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微震监测技术在地下工程中的应用

时间:2013-06-06 21:32来源:未知 作者:监测人 点击:
微震监测技术是一种高科技信息化的地下工程动力监测技术。随着设备硬件技术、信号处理技术和数字化技术的快速发展,微震监测技术的应用在国际上也越来越多,目前国内出现了对该技术的应用研究热。本文介绍了微震技术的特点及微震技术在地下工程安全监测中的作用。根据微



  

摘要:微震监测技术是一种高科技信息化的地下工程动力监测技术。随着设备硬件技术、信号处理技术和数字化技术的快速发展,微震监测技术的应用在国际上也越来越多,目前国内出现了对该技术的应用研究热。本文介绍了微震技术的特点及微震技术在地下工程安全监测中的作用。根据微震监测技术在国内外的应用,概括了该技术在地下工程安全监测和防灾减灾监测的若干方面的应用。

 

0 引言

地震监测技术(Microseismic Monitoring Technique,简称MS)基于声发射学和地震学,现已发展成为一种新型的高科技监控技术。它是通过观测、分析生产活动中产生的微小地震事件,来监测其对生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时,产生一种微弱的地震波向周围传播,通过在破裂区周围的空间内布置多组检波器并实时采集微震数据,经过数据处理后,采用震动定位原理,可确定破裂发生的位置,并在三维空间上显示出来。

1 微震监测在工程中的应用历史[2]

微地震监测技术在地下工程中的应用最早始于上世纪初的南非约翰内斯堡地区的金矿开采诱发的地震监测。南非对微地震的早期监测是采用常用的地震监测仪器20多年后,60年代大规模的矿山微震研究在南非各主要金矿山展开,并随之在l970-1980年代以来各采金矿山先后建立了矿山微震监测台站。到上世纪中叶,在波兰、美国、前苏联、加拿大等采矿大国都先后开展了矿山地震研究,且随着电子技术和信号处理技术的发展,多通道的微地震监测技术也开始得到应用,最突出的有以美国斯波坎的Electrolab公司为代表研制和生产多通道微震监测技术和设备,并在美国的金属矿山得到应用,微震监测技术在非矿山行业之外的核能、地下油气存储库、地下隧道工程等领域也得到应用,如加拿大原子能地下实验室就采用了微震监测系统口。近年来,利用微震监测技术进行地下灾害救助等方面,也得到应用。在上个世纪90年代以前,微震监测设备大都是模拟信号型的;90年代开始,全数字型微震监测技术和设备开始得到广泛的应用。由于全数字型微震监测技术的出现,使得在大规模的信号存储、计算机自动监测、数据的远传输送、监测定位的实时分析和信号分析处理的可视化成为可能。全数字技术的出现和发展,大大促进了微震监测技术理论和应用的发展,开创了微震监测技术理论和应用研究的新局面。我国在上世纪的80年代中期开始微地震方面的研究工作。1986年,由煤炭部和国家地震局等相关单位牵头在北京的门头沟煤矿开始了微震监测方面的研究,利用由波兰引进的一套模拟信号8通道微震监测系统(SYLOK),对采煤区的微地震进行监测研究,这也是我国首次开展矿山(地下)多通道微震监测技术研究。2000年前后,澳大利亚联邦科学院探采所与山东煤田地调局等单位合作在兴隆庄煤矿开展了为期2年的矿震监测研究工作。2000年汕头市液化气库建立了我国第一套24通道全数字型多通道微震监测系统,这也是我国在矿山行业之外的地下工程领域的第一套多通道微震监测系统。

2 微震监测技术的原理

21 微震监测技术的原理

微震是指在受外力作用以及温度等的影响下,岩体等材料中的一个或多个局域源以顺态弹性波的形式迅速释放其能量的过程,微震起源于材料中的裂纹(断层)、岩层中界面的破坏、基体或夹杂物的断裂。采用微震监测仪器来采集、记录和分析微震信号,并据此来推断和分析震源特征的技术称为微震监测技术。微震监测技术是在地震监测技术的基础上发展起来的,它在原理上与地震监测、声发射监测技术相同,是基于岩体受力破坏过程中破裂的声、能原理。从频率范围可以看出地震、微震与声发射之间的关系[3]

本文所指的微震监测是被动监测,它是指在无需人为激励的情况下,通过接收传感器直接监测岩体结构在外荷载(力和温度等)作用下产生破裂(微破裂)过程时所释放的弹性波。也就是说,微震监测系统只需要接收传感器(或拾震器)和数据采集仪,不需要发射传感器或人工产生震源。它是以监测地下岩体和混凝土结构破裂过程为对象,采集破裂释放的微地震波信号,再通过对震源信号的处理分析来评价地下结构的稳定性和安全状况。

