基于最大值的巖層斷裂監(jiān)測機理與方法研究*

劉小陽 郝延錦 孫廣通 劉 軍

(1.防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)工程系;2.華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院)

由于地下開采引起的巖層斷裂可以誘發(fā)微地震(Micro Seismic，MS)，而微地震現(xiàn)象的發(fā)生與巖體破裂有著密切的關(guān)系。通常情況下，微地震越活躍的區(qū)域，巖體發(fā)生破裂的可能性也越大。因此，微地震監(jiān)測可以作為監(jiān)測巖體破裂的主要技術(shù)，可以實現(xiàn)礦山開采過程中的巖層活動連續(xù)監(jiān)測，是地震活動與礦山開采動態(tài)響應(yīng)研究和巖爆與地壓實時預(yù)測的重要工具。近年來國際上巖石力學(xué)以及采礦安全領(lǐng)域微地震監(jiān)測研究十分活躍，而在我國僅有極少幾個礦山曾進(jìn)行微震監(jiān)測，澳大利亞、南非等國家在礦山開采中已把微地震定位監(jiān)測作為礦山安全的重要措施。由于采場周圍巖體破裂的分布區(qū)域相對于大地地震區(qū)域而言相對很小且情況復(fù)雜，因此大地地震定位計算方法用于采場周圍巖體破裂定位已顯不妥。如何研究開發(fā)適合小尺度微地震精確定位系統(tǒng)與方法，已經(jīng)成為我國開發(fā)和應(yīng)用這項技術(shù)的主要難題之一。本研究采用亮度函數(shù)法以及相關(guān)提高定位精度的措施，探討了微地震監(jiān)測機理以及監(jiān)測方法［1-3］。

1 微地震定位原理

1.1 基本原理

覆巖在采動過程中可能產(chǎn)生斷裂破壞，并產(chǎn)生微震和聲波。通過在采動范圍內(nèi)布置多個檢波器，就可以實時采集微震數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，即可獲得巖體破裂時刻發(fā)生的空間位置。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微震定位監(jiān)測具有遠(yuǎn)距離、動態(tài)、三維、實時監(jiān)測的特點，還可以根據(jù)震源情況確定破裂尺度和性質(zhì)，為研究采場空間破裂形態(tài)和采動應(yīng)力場分布規(guī)律提供新的手段［4］。

為進(jìn)行巖層斷裂破壞位置的定位，首先應(yīng)布置、安裝一些微震檢波器。當(dāng)一定范圍內(nèi)出現(xiàn)巖層破裂破壞情況時，所產(chǎn)生的微震波會沿(近似)射線路經(jīng)傳播到各個檢波器。由于各檢波器離震源的距離不同，在微地震波速度近似為常數(shù)情況下，微震波到達(dá)時間會有所不同。根據(jù)時間差，可以建立非線性方程進(jìn)行求解［5］。

1.2 微震計算模型的建立

通常由于在巖體中P波的傳播速度較S波快，且初至?xí)r間易于識別，所以常常采用P波定位。由于P波的傳播速度很快，而且在礦山開采中所監(jiān)測的區(qū)域為方圓幾百米的小區(qū)域，因此可假定P波以常速度v傳播，則MS源(微震源)與第i(i=1，2，3，…，n)個檢波器的走時關(guān)系為

式中，(xi，yi，zi)為微震監(jiān)測站的空間坐標(biāo)，m;ti為監(jiān)測到微震信號的到達(dá)時間，ms;(x，y，z)為震源的空間坐標(biāo);t為微震發(fā)生的時間，ms。

可以看出式(1)中只有MS的三維坐標(biāo)(x，y，z)和微震發(fā)生的時間(t)4個未知數(shù)，如果有至少4個(即i≥4)檢波器能夠監(jiān)測到微震到達(dá)時間，就能求出震源的空間位置及其發(fā)生時間，如圖1所示。

圖1 MS定位示意

第i個監(jiān)測點減去第i－1個監(jiān)測點的走時方程為

式(2)以矩陣形式表示為

其中

(1)n=4時的求解。當(dāng)僅有4個檢波器獲得微震到達(dá)時間時，震源的空間位置(x，y，z)和斷裂發(fā)生時間(t)為

(2)n＞4時的求解。當(dāng)多于4個檢波器獲得微震到達(dá)時間時，震源的空間位置(x，y，z)和斷裂發(fā)生時間(t)可以利用最小二乘法求解，其解為

