岩体工程稳定性的微震监测技术070123
微震监测方法与技术
引言
C – SeisPTTM微地震监测解释软件 声发事件的探测 声发事件的分析 微地震的定位 压裂裂缝绘制
左图:模拟无裂缝的均匀介质中P波和S波的传播.(图中小圆圈为接收点,星号为震 源-小裂缝) 右图:模拟有裂缝时的波传播情况( a. 40毫秒时 b. 75毫秒时. P波和S波的速度从 外部岩石向裂缝内部明显下降)
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5、反演定位方法研究
R为实测到时与初始参数计算到时之差，是已知 量；a，b，c为时距函数在初始点的偏微分，也是已知 量；e是二次以上的高截误差；σx、σy 、σz 、是待 求的震源参数修正量。下一步利用最小二乘原理，令e 的平方和最小化，从而建立下列线性方程组：
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引言
随后，1976年美国著名国家实验室桑地亚国家 实验室在Wattenberg油田做了大量工作，试验用地 面地震观测方式记录水力压裂诱发微震。试验结果 表明，由于水力压裂诱发微震的能量，频率等特点， 以及地层吸收因素等，在地面是不能可靠检测到的， 因而也就不能用地面观测的方法确定水力裂缝方位 和几何形状，而是应该在靠近这种裂缝附近记录诱 发微震。
金属矿山岩爆
微震监测技术在岩体 稳定性监测中的应用(以岩爆为例)北 京 优 赛 科 技 有 限 公 司 北 京 达 汉 新 柯 仪 器 有 限 公 司微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用(以岩爆为例)1 前言岩体的失稳破坏是岩石工程中经常遭遇的自然灾害,涉及到的行业众多,如 水利,水电,铁路,公路,采矿,城建,石油,核能,环保,地热,地震等.岩 石边坡的滑动和崩塌,岩石隧道和洞室的塌方和岩爆,矿山开采顶板冒落和地面 沉陷等每年都会给国家造成巨大的经济损失和环境破坏. 岩体失稳预测是一个世 [1] 界性的难题 ,其中岩爆作为极为复杂的动力失稳问题,最为突出.2 岩爆简介岩爆在煤矿一般称为冲击地压,地震学领域一般称为矿山地震.它是岩体中 储存的应变能的突然释放现象.岩爆是目前岩体工程(矿山,隧道,水利电力等 行业)最严重的地质灾害之一.随着岩体工程活动不断向深部发展.可以预见, 除非采取适当的防治措施,岩爆灾害还会继续增加.岩爆发生的基本条件:一是 岩体处于高地应力环境之中; 二是岩体本身的脆性, 强度高, 能集聚高的弹性能. 岩爆表现形式为爆裂,松脱,剥落,弹射甚至抛掷,轻微的仅产生爆裂,严重的 可到里氏 4.6 级的震级.3 微震监测技术简介微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中,裂纹产生,扩展,摩擦时 内部积聚的能量以应力波的形式释放,而产生的微震事件.1990 年代以来,由 于引入了现代计算机技术,现代通讯技术,GPS 授时定位技术,地震学相关知 识,该技术取得了突破性进展.借助专业化的数据处理软件,能够实现在三维空 间中实时准确地确定岩体中微震事件发生的位置,量级,从而对岩体的变形破坏 的活动范围,稳定性及其发展趋势做出定性,定量评价. 微震监测技术可以从岩体变形的初始阶段开始, 实时定量监测岩体内部微裂 纹产生,扩展,摩擦到整个岩体失稳的整个破坏过程,从而大大提高了监测工作 的科学性,同时也提高了岩石工程灾害预报的准确性和超前性. 最新的微震监测技术能够实时,长期,靠近震源监测大范围岩体变形破坏, 准确定位震源,为岩爆预测提供了有力武器.通过记录,统计,分析微震事件的 诸多参数实现岩爆发生空间,时间的定性,定量预测.具体参数包括:地震能量 相关指标, 震源视体积, 地震事件率, 地震粘性指数, 地震扩散速度, 地震 Schmidt 数等等. 微震监测的作用如下: 通过监测相关的中等,大的微震事件,可事先确定出岩爆的可能区域, 通过监测余震来指导救援和震后生产活动; 指导预防性措施,依据监测结果来修改设计,调整采矿方案,支护方案; 预警,减灾,根据微震监测到的微震相关参数的时空变化的来指导生产, 调整工作人员进场,离场时间,调整进度,确定预防措施的时间地点并 进行评估.