摘要：微震監(jiān)測技術(shù)是一種高科技信息化的地下工程動力監(jiān)測技術(shù)。隨著設(shè)備硬件技術(shù)、信號處理技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)的應用在國際上也越來越多，目前國內(nèi)出現(xiàn)了對該技術(shù)的應用研究熱。本文介紹了微震技術(shù)的特點及微震技術(shù)在地下工程安全監(jiān)測中的作用。根據(jù)微震監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)外的應用，概括了該技術(shù)在地下工程安全監(jiān)測和防災減災監(jiān)測的若干方面的應用。
0 引言
微地震監(jiān)測技術(shù)(Microseismic Monitoring Technique，簡稱MS)基于聲發(fā)射學和地震學，現(xiàn)已發(fā)展成為一種新型的高科技監(jiān)控技術(shù)。它是通過觀測、分析生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的微小地震事件，來監(jiān)測其對生產(chǎn)活動的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù)。當?shù)叵聨r石由于人為因素或自然因素發(fā)生破裂、移動時，產(chǎn)生一種微弱的地震波向周圍傳播，通過在破裂區(qū)周圍的空間內(nèi)布置多組檢波器并實時采集微震數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，采用震動定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間上顯示出來。
1 微震監(jiān)測在工程中的應用歷史[2]
微地震監(jiān)測技術(shù)在地下工程中的應用最早始于上世紀初的南非約翰內(nèi)斯堡地區(qū)的金礦開采誘發(fā)的地震監(jiān)測。南非對微地震的早期監(jiān)測是采用常用的地震監(jiān)測儀器，20多年后，60年代大規(guī)模的礦山微震研究在南非各主要金礦山展開，并隨之在l970-1980年代以來各采金礦山先后建立了礦山微震監(jiān)測臺站。到上世紀中葉，在波蘭、美國、前蘇聯(lián)、加拿大等采礦大國都先后開展了礦山地震研究，且隨著電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，多通道的微地震監(jiān)測技術(shù)也開始得到應用，最突出的有以美國斯波坎的Electrolab公司為代表研制和生產(chǎn)多通道微震監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，并在美國的金屬礦山得到應用，微震監(jiān)測技術(shù)在非礦山行業(yè)之外的核能、地下油氣存儲庫、地下隧道工程等領(lǐng)域也得到應用，如加拿大原子能地下實驗室就采用了微震監(jiān)測系統(tǒng)口。近年來，利用微震監(jiān)測技術(shù)進行地下災害救助等方面，也得到應用。在上個世紀90年代以前，微震監(jiān)測設(shè)備大都是模擬信號型的；90年代開始，全數(shù)字型微震監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備開始得到廣泛的應用。由于全數(shù)字型微震監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)，使得在大規(guī)模的信號存儲、計算機自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)的遠傳輸送、監(jiān)測定位的實時分析和信號分析處理的可視化成為可能。全數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，大大促進了微震監(jiān)測技術(shù)理論和應用的發(fā)展，開創(chuàng)了微震監(jiān)測技術(shù)理論和應用研究的新局面。我國在上世紀的80年代中期開始微地震方面的研究工作。1986年，由煤炭部和國家地震局等相關(guān)單位牽頭在北京的門頭溝煤礦開始了微震監(jiān)測方面的研究，利用由波蘭引進的一套模擬信號8通道微震監(jiān)測系統(tǒng)(SYLOK)，對采煤區(qū)的微地震進行監(jiān)測研究，這也是我國首次開展礦山(地下)多通道微震監(jiān)測技術(shù)研究。2000年前后，澳大利亞聯(lián)邦科學院探采所與山東煤田地調(diào)局等單位合作在興隆莊煤礦開展了為期2年的礦震監(jiān)測研究工作。2000年汕頭市液化氣庫建立了我國第一套24通道全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，這也是我國在礦山行業(yè)之外的地下工程領(lǐng)域的第一套多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)。
