微地震監測技術

微地震是一種小型的地震（mine tremor or microseismic）。在地下礦井深部開採過程中發生岩石破裂和地震活動，常常是不可避免的現象。由開採誘發的地震活動，通常定義為，在開採坑道附近的岩體內因應力場變化導致岩石破壞而引起的那些地震事件(Cook，1976)。開採坑道周圍的總的應力狀態．是開採引起的附加應力和岩體內的環境應力的總和。

基本介紹

• 中文名：微地震監測技術
• 外文名：mine tremor or microseismic

技術類型

礦山微地震監測技術共分為三類：第一類是礦井地震監測系統，用於監測礦震，特點是監測大震級破裂事件，定位精度500米左右，主要採用地震行業的技術和設備；第二類是分散式微地震監測系統，用於監測小型礦震，特點是可監測小震級破裂事件，定位精度50-100米左右。一般適合採區尺度的震動監測。第三類是高精度微地震監測系統，用於監測小震級衝擊地壓和岩層破裂，定位精度達到10米以內，適合採掘工程尺度。

開發背景

岩爆是岩石猛烈的破裂，造成開採坑道的破壞(Cook，1976；Ortlepp，1984)，只有那些能夠引起礦區附近的地區都受到破壞的地震事件才叫做衝擊地壓或煤爆、“?>岩爆”。對地下開採誘發的地震活動性的研究表明，礦震不一定全都發生在開採的地點，且不同地區的最大震級也不相同，但礦震深度一般對應於開採挖掘的深度。每年在一些礦區的地震台網能記錄到幾千個地震事件，只有幾個是岩爆。在由開採引起的地震事件的大的系列裡，岩爆只是其中很小的一個分支。對礦山地震、微地震及衝擊地壓的觀測具有一致性，但套用到實際生產中必須區別對待。

各國實踐

上西里西亞

第一個監測地震活動的台網，20年代末期建在上西里西亞(上西里西亞煤盆的德國一側，現屬於波蘭)。台網由四個子台組成，其中一個子台放在Rozbark煤礦的井下，裝有Mainka水平向地震儀。這個台網不斷改進，堅持運轉直到二戰以後(Gibowicz，1963)，直到60年代中期，被安裝在地表和地下的現代化地震台站代替。

南非

在南非，於1939年設計並布設了五個機械式地震儀，在地面組成台陣，主要為礦震定位(Gane等，1946)。雖然自礦區開採以來地震活動性和採礦的關係已經看得非常清楚，但是，是Gane等人(1946)在Witwatersrand地區第一次描述了深部金礦開採和地震活動的直接關係。

美國

礦業局在20世紀40年代就開始提出套用微地震法來探測給地下礦井造成嚴重危害的衝擊地壓，但由於所需儀器價格昂貴且精度不高、監測結果不明顯而未能引起人們的足夠重視和推廣。直到近10年來，地球物理學的進展，特別是數位化地震監測技術的套用，為小範圍內的、信號較微弱的微地震研究提供了必要的技術基礎。近期，為了驗證和開發微地震監測技術在地下岩石工程(如地熱水壓致裂、水庫大壩)、石油、核廢料處理等)中所具有的巨大潛力，國外一些公司的研究機構和大學聯合，進行了一些重大工程套用實驗。

1997年，在美國德州東部的棉花谷(Cotton valley)進行了一次全面而深入的水壓致裂微地震成像現場實驗，以驗證微地震成像技術的實用價值。該實驗取得了巨大成功，證明微地震成像技術相對於其它技術來講，解析度高、覆蓋範圍廣、經濟實用及可操作性強，很有發展潛力。

英國

在英國，P.Young教授領導的KEELE大學套用地震實驗室ASL(Applied Seismology Laboratory)，主要從事岩石力學方面的微地震基礎套用研究，主要分為3個方向：震源力學、微地震成像及岩石力學。其主要研究目的是：揭示岩石在外界條件(如承載、溫度、滲流壓力等)變化時裂紋初始結晶、凝聚接合及其擴展的機理，研究岩石巨觀損傷、破裂的監測技術。

位於加拿大金斯敦的工程地震組織ESG(Engineering Seismology Group)的主要成員是出自P.Young教授的門下，該組織主要進行工程實際現場套用研究，研究方向為岩石地下工程微地震系統的構建、微地震信號採集、處理及分析，編制的軟體可以實時進行微地震事件定位。

加拿大

原子能公司為監測深部開挖引發的大應力集中，防止其造成危害，採用了微地震監測技術，定量評定損傷程度，並監測所存放在地下的放射性核燃料擴散到周圍地下水中的可能途徑，以防造成污染。該研究機構為了保證置放核燃料的地下結構的穩定性，在-420m水平開挖了一條直徑3.5m、長46m的實驗隧道，進行專門研究，稱為地下實驗室URL(The Underground Research Laboratory)。其開挖圍岩主要是低滲透性硬岩，研究的主要課題是地下堅硬圍岩開挖引發的柱狀隧道損傷。在傳統的應力、應變監測的同時，進行了詳細的微地震監測，使用了分布在開挖體周圍的16個三分向加速度計，在1a的時間內記錄並定位了大約10000個微地震事件。這是一項耗資巨大的科研工程，圍繞這一項目得出了許多有價值的科研成果。重點內容是微震事件分布、能級、機理及其與岩石變形的關係，依據現場實測結果來建立和分析數學模型。

澳大利亞

聯邦科學與工業研究院CSIRO從1992年開始對採礦誘發的微地震現象進行研究。在對昆士蘭州的高登斯通礦以及其它幾個礦區的微地震活動進行研究後發現，在採煤面連續推進過程中，其周圍岩層的微地震活動表現出一種規律化的模式，表明在採礦過程中，其周圍岩層的地質缺陷及其斷層等會受到采動的影響而被激活，產生相應的運動，這種結構性的運動會影響到整體回響，以至於在遠離工作面幾百米的地方也會發生微地震活動。1999年8月～2000年6月，在APPIN地區，對採礦引發的微地震進行了布網監測。隨著經驗的積累和技術手段的提高，初步證明微地震可在現場附近進行觀測並能對其進行比較精確的定量研究。微地震研究取得的良好效果，為採礦工作提供了大量有益信息，極大地激發了礦業公司投資進行此類監測及研究的積極性，到目前為止，澳大利亞聯邦科學與工業研究院CISRO已完成15個礦的微震監測試驗，積累了大量的現場經驗，為微地震監測工作的廣泛開展和進一步研究打下了良好基礎。以姜福興教授為首的礦山微地震研究團隊在吸取國際上微地震監測成果的基礎上，針對礦山的不同災害，研製了系列微地震監測儀器、感測器和軟體，已經形成了災害監測、評價和治理的成套技術和裝備，並在多個礦山取得了成功套用。研究團隊由採礦工程、儀器儀表、地球物理、安全工程、軟體工程等專業的博士、教授和研究生組成。通過承擔大量國家和企業的科研項目，在理論、技術和裝備一體化方面，取得了多項國際領先水平的成果，為企業解決了很多安全難題。目前推出的微地震監測成套技術和裝備，是在這些重要項目的基礎上開發的。