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高精度微震监测技术及在水电工程中的应用前景

发布时间：

2024-07-29 11:53

来源：

盛虞1 Lynch R.2

（1.申博sunbet；2.IMS International Ltd.）

1、前言

现代高精度工程微震监测技术的开发与应用始于1980年代中期的南非金矿开采活动[1]，其目的是为解决南非Angola Gold 公司在南非Welkom 地区深埋（超过1000m）金矿开采中遇到的大量岩爆和岩体破坏问题，避免由于岩爆或岩体破坏事件而导致作业人员伤亡和设备的损坏。该技术的原理是用传感仪器采集伴随采矿后岩体中应力重分布所导致岩石破裂时发出的地震波信息，通过对地震波信息进行分析处理确定破裂点的空间位置和震级，根据累积微震事件的数量和能量释放的关系，估计因微震活动引起的非线性应变区域的发展，据此判断岩体的稳定性[2，3，4]。该项技术由IMS公司开发，在九十年代初期逐渐走向成熟，得以迅速地在非洲、澳大利亚、美国、加拿大及南美洲的采矿工程中推广应用。

得益于在地下采矿工程中取得的成功，自90年代中后期开始尝试应用于露天采矿中的岩体边坡稳定监测，在解决了一系列技术问题后，该技术已在超过25岩体边坡稳定监测中成功应用[5，6]。

自2000年前后起，该技术在国际上被引用到其它工程应用领域，如非矿山的隧洞开挖、水库及大坝、地下核废料储藏设施、战略石油储备、地质灾害预报预警等领域。我国自2004年开始将该技术应用的采矿领域[7]。

近十年来，我国大型水电资源的开发逐步向西部高山峡谷集中在的云、贵、川诸�。诖笮秃途扌退缯窘ㄉ柚杏凶糯罅康母弑咂驴谝约案呗裆畹叵鲁Х亢鸵词业目诠こ�。该地区地质条件极其复杂、地应力高、区域及局部地质构造和断裂的分布存在着很大的不确定性，岩体的工程稳定性给工程建设带来很大担忧。传统监测技术在如此复杂的岩体工程问题上遇到一系列的局限性。如输水洞开挖中高地应力岩体的岩爆问题、高边坡的深层稳定性问题、及高地应力条件下地下厂房岩体稳定问题都给目前岩体变形监测技术带来巨大的挑战。而微震监测技术具有在三维空间中全方位监测岩体从裂纹开展、破裂的渐进性累积、到破坏失稳的全过程的技术特点，将传统岩体监测技术在时空上给与了极大的延伸，可以预料微震监测技术可以为解决大型水电工程建设中遇到的复杂岩体稳定性的评估提供一条新的途径。

2、传统岩体监测技术的优点与局限性

传统现场岩体工程稳定性判断是建立在对原位岩体变形监测资料分析的基础上进行的，通常根据工程建筑物的重要性，选定在地质条件不好或有不确定地质结构的位置（或断面）埋设变形监测仪器（如测斜仪、多点位移计、锚杆、锚索计及外观变形监测点等），用以监测岩体在施工和运行过程中的举止，从而判断所关注部位的岩体是否处于安全工作状态。

传统岩体监测技术已经积累了数十年的经验，已有相应的规范和技术标准和大量的工程总结指导安装、数据采集与分析。因此、只要仪器选择得当，埋设仔细合理，通过资料的整理和分析，传统监测技术具有监测精度高，数据可靠的优点。

传统监测技术的重大不足之处在于，观测点或观测断面位置选择相对分散，难以获取以空间形式存在的岩体中各部位的应力、应变变化和位移发展的机理。通常布置点（或断面）的选择是基于对有限的工程地质调查成果的认识上进行的，难免存在不明确或遗漏某些重要地质构造，致使所选的监测断面有时不能及时反应出变形较大的岩体情况，危及工程安全。理想的监测技术应该能够对所关注区域内的岩体对工程施工的响应，应能够获取岩体中应力、应变演化的过程，尤其是工程活动所导致的地质结构（如断层）的活化。根据目前国际上业已取得的成果，微震监测技术已经充分发挥出其全方位监测岩体对开挖工程的响应，在短期岩体开挖安全预警预报和中、长期灾害分级和稳定性评估方面有着独特的优势。

3、高精度微震监测技术简介

微震（微地震）指的是局部范围内岩石由于某种诱发原因（如工程开挖）在裂纹开展时以地震波形式产生的震动。微震监测技术是利用记录和分析微震波信息从而获得岩体微震活动的时间，震源位置，震级，能量释放及非线性应变区域等数据，从而判断、评估和预报监测范围内岩体的稳定性。工程中通常遇到的由岩体破坏诱发的地震震级一般在3级以下，如图1 所示，由于其讨论的震级范围小于通常天然地震感兴趣的震级范围（>3级），因此可将工程岩石力学中遇到的地震称为微震。