2 微震監(jiān)測技術(shù)的原理
2．1 微震監(jiān)測技術(shù)的原理
微震是指在受外力作用以及溫度等的影響下，巖體等材料中的一個或多個局域源以順態(tài)彈性波的形式迅速釋放其能量的過程，微震起源于材料中的裂紋(斷層)、巖層中界面的破壞、基體或夾雜物的斷裂。采用微震監(jiān)測儀器來采集、記錄和分析微震信號，并據(jù)此來推斷和分析震源特征的技術(shù)稱為微震監(jiān)測技術(shù)。微震監(jiān)測技術(shù)是在地震監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它在原理上與地震監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)相同，是基于巖體受力破壞過程中破裂的聲、能原理。從頻率范圍可以看出地震、微震與聲發(fā)射之間的關(guān)系[3]。
本文所指的微震監(jiān)測是被動監(jiān)測，它是指在無需人為激勵的情況下，通過接收傳感器直接監(jiān)測巖體結(jié)構(gòu)在外荷載(力和溫度等)作用下產(chǎn)生破裂(微破裂)過程時所釋放的彈性波。也就是說，微震監(jiān)測系統(tǒng)只需要接收傳感器(或拾震器)和數(shù)據(jù)采集儀，不需要發(fā)射傳感器或人工產(chǎn)生震源。它是以監(jiān)測地下巖體和混凝土結(jié)構(gòu)破裂過程為對象，采集破裂釋放的微地震波信號，再通過對震源信號的處理分析來評價地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全狀況。
2．2微震監(jiān)測技術(shù)的作用
微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程中的作用是多方面的，概括起來包括監(jiān)測巖爆和礦震，應力集中與重分配，巖體大冒落，邊坡破壞，為地下結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參數(shù)和優(yōu)化地下工程設(shè)計與施工，災害定位監(jiān)測、預報和災害預警，地下災害安全救助，檢測工程(如大體積混凝土、地下注漿等)施工質(zhì)量，監(jiān)測巖體和混凝土結(jié)構(gòu)的損傷和老化過程等諸多方面。由此可見，微震監(jiān)測技術(shù)既可以用于地下工程施工過程中的各種安全監(jiān)測，也可以用于建成工程的使用過程的安全監(jiān)測。
3 微震監(jiān)測技術(shù)的特點
3．1實時監(jiān)測
多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)一般都是把傳感器以陣列的形式固定安裝在監(jiān)測區(qū)內(nèi)，它可實現(xiàn)對微震事件的全天候?qū)崟r監(jiān)測，這是該技術(shù)的一個重要特點。全數(shù)字型微震監(jiān)測儀器的出現(xiàn)，實現(xiàn)了與計算機之間的數(shù)據(jù)實時傳輸，克服了模擬信號監(jiān)測設(shè)備在實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲方面的不足，使得對監(jiān)測信號的實時監(jiān)測、存儲更加方便。
3．2全范圍立體監(jiān)測
采用多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)對地下工程穩(wěn)定性和安全性進行監(jiān)測，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法力(應
力)、位移(應變)中的“點”或“線”的意義上的監(jiān)測模式，它是對于開挖影響范圍內(nèi)的巖體破壞(裂)過程的空間概念上的時間過程的監(jiān)測。該種方法易于實現(xiàn)對于常規(guī)方法中人不可達到地點的監(jiān)測。
3．3空間定位
多通道微震監(jiān)測技術(shù)一般采用多通道帶多傳感器監(jiān)測，可以根據(jù)工程的實際需要，實現(xiàn)對微震事件的高精度定位。微震技術(shù)的這種空間定位功能是它的又一與實時監(jiān)測同樣重要的特點，這一特點大大提高了微震監(jiān)測技術(shù)的應用價值。由于與終端監(jiān)控計算機實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸，可以通過編制對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行空間定位分析的三維軟件，籍助于可視化編程技術(shù)，可以實現(xiàn)對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化三維顯示。
