微震監測

微震監測是通過監測岩體破裂產生的震動或其他物體的震動，對監測對象的破壞狀況、安全狀況等作出評價，從而為預報和控制災害提供依據的成套設備和技術。

基本介紹

• 中文名：微震監測
• 外文名：microseismic monitoring
• 學科：礦山工程
• 出現時間：20世紀初
• 理論依據：發射學和地震學
• 套用：地下工程、石油工程

技術簡介

微地震監測技術(Microseismic Monitoring Technique，簡稱MS)基於聲發射學和地震學，現已發展成為一種新型的高科技監控技術。它是通過觀測、分析生產活動中產生的微小地震事件，來監測其對生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術。當地下岩石由於人為因素或自然因素髮生破裂、移動時，產生一種微弱的地震波向周圍傳播，通過在破裂區周圍的空間內布置多組檢波器並實時採集微震數據，經過數據處理後，採用震動定位原理，可確定破裂發生的位置，並在三維空間上顯示出來。

發展歷史

微地震監測技術在地下工程中的套用最早始於20世紀初的南非約翰內斯堡地區的金礦開採誘發的地震監測。南非對微地震的早期監測是採用常用的地震監測儀器，20多年後，60年代大規模的礦山微震研究在南非各主要金礦山展開，並隨之在l970-1980年代以來各採金礦山先後建立了礦山微震監測台站。到上世紀中葉，在波蘭、美國、前蘇聯、加拿大等採礦大國都先後開展了礦山地震研究，且隨著電子技術和信號處理技術的發展，多通道的微地震監測技術也開始得到套用，最突出的有以美國斯波坎的Electrolab公司為代表研製和生產多通道微震監測技術和設備，並在美國的金屬礦山得到套用，微震監測技術在非礦山行業之外的核能、地下油氣存儲庫、地下隧道工程等領域也得到套用，如加拿大原子能地下實驗室就採用了微震監測系統口。

近年來，利用微震監測技術進行地下災害救助等方面，也得到套用。在上個世紀90年代以前，微震監測設備大都是模擬信號型的；90年代開始，全數字型微震監測技術和設備開始得到廣泛的套用。由於全數字型微震監測技術的出現，使得在大規模的信號存儲、計算機自動監測、數據的遠傳輸送、監測定位的實時分析和信號分析處理的可視化成為可能。全數位技術的出現和發展，大大促進了微震監測技術理論和套用的發展，開創了微震監測技術理論和套用研究的新局面。我國在上世紀的80年代中期開始微地震方面的研究工作。

1986年，由煤炭部和國家地震局等相關單位牽頭在北京的門頭溝煤礦開始了微震監測方面的研究，利用由波蘭引進的一套模擬信號8通道微震監測系統(SYLOK)，對採煤區的微地震進行監測研究，這也是我國首次開展礦山(地下)多通道微震監測技術研究。2000年前後，澳大利亞聯邦科學院探采所與山東煤田地調局等單位合作在興隆莊煤礦開展了為期2年的礦震監測研究工作。2000年汕頭市液化氣庫建立了我國第一套24通道全數字型多通道微震監測系統，這也是我國在礦山行業之外的地下工程領域的第一套多通道微震監測系統。

原理

微震是指在受外力作用以及溫度等的影響下，岩體等材料中的一個或多個局域源以順態彈性波的形式迅速釋放其能量的過程，微震起源於材料中的裂紋(斷層)、岩層中界面的破壞、基體或夾雜物的斷裂。採用微震監測儀器來採集、記錄和分析微震信號，並據此來推斷和分析震源特徵的技術稱為微震監測技術。微震監測技術是在地震監測技術的基礎上發展起來的，它在原理上與地震監測、聲發射監測技術相同，是基於岩體受力破壞過程中破裂的聲、能原理。從頻率範圍可以看出地震、微震與聲發射之間的關係[3]。2．2微震監測技術的作用
微震監測技術在地下工程中的作用是多方面的，概括起來包括監測岩爆和礦震，應力集中與重分配，岩體大冒落，邊坡破壞，為地下結構設計提供參數和最佳化地下工程設計與施工，災害定位監測、預報和災害預警，地下災害安全救助，檢測工程(如大體積混凝土、地下注漿等)施工質量，監測岩體和混凝土結構的損傷和老化過程等諸多方面。由此可見，微震監測技術既可以用於地下工程施工過程中的各種安全監測，也可以用於建成工程的使用過程的安全監測。

