基于最大值的巖層斷裂監(jiān)測(cè)機(jī)理與方法研究*

劉小陽(yáng) 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(kāi)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(cè)可以作為監(jiān)測(cè)巖體破裂的主要技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采過(guò)程中的巖層活動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，是地震活動(dòng)與礦山開(kāi)采動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究和巖爆與地壓實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的重要工具。近年來(lái)國(guó)際上巖石力學(xué)以及采礦安全領(lǐng)域微地震監(jiān)測(cè)研究十分活躍，而在我國(guó)僅有極少幾個(gè)礦山曾進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，澳大利亞、南非等國(guó)家在礦山開(kāi)采中已把微地震定位監(jiān)測(cè)作為礦山安全的重要措施。由于采場(chǎng)周?chē)鷰r體破裂的分布區(qū)域相對(duì)于大地地震區(qū)域而言相對(duì)很小且情況復(fù)雜，因此大地地震定位計(jì)算方法用于采場(chǎng)周?chē)鷰r體破裂定位已顯不妥。如何研究開(kāi)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(guó)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用這項(xiàng)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(cè)機(jī)理以及監(jiān)測(cè)方法［1-3］。

1 微地震定位原理

1.1 基本原理

覆巖在采動(dòng)過(guò)程中可能產(chǎn)生斷裂破壞，并產(chǎn)生微震和聲波。通過(guò)在采動(dòng)范圍內(nèi)布置多個(gè)檢波器，就可以實(shí)時(shí)采集微震數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，即可獲得巖體破裂時(shí)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(cè)具有遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，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(chǎng)空間破裂形態(tài)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)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(shí)，所產(chǎn)生的微震波會(huì)沿(近似)射線(xiàn)路經(jīng)傳播到各個(gè)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(shí)間會(huì)有所不同。根據(jù)時(shí)間差，可以建立非線(xiàn)性方程進(jìn)行求解［5］。

1.2 微震計(jì)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(shí)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(kāi)采中所監(jiān)測(cè)的區(qū)域?yàn)榉綀A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(gè)檢波器的走時(shí)關(guān)系為

式中，(xi，yi，zi)為微震監(jiān)測(cè)站的空間坐標(biāo)，m;ti為監(jiān)測(cè)到微震信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，ms;(x，y，z)為震源的空間坐標(biāo);t為微震發(fā)生的時(shí)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(shí)間(t)4個(gè)未知數(shù)，如果有至少4個(gè)(即i≥4)檢波器能夠監(jiān)測(cè)到微震到達(dá)時(shí)間，就能求出震源的空間位置及其發(fā)生時(shí)間，如圖1所示。

圖1 MS定位示意

第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)減去第i－1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的走時(shí)方程為

式(2)以矩陣形式表示為

其中

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

(2)n＞4時(shí)的求解。當(dāng)多于4個(gè)檢波器獲得微震到達(dá)時(shí)間時(shí)，震源的空間位置(x，y，z)和斷裂發(fā)生時(shí)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(shí)

要獲得震源的位置，最重要的是每個(gè)檢波器能夠監(jiān)測(cè)到微震波的到達(dá)時(shí)間(ti)，如果對(duì)檢測(cè)信號(hào)逐點(diǎn)比較，就可以較為準(zhǔn)確地得到某一最大值的到達(dá)時(shí)刻(微震波到達(dá)時(shí)由于信噪的原因難以判斷或獲得)，這里所說(shuō)的最大值無(wú)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(gè)檢波器檢測(cè)到的是同一性質(zhì)的最大值時(shí)刻，就可以實(shí)現(xiàn)震源空間定位。這是因?yàn)檎鹪窗l(fā)出的微震波總有最大值，而最大值與較小值在時(shí)間上相對(duì)于工程上來(lái)說(shuō)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(shí)刻來(lái)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(cè)定微波的傳播速度，所以在實(shí)際斷裂定位中，速度測(cè)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(shí)際工程中巖層斷裂的位置不一定就是預(yù)先測(cè)定波速的區(qū)域，這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差;另一方面，速度的測(cè)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(shí)，將會(huì)導(dǎo)致定位誤差超過(guò)25 m，但在實(shí)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(duì)于礦山微震監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到。如果知道礦山放炮的具體位置，利用最少任意2個(gè)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(gè)微震檢波器的空間坐標(biāo)，m;x0，y0，z0為震源(放炮點(diǎn))的空間坐標(biāo)，m;ti，tk為i和k2個(gè)微震監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)到微震信號(hào)的到達(dá)時(shí)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(shí)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(cè)工作面的周?chē)詈镁鶆蛟O(shè)置，如果實(shí)際條件允許要求相鄰2個(gè)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(huì)測(cè)量中的要求一致，即交會(huì)角不能太大(大于150°)，也不能太小(小于30°)，并且利用測(cè)量方法測(cè)定檢波器安放位置的三維坐標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

監(jiān)測(cè)巖體的斷裂可以研究由于開(kāi)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(shí)空關(guān)系，對(duì)地面建(構(gòu))筑物保護(hù)和安全開(kāi)采具有重要意義。其實(shí)巖體斷裂監(jiān)測(cè)在礦山開(kāi)采工程中的作用是多方面的，可以包括監(jiān)測(cè)巖爆和礦震、集中應(yīng)力與重分配、地表移動(dòng)變形的時(shí)空關(guān)系、巖體冒落和邊坡破壞等，對(duì)礦山開(kāi)采工程設(shè)計(jì)與施工、災(zāi)害定位監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、安全救助等具有重要意義。本研究從一個(gè)側(cè)面探討了巖體斷裂監(jiān)測(cè)的機(jī)理和方法，提出了監(jiān)測(cè)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和問(wèn)題，以及為了得到可靠的監(jiān)測(cè)目標(biāo)的空間位置所必須的監(jiān)測(cè)方法等，為礦山開(kāi)采工程和地表沉陷研究提供了參考。

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

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