3．4全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、存儲和處理
全數(shù)字化技術(shù)克服了模擬信號系統(tǒng)的缺點，使得計算機監(jiān)控成為可能，對數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲更加方便。由于多通道監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量大，處理時需要計算機進行實時處理，并將數(shù)據(jù)進行保存，而大容量的硬盤存儲設(shè)備、光盤等介質(zhì)對記錄數(shù)據(jù)的存儲、長期保存和讀取提供了保證。微震監(jiān)測系統(tǒng)的高速采樣以及P波和S波的全波形顯示，使得對微震信號的頻譜分析和處理更加方便。
3．5遠程監(jiān)測和信息的遠傳輸送
微震監(jiān)測技術(shù)可以避免監(jiān)測人員直接接觸危險監(jiān)測區(qū)，改善了監(jiān)測人員的監(jiān)測環(huán)境，同時也使得監(jiān)測的勞動強度大大降低。數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)和光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)的快速遠傳輸送成為可能。數(shù)字光纖技術(shù)不僅使信號傳送衰減小，而且其它電信號對光信號沒有干擾，可確保在地下復雜環(huán)境中把監(jiān)測信號高質(zhì)量遠傳輸送。另外，可利用Internet技術(shù)和GPS
技術(shù)，把微震監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送到全球，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享。
3．6多用戶計算機可視化監(jiān)控與分析
監(jiān)測過程和結(jié)果的三維顯示以及在監(jiān)測信號遠傳輸送的前提下，利用網(wǎng)絡技術(shù)(局域網(wǎng))實現(xiàn)多用戶可視化監(jiān)測，即可以把監(jiān)測終端設(shè)置在各級安全監(jiān)管部門的辦公室和專家辦公室，可為多專家實時分析與評價創(chuàng)造條件。
4 微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程中的應用領(lǐng)域
微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程災害和安全監(jiān)測方面的應用涉及公路鐵路交通、水電工程、能源儲備、礦山資源開發(fā)、核設(shè)施安全監(jiān)測等多領(lǐng)域，可以說微震監(jiān)測技術(shù)在巖土工程和地下工程中的應用是多方面的。以下概要介紹該技術(shù)在這些方面的應用。
4．1 隧道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測
4．1．1 隧道工程施工安全監(jiān)測
對于高地應力作用或深埋的長大隧道，在工程施工階段往往會產(chǎn)生巖爆等動力地壓災害，以及工程施工爆破誘發(fā)的諸如大冒落等災害，這些災害會嚴重威脅施工人員和設(shè)備的安全，影響工程施工進度。微震監(jiān)測技術(shù)可以對巖爆、大冒落等地壓災害實現(xiàn)有效的監(jiān)測，確保施工過程的安全生產(chǎn)。隧道工程安全監(jiān)測可以采用便攜式微震監(jiān)測設(shè)備，進行流動的抽樣監(jiān)測；也可以對長大隧道進行固定式多通道微震監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)可以沿用到隧道使用階段的安全監(jiān)測。
4．1．2 隧道使用安全監(jiān)測
公路和鐵路隧道有很高的安全要求，地下隧道在建成使用期間，隨著隧道周邊工程地質(zhì)環(huán)境的變化、支護結(jié)構(gòu)的老化、地震作用的影響等，起承載作用的圍巖體、支護結(jié)構(gòu)體等的受力狀況會產(chǎn)生變化，可能在它們內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的損傷或破裂，這種損傷的積累甚至誘發(fā)災變。因此，對一些重大的隧道工程如超長大隧道、過江跨海隧道等在使用期間，對圍巖體和支護結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，監(jiān)測巖體隨時間弱化和混凝土老化，掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)的微破裂前兆、損傷程度等，及時采區(qū)措施，防范災害的發(fā)生，確保使用期間隧道的營運安全等有重要的意
義[1]。