微震監測系統

硬體：主要分為三個部分，即感測器，數據採集器、時間同步、數據通信、伺服器等部分。

感測器將地層運動（地層速度或加速度）轉換成一個可衡量的電信號。非地震感測器也可以用於微地震網路的案例。

數據採集器負責將來自感測器的模擬電信號轉換成數位訊號。數據可以連續記錄，或採用觸發模式，通過觸發算法來確定是否記錄傳輸微震事件數據。

微震數據同時傳輸到一個中央計算機或本地磁碟進行儲存或處理。微震系統可以採用多種數據通訊手段，以適應不同的系統環境需要。

微震系統的軟體：由系統配置管理軟體，微震波形數據處理軟體，,微震事件的可視化及解釋軟體，微震事件實時顯示軟體等組成。

特點

1、實時監測

多通道微震監測系統一般都是把感測器以陣列的形式固定安裝在監測區內，它可實現對微震事件的全天候實時監測，這是該技術的一個重要特點。全數字型微震監測儀器的出現，實現了與計算機之間的數據實時傳輸，克服了模擬信號監測設備在實時監測和數據存儲方面的不足，使得對監測信號的實時監測、存儲更加方便。

2、全範圍立體監測

採用多通道微震監測系統對地下工程穩定性和安全性進行監測，突破了傳統監測方法力(應 力)、位移(應變)中的“點”或“線”的意義上的監測模式，它是對於開挖影響範圍內的岩體破壞(裂)過程的空間概念上的時間過程的監測。該種方法易於實現對於常規方法中人不可達到地點的監測。

3、空間定位
多通道微震監測技術一般採用多通道帶多感測器監測，可以根據工程的實際需要，實現對微震事件的高精度定位。微震技術的這種空間定位功能是它的又一與實時監測同樣重要的特點，這一特點大大提高了微震監測技術的套用價值。由於與終端監控計算機實現了數據的實時傳輸，可以通過編制對實時監測數據進行空間定位分析的三維軟體，籍助於可視化編程技術，可以實現對實時監測數據的可視化三維顯示。

4、全數位化數據採集、存儲和處理

全數位化技術克服了模擬信號系統的缺點，使得計算機監控成為可能，對數據的採集、處理和存儲更加方便。由於多通道監測系統採集數據量大，處理時需要計算機進行實時處理，並將數據進行保存，而大容量的硬碟存儲設備、光碟等介質對記錄數據的存儲、長期保存和讀取提供了保證。微震監測系統的高速採樣以及P波和S波的全波形顯示，使得對微震信號的頻譜分析和處理更加方便。

5、遠程監測和信息的遠傳輸送

微震監測技術可以避免監測人員直接接觸危險監測區，改善了監測人員的監測環境，同時也使得監測的勞動強度大大降低。數位技術的出現和光纖通訊技術的發展，使得數據的快速遠傳輸送成為可能。數字光纖技術不僅使信號傳送衰減小，而且其它電信號對光信號沒有干擾，可確保在地下複雜環境中把監測信號高質量遠傳輸送。另外，可利用Internet技術和GPS 技術，把微震監測數據實時傳送到全球，實現數據的遠程共享。

6、多用戶計算機可視化監控與分析

監測過程和結果的三維顯示以及在監測信號遠傳輸送的前提下，利用網路技術(區域網路)實現多用戶可視化監測，即可以把監測終端設定在各級安全監管部門的辦公室和專家辦公室，可為多專家實時分析與評價創造條件。

套用情況

微震監測技術在地下工程災害和安全監測方面的套用涉及公路鐵路交通、水電工程、能源儲備、礦山資源開發、核設施安全監測等多領域，可以說微震監測技術在岩土工程和地下工程中的套用是多方面的。以下概要介紹該技術在這些方面的套用。

