微震监测技术及应用*

周 建 陈 超

(河北联合大学矿业工程学院)

微震监测技术及应用*

周 建 陈 超

(河北联合大学矿业工程学院)

微震监测是集信息化、智能化、可视化于一体的动力监测技术。由于其具有远程、全天候实时、全方位立体等特点，被广泛应用于矿山、非矿山行业的地下工程安全监测。介绍了微震监测技术的基本原理、定位方法，及其在国内外矿山工程中各领域的应用。

地下工程 微震监测 监测原理 震源定位

近年来，由于科学技术，特别是计算机技术的快速发展，以及地球物理学、地震学等学科研究的不断丰富，微震监测技术得到了空前的发展。由于该技术本身特有的远程、全方位立体、连续不断实时监测等特点，在地下工程中的作用尤为突出。在矿山行业主要表现为：预测瓦斯突出、煤岩突出、矿山边坡及采场矿柱稳定性监测、岩爆的发生等。白越、王经明在梧桐庄煤矿底板突水预测试验研究中采用微震监测系统，并对所得到的微震事件进行分析，得出微震规律与煤层底板“递进导升”突水机理相符合的结论[1]。姜福兴等通过微震监测技术在华丰煤矿及鲁西煤矿的实际应用，表明该技术在预测冲击地压及煤与瓦斯突出和突水等矿山灾害方面是一种有效的手段，可以在矿山推广应用[2]。微震监测技术在非矿山行业的应用也有许多的成功案例，如油气勘探及核废料地下存储、大型水电工程隧道稳定性监测等。张文东、马天辉等通过对锦屏二级水电站引水隧道施工过程中的微震监测实例分析，得知应用微震监测技术对深埋岩体隧洞岩爆进行预测是可行的，其预测结果是可靠的[3]。

1 微震监测技术

1.1 微震监测技术原理

微震是指岩体在外界应力作用下，介质中一个或多个局域源以瞬态弹性波的形式迅速释放其存储的弹性应变能的过程[4]。通过传感器采集、记录、分析微震信号，并以此为依据推算出震源的震级、位置等特征的技术称为微震监测技术。该技术是在地震监测技术的基础上发展起来的，在原理上与地震监测、声发射技术相同，是基于岩体受力破坏过程中破裂的声能原理[5]。

1.2 震源定位方法

对于微震事件的震源进行快速、精确的定位是微震监测技术的关键环节之一。国内外学者对此进行了大量的研究工作，提出了有很多种震源定位方法，其中Geiger震源定位算法在实际生产中应用的较多。

Geiger震源定位算法是由德国物理学家Geiger于1912年提出[6]。其原理是由一个给定的起始点，通过迭代的方法得到与实际震源位置最接近的值，每一步迭代都是根据最小二乘法原理计算修正向量Δω(ΔX,ΔY,ΔZ)，得到的修正向量加到上一次得到的迭代结果上，从而得到一个新的起始点，验证其结果是否满足定位要求，如果满足则计算停止，反之重复上一步骤，直至计算结果满足定位要求为止。

将每一次的迭代结果与所规定的误差范围比较，当迭代结果满足误差范围时结束计算，反之，重复上一步骤，直到迭代结果在误差允许范围之内为止。最后的结果取其几何中心，即为所求震源位置。

实践证明Geiger算法是一种可靠的、精确的震源定位方法，该方法的优点是其对定位所需的条件较少，只需一个较为准确的起始点即可。

2 微震监测技术的应用

2.1 岩爆监测

在矿山地下采场的掘进过程中,由于开采深度逐渐增大，岩爆发生的可能性也随之增大。岩爆的发生不但破坏生产设备,影响采场的掘进,还严重威胁着生产和工人生命安全。通过长期的实践，利用微震监测法对岩体发生岩爆的可能性进行监测是一种行之有效的方法。在美国、加拿大、智利、南非等，许多矿山都采用了微震监测技术进行岩爆的监测、预报。2000年南非ISS微震监测系统公司，基于幂率规律、重整化群理论等方法开展了岩爆时空预报的进一步研究，并开发了SOOTHSAY和INDICATOR相应算法。在WEST WITS地区采用该算法预报的成功率达到了53%，在FREE STATE达到了65%[7]。在国内，铜陵冬瓜山铜矿、三山岛金矿、张马屯铁矿等矿山，微震监测系统在岩爆监测方面均取得了一系列有效成果[8-10]。