4．2 地下注漿工程監(jiān)測
注漿技術(shù)是一種廣泛應用于地下隧道、城市地下鐵、水利水電工程、礦山防治水工程等眾多領(lǐng)域的技術(shù)，注漿技術(shù)的目的一是加固巖、土體，提高其強度，二是堵水防滲，減小巖土體的滲透性。微震監(jiān)測技術(shù)的作用一是確定漿體注入的范圍，確保注漿效果；二是防止跑漿，降低成本。對于一些大型的注漿工程，采用微震監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測注漿效果是非常有技術(shù)和經(jīng)濟價值的。日本等國家在地下注漿工程方面有工程應用方面的研究[4]。
4．3 大型地下油氣庫的安全監(jiān)測
地下油氣庫的安全監(jiān)測其目的是監(jiān)測圍巖體及其支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防泄漏 世界上第一個地下油氣存儲庫建成于上世紀初，二戰(zhàn)后世界石油需求量大增，為防需求的波動和戰(zhàn)略儲備的需要，促進了地下油氣庫的建設(shè)，一些發(fā)達的高耗能國家如美國、日本等先后建立了大量的地下油氣存儲庫。到2001年為止，全球已建成70多座地下油氣庫。韓國、日本是亞洲較早建地下油氣庫的國家，在這兩個國家的一些地下油氣庫的建設(shè)和使用中都使用過和建立了多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)。到目前為止，我國已建成并投入使用的汕頭液化氣庫成功建立了一套24通道的全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)，對兩個10萬m。的地下氣庫進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，每個氣庫各安裝了2個三軸傳感器和6個單軸傳感器。據(jù)報道，我國第二座液化氣庫也正在寧波建成。中國規(guī)劃未來20年中將投入1000億美元進行石油戰(zhàn)略儲備，在北至遼寧、南到廣西的海岸線上的地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、可建造深水碼頭的沿海地區(qū)，將出現(xiàn)更多這樣的地下油氣庫。也由此可見，微震監(jiān)測在我國的地下油氣庫安全監(jiān)測方面有廣闊的前景。
4．4 石油工程中的監(jiān)測應用
微震監(jiān)測技術(shù)一個重要的應用就是在石油工程領(lǐng)域的應用。對于抽采石油的采區(qū)，為了提高石油的采出率，往往要向采區(qū)注入高壓水破巖。石油開采一般都在大深度的地層下進行，淺則幾百米，深則上千米。因此，注水要技術(shù)上可行和經(jīng)濟上合理。微震監(jiān)測技術(shù)對于這種大深度的井下注水工程有較好的監(jiān)測效果，它可以強有力地確定巖體破裂和裂紋擴展方向、裂紋擴展長度和寬度等；確定注水鉆孔的合理位置，控制注水量以達到節(jié)約用水；優(yōu)化壓裂設(shè)計，如注水壓力、注水時間等。加拿大的ESG公司就在美國的一些石油開采區(qū)使用了微震監(jiān)測技術(shù)，并取得較好的經(jīng)濟效益[5][6]。
5 結(jié)語
微震監(jiān)測技術(shù)是一種高技術(shù)、信息化的地下工程動力監(jiān)測技術(shù)。本文介紹了微震監(jiān)測技術(shù)的主要特點、微震監(jiān)測技術(shù)的作用，微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程的幾個方面的應用，并且較為全面地分析了該技術(shù)在礦山微地震、巖爆、地應力分布、冒頂與巖移、爆破及其余震、安全救助和預警等方面可能的應用。微震監(jiān)測技術(shù)在應用方面，還不止本文所述及的幾個方面，在國外還有在地下核試驗室、核廢料存儲庫等其它方面的應用，這里沒有贅述。就目前而言，該技術(shù)在應用領(lǐng)域還有許多待解決的應用理論和技術(shù)問題，這方面在本文中沒有進行評述。雖然微震技術(shù)還存在一些亟待解決的理論和技術(shù)難題，但這并不妨礙該項技術(shù)的應用，理論和技術(shù)是在應用中得到完善和發(fā)展的。與國外相比，我國在該技術(shù)的應用方面還較落后，無論從技術(shù)應用和理論研究方面還處于起步階段。目前，國內(nèi)還主要應用于礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域，在地下工程其它方面的應用不多。但可以肯定的是隨著微震監(jiān)測技術(shù)理論的發(fā)展、設(shè)備性能的完善、價格的大眾化，以及人們對其認識的廣泛和加深，跨行業(yè)的更多的技術(shù)人員對其的了解等，其必將成為地下工程安全監(jiān)測的重要手段，應用前景會更加廣闊。
參考文獻：
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