基于最大值的岩层断裂监测机理与方法研究*

刘小阳 郝延锦 孙广通 刘 军

(1.防灾科技学院防灾工程系;2.华北科技学院建筑工程学院)

由于地下开采引起的岩层断裂可以诱发微地震(Micro Seismic，MS)，而微地震现象的发生与岩体破裂有着密切的关系。通常情况下，微地震越活跃的区域，岩体发生破裂的可能性也越大。因此，微地震监测可以作为监测岩体破裂的主要技术，可以实现矿山开采过程中的岩层活动连续监测，是地震活动与矿山开采动态响应研究和岩爆与地压实时预测的重要工具。近年来国际上岩石力学以及采矿安全领域微地震监测研究十分活跃，而在我国仅有极少几个矿山曾进行微震监测，澳大利亚、南非等国家在矿山开采中已把微地震定位监测作为矿山安全的重要措施。由于采场周围岩体破裂的分布区域相对于大地地震区域而言相对很小且情况复杂，因此大地地震定位计算方法用于采场周围岩体破裂定位已显不妥。如何研究开发适合小尺度微地震精确定位系统与方法，已经成为我国开发和应用这项技术的主要难题之一。本研究采用亮度函数法以及相关提高定位精度的措施，探讨了微地震监测机理以及监测方法［1-3］。

1 微地震定位原理

1.1 基本原理

覆岩在采动过程中可能产生断裂破坏，并产生微震和声波。通过在采动范围内布置多个检波器，就可以实时采集微震数据，经过数据处理后，即可获得岩体破裂时刻发生的空间位置。与传统技术相比，微震定位监测具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况确定破裂尺度和性质，为研究采场空间破裂形态和采动应力场分布规律提供新的手段［4］。

为进行岩层断裂破坏位置的定位，首先应布置、安装一些微震检波器。当一定范围内出现岩层破裂破坏情况时，所产生的微震波会沿(近似)射线路经传播到各个检波器。由于各检波器离震源的距离不同，在微地震波速度近似为常数情况下，微震波到达时间会有所不同。根据时间差，可以建立非线性方程进行求解［5］。

1.2 微震计算模型的建立

通常由于在岩体中P波的传播速度较S波快，且初至时间易于识别，所以常常采用P波定位。由于P波的传播速度很快，而且在矿山开采中所监测的区域为方圆几百米的小区域，因此可假定P波以常速度v传播，则MS源(微震源)与第i(i=1，2，3，…，n)个检波器的走时关系为

式中，(xi，yi，zi)为微震监测站的空间坐标，m;ti为监测到微震信号的到达时间，ms;(x，y，z)为震源的空间坐标;t为微震发生的时间，ms。

可以看出式(1)中只有MS的三维坐标(x，y，z)和微震发生的时间(t)4个未知数，如果有至少4个(即i≥4)检波器能够监测到微震到达时间，就能求出震源的空间位置及其发生时间，如图1所示。

图1 MS定位示意

第i个监测点减去第i－1个监测点的走时方程为

式(2)以矩阵形式表示为

其中

(1)n=4时的求解。当仅有4个检波器获得微震到达时间时，震源的空间位置(x，y，z)和断裂发生时间(t)为

(2)n＞4时的求解。当多于4个检波器获得微震到达时间时，震源的空间位置(x，y，z)和断裂发生时间(t)可以利用最小二乘法求解，其解为

2 微震参数确定

2.1 利用最大值确定走时

要获得震源的位置，最重要的是每个检波器能够监测到微震波的到达时间(ti)，如果对检测信号逐点比较，就可以较为准确地得到某一最大值的到达时刻(微震波到达时由于信噪的原因难以判断或获得)，这里所说的最大值无论是P波还是S波，也不管是振幅最大、频率最大，还是能量最大，只要每个检波器检测到的是同一性质的最大值时刻，就可以实现震源空间定位。这是因为震源发出的微震波总有最大值，而最大值与较小值在时间上相对于工程上来说可以认为是相差很小或者同步的，所以使用最大值到达时刻来确定震源是可行的。

2.2 微地震波速的确定

通常广泛使用的微震定位方法都是预先测定微波的传播速度，所以在实际断裂定位中，速度测量的准确性直接影响到定位的精度。主要原因:一方面，岩层不同区域的平均速度不一样，实际工程中岩层断裂的位置不一定就是预先测定波速的区域，这样就会产生较大的定位误差;另一方面，速度的测量值很大程度上受检波器的影响，有研究显示，当速度误差为100 m/s时，将会导致定位误差超过25 m，但在实际中就算这样的误差也是很难控制的，大大影响了定位的准确性，因此准确的获得微波速度是非常关键的一环［6］。

对于矿山微震监测来说，范围一般为500 m左右，因此可以近似地认为微震波传播速度v是恒定的，这样就可以通过现场测试得到。如果知道矿山放炮的具体位置，利用最少任意2个检波器就可以近似地微震波传播速度v，即

式中，xi，yi，zi，ti和xk，yk，zk，tk为i和k 2个微震检波器的空间坐标，m;x0，y0，z0为震源(放炮点)的空间坐标，m;ti，tk为i和k2个微震监测站监测到微震信号的到达时间，ms。

2.3 检波器位置的选择

为了获得更为精确的岩体断裂(微地震)位置和与时间的关系，检波器的位置布设也是必须考虑的原因之一。检波器布设在被监测工作面的周围，最好均匀设置，如果实际条件允许要求相邻2个检波器最好与可能的断裂位置构成正三角形。检波器的位置要求与交会测量中的要求一致，即交会角不能太大(大于150°)，也不能太小(小于30°)，并且利用测量方法测定检波器安放位置的三维坐标。

3 结语

监测岩体的断裂可以研究由于开采引起的地表沉陷的内部原因，进一步研究岩体断裂与地表沉陷的时空关系，对地面建(构)筑物保护和安全开采具有重要意义。其实岩体断裂监测在矿山开采工程中的作用是多方面的，可以包括监测岩爆和矿震、集中应力与重分配、地表移动变形的时空关系、岩体冒落和边坡破坏等，对矿山开采工程设计与施工、灾害定位监测、灾害预报预警、安全救助等具有重要意义。本研究从一个侧面探讨了岩体断裂监测的机理和方法，提出了监测中需要解决的关键技术和问题，以及为了得到可靠的监测目标的空间位置所必须的监测方法等，为矿山开采工程和地表沉陷研究提供了参考。

［1］ 宋振骐，等.实用矿山压力控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1988.

［2］ 史 红.煤矿岩层破裂的微震监测与力学机理［M］.北京:海洋出版社，2008.

［3］ 卢爱红，徐征峰.含裂纹结构的断裂监测与预警［J］.河北建筑科技学院学报，2002，19(1):43-45.

［4］ 姜福兴，Xun Luo.微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用［J］.岩土工程学报，2002，24(2):147-149.

［5］ 屈成民，何 峰，冯冠一.近距离下煤层开采岩层破断微震监测研究枣［J］.金属矿山，2012(6):129-132.

［6］ 董陇军，李夕兵，唐礼忠，等.无需预先测速的微震震源定位的数学形式及震源参数确定［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(10):2057-2067.