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 3335 1微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用通过后分析,提高设计与监测的效率,保证矿山安全高效生产,积累数 据利于进一步研究应用.4 南非 ISS 微震监测系统简介4.1 微震监测系统的组成 ISS 微震监测系统包括硬件和软件两大部分: 硬件部分包括: 拾震器, 数据采集器, 数据通讯单元, 数据中心, GPS 授 时单元;参见图7. 软件部分包括:计时系统软件(RTS) 数据分析软件(JMTS) , ,数据 解释与可视化软件(JDI) .参见图 1,图 2,图 3.图1JMTS 微震数据分析软件图2微震事件实时显示软件图3南非Mponeng矿微震监测成果平面图地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33352微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 3 中的小圆代表了 2003 年 9 月 1 日到 2004 年 2 月 15 日微震发生的地点, 用不同颜色来表示日期,大圆显示了 log P=1.2,1.1,1.2,1.0 级矿山地震发生的地 点. 4.2 ISS 微震监测系统具有下述优良特性: 靠近震源三维实时监测岩体整体; GPS 授时准确定位; 小直径钻孔安装,兼容各种传感器; 专业化的数据处理软件; 全波形,全数字,高速信号采集; 高分辨率,多通道,宽频率,灵活的有线,无线通讯等; 同时在空间和时间的预测方面有突出优势.5 案例5.1 印度Kolar矿区Champion Reef 金矿[2] 该矿采深 3.3km, 是世界上最著名的硬岩深井矿山之一, 岩爆问题十分突出. 1989 年建立了预报岩爆的微震实时监测系统,安装了 8 台拾震器,尽可能靠近 了岩爆研究区域,具体布置图参见图 4,图中的圆代表了拾震器的位置.选取的 岩爆预报主要前兆参数为:微震事件计数,弹性应变能释放和微震主信号频率. 分析对比预测结果和实测结果可以看出, 该方法能提前 6 个月预测指定区域岩爆 的总体情况.还能提前 6 小时左右显示预警信息,微震事件计数,微震能量,频 率历时变化图上还用*号标出了微震事件发生时间.参见图 5.图4拾震器布置图3地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 3335微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图5微震事件计数,微震能量,频率历时图图 5 为印度当地时间 1990 年 12 月 12 日到 13 日的微震监测成果,13 日 03:27:59 发生了岩爆事件.从图上可以明确看出岩爆发生前至少 6 个小时前,三 个历时图都发生了明显的异常,充分显示了前兆参数的有效性.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33354微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用5.2 南非某金矿[3] 该矿采用了 ISS 微震监测系统来监测矿山地震. 地震移动中值能量指数历时 图在矿山地震发生约 90 小时前就预警了 logE = 11.15 级矿山地震.周一下午晚 些时候地震移动中值能量指数出现了与 logE = 9.89 级矿山地震有关的增长,持 续月 18 小时后,周二上午晚些时候出现了又一次突然增长预警了 logE = 11.15 级矿山地震.此时矿方管理人员根据矿山地震专家的建议,做出了撤人的决定, 避免了重大伤亡事故.参见图 6.图中实线为地震移动中值能量指数历时曲线, 虚线为地震 Schmidt 数历时曲线.