22微震监测技术的作用

微震监测技术在地下工程中的作用是多方面的,概括起来包括监测岩爆和矿震,应力集中与重分配,岩体大冒落,边坡破坏,为地下结构设计提供参数和优化地下工程设计与施工,灾害定位监测、预报和灾害预警,地下灾害安全救助,检测工程(如大体积混凝土、地下注浆等)施工质量,监测岩体和混凝土结构的损伤和老化过程等诸多方面。由此可见,微震监测技术既可以用于地下工程施工过程中的各种安全监测,也可以用于建成工程的使用过程的安全监测。

3 微震监测技术的特点

31实时监测

多通道微震监测系统一般都是把传感器以阵列的形式固定安装在监测区内,它可实现对微震事件的全天候实时监测,这是该技术的一个重要特点。全数字型微震监测仪器的出现,实现了与计算机之间的数据实时传输,克服了模拟信号监测设备在实时监测和数据存储方面的不足,使得对监测信号的实时监测、存储更加方便。

32全范围立体监测

采用多通道微震监测系统对地下工程稳定性和安全性进行监测,突破了传统监测方法力(

)、位移(应变)中的“点”或“线”的意义上的监测模式,它是对于开挖影响范围内的岩体破坏()过程的空间概念上的时间过程的监测。该种方法易于实现对于常规方法中人不可达到地点的监测。

33空间定位

多通道微震监测技术一般采用多通道带多传感器监测,可以根据工程的实际需要,实现对微震事件的高精度定位。微震技术的这种空间定位功能是它的又一与实时监测同样重要的特点,这一特点大大提高了微震监测技术的应用价值。由于与终端监控计算机实现了数据的实时传输,可以通过编制对实时监测数据进行空间定位分析的三维软件,籍助于可视化编程技术,可以实现对实时监测数据的可视化三维显示。

34全数字化数据采集、存储和处理

全数字化技术克服了模拟信号系统的缺点,使得计算机监控成为可能,对数据的采集、处理和存储更加方便。由于多通道监测系统采集数据量大,处理时需要计算机进行实时处理,并将数据进行保存,而大容量的硬盘存储设备、光盘等介质对记录数据的存储、长期保存和读取提供了保证。微震监测系统的高速采样以及P波和S波的全波形显示,使得对微震信号的频谱分析和处理更加方便。

35远程监测和信息的远传输送

微震监测技术可以避免监测人员直接接触危险监测区,改善了监测人员的监测环境,同时也使得监测的劳动强度大大降低。数字技术的出现和光纤通讯技术的发展,使得数据的快速远传输送成为可能。数字光纤技术不仅使信号传送衰减小,而且其它电信号对光信号没有干扰,可确保在地下复杂环境中把监测信号高质量远传输送。另外,可利用Internet技术和GPS

技术,把微震监测数据实时传送到全球,实现数据的远程共享。

36多用户计算机可视化监控与分析

监测过程和结果的三维显示以及在监测信号远传输送的前提下,利用网络技术(局域网)实现多用户可视化监测,即可以把监测终端设置在各级安全监管部门的办公室和专家办公室,可为多专家实时分析与评价创造条件。

4 微震监测技术在地下工程中的应用领域

微震监测技术在地下工程灾害和安全监测方面的应用涉及公路铁路交通、水电工程、能源储备、矿山资源开发、核设施安全监测等多领域,可以说微震监测技术在岩土工程和地下工程中的应用是多方面的。以下概要介绍该技术在这些方面的应用。

41 隧道围岩稳定性监测

411 隧道工程施工安全监测

对于高地应力作用或深埋的长大隧道,在工程施工阶段往往会产生岩爆等动力地压灾害,以及工程施工爆破诱发的诸如大冒落等灾害,这些灾害会严重威胁施工人员和设备的安全,影响工程施工进度。微震监测技术可以对岩爆、大冒落等地压灾害实现有效的监测,确保施工过程的安全生产。隧道工程安全监测可以采用便携式微震监测设备,进行流动的抽样监测;也可以对长大隧道进行固定式多通道微震监测,监测系统可以沿用到隧道使用阶段的安全监测。

412 隧道使用安全监测

公路和铁路隧道有很高的安全要求,地下隧道在建成使用期间,随着隧道周边工程地质环境的变化、支护结构的老化、地震作用的影响等,起承载作用的围岩体、支护结构体等的受力状况会产生变化,可能在它们内部产生不同程度的损伤或破裂,这种损伤的积累甚至诱发灾变。因此,对一些重大的隧道工程如超长大隧道、过江跨海隧道等在使用期间,对围岩体和支护结构进行实时监测,监测岩体随时间弱化和混凝土老化,掌握结构内的微破裂前兆、损伤程度等,及时采区措施,防范灾害的发生,确保使用期间隧道的营运安全等有重要的意

