人生命安全。通過長期的實踐，利用微震監(jiān)測法對巖體發(fā)生巖爆的可能性進行監(jiān)測是一種行之有效的方法。在美國、加拿大、智利、南非等，許多礦山都采用了微震監(jiān)測技術(shù)進行巖爆的監(jiān)測、預報。2000年南非ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)公司，基于冪率規(guī)律、重整化群理論等方法開展了巖爆時空預報的進一步研究，并開發(fā)了SOOTHSAY和INDICATOR相應(yīng)算法。在WEST WITS地區(qū)采用該算法預報的成功率達到了53%，在FREE STATE達到了65%[7]。在國內(nèi)，銅陵冬瓜山銅礦、三山島金礦、張馬屯鐵礦等礦山，微震監(jiān)測系統(tǒng)在巖爆監(jiān)測方面均取得了一系列有效成果[8-10]。

2.2 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測

邊坡穩(wěn)定性在巖土工程中是一項世界性難題，到目前為止，用于對邊坡穩(wěn)定性進行評價的完善的、成熟的、達到業(yè)界普遍認可的體系還沒有形成。近些年，隨著微震監(jiān)測技術(shù)的推廣，我國先后引進一系列的微震監(jiān)測系統(tǒng)用于對一些大的礦山、水利工程的邊坡穩(wěn)定性進行實時的、不間斷的監(jiān)測，取得了令人滿意的成果。在國外應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng)進行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的經(jīng)驗比國內(nèi)豐富的多，例如，世界上較大的銅礦(Chuquicamata銅礦)坐落于智利Antofagasta地區(qū)東北250 km處，礦坑深850 m，是全球銅礦生產(chǎn)量最大的礦場。由于長期以來的開采活動，形成了巨大的露天邊坡，其中該礦場的東北區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一些斷層的再生。為了保證礦山的安全生產(chǎn)，保證采礦從業(yè)人員的生命安全，該礦安裝了微震監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)視斷層的變化，為決策者提供技術(shù)支持。在國內(nèi)，河北省唐山市石人溝鐵礦于2008年引進微震監(jiān)測系統(tǒng)用于邊坡及邊坡轉(zhuǎn)地下的安全監(jiān)測，取得了一系列的監(jiān)測成果[11]。

2.3 礦柱采場穩(wěn)定性的監(jiān)測

經(jīng)過長時間的開采活動，我國大部分露天礦山轉(zhuǎn)為地下開采。隨著地下開采活動的不斷進行，留下了大量的采空區(qū)，而礦柱是決定采空區(qū)穩(wěn)定與否的重要組成部分。因此，加強礦柱的穩(wěn)定性監(jiān)測是十分必要的。對于以空場采礦法為主要開采手段的礦山來說，礦柱的穩(wěn)定性對于整個礦山的安全生產(chǎn)具有不可忽視的作用，而且礦柱的穩(wěn)定性有助于提高礦石的回采率。郭遠發(fā)等通過對湖南柿竹園礦大范圍破裂礦柱微震監(jiān)測實例的分析研究，表明微震監(jiān)測技術(shù)可以用于對破裂礦柱的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，且監(jiān)測結(jié)果可以用來評價、預警[12]。如袁瑞甫、李化敏在霍州煤電李雅莊煤礦，對SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對該礦礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果的分析，揭示了工作面煤柱的不穩(wěn)定狀態(tài)[13-14]。

2.4 其他監(jiān)測應(yīng)用

微震監(jiān)測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程施工過程的安全監(jiān)測。如在開鑿深長隧道的過程中有可能會發(fā)生崩塌等災(zāi)害及爆破時誘發(fā)的大冒落災(zāi)害等；在國內(nèi)對油田水壓裂產(chǎn)生裂縫的識別，在國外更多的是應(yīng)用微震監(jiān)測的信號研究油氣儲層的不均一性、應(yīng)力場分布及裂縫發(fā)育機制等[15-16]。

3 結(jié) 語

微震監(jiān)測技術(shù)是一種集信息化、智能化、可視化于一體的動力監(jiān)測技術(shù)，具有實時、全天候遠程監(jiān)測等技術(shù)特點，在礦山、非礦山行業(yè)廣泛應(yīng)用。相比于國外，國內(nèi)在微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用、理論研究等領(lǐng)域的發(fā)展還相對落后，但可以肯定的是，隨著科技的發(fā)展及更多技術(shù)人員對其深入地研究，微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程安全監(jiān)測方面的作用更加重要，應(yīng)用前景更加廣闊。

[1] 白 越,王經(jīng)明.微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版,2010(4):549-552.

[2] 姜福興,王存文，楊淑華，等.沖擊地壓及煤與瓦斯突出和透水的微震監(jiān)測技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù),2007(1):26-28，100.

[3] 張文東,馬天輝，唐春安，等.錦屏二級水電站引水隧洞巖爆特征及微震監(jiān)測規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報,2014(2):339-348.

[4] 周舒威.基于能量原理的大尺度巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[D].廈門：廈門大學,2012.

[5] 李庶林.試論微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學報,2009(1):122-128.

[6] 呂晶晶.基于加速度傳感器的震源定位算法研究[D].太原：中北大學,2012.

[7] 唐紹輝,潘 懿，黃英華，等.深井礦山地壓災(zāi)害微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究[J].巖石力學與工程學報,2009(S2):3597-3603.

[8] 唐禮忠,潘長良，楊承祥，等.冬瓜山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].金屬礦山,2006(10):41-44,86.

[9] 袁瑞甫,李化敏,李懷珍.煤柱型沖擊地壓微震信號分布特征及前兆信息判別[J].巖石力學與工程學報,2012(1):80-85.

[10] 鄭 超,楊天鴻，于慶磊，等.基于微震監(jiān)測的礦山開挖擾動巖體穩(wěn)定性評價[J].煤炭學報,2012(S2):280-286.

[11] 胡靜云.特大復雜采空區(qū)穩(wěn)定性微震監(jiān)測技術(shù)理論與應(yīng)用研究[D].長沙：長沙礦山研究院,2011.

[12] 劉大兵,錢振宇，王存文，等.三山島金礦微震監(jiān)測及巖爆傾向性分析[J].中國礦業(yè),2012(S1):488-491.

[13] 郝育喜,李化敏，袁瑞甫，等.煤柱穩(wěn)定性的微震監(jiān)測研究[J].煤炭工程,2012(11):64-67.

[14] 郭遠發(fā),劉宏發(fā)，袁節(jié)平，等.基于微震監(jiān)測的大范圍破裂礦柱穩(wěn)定性評價[J].采礦技術(shù),2011(6):41-45.

[15] 王國雨.微震監(jiān)測技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2013(7):12.

[16] 柳云龍,田 有，馮 晅，等.微震技術(shù)與應(yīng)用研究綜述[J].地球物理學進展,2013(4):1801-1808.

*河北省唐山市科學計劃局項目(編號：12130212A-2)。

2014-09-30)

周 建(1990—)，男，碩士研究生，063009 河北省唐山市。