图 6 地震能量指数以及地震 Schmidt 数历时曲线5.3 中国安徽铜陵冬瓜山铜矿 [4] [5] 冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大的硬岩金属矿山之一, 是我国岩爆的重 7 要研究基地. 该矿设计生产能力 4.0×10t /a,多盘区,多采场同时开采,巷 道及采空区分布复杂.矿床开挖后采空区周围具有发生岩爆的可能性,位置分布 广,根据经验很难预测岩爆发生的确切位置.微震监测系统覆盖了采区内主要的 作业区矿柱和围岩.2005 年采用南非ISS公司的微震监测系统建立的岩爆监测系 统是我国矿山目前最先进的数字化微震监测系统, 实现了对该矿开采过程的岩体 变形破坏过程的连续监测.微震监测系统组成参见图 7.进行的监测网络布置, 降低信号噪音,改进定位精度等方面的研究,进展良好. 采用的微震监测系统由数据采集器(QS)接收从与其相连的拾震器传输来 的地震模拟信号并将其转换成数字信号, 然后将数字信号传输给微震数据控制中 心.数据由专用软件进行分析,解释,可视化供管理人员进行分析决策.结合该 矿的具体条件,采用16个拾震器(其中4个三分量,12个单分量).拾震器布设于 距离矿体较近的上部巷道之中,巷道内向下或向上施工钻孔用于安装拾震器,考 虑微震信号降噪和施工要求, 单分量拾震器安装深度有的达40 m, 三分量拾震器 的安装深度为10 m.首采区微震拾震器布置参见图8,图中红色三角为拾震器. 初步的微震监测成果参见图9.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33355微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 7 微震监测系统组成示意图图 8 首采区微震拾震器布置图地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33356微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 9 冬瓜山矿微震监测部分成果图6 微震监测技术预测岩爆的新进展 [6][7] [8]当前微震监测岩爆技术在南非,加拿大,美国,俄罗斯,波兰等国都得到广 泛应用.2000 年南非 ISS 微震监测系统公司,基于重整化群理论,幂率规律, 采用模式识别等方法开展了岩爆时空预报的进一步定量研究, 并开发了相应的算 法 SOOTHSAY 和 INDICATOR.采用该算法预报的成功率在 WEST WITS 地区 达到了 53%,在 FREE STATE 达到了 65%.显示了该技术的突出优势.参考文献: [1] 谢和平,陈忠辉.岩石力学[M].北京:科学出版社.2004,5.312-322 [2] C. Srinivasan, S.K. Arora, S. Benady.Precursory monitoring of impending rockbursts in Kolar gold mines from microseismic emissions at deeper levels [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 36 (1999) 941-948. [3] A J Jager and J A Ryder,P Mountfort. A Handbook on Rock Engineering Practice for Tabular Hard Rock Mines[M].Cape Town, Creda Communications, 1999. [4] 唐礼忠,潘长良,杨承祥,郭 然.冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究[J]. 金属矿山, 364.2006,10:41-45. [5] 贾明涛. 井下通讯与安全预警系统. . [6] Mendecki A J.Seismic monitoring in mines[M].London:Chapman& Hall Press.1997. [7] Gibowicz S J,Kijko A.An Introduction to Mining Seismology[M].New York:Academic Press,l994. [8] W de Beer.Seismology for rockburst prediction. ISSI, Tech Rep:GAP409-REP-005-01, 2000,2.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33357。