图1，微震震级区间。

表1[1]给出了震级与震源大小的关系，由表中可见震级为-2.0 级的地震可以在岩体中产生2-4 米长的裂纹尺寸，如果在局部岩体区域内有足够多这样大小的裂缝，可足以产生局部的塌方，如在隧道，输水洞、地下厂房和边坡开挖中通常所遇到的。因此，对工程岩石力学问题，首先需要有精确的微震波记录。对实用微震监测系统，基本要求是要能可靠地记录发生在震级−2.0≤ m ≤+3.5的微震事件。以便能够准确定位岩体中各个破坏事件的位置和震级。正是由于微震监测技术达到了如此高的精度，才使得该技术在工程中应用成为可能。

表1，系统灵敏度推荐指标

图2给出了IMS高精度微震系统记录到的M= -2级的高清晰微震图谱[8]。由图谱及软件自动给出的分析结果表明，系统能记录并处理相当大的振幅范围内微震事件。如该-2.0级的小事件在170m距离上产生10-6m/s的岩体活动。

图2 由一组14Hz钻孔检波器从一个-2.0级的微震事件记录到的高精度微震图谱[8]。

4、利用微震监测结果确定岩体稳定状态

微震监测技术的一个显著特点是它可以对三维空间中的岩体性状进行实时监测，通过对微地震波的采集和分析，可以判断岩体破裂的位置、震级、能量释放和岩体中由微震而伴生的非线性应变的开展。

4.1 微震定位

对某个微弱且开裂较慢的事件，距离该点较近的一些测点可以监测到由该点发出的辐射波，而其它的测点得到的可能是开裂过程中由于开裂面上应力降低而产生的波动。因此，如果要研究开裂起因，需要对不同时刻到达的信号进行波形分析。准确定位对解决下面这些问题致关重要：

确定可能发生岩爆或岩体失稳的位置；
后续微震过程分析，如震源定量，衰减，速度反演等都依赖于定位；
所有独立事件的分析和解释均依赖于定位，例如，对在远离工作面的区域或通常不认为会发生微震事件的区域内发生的事件予以关注。
微震活动性解释，如微震活动密集化或沿某些结构面的集中化及发展和迁移，微震参数的时空分布速率等都依赖于定位于定时。

由于每个事件的震源都对应一个有限的区域，对一个特定区域内所有微震事件，对各事件震源的定位精度（定位误差）应该小于其所对应震源尺寸。此要求定义了该区域内微震监测网的灵敏度。比如，系统监测到所有事件中的最小震级，mmin, 应能够给出足够高的信号噪声比，见表1。对从一个至少包含6个三分量检波器布置合理的监测网络所获取的高质量数据，定位误差可控制在该网络平均中心距的3%。

4.2 微震能量

在开裂或摩擦滑动过程中能量的释放是由于岩体由弹性变形向非弹性变形转化的结果。这个转化速率可以是很慢的蠕变事件也可能是很快的动力微震事件，其在震源处的平均变化速度可达每秒数米。相同大小的事件，慢速事件较快速动力事件发展时间要长，因此慢速事件主要辐射出低频波。由于激发的微震能量是震源函数的时间导数，慢震过程产生较小的微震辐射。从断裂力学的观点，开裂速度越慢，辐射能量就越少，拟静力开裂过程将不会产生辐射能。

4.3 能量指数：

能量指数EI[3]用于比较具有类似微震潜能的各微震事件所产生的微震辐射能的一个有用工具，一个微震事件的能量指数是该事件所产生的实测辐射微震能E与区域内所有事件的平均微震能E(P)之比。平均能量可由该区域的实测平均能量和微震潜能P关系logE=dlogP+c（图3）求得。

d=1.0表示平均能量与视应力成比例关系。能量指数越大表示事件发生时震源的驱动应力越大。由于能量指数反应了事件的统计特性，在工程分析应用中十分方便。

图3 能量指数概念[1]。

5、岩体微震活动与稳定性[1]

通常岩体的稳定性可以用劲度，即岩体抵抗应力增加而产生的变形的能力，来描述。当岩体的总劲度保持不变，总微震潜能与采矿开挖体积成正比，ΣP~Vm。随着不断开采，岩体总劲度逐渐下降，单位体积岩体的总潜能的变化将加快。随着劲度的进一步下降，岩体表现出非线性变形，随活动率（1/t）的增大，潜能释放加速ΣP~（ΣVmeff）γ，预示可能会发生较大的岩体失稳。这种岩体失稳的动力学过程可以用视应力σ=E/P来表示，它依赖于失稳岩体与周围岩体的劲度之比。劲度比越大，震源区单位体积岩体的非弹性变形所释放的能量就越多。

