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微地震监测技术在地下工程中应用研究

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地震 监测 技术 地下工程 应用 研究
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第5卷第5期 2008年1程 球物理季赧 F 。 02008 文章编号:1672008)554一地震监测技术在地下工程中应用研究 裴 琳 (四都 610072) 捅 要:微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效 果及地下洞室围岩稳定状态的地球物理监测技术。与地震勘探相反,微地震监测中震源的位置、发震时刻和 震源强度都是未知的,确定这些因素是微地震监测的首要任务。本文从定性、定量两方面系统介绍了微震事 件定位、分类以及定位结果的分析,并结合工程实例验证方法的应用效果。 关键词:微地震;监测;水电工程;围岩 中图分类号:献标识码:A 收稿日期:2008o,10072,he is is of —in to of n in to of is to is of as as of 引 言 大型工程的隧道及地下洞室的安全稳定性监 测一直是国际上非常重视并致力于解决的问题。 目前,在超大隧道及地下洞室稳定性监测方面大 多采用非常原始的方法,比如应力应变监测,位移 及形变监测等。这些监测的局限性在于只能对岩 体局部点进行监测,其结果难以对大范围岩体稳 定性进行全面的宏观评价。 近1子微处理 器、数据智能处理与分析方法以及结果的可视化 技术的突飞猛进的发展,微地震监测技术在国外 矿山安全监测方面开始得到广泛的应用,在解决 岩体破裂空间分布特征、预测瓦斯突出与突水、岩 煤突出和采煤面附近稳定性方面作出了重要贡 基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:40774072)资助。 作者简介:裴琳(1965一),女,重庆人,高级工程师,主要从事水电水利工程物探方法技术研究与应用工作。 E—63.5期 裴琳:微地震监测技术在地下。现该技术正被开发为国外矿山重大灾害监测 管理的一门标准技术。 微地震监测具有其独特的优点。首先它能直 接确定岩体内部破裂的位置和性质;二是由于它 采用地震波信息.其传感器可以布设在远离岩体易 破坏的区域,这样就保证了监测系统可以长期运行 而不被破坏;三是其监测可以覆盖很大的区域。 在国外,微地震监测技术在确定矿山隧道及 核废料存储地下洞室围岩破裂分布方面也已经有 了成功的应用。围岩破裂分布特征为推测隧道及 地下洞室的稳定性提供了直接的证据。大型水电 工程的隧道及地下洞室的安全稳定性问题与其它 隧道及地下洞室的稳定性问题非常类似,也完全 可以应用微地震监测技术。然而,在国内,微地震 还没有在超大隧道及地下洞室的安全稳定性方面 开始应H{。 岩石工程动力灾害的研究表明.不管是冲击 地压、矿震等煤矿矿山动力灾害问题,还是岩石工 程动力灾害失稳问题,都是与工程活动过程中的 应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩 石破裂过程失稳的结果。因此,不管是哪种岩石 动力灾害,在多数情况下.在动力灾害出现之前. 都有微破裂前兆。而诱发微破裂活动的直接原因 则是岩层中应力或应变增加的结果。因此,在岩 石动力灾害的研究工作中借鉴地球物理学家在地 震机理和地震预测和矿山研究工作者在国外矿山 工程微震监测等方面的研究成果,对于水利工程 超大隧道及地下洞室和边坡的安全稳定性分析预 测技术的研究具有重要的指导意义。 2微地震监测理论 2.1基本原理 微地震监测技术就是通过观测、分析生产活 动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影 响、效果及地下洞室围岩稳定状态的地球物理监 测技术。与地震勘探相反,微地震监测中震源的 位置、发震时刻和震源强度都是未知的。确定这些 因素是微地震监测的首要任务。 微地震事件发生在岩体发生破裂变形的断面 上,当岩体原有的应力平衡受到生产活动干扰时, 岩石中原来存在的或新产生的裂缝周围区域就会 出现应力集中,应变能量增高;当外力增加到一定 程度时.原有裂缝的缺陷地区或新产生的裂缝区 域就会发生微观屈服或破裂变形,裂缝扩展,从而 使应力松弛,储藏能量的一部分以弹性波的形式 释放出来产生微小地震(即微地震)。大多数微地 震事件频率范围为200~l 500续时间小于 1 S。在地震记录上微地震事件一般表现为清晰的 脉冲,微地震事件越弱.其频率越高。持续时间越 短,能量越小,破裂长度也就越短。 岩体由于应力集中超过其强度极限变形时, 必然引起岩体张裂错动,这个张裂错动形成了一 个微地震波的震源,它与常规地震勘探的震源不 同,其能量比较微弱,大约相当于儿克到几十克的 炸药能量微地震震源所产生的子波向外传播,在 岩体张裂错动变形中.震源同时激发两种类型的 波:于 以图1所示。在时间 t 时刻纵波和横波传播到了时间t!时刻 纵波和横波传播到了于到达.