高陡岩质边坡微震监测与稳定性分析研究
高陡岩质边坡微震监测与稳定性分析研究一、本文概述随着基础设施建设的快速发展，高陡岩质边坡的稳定性问题日益凸显，成为岩土工程领域的研究热点。
高陡岩质边坡的稳定性不仅关系到工程项目的安全，也直接影响周边环境和人民生命财产安全。
因此，对高陡岩质边坡的稳定性进行准确分析和有效监测显得尤为重要。
本文旨在通过微震监测技术，对高陡岩质边坡的稳定性进行深入分析，以期为相关工程实践提供理论支持和实际应用指导。
本文首先介绍了高陡岩质边坡的特点和稳定性分析的重要性，阐述了微震监测技术在边坡稳定性分析中的应用原理和优势。
随后，详细描述了微震监测系统的构建过程，包括传感器的选型与布置、数据采集与处理等关键步骤。
在此基础上，结合具体工程案例，对微震监测数据进行了深入分析，探讨了高陡岩质边坡的变形破坏机制和稳定性影响因素。
提出了基于微震监测数据的边坡稳定性评估方法和预警体系，为边坡工程的安全运营提供了有力保障。
本文的研究不仅丰富了高陡岩质边坡稳定性分析的理论体系，也为实际工程应用提供了有效手段。
通过微震监测技术的应用，可以实现对高陡岩质边坡稳定性的实时监测和预警，有助于及时发现潜在的安全隐患，采取相应的工程措施，确保边坡工程的安全稳定。
本文的研究成果也为类似工程提供了借鉴和参考，具有重要的理论价值和实践意义。
二、高陡岩质边坡地质特性分析高陡岩质边坡作为一种特殊的地理现象，其地质特性直接影响着边坡的稳定性和安全性。
因此，对高陡岩质边坡的地质特性进行深入分析，是开展微震监测与稳定性分析的关键前提。
高陡岩质边坡的岩石类型多样，常见的有花岗岩、石灰岩、砂岩等。
这些岩石的物理力学性质，如强度、弹性模量、泊松比等，直接决定了边坡的承载能力和变形特性。
岩石中的节理、裂隙等结构面的发育情况，对边坡的稳定性有着重要影响。
这些结构面不仅降低了岩体的整体强度，还容易成为应力集中的区域，从而引发边坡的破坏。
高陡岩质边坡的地质构造背景也是不可忽视的因素。
BMS微震监测系统在深部岩体稳定性监测中的应用
ＢＭＳ微震监测系统在深部岩体稳定性监测中的应用收稿日期：２０２３－１０－２６；修回日期：２０２４－０２－１８基金项目：国家自然科学基金项目（５１９７４０４３）；国家重点研发计划项目（２０２３ＹＦＣ２９０７４００）作者简介：何玉龙（１９９０—），男，工程师，从事金属矿山采矿技术研究及管理工作；Ｅ ｍａｉｌ：６１０２９０３７＠ｑｑ．ｃｏｍ何玉龙，王栋毅，李海龙（山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿）摘要：随着矿山开采逐渐往深部延伸，出现了轻微岩爆现象，生产区域内存在由岩爆诱发的矿柱失稳和顶板冒落的危险。
根据三山岛金矿深部矿体地质条件和围岩实际地质情况，研制了新一代的ＢＭＳ微震监测系统，构建了矿山预警系统。
该系统能有效监测到采场矿柱失稳和顶板冒落的微弱振动信号，分析微震波形，监测岩爆的发生，为深部矿体安全开采提供依据。
关键词：深部开采；岩体稳定性；岩爆；微震监测；波形分析 中图分类号：ＴＤ３２ 文章编号：１００１－１２７７（２０２４）０４－０００５－０４文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０２４０４０２引 言随着对深部矿体的进一步开采，岩爆逐渐成为不可忽视的井下危险因素，由此带来的矿柱失稳和顶板冒落也严重威胁到井下安全。
岩爆是指对高应力区地下工程进行作业时，在开挖活动的扰动下，岩体原有应力被打破，导致其内部储存的应变能突然释放［１－３］，产生破坏。
岩爆的发生常伴随着岩体振动［４］。
采矿活动引起围岩内应力的转移和积聚，岩体在应力作用下发生破裂、产生振动并向四周传播。
