德興礦震監(jiān)測臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計

肖孟仁 周大為 陳浩 危小榮

摘 ?要：文章闡明了德興礦震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)的必要性，圍繞德興礦震監(jiān)測和研究需求，按照合理布局、有效監(jiān)控的原則，設(shè)置了6個流動測點，與區(qū)域地震臺網(wǎng)4個固定站點形成了德興礦震監(jiān)測臺網(wǎng)規(guī)模，按照實時監(jiān)測的要求搭建了監(jiān)測臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對德興礦區(qū)的有效監(jiān)控。由噪聲實測值數(shù)據(jù)計算了監(jiān)測臺網(wǎng)理論監(jiān)控能力，數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控核心區(qū)監(jiān)控能力在ML1.0級以上。德興礦震監(jiān)測臺網(wǎng)累積的基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將為開展礦震研究奠定堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：礦震臺網(wǎng);系統(tǒng)設(shè)計;監(jiān)控能力;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

中圖分類號：P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）20-0085-04

Abstract： This paper expounds the necessity of the construction of Dexing mine earthquake monitoring network， centering on the needs of Dexing mine earthquake monitoring and research， and according to the principle of rational layout and effective monitoring， 6 mobile measuring points are set up. The scale of the Dexing mine earthquake monitoring network is formed with the 4 fixed stations of the regional earthquake network. According to the requirements of real-time monitoring， the monitoring network technical system is built， and the effective monitoring of Dexing mining area is realized. The theoretical monitoring capability of the monitoring network is calculated from the measured noise data， and the data show that the monitoring capability of the monitoring core area is above the ML1.0 level. The basic monitoring data accumulated by the Dexing mine earthquake monitoring network will lay a solid foundation for the study of mine earthquakes.

Keywords： mine earthquake network; system design; monitoring capability; basic data

引言

德興礦藏資源豐富，其境內(nèi)的德興銅礦是亞洲最大、中國第一的露天銅礦，礦區(qū)總面積超37平方公里。近年來隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，德興地區(qū)礦震頻發(fā)，其活動水平已處于贛東北較為突出的程度，對德興市經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成較大威脅。因此，礦震災(zāi)害越來越受到各級政府和應(yīng)急管理系統(tǒng)的重視，并加大了對礦震的監(jiān)測研究工作。但由于礦震震級較小，現(xiàn)有區(qū)域地震臺網(wǎng)監(jiān)控存在盲區(qū)，利用現(xiàn)有固定臺站記錄礦震的發(fā)生地點、震級均有誤差較大，再者由于礦震普遍具有發(fā)震地點集中、震級較小的特點，因此，建設(shè)一個可靠的礦震監(jiān)測臺網(wǎng)對德興區(qū)域進(jìn)行有效地監(jiān)控顯得十分迫切。

1 建設(shè)目標(biāo)與指標(biāo)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

通過項目實施，建設(shè)覆蓋德興銅礦主要開采區(qū)和其他核心區(qū)的地震監(jiān)測臺網(wǎng)，以便捕捉礦區(qū)小震活動和開展礦震研究、地震工程應(yīng)用。監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)后，將有效監(jiān)控德興銅礦礦區(qū)小震活動情況，具備地震參數(shù)和災(zāi)情速報能力，為震后應(yīng)急救援和科學(xué)決策提供依據(jù)，提升應(yīng)急響應(yīng)能力。

1.2 建設(shè)指標(biāo)

當(dāng)?shù)V區(qū)有感事件發(fā)生后，通過地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)，將地震波信息通過實時通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳輸?shù)降卣鹋_網(wǎng)中心，經(jīng)實時處理系統(tǒng)的自動化處理，在震后通過通信網(wǎng)絡(luò)1-3分鐘內(nèi)發(fā)布地震速報信息，震后1-24小時將發(fā)布震源過程的分析結(jié)果。

2 建設(shè)規(guī)模與產(chǎn)品選型原則

2.1 建設(shè)規(guī)模

項目將建設(shè)1個地震臺網(wǎng)中心系統(tǒng)和6個流動子臺觀測系統(tǒng)。

（1）在德興境內(nèi)，初選6個流動監(jiān)測點，形成覆蓋市區(qū)和核心礦區(qū)、平均臺站間距小于5公里的地震監(jiān)測臺網(wǎng)。

（2）新建1個地震臺網(wǎng)中心，具備數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)處理、信息快速發(fā)布的能力。

（3）與省、市地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實時對接，初步形成面向政府、新聞媒體的地震速報網(wǎng)絡(luò)。