[1]

42 地下注浆工程监测

注浆技术是一种广泛应用于地下隧道、城市地下铁、水利水电工程、矿山防治水工程等众多领域的技术,注浆技术的目的一是加固岩、土体,提高其强度,二是堵水防渗,减小岩土体的渗透性。微震监测技术的作用一是确定浆体注入的范围,确保注浆效果;二是防止跑浆,降低成本。对于一些大型的注浆工程,采用微震监测技术来监测注浆效果是非常有技术和经济价值的。日本等国家在地下注浆工程方面有工程应用方面的研究[4]

43 大型地下油气库的安全监测

地下油气库的安全监测其目的是监测围岩体及其支护结构的稳定性,防泄漏 世界上第一个地下油气存储库建成于上世纪初,二战后世界石油需求量大增,为防需求的波动和战略储备的需要,促进了地下油气库的建设,一些发达的高耗能国家如美国、日本等先后建立了大量的地下油气存储库。到2001年为止,全球已建成70多座地下油气库。韩国、日本是亚洲较早建地下油气库的国家,在这两个国家的一些地下油气库的建设和使用中都使用过和建立了多通道微震监测系统。到目前为止,我国已建成并投入使用的汕头液化气库成功建立了一套24通道的全数字型微震监测系统,对两个10m。的地下气库进行全天候实时监测,每个气库各安装了2个三轴传感器和6个单轴传感器。据报道,我国第二座液化气库也正在宁波建成。中国规划未来20年中将投入1000亿美元进行石油战略储备,在北至辽宁、南到广西的海岸线上的地质构造稳定、可建造深水码头的沿海地区,将出现更多这样的地下油气库。也由此可见,微震监测在我国的地下油气库安全监测方面有广阔的前景。

44 石油工程中的监测应用

微震监测技术一个重要的应用就是在石油工程领域的应用。对于抽采石油的采区,为了提高石油的采出率,往往要向采区注入高压水破岩。石油开采一般都在大深度的地层下进行,浅则几百米,深则上千米。因此,注水要技术上可行和经济上合理。微震监测技术对于这种大深度的井下注水工程有较好的监测效果,它可以强有力地确定岩体破裂和裂纹扩展方向、裂纹扩展长度和宽度等;确定注水钻孔的合理位置,控制注水量以达到节约用水;优化压裂设计,如注水压力、注水时间等。加拿大的ESG公司就在美国的一些石油开采区使用了微震监测技术,并取得较好的经济效益[5][6]

5 结语

微震监测技术是一种高技术、信息化的地下工程动力监测技术。本文介绍了微震监测技术的主要特点、微震监测技术的作用,微震监测技术在地下工程的几个方面的应用,并且较为全面地分析了该技术在矿山微地震、岩爆、地应力分布、冒顶与岩移、爆破及其余震、安全救助和预警等方面可能的应用。微震监测技术在应用方面,还不止本文所述及的几个方面,在国外还有在地下核试验室、核废料存储库等其它方面的应用,这里没有赘述。就目前而言,该技术在应用领域还有许多待解决的应用理论和技术问题,这方面在本文中没有进行评述。虽然微震技术还存在一些亟待解决的理论和技术难题,但这并不妨碍该项技术的应用,理论和技术是在应用中得到完善和发展的。与国外相比,我国在该技术的应用方面还较落后,无论从技术应用和理论研究方面还处于起步阶段。目前,国内还主要应用于矿产资源开发领域,在地下工程其它方面的应用不多。但可以肯定的是随着微震监测技术理论的发展、设备性能的完善、价格的大众化,以及人们对其认识的广泛和加深,跨行业的更多的技术人员对其的了解等,其必将成为地下工程安全监测的重要手段,应用前景会更加广阔。

 

参考文献:

[1] 李庶林,尹贤刚,李爱兵.多通道微震监测技术在大爆破余震监测中的应用[J].岩石力学与工程学报200524(Supp1)47114714

[2] 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

[3] 傅承义,陈运泰,祁贵仲.地球物理学基础.北京:科学出版社,1985

[4] 腾山邦久(冯夏庭译).声发射(AE)技术的应用(M).北京:冶金工业出版社,1996

[5] 梁兵,朱广生.油气田勘探开发中的微震监测方法[M].北京:石油工业出版社,2004

[6] 桂志先,赵成,李秀荣,等.微地震监测技术中的几个关键问题分析[A].勘探地球物理学进展文集[C].北京:石油工业出版社,2008

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