检波器监测到振动信号，并进行相关处理和分析，这就是微震监测系统的基本原理［５－７］。
岩体裂隙产生、发育和贯通等过程中始终伴随着微震活动的产生，有效微震信号包含了大量可以表达岩体状态变化的信息［８－１１］。
因此，通过监测岩体的微震信号，可以实现深部矿（岩）体区域稳定性的监测预警。
１ 工程背景山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿（下称“三山岛金矿”）是山东黄金集团有限公司的主体矿山之一，下设三山岛金矿直属矿区和新立矿区，是国内唯一海下开采的黄金矿山。
水利部“948”项目《岩体稳定性的微震监测技术》通过验收
水利部“948”项目《岩体稳定性的微震监测技术》通过验收刘小红
【期刊名称】《长江科学院院报》
【年(卷),期】2013(30)9
【摘要】2013年8月10日，由长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室承担的水利部“948”项目”岩体稳定性的微震监测技术”验收会在武汉召开。
会议由水利部“948”项目管理办嘻渺健处长主持，项目验收专家组由长江勘测规划设计研究院、
【总页数】1页(PF0003-F0003)
【关键词】“948”项目;岩体稳定性;监测技术;水利部;微震;长江科学院;重点实验室;设计研究院
【作者】刘小红
【作者单位】岩土力学与工程重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TV87
【相关文献】
1.基于声发射与微震技术的新型岩体稳定性监测系统及应用 [J], 刘建东
2.水利部“948”项目“藻类监测分析系统及超声波除藻设备”通过验收 [J],
3.水利部948项目“区域旱情野外土湿监测设备引进及旱情预报系统研制”通过验收 [J],
4.水利部“948”项目——“河流水质生物监测技术”通过验收 [J], 彭玉强
5.水利部“948”项目“非接触式高频河流实时监测系统技术引进”通过验收 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于微震技术监测地铁车站预留T字岩梁岩柱施工围岩稳定性
基于微震技术监测地铁车站预留T字岩梁岩柱施工围岩稳定性论文基于微震技术采集了特大断面浅埋地铁车站预留T字岩梁岩柱施工岩柱开挖过程微震信号，通过分析岩柱开挖不同阶段微震信号的频数及峰值频率，对比室内岩石单轴压缩全过程的声发射信號特征，根据岩石不同应力状态下AE 撞击数及峰值频率反推隧道岩体在不同施工阶段所处的应力状态，得出岩柱跳挖时围岩的应力处于弹性阶段，全断面形成后围岩的应力处于应变硬化阶段的初期。
微震监测表明隧道开挖是安全的，预留T字岩梁岩柱工法适合特大断面浅埋地铁车站施工。
标签：地铁车站；微震技术；T字岩梁岩柱；围岩稳定性1 引言微震监测技术主要用于矿山领域，目前，随着监测系统软件与硬件的发展该技术已经成为有效的围岩稳定性监测手段[1]。
在地下空间施工过程中微震监测可以弥补基于传统监测手段（净空收敛、拱顶沉降、锚杆锚固力等）判断岩体稳定状态的不足，应用围岩破裂前夕及微破裂所释放的信号来判断在施工过程中岩体所处的稳定状态[2-4]。
利用微震系统安装在地下工程中的捡波器，通过记录不同施工工序微震信号的强弱、频率等参数对比室内岩石破坏过程声发射信号参数判断围岩体活动规律，从而实现灾害风险预报[5-6]。
鉴于此，国内外学者做了大量研究，取得了丰硕的成果，陈炳瑞等[7]进行了隧洞围岩声发射监测，分析和解释了隧洞开挖后的“松弛现象”，并通过矩张量分析法研究了不同声发射信号的破裂类型。
C. D. Martin 等[8-10]进行微震监测，系统地研究了洞室开挖后围岩的损伤与破坏过程微震信号特征。
马克等[11]将微震技术应用于地下洞库施工过程的围岩稳定性监测，研究了施工工序和围岩稳定性的关系。
徐奴文等[12]将微震监测技术应用于地下厂房开挖过程，提出了基于微震监测技术的围岩稳定性评价。
论文以重庆轨道交通四号线头塘车站为工程背景，应用微震技术监测分析地铁车站预留T字岩梁岩柱施工围岩的稳定性。