2.2 產(chǎn)品選型原則

系統(tǒng)配置及軟硬件選型需遵從的原則很多，但依據(jù)本項目的特點，首先應(yīng)考慮以下基本原則：

（1）實用性原則：首先要滿足地震觀測的需要，考慮到近場容易限幅的實際，可適當(dāng)配置強震動觀測儀。

（2）穩(wěn)定性原則：整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個必須重視的問題，連續(xù)、可靠的資料產(chǎn)出是地震實時監(jiān)測的基本條件。

（3）先進(jìn)性原則：配置的設(shè)備性能要體現(xiàn)先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)或參數(shù)，保證整個系統(tǒng)的高起點。

（4）易擴充擴展性原則：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)配置應(yīng)容易在規(guī)模和性能方面進(jìn)行擴充和擴展。

（5）易維護(hù)性原則：系統(tǒng)維護(hù)方便、簡單。

3 建設(shè)場址選擇

地震臺網(wǎng)中心設(shè)在德興市內(nèi)，6個流動子臺將覆蓋市區(qū)和銅礦核心開采區(qū)。

（1）地震臺網(wǎng)中心建設(shè)場址在市行政中心，主要建設(shè)內(nèi)容包括：工作環(huán)境改造、網(wǎng)絡(luò)通信平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)流匯集平臺建設(shè)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺建設(shè)、處理響應(yīng)平臺建設(shè)、系統(tǒng)監(jiān)控平臺建設(shè)、公共服務(wù)平臺建設(shè)等。

（2）流動子臺場址位置選擇要求：

a.均勻分布在市區(qū)及礦區(qū)周邊，并結(jié)合地震地質(zhì)構(gòu)造條件和現(xiàn)場環(huán)境作適當(dāng)調(diào)整。

b.場址應(yīng)避開局部地形變化大的地點，如小山梁、河谷等。

c.場址與高大建筑物之間的距離應(yīng)大于建筑物的高度和長度。

d.應(yīng)選擇背景噪聲較小的地點，避開有振動源、高大建筑、重要交通要道等設(shè)施。

e.應(yīng)選擇有穩(wěn)定的交流電源、交通方便、具備較好通訊條件的地點布設(shè)。

4 建設(shè)方案

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成與數(shù)據(jù)流程

4.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

德興礦震監(jiān)測臺網(wǎng)由6套流動地震儀，輔于4個區(qū)域固定臺站和1個地震臺網(wǎng)中心系統(tǒng)構(gòu)成，其技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)具有便攜性和組網(wǎng)方便等特點。流動臺網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并入江西省地震臺網(wǎng)，實現(xiàn)與省級地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和交換功能，協(xié)同完成監(jiān)測任務(wù)。地震臺網(wǎng)中心具備數(shù)據(jù)流匯集、實時數(shù)據(jù)入庫、地震快速處理響應(yīng)、子臺系統(tǒng)監(jiān)控、媒體公共服務(wù)等功能。

4.1.2 數(shù)據(jù)流程

流動子臺數(shù)據(jù)流利用公用電信網(wǎng)絡(luò)傳輸實時觀測數(shù)據(jù)首先傳至省級地震臺網(wǎng)中心，德興地震臺網(wǎng)中心再通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從省級地震臺網(wǎng)中實時下載數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

德興地震臺網(wǎng)中心應(yīng)建設(shè)到省地震臺網(wǎng)中心的網(wǎng)絡(luò)鏈路，將匯集的流動臺站信號傳輸?shù)绞〉卣鹋_網(wǎng)中心。根據(jù)現(xiàn)場情況可選擇采用SDH、ADSL、3G、CDMA、GPRS等公共電信網(wǎng)絡(luò)方式，建設(shè)時應(yīng)考慮配備多種通信設(shè)備，以應(yīng)對地震現(xiàn)場的復(fù)雜通信條件。

總體網(wǎng)絡(luò)鏈路如圖2所示，總體數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

4.2 流動子臺

4.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)急流動臺技術(shù)系統(tǒng)主要由寬頻帶/短周期地震計、數(shù)據(jù)采集器、通信傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。

按照傳感器類型可分為寬頻帶數(shù)字流動觀測系統(tǒng)和短周期數(shù)字流動觀測系統(tǒng)兩類。若為了更好地記錄強震動數(shù)據(jù)，可采用6通道數(shù)據(jù)采集器，增配加速度計。

短周期/寬頻帶流動臺技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示：

4.2.2 通信傳輸系統(tǒng)