根据这些现象，寻找微震失稳过程中应力软化阶段的迹象就演化为找出能量指数和累积视体积随时间的变化发展规律，以代替微震动力学的应力与应变随时间的发展。能量指数增加伴随正的累积视体积率表示应变硬化过程；能量指数下降伴随加速发展的视体积表示应变软化，预示着岩体进入不稳定工作状态。高精度微震监测系统可以监测上述岩体变形失稳的过程。

图4a为在某地下金矿约1.5公里埋深记录到的在一个震级为2.4的大微震事件发生前30小时的实测能量指数下降和累积视体积随时间加速发展的过程。图中阴影区的应变软化期可以从空间上判断出未来非稳定区的发展[8]。图4b为岩石的应力应变关系，阴影区对应于图4a中伴随现场能量释放而产生的非线性失稳。

图4a 实测i能量指数和累积视体积随时间变化[8]。

图4b 应变软化区与岩体失稳

6、微震监测技术在水利水电工程中的应用前景

微震监测技术在伴随地下采矿工程发展起来的，因此对于水电工程，该技术可以直接引用到地下洞室、隧洞、厂房的岩体稳定和岩爆监测。由于篇幅所限，本文介绍该技术在边坡稳定监测中的应用[5，6]。

200多米高的Navachab 边坡应用实例中的微震监测系统包含四只拾震器呈三棱锥形布置、两只位于半坡台阶的浅孔中、另两只位于岩体中150m 深的钻孔中（如图5），拾震器间距约为120米。从2002年7月到12月间监测到的微震事件如图6所示。

图5，拾震器布置图

图6、微震监测事件分布图

边坡上同时进行传统地表位移监测，结果与微震监测结果进行了历时对比。图7所示为叠加后的微震监测区域和表面观测区域，阴影区为微震监测控制区域，图中离散点为传统外观监测点，红线包含区域为位移发生区域。图8为两种技术监测到的累计边坡位移时程线，微震监测技术获取的位移发生时间明显先于外观监测结果给出的时间，微震监测数据提前约45天预报了边坡有产生大的变形或失稳的可能。

图7、微震与地表位移监测系统。

图8、边坡累计位移时程记录。

此边坡应用案例成功显示了微震监测系统在岩体边坡稳定监测和灾害预警功能方面的突出优势。

7、结语

本文简要介绍了最具代表性的IMS高精度微震监测技术及在边坡稳定监测中的应用。尽管该技术是在采矿领域的工程应用中发展起来的，该技术近年来在石油开采、地热开采、地下核废料储备设施、地下石油储备和其它地下岩体工程的开挖中得到广泛应用。我国大型水电建设项目的岩体开挖工程规模越来越大，面对的岩体稳定性问题也越来越复杂，因此，可以预计作为传统岩体监测技术的补充和扩展，高精度微震监测技术对了解复杂应力条件下岩体变形和可能的失稳演变机理提供了一个有效工具，在水电工程中有着较为广阔的应用前景。

由于工程条件和微震监测技术的复杂性，需要有专门的工程技术人员来运行系统。只有当技术人员完全掌握了应用技术，微震监测系统的优点才会充分显示出来。

参考文献

[1] Mendecki, A. J. (Ed.) (1997), Seismic Monitoring in Mines, 1st ed., Chapman & Hall.

[2] Mendecki, A. J. (1993), Real time quantitative seismology in mines: Keynote address, in Proceedings of the 3rd International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, Kingston,Ontario, Canada, edited by R. P. Young, pp. 287_295, Balkema, Rotterdam.

[3] van Aswegen, G., and A. G. Butler (1993), Applications of quantitative seismology in South African gold mines, in Proceedings of the 3rd International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, Kingston, Ontario, Canada, edited by R. P. Young, pp. 261_266, Balkema, Rotterdam.

[4] Mendecki, A. J. (2001), Data-driven understanding of seismic rock mass response to mining:Keynote Address, in Proceedings of the 5th International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, Johannesburg, South Africa, edited by G. van Aswegen etc. South African Institute of Mining and Metallurgy.

[5] Lynch, R.A..and Wuite, B. Smith, and A. Cichowicz (2005), Micro-seismic monitoring of open pit slopes, in Rockbursts and Seismicity in Mines, Perth.

[6] Lynch, R., and D. Malovichko (2006), Seismology and slope stability in open pit mines, in International Symposium on Stability of Rock Slopes.

[7] 唐礼忠，潘长良，杨承祥，郭然（2006），冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究，《金属矿山》，2006年第10期，总364期。

[8] Lynch, R., and A. Mendecki (2004), Gap601a: Experimental and theoretical investigations of fundamental processes in mining induced fracturing and rock instability close to excavations-research project for safety in mines research advisory council, Tech. rep., ISS International Limited.

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