2 工程概况重庆轨道交通四号线头塘车站位于海尔路与内环快速路交叉口虾子蝙立交处，平行于海尔路路侧地下敷设，车站主体结构开挖宽度26m，高度27.88m，断面积724.88m2，拱顶为中风化基岩，厚度9.2-26.7m，小于2.5倍围岩应力拱高度27.9m，属于特大断面浅埋地铁车站。
微震技术监测岩质边坡稳定性的工程实践
微震技术监测岩质边坡稳定性的工程实践高键;吴基昌;殷成革【摘要】针对边坡失稳监测预报这一岩土工程中的世界性难题,从国外引进先进的微震监测技术,从岩质边坡特点、微震技术的原理及ESG微震系统等方面,探讨了微震技术应用于岩质边坡稳定性监测的可行性,并以在大岗山水电站右岸边坡中的应用为例,阐述了微震技术的工程实践.实践证明,微震技术能全天24 h实时监测边坡的稳定性状况,与传统的监测手段相比有其明显的特点和优势；不论从微震技术的原理、系统,还是从微震技术的工程实践方面来看,微震技术运用于岩质边坡稳定性监测都具有可行性,并且微震数据能较好地反映出弱层是控制边坡稳定性的主要因素,以及爆破开挖等施工扰动对边坡局部或者整体的影响.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2011(042)014【总页数】6页(P72-76,94)【关键词】微震监测;岩质边坡;稳定性;可行性;工程实践【作者】高键;吴基昌;殷成革【作者单位】大连大学材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁大连116622;国电大渡河大岗山水电开发有限公司,四川石棉625409;大连力软科技有限公司,辽宁大连116622【正文语种】中文【中图分类】TU457边坡稳定性问题一直是岩土工程的重要研究内容，工程边坡失稳监测预报仍然是岩土工程中的一项世界性难题,迄今为止，还没有形成一套有关工程边坡稳定性评价的比较完善和成熟的理论体系。
近年来，我国水电行业开始从国外引进较先进的岩质边坡稳定性监测手段——微震监测。
微震监测作为一种岩体微破裂三维空间监测技术，近些年发展迅速，已在加拿大、美国、南非、澳大利亚等很多国家广泛应用[1-4]。
事实证明，微震监测比传统的位移、应变等监测手段更加有效。
传统的位移或变形监测手段只能给出岩体结构已经出现宏观破裂及其相关大位移的监测结果，而对岩体内部的微破裂及演化过程的监测(往往是人类眼睛无法感知的微破裂前兆)却无能为力。
岩质边坡属于脆性材料，在大滑面形成之前，一般都会在潜在滑面周围形成大量岩石微破裂，大量的岩石微破裂事件(即微震事件)的聚集是某一部位岩体破碎、松弛甚至是局部失稳滑移的前兆。
基于微震监测技术的巨大采空区稳定性监测工程实践
基于微震监测技术的巨大采空区稳定性监测工程实践一、介绍微震监测技术的背景和应用1. 微震监测技术的定义和原理2. 微震监测技术在巨大采空区稳定性监测中的应用二、巨大采空区稳定性监测工程实践的背景和目的1. 巨大采空区的特点和危害2. 巨大采空区稳定性监测的重要性和目的三、巨大采空区稳定性监测中微震监测技术的应用1. 巨大采空区稳定性监测中微震监测技术的作用2. 微震监测技术在巨大采空区稳定性监测中的应用流程四、巨大采空区稳定性监测中微震监测技术的实践应用案例分析1.某大型煤矿巨大采空区稳定性监测中微震监测技术的实践应用2.实践应用案例中的监测效果和数据分析五、微震监测技术在巨大采空区硐室支护设计中的应用前景1. 微震监测技术在巨大采空区稳定性监测中的优势2. 微震监测技术在巨大采空区硐室支护设计中的应用前景与发展趋势六、结论和展望1. 结论总结2. 展望微震监测技术在巨大采空区稳定性监测中的发展和应用前景。
一、介绍微震监测技术的背景和应用随着震源物理学和地震学的发展，微震监测技术逐渐成为工程地质学、地震学、岩石力学等领域的一个重要分支。
微震是地震活动的一种，与传统的地震不同，其震源深度浅，能量较小，频率范围相对狭窄，主要反映盆地沉积层、工程岩体以及矿山采空区等表面近场的动态变化。
微震监测技术利用地下储层、矿山等工程中微观物理、化学和机械过程的微小变化，通过连续、高密度、长时间范围的微震记录和分析，实现对工程环境变化的实时监测和分析，具有高灵敏度、高分辨率、无损检测、全天候监测等特点。
微震监测技术在巨大采空区稳定性监测中具有广泛应用。