隧道圍岩穩定性監測

1、隧道工程施工安全監測

對於高地應力作用或深埋的長大隧道，在工程施工階段往往會產生岩爆等動力地壓災害，以及工程施工爆破誘發的諸如大冒落等災害，這些災害會嚴重威脅施工人員和設備的安全，影響工程施工進度。微震監測技術可以對岩爆、大冒落等地壓災害實現有效的監測，確保施工過程的安全生產。隧道工程安全監測可以採用攜帶型微震監測設備，進行流動的抽樣監測；也可以對長大隧道進行固定式多通道微震監測，監測系統可以沿用到隧道使用階段的安全監測。

2、 隧道使用安全監測

公路和鐵路隧道有很高的安全要求，地下隧道在建成使用期間，隨著隧道周邊工程地質環境的變化、支護結構的老化、地震作用的影響等，起承載作用的圍岩體、支護結構體等的受力狀況會產生變化，可能在它們內部產生不同程度的損傷或破裂，這種損傷的積累甚至誘發災變。因此，對一些重大的隧道工程如超長大隧道、過江跨海隧道等在使用期間，對圍岩體和支護結構進行實時監測，監測岩體隨時間弱化和混凝土老化，掌握結構內的微破裂前兆、損傷程度等，及時採區措施，防範災害的發生，確保使用期間隧道的營運安全等有重要的意 義。

地下注漿工程監測

注漿技術是一種廣泛套用於地下隧道、城市地下鐵、水利水電工程、礦山防治水工程等眾多領域的技術，注漿技術的目的一是加固岩、土體，提高其強度，二是堵水防滲，減小岩土體的滲透性。微震監測技術的作用一是確定漿體注入的範圍，確保注漿效果；二是防止跑漿，降低成本。對於一些大型的注漿工程，採用微震監測技術來監測注漿效果是非常有技術和經濟價值的。日本等國家在地下注漿工程方面有工程套用方面的研究。

大型地下油氣庫的安全監測

地下油氣庫的安全監測其目的是監測圍岩體及其支護結構的穩定性，防泄漏 世界上第一個地下油氣存儲庫建成於上世紀初，二戰後世界石油需求量大增，為防需求的波動和戰略儲備的需要，促進了地下油氣庫的建設，一些發達的高耗能國家如美國、日本等先後建立了大量的地下油氣存儲庫。到2001年為止，全球已建成70多座地下油氣庫。韓國、日本是亞洲較早建地下油氣庫的國家，在這兩個國家的一些地下油氣庫的建設和使用中都使用過和建立了多通道微震監測系統。到目前為止，我國已建成並投入使用的汕頭液化氣庫成功建立了一套24通道的全數字型微震監測系統，對兩個10萬m。的地下氣庫進行全天候實時監測，每個氣庫各安裝了2個三軸感測器和6個單軸感測器。據報導，我國第二座液化氣庫也正在寧波建成。中國規劃未來20年中將投入1000億美元進行石油戰略儲備，在北至遼寧、南到廣西的海岸線上的地質構造穩定、可建造深水碼頭的沿海地區，將出現更多這樣的地下油氣庫。也由此可見，微震監測在我國的地下油氣庫安全監測方面有廣闊的前景。

石油工程中的監測套用

微震監測技術一個重要的套用就是在石油工程領域的套用。對於抽採石油的採區，為了提高石油的采出率，往往要向採區注入高壓水破岩。石油開採一般都在大深度的地層下進行，淺則幾百米，深則上千米。因此，注水要技術上可行和經濟上合理。微震監測技術對於這種大深度的井下注水工程有較好的監測效果，它可以強有力地確定岩體破裂和裂紋擴展方向、裂紋擴展長度和寬度等；確定注水鑽孔的合理位置，控制注水量以達到節約用水；最佳化壓裂設計，如注水壓力、注水時間等。加拿大的ESG公司就在美國的一些石油開採區使用了微震監測技術，並取得較好的經濟效益。