通信傳輸系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)流動子臺與流動中心或區(qū)域臺網(wǎng)中心之間觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸，通常采用無線傳輸模式。

流動子臺傳輸采用公用電信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在公用電信網(wǎng)絡(luò)（包括SDH、ADSL、3G、CDMA、GPRS等）傳輸質(zhì)量滿足要求時優(yōu)先采用此種組網(wǎng)方式進(jìn)行傳輸，當(dāng)公用電信網(wǎng)絡(luò)不具備時，可自組網(wǎng)絡(luò)。自組網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)傳輸條件（包括傳輸路由、傳輸距離等）采用本地直傳、擴頻微波、超短波、無線寬帶等方式。

流動子臺實時觀測數(shù)據(jù)采用無線或有線（光纖）等公網(wǎng)模式，首先傳至江西省地震臺網(wǎng)中心，德興地震臺網(wǎng)中心通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從江西省地震臺網(wǎng)中實時下載臺站觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的匯集與處理。

4.2.3 供電系統(tǒng)

流動子臺采用市電+充電控制電源+蓄電池供電模式;此模式主要應(yīng)用于具備市電供給的觀測點，平時以充電控制電源為主要供電設(shè)備，蓄電池作為后備電源，以備市電中斷的情況下保證觀測系統(tǒng)正常運行。

采用市電+充電控制電源+蓄電池供電模式的系統(tǒng)連接如圖7所示。

4.3 地震臺網(wǎng)中心

地震臺網(wǎng)中心具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存檔和數(shù)據(jù)交換功能，并能實時和準(zhǔn)實時向指揮部提供觀測結(jié)果數(shù)據(jù)的能力。

地震臺網(wǎng)中心技術(shù)系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、便攜式電腦、工作站等設(shè)備組成。中心供電系統(tǒng)采用交流電加長延時UPS方式，UPS電池組提供2小時以上冗余電力供應(yīng)，實際野外工作也可以根據(jù)具體情況配用電池組。另外配置發(fā)電機作為備用供電方式，用來在沒有交流電接入時保證流動臺網(wǎng)中心系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

流動中心技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示：

5 監(jiān)控能力理論值分析

地震臺網(wǎng)監(jiān)控能力通常是指對微小地震的監(jiān)測能力，其主要取決地震計的響應(yīng)靈敏度、觀測動態(tài)范圍和臺基噪聲水平。德興地震臺網(wǎng)監(jiān)控范圍為德興市區(qū)和礦區(qū)核心區(qū)，為了達(dá)到這一目的，我們在靠近市中心和礦區(qū)核心區(qū)選址建設(shè)6個流動子臺，輔于區(qū)域臺網(wǎng)4個固定地震臺站（上饒臺、三清山臺、景德鎮(zhèn)臺、余干臺），由臺基噪聲實測值計算地震臺網(wǎng)監(jiān)控能力，從圖9可以看出德興地震監(jiān)測臺網(wǎng)監(jiān)控能力ML1.0級覆蓋核心區(qū)，德興全市地震監(jiān)控能力達(dá)ML1.5級），較好地覆蓋了全市范圍。

6 結(jié)束語

德興礦區(qū)微震監(jiān)測臺網(wǎng)采用流動測點與固定站點相結(jié)合的方式，利用公用通信網(wǎng)絡(luò)搭建了實時監(jiān)測臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)，由臺基噪聲實測值驗算了臺網(wǎng)理論監(jiān)控能力，德興市區(qū)及礦區(qū)核心區(qū)監(jiān)控能力達(dá)到ML1.0級，德興全市實現(xiàn)了ML1.5全覆蓋。需要說明的是，在地震監(jiān)控能力計算時，對相關(guān)設(shè)定條件和地動噪聲實測值存在一定差異，同時還受觀測環(huán)境和人為干擾因素的影響，加上地震計的觀測動態(tài)影響，因此臺網(wǎng)監(jiān)控能力理論值只能粗略地反映地震臺網(wǎng)監(jiān)測范圍，與實際監(jiān)測效果還略有差異。

德興監(jiān)測臺網(wǎng)的建設(shè)在一定程度上彌補了江西省區(qū)域地震監(jiān)測臺網(wǎng)密度的不足，德興監(jiān)測臺網(wǎng)將為開展礦震監(jiān)測預(yù)報和地球物理科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其在礦震監(jiān)測預(yù)警上積累震例和經(jīng)驗，將為下一步做好礦震預(yù)報研究奠定堅實基礎(chǔ)。

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