巨大采空区是开采煤炭等资源后形成的空洞，通常位于地下200米以上，造成煤层体和围岩的失稳和沉降，威胁着矿井的安全和矿工的生命。
巨大采空区稳定性监测是为了预防采空区引起的灾难，及时掌握采空区的变化信息，发现异常预兆，通过合理的支护措施，及时采取措施，确保矿山生产安全和经济效益。
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岩体稳定性的微震监测技术
北 京 优 赛 科 技 有 限 公 司 北 京 达 汉 新 柯 仪 器 有 限 公 司
岩体工程稳定性的微震监测技术
微震监测技术概要 微震监测技术用于监测岩体在变形和断裂破坏过程中以微弱地震(里氏三级以下)波的形式发 生的微震事件,利用现代计算技术,通讯技术,GPS 授时精确定位技术,在三维空间中实时地确定 岩体中微震事件发生的位置和量级,从而对岩体的变形活动范围及其稳定性做出安全评价. 自 1990 年中期以来,微震监测技术已经被广泛应用于诸如矿山,石油工业,土木工程,环境地 质,核废料,废气储存,战略石油储备等公共安全领域中岩体稳定性的短期和长期监测.微震监测 技术在边坡滑动的时间和空间预警方面已经取得了重要成果,并显示了广阔的应用前景. 微震监测技术的应用领域 环境与公共安全 地震 火山 滑坡,泥石流 水库 核废料储存设施 地热工程 土木工程 隧道和隧道开挖 岩爆 边坡稳定 地下洞室,结构响应 大坝监测 石油工业 断层活动定向 油,气井稳定性 油,气层监护管理 水压致裂监测评估 地下石油储备 矿山工程 地下洞室开挖稳定性 岩爆 崩落采矿 采空区管理 露天开采边坡稳定性 爆破
微震监测技术可以从岩体变形的最初始阶段开始,跟踪监测岩体内部从单元岩块的断裂到整个 岩体失稳的渐进性破坏过程,从而大大促进了监测工作的科学性,同时提高了工程与地质灾害预报 的准确性和超前性.与传统岩体稳定监测技术相比,微震监测技术的最大优点是可以精确给出岩体 失稳的空间位置并使灾害预报提前约 30-45 天.因此,技术和管理人员可以有较为充足的时间采取 应急措施,避免或极大限度地降低生命和财产损失,提高工作人员以及公众的安全. ISS 微震监测技术系统构成 南非微震监测系统国际有限公司的 ISS 微震监测系统具有下述优良特性: 三维实时监测边坡整体; GPS 授时精确定位; 小直径钻孔安装,兼容各种传感器; 专业化的处理软件; 全波形,全数字,高速信号采集; 高分辨率,多通道,宽频率,灵活的有线无线通讯等; 同时在空间和时间的预警方面有突出优势. ISS 微震监测系统包括硬件和软件两大部分. 硬件部分包括:微震拾震器(检波器) ,数据采集单元,数据通讯,GPS 计时; 软件部分包括:微震数据可视化与数据分析软件. 拾震器(Geophone) 拾震器用于感应微震地震波信号并将其传送至信号采集记录中心,拾震器分单向和三向两类, 如图 1 所示,可根据具体监测要求选用.ISS 拾震器的技术指标如下:
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岩体工程稳定性的微震监测技术
ISS 拾震器
产品种类 固有频率 (Hz) G4.5 G14 4.5 14 去噪响应 (Hz) 150 190 无阻尼灵敏 度 (v/m/s) 28 80 2 180 4 0.5 倾斜角 (o) 极限位移 (mm) 近似的可用 频率范围 (Hz) 4-2000 12-2000
图 1,拾震器 拾震器有表面式和钻孔埋入式,后者可以埋入到φ76mm 的钻孔之中,用以获取深部岩体的微 震信号.每只拾震器配带按工程要求选定长度的电缆. 微震数据采集 检震数据采集器用于获取由拾震器感应到的地震波信号,可将信号传送至实时处理中心(图 2 中 a, c)或存入本地记录硬盘(定期更换硬盘,人工带回进行数据处理,图 2 中 b) .图 2 为 ISS 公 司第四代微震数字采集产品.采集器除支持微震拾震器外,还支持压电式加速度传感器,固态加速 度式传感器,以及力平衡式加速度传感器.电压在-5V 与 +5V 之间,或电流在 4mA 与 20mA 之间 的传感器,都可应用于 ISS 微震监测系统.应变计,流变计,倾斜计,地应力计,温度计都已经有 先例.
