基于最大值的巖層斷裂監測機理與方法研究*

劉小陽 郝延錦 孫廣通 劉 軍

(1.防災科技學院防災工程系;2.華北科技學院建筑工程學院)

由于地下開采引起的巖層斷裂可以誘發微地震(Micro Seismic，MS)，而微地震現象的發生與巖體破裂有著密切的關系。通常情況下，微地震越活躍的區域，巖體發生破裂的可能性也越大。因此，微地震監測可以作為監測巖體破裂的主要技術，可以實現礦山開采過程中的巖層活動連續監測，是地震活動與礦山開采動態響應研究和巖爆與地壓實時預測的重要工具。近年來國際上巖石力學以及采礦安全領域微地震監測研究十分活躍，而在我國僅有極少幾個礦山曾進行微震監測，澳大利亞、南非等國家在礦山開采中已把微地震定位監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域相對于大地地震區域而言相對很小且情況復雜，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。如何研究開發適合小尺度微地震精確定位系統與方法，已經成為我國開發和應用這項技術的主要難題之一。本研究采用亮度函數法以及相關提高定位精度的措施，探討了微地震監測機理以及監測方法［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生斷裂破壞，并產生微震和聲波。通過在采動范圍內布置多個檢波器，就可以實時采集微震數據，經過數據處理后，即可獲得巖體破裂時刻發生的空間位置。與傳統技術相比，微震定位監測具有遠距離、動態、三維、實時監測的特點，還可以根據震源情況確定破裂尺度和性質，為研究采場空間破裂形態和采動應力場分布規律提供新的手段［4］。

為進行巖層斷裂破壞位置的定位，首先應布置、安裝一些微震檢波器。當一定范圍內出現巖層破裂破壞情況時，所產生的微震波會沿(近似)射線路經傳播到各個檢波器。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情況下，微震波到達時間會有所不同。根據時間差，可以建立非線性方程進行求解［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，且初至時間易于識別，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測的區域為方圓幾百米的小區域，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)個檢波器的走時關系為

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

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

圖1 MS定位示意

第i個監測點減去第i－1個監測點的走時方程為

式(2)以矩陣形式表示為

其中

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

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

2 微震參數確定

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測到微震波的到達時間(ti)，如果對檢測信號逐點比較，就可以較為準確地得到某一最大值的到達時刻(微震波到達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的最大值時刻，就可以實現震源空間定位。這是因為震源發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為是相差很小或者同步的，所以使用最大值到達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，速度測量的準確性直接影響到定位的精度。主要原因:一方面，巖層不同區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先測定波速的區域，這樣就會產生較大的定位誤差;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，當速度誤差為100 m/s時，將會導致定位誤差超過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確性，因此準確的獲得微波速度是非常關鍵的一環［6］。

對于礦山微震監測來說，范圍一般為500 m左右，因此可以近似地認為微震波傳播速度v是恒定的，這樣就可以通過現場測試得到。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，m;x0，y0，z0為震源(放炮點)的空間坐標，m;ti，tk為i和k2個微震監測站監測到微震信號的到達時間，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)位置和與時間的關系，檢波器的位置布設也是必須考慮的原因之一。檢波器布設在被監測工作面的周圍，最好均勻設置，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。

3 結語

監測巖體的斷裂可以研究由于開采引起的地表沉陷的內部原因，進一步研究巖體斷裂與地表沉陷的時空關系，對地面建(構)筑物保護和安全開采具有重要意義。其實巖體斷裂監測在礦山開采工程中的作用是多方面的，可以包括監測巖爆和礦震、集中應力與重分配、地表移動變形的時空關系、巖體冒落和邊坡破壞等，對礦山開采工程設計與施工、災害定位監測、災害預報預警、安全救助等具有重要意義。本研究從一個側面探討了巖體斷裂監測的機理和方法，提出了監測中需要解決的關鍵技術和問題，以及為了得到可靠的監測目標的空間位置所必須的監測方法等，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:中國礦業大學出版社，1988.

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

［3］ 盧愛紅，徐征峰.含裂紋結構的斷裂監測與預警［J］.河北建筑科技學院學報，2002，19(1):43-45.

［4］ 姜福興，Xun Luo.微震監測技術在礦井巖層破裂監測中的應用［J］.巖土工程學報，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.無需預先測速的微震震源定位的數學形式及震源參數確定［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(10):2057-2067.