2 微震參數(shù)確定

2.1 利用最大值確定走時

要獲得震源的位置，最重要的是每個檢波器能夠監(jiān)測到微震波的到達(dá)時間(ti)，如果對檢測信號逐點比較，就可以較為準(zhǔn)確地得到某一最大值的到達(dá)時刻(微震波到達(dá)時由于信噪的原因難以判斷或獲得)，這里所說的最大值無論是P波還是S波，也不管是振幅最大、頻率最大，還是能量最大，只要每個檢波器檢測到的是同一性質(zhì)的最大值時刻，就可以實現(xiàn)震源空間定位。這是因為震源發(fā)出的微震波總有最大值，而最大值與較小值在時間上相對于工程上來說可以認(rèn)為是相差很小或者同步的，所以使用最大值到達(dá)時刻來確定震源是可行的。

2.2 微地震波速的確定

通常廣泛使用的微震定位方法都是預(yù)先測定微波的傳播速度，所以在實際斷裂定位中，速度測量的準(zhǔn)確性直接影響到定位的精度。主要原因:一方面，巖層不同區(qū)域的平均速度不一樣，實際工程中巖層斷裂的位置不一定就是預(yù)先測定波速的區(qū)域，這樣就會產(chǎn)生較大的定位誤差;另一方面，速度的測量值很大程度上受檢波器的影響，有研究顯示，當(dāng)速度誤差為100 m/s時，將會導(dǎo)致定位誤差超過25 m，但在實際中就算這樣的誤差也是很難控制的，大大影響了定位的準(zhǔn)確性，因此準(zhǔn)確的獲得微波速度是非常關(guān)鍵的一環(huán)［6］。

對于礦山微震監(jiān)測來說，范圍一般為500 m左右，因此可以近似地認(rèn)為微震波傳播速度v是恒定的，這樣就可以通過現(xiàn)場測試得到。如果知道礦山放炮的具體位置，利用最少任意2個檢波器就可以近似地微震波傳播速度v，即

式中，xi，yi，zi，ti和xk，yk，zk，tk為i和k 2個微震檢波器的空間坐標(biāo)，m;x0，y0，z0為震源(放炮點)的空間坐標(biāo)，m;ti，tk為i和k2個微震監(jiān)測站監(jiān)測到微震信號的到達(dá)時間，ms。

2.3 檢波器位置的選擇

為了獲得更為精確的巖體斷裂(微地震)位置和與時間的關(guān)系，檢波器的位置布設(shè)也是必須考慮的原因之一。檢波器布設(shè)在被監(jiān)測工作面的周圍，最好均勻設(shè)置，如果實際條件允許要求相鄰2個檢波器最好與可能的斷裂位置構(gòu)成正三角形。檢波器的位置要求與交會測量中的要求一致，即交會角不能太大(大于150°)，也不能太小(小于30°)，并且利用測量方法測定檢波器安放位置的三維坐標(biāo)。

3 結(jié)語

監(jiān)測巖體的斷裂可以研究由于開采引起的地表沉陷的內(nèi)部原因，進(jìn)一步研究巖體斷裂與地表沉陷的時空關(guān)系，對地面建(構(gòu))筑物保護(hù)和安全開采具有重要意義。其實巖體斷裂監(jiān)測在礦山開采工程中的作用是多方面的，可以包括監(jiān)測巖爆和礦震、集中應(yīng)力與重分配、地表移動變形的時空關(guān)系、巖體冒落和邊坡破壞等，對礦山開采工程設(shè)計與施工、災(zāi)害定位監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報預(yù)警、安全救助等具有重要意義。本研究從一個側(cè)面探討了巖體斷裂監(jiān)測的機理和方法，提出了監(jiān)測中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和問題，以及為了得到可靠的監(jiān)測目標(biāo)的空間位置所必須的監(jiān)測方法等，為礦山開采工程和地表沉陷研究提供了參考。

［1］ 宋振騏，等.實用礦山壓力控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

［2］ 史 紅.煤礦巖層破裂的微震監(jiān)測與力學(xué)機理［M］.北京:海洋出版社，2008.

［3］ 盧愛紅，徐征峰.含裂紋結(jié)構(gòu)的斷裂監(jiān)測與預(yù)警［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2002，19(1):43-45.

［4］ 姜福興，Xun Luo.微震監(jiān)測技術(shù)在礦井巖層破裂監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24(2):147-149.

［5］ 屈成民，何 峰，馮冠一.近距離下煤層開采巖層破斷微震監(jiān)測研究棗［J］.金屬礦山，2012(6):129-132.

［6］ 董隴軍，李夕兵，唐禮忠，等.無需預(yù)先測速的微震震源定位的數(shù)學(xué)形式及震源參數(shù)確定［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(10):2057-2067.