(a) QS 自动采集通道控制器. (b) SAQS 自记型采集控制器. (c) QSi 防爆型采集控制器. 图 2 震数据采集单元 ISS 检震数据采集器的技术指标如下:
通道数
采样率(Hz) 带宽 (Hz) 50 sps 时动态范围(dB)
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通过软件选择 :50, 100, 125, 200, 250,400, 500, 1000, 2000,3000,6000, 2000,16000, 24000,48000 最高到10 000 > 110
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SAQS,QSi 技术特点: 24 位数字化,3 通道或 6 通道两种型号; 采样率:50 Hz - 24000 Hz; 适用于微震拾震器以及力平衡,宽带或压电加速度传感器 连续记录或触发记录 多逻辑通道 一对电缆上最多布置 10 个 远程数据传输到处理中心(RS485, RS232 或 FSK 端口) 手持 LCD 显示状态信息——可选 内置校准功能(压电加速度传感器除外) 通讯,网络及 GPS 时间协调系统 通过调制解调器,同步通讯电缆,把每个微震检震与数据采集单元,数据中心连成一体.
图 3,RS485 调制解调器 微震数据控制器是系统设备,用于连续地采集,处理及分析微震或非微震监测数据,并把这些数据 储存在局域网中的计算机上.
图 4,微震系统控制器 GPS 授时单元使整个系统同步于 GPS 时间,大大提高了微震事件定位精度
图 5,GPS 授时单元 ISS 软件系统 ISS 软件系统包括:实时控制系统(RTS),JMTS 微震数据处理软件,以及 JDI 数据显示软件. RTS 实时控制系统软件安装于微震控制器上或者手提电脑上. 包含多个管理逻辑联系软件模块, 以控制通讯系统的各个子系统. GPS 时间控制器用于将整个系统协调到统一的 GPS 时间系统. RTS
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起到系统的接口作用,执行数据采集功能并进行在线错误诊断.系统状态监视器为用户提供系统运 行状态报告,当系统运行超出正常状态时,软件具有向操作人员提供报警并生成报告. JMTS 微震数据处理软件可在微软视窗或 Linux 操作系统下对微震数据进行处理,包括: 处理由拾震器或加速度传感器获取的单参量或三参量波形谱. 自动处理高质量微震事件,事件定位以及确定微震频谱参数. 软件具备相位,震源定位,震级计算,频谱参数估计等多参数的相互作用分析功能. 软件可图示波形,旋转分量,极坐标图,信号能量,P 波和 S 波波谱以及修正后的位 移谱图. 解释软件包.从微震图中提取微震事件参数,包括微震能量,微震矩,幅度,微震时 间等等,用符号,大小和颜色进行显示.以等值线形式描述微震事件的各种参数,很 容易确定出微震活动强的区域.
图 6,JMTS 微震数据处理系统 JDI 数据显示软件 是目前国际上最先进的微震数据可视化和分析软件包,其主要功能特性包 括: 完全三维空间显示; 全面的微震事件滤波处理和显示; 空间等值面或等值线显示,时间历史数据显示; 数字化,曲线图,事件的动漫显示; 里氏震级显示.
图 7,微震事件实时显示系统
图 8,微震活动的可视化及解释系统
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应用实例 --- 岩体边坡工程 微震监测系统布置:四只拾震器布置成三棱锥形,两只位于半坡腰,两只位于岩体中 150m 深 的钻孔中(如例图 1) ,拾震器间距约为 120 米.从 2002 年 7 月到 12 月间监测到的微震事件如例图 2 所示.
例图 1,拾震器布置图
例图 2, 微震监测事件分布图
边坡上同时进行传统地表位移监测,结果与微震监测结果进行了历时对比.例图 3 所示为叠加 后的微震监测区域和表面观测区域,阴影区为微震监测控制区域,图中离散点为传统外观监测点, 红线包含区域为位移发生区域.例图 4 为两种技术监测到的累计边坡位移时程线,微震监测技术获 取的位移发生时间明显先于外观监测结果给出的时间, 微震监测数据提前约 45 天预报了边坡有失稳 的可能.
例图 3,微震与地表位移监测系统.
例图 4,边坡累计位移时程记录.
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例图 5 给出了边坡内变形随时间发展的等值线图,以视图的形式清楚,直观地反映了岩体内损 伤破坏开展的渐进过程,是当今唯一能够在时,空域内展示岩体破坏力学机理的岩体安全监测技术.
图例 5,微震监测技术获取的边坡内岩体变形渐进性破坏过程. 此边坡应用案例成功显示了微震监测系统在岩体边坡稳定监测和灾害预警功能方面的突出优 势.
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