2.2 边坡稳定性监测

边坡稳定性在岩土工程中是一项世界性难题，到目前为止，用于对边坡稳定性进行评价的完善的、成熟的、达到业界普遍认可的体系还没有形成。近些年，随着微震监测技术的推广，我国先后引进一系列的微震监测系统用于对一些大的矿山、水利工程的边坡稳定性进行实时的、不间断的监测，取得了令人满意的成果。在国外应用微震监测系统进行边坡稳定性监测的经验比国内丰富的多，例如，世界上较大的铜矿(Chuquicamata铜矿)坐落于智利Antofagasta地区东北250 km处，矿坑深850 m，是全球铜矿生产量最大的矿场。由于长期以来的开采活动，形成了巨大的露天边坡，其中该矿场的东北区域发现了一些断层的再生。为了保证矿山的安全生产，保证采矿从业人员的生命安全，该矿安装了微震监测系统以监视断层的变化，为决策者提供技术支持。在国内，河北省唐山市石人沟铁矿于2008年引进微震监测系统用于边坡及边坡转地下的安全监测，取得了一系列的监测成果[11]。

2.3 矿柱采场稳定性的监测

经过长时间的开采活动，我国大部分露天矿山转为地下开采。随着地下开采活动的不断进行，留下了大量的采空区，而矿柱是决定采空区稳定与否的重要组成部分。因此，加强矿柱的稳定性监测是十分必要的。对于以空场采矿法为主要开采手段的矿山来说，矿柱的稳定性对于整个矿山的安全生产具有不可忽视的作用，而且矿柱的稳定性有助于提高矿石的回采率。郭远发等通过对湖南柿竹园矿大范围破裂矿柱微震监测实例的分析研究，表明微震监测技术可以用于对破裂矿柱的稳定性进行监测，且监测结果可以用来评价、预警[12]。如袁瑞甫、李化敏在霍州煤电李雅庄煤矿，对SOS微震监测系统对该矿矿柱稳定性监测结果的分析，揭示了工作面煤柱的不稳定状态[13-14]。

2.4 其他监测应用

微震监测技术被广泛应用于工程施工过程的安全监测。如在开凿深长隧道的过程中有可能会发生崩塌等灾害及爆破时诱发的大冒落灾害等；在国内对油田水压裂产生裂缝的识别，在国外更多的是应用微震监测的信号研究油气储层的不均一性、应力场分布及裂缝发育机制等[15-16]。

3 结 语

微震监测技术是一种集信息化、智能化、可视化于一体的动力监测技术，具有实时、全天候远程监测等技术特点，在矿山、非矿山行业广泛应用。相比于国外，国内在微震监测技术应用、理论研究等领域的发展还相对落后，但可以肯定的是，随着科技的发展及更多技术人员对其深入地研究，微震监测技术在地下工程安全监测方面的作用更加重要，应用前景更加广阔。

[1] 白 越,王经明.微震监测技术在煤矿突水监测中的应用[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2010(4):549-552.

[2] 姜福兴,王存文，杨淑华，等.冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术[J].煤炭科学技术,2007(1):26-28，100.

[3] 张文东,马天辉，唐春安，等.锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究[J].岩石力学与工程学报,2014(2):339-348.

[4] 周舒威.基于能量原理的大尺度岩体结构稳定性研究[D].厦门：厦门大学,2012.

[5] 李庶林.试论微震监测技术在地下工程中的应用[J].地下空间与工程学报,2009(1):122-128.

[6] 吕晶晶.基于加速度传感器的震源定位算法研究[D].太原：中北大学,2012.

[7] 唐绍辉,潘 懿，黄英华，等.深井矿山地压灾害微震监测技术应用研究[J].岩石力学与工程学报,2009(S2):3597-3603.

[8] 唐礼忠,潘长良，杨承祥，等.冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究[J].金属矿山,2006(10):41-44,86.

[9] 袁瑞甫,李化敏,李怀珍.煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别[J].岩石力学与工程学报,2012(1):80-85.

[10] 郑 超,杨天鸿，于庆磊，等.基于微震监测的矿山开挖扰动岩体稳定性评价[J].煤炭学报,2012(S2):280-286.

[11] 胡静云.特大复杂采空区稳定性微震监测技术理论与应用研究[D].长沙：长沙矿山研究院,2011.

[12] 刘大兵,钱振宇，王存文，等.三山岛金矿微震监测及岩爆倾向性分析[J].中国矿业,2012(S1):488-491.

[13] 郝育喜,李化敏，袁瑞甫，等.煤柱稳定性的微震监测研究[J].煤炭工程,2012(11):64-67.

[14] 郭远发,刘宏发，袁节平，等.基于微震监测的大范围破裂矿柱稳定性评价[J].采矿技术,2011(6):41-45.

[15] 王国雨.微震监测技术在油气勘探中的应用与发展[J].中国新技术新产品,2013(7):12.

[16] 柳云龙,田 有，冯 晅，等.微震技术与应用研究综述[J].地球物理学进展,2013(4):1801-1808.

*河北省唐山市科学计划局项目(编号：12130212A-2)。

2014-09-30)

周 建(1990—)，男，硕士研究生，063009 河北省唐山市。