因此,微地震事件记录起初总是表现为一 高频信号,此后,记录上有一高频和低频信号的叠 加,此为图2所示。在实际监测过程 中,通常容易被掩盖在反射或其 他续至波中,但可以依据区分:频率、振幅漂移和直角质点振动漂移。 图1 徽地震传播示意图 图2 记录的徽地震事件示意图 in 56 工程地球物理学报(第5卷 通过对记录事件的信号参数分析,确定岩体 发生破裂变形的位置、规模等;依据长时问的监测 资料,在时间和空间上对微地震时间进行统计分 析,对岩体区域性稳定性做出综合评价。 2.2均匀介质中地震事件定位方法 设微地震监测的测点数为n,各监测点在空 间的坐标,( ,Y ,z ,i:1,2,…, ),微地震事 件到达各监测点的时间,(t ,,…, ),介质 中地震波传播速度为V,估计所有要被定位的事 件所在的3维空间边界,( , 。),( , ),(z , z )该地震事件的位置,( 。, 。,z。)及发生地震 事件的时刻t。(图3) 对于监测点i,其从记录的地震波形的到达 时间为t 。该到达时间可以表示为: 。 : 苎二量 [ +岛, V ~ —l,2,…, 。 (1) 其中t。是该事件发生时刻,为未知数。为了消除 这个未知数,对所有台站到达时间求平均值 " di+= d1 i 1 V V+如 (2) 行 = = 其中 一 ∑ 『=F 『二= (3) 各到时对该平均值的差 t 一 (4) 估计所有要被定位的事件所在的3维空间边界 ( 。, ),( , 2),(z ,z )根据边界将3维空间 划分成等分小网格(图4)。 将网格中每个结点假设为该事件的所在位置 ( 。, 。, )。如果空间中有么就 会有各坐标方向上的 顺序,在某一结点k( 。,Y。, 。)分别对所有台站 采用下式计算传播时间。 f 二 (5) 图3地震源、台站平面示意图 l,( 2,( yl, ) ■ ■ / . ./ / / ● 。 ● l ( %, I ,( l,( 2,图4定位空间等距离网格划分平面示意图 5期 裴琳:微地震监测技术在地下工程中应用研究 (6) 再计算 —i (7) 对每个测点.将该做差别计算.然后求和。 =∑(△ —: (8) 对所有的结点都用以上步骤求出 ,七一1,2,…, m。在, 个,’中,找出最小值的置( ,Y。, ),这个位置点在理论上就是最接 近事件源的点。因此它就是我们要得到的解。 三 f =∑(△f;:一9) 一1 2.3信号事件的分类 对提取的信号事件进行时域、频域内波性参 数分析。将信号事件分为三类:爆破信号、破裂信 号和施工干扰信号。经过对大量微地震信号的对 比分析,初步确定爆破、破裂及施工干扰信号有如 下波性特征: 2.3.1 爆破事件 爆破事件主要来源与隧洞开挖的施工爆破, 事件在记录上表现为全通道触发,记录能量很强, 能量在相邻传感器之间的衰减不明显,信号频率 高,地震波延续时间很长,将近1S。 近距离爆破一般无法区分距离 爆破时,波紧接着感器,整体记录上2.3.2 破裂事件 破裂事件的能量明显弱于爆破震动信号的能 量,事件在记录上表现为多通道触发.能量在各个 不同传感器间的衰减程度依赖传感器与震源点间 的距离,距离越远,能量损失越厉害。 破裂事件在记录上明显可见,由于微地震观测系统监测岩体产生破裂变形 的区域相对较小.并不明显,所以在确定一些困难,记录上表现为破裂事件的延续时间:有效微地震信号子波延 续时间一般介于爆破震动信号和施工干扰信号之 间,时间短于爆破震动信号而长于施工干扰信号。 2.3.3施工干扰事件 施工干扰事件在记录上表现能量急剧衰减, 与接收到最强信号传感器邻近的传感器上没有或 仅有微弱信号,一般不超过3个传感器被触发。 施工干扰源一般离接收能量最强的传感器距离很 近,无法区分P、震波的延续短暂。 2.4影响定位精度的因素 微地震事件的反演定位计算是以弹性波在均 匀介质中为假想前提的条件下进行的,在实际反 演定位计算中,反演计算定位的准确性受传感器 空间位置、有效信号的强弱、信号的频率及围岩岩 体结构等多方面的影响。 1)传感器的空间位置。在空间上传感器的布 置局限于一个水平面和一个铅垂面,没有在监测 区域空间上均匀分布,这样对定位计算带来一定 的系统误差,因此传感器要尽量采用三维空间安 装以获得可靠的事件定位。 2)有效信号的强弱。微地震产生的能量比较 小,在岩体中传播时。受围岩破碎带、已开挖隧道 隧洞松弛圈等的滤波吸收作用,导致微地震信号 能量衰减加剧,在记录上难于精确判读有效微地 震信号初至时间,影响反演定位计算的精度。 3)信号的频率。记录的信号涵盖多种频率成 分,高频地震波在岩体中的传播速度较高,低频地 震波在岩体中传播速度稍低。在反演定位计算中 由于记录信号的复杂性,采用了恒定速度进行反 演计算,影响定位计算的精度。 4)岩体波速。受岩体结构、岩级的影响。岩体 弹性波波速表现为随埋深增大而增大的趋势,上 部岩体波速低,下部岩体波速高;同时在岩体各向 异性的影响下,岩体的在各不同方向上速度也有 差别。由于速度的变化,导致地震波的呈曲线形 式在岩体中传播,这点与微地震事件的正演计算 模型假设的均匀介质及直线传播条件相矛盾,在 实际定位计算中严重影响反演定位计算结果。 3 应用实例 3.1概况 某水电站水电站坝区山高坡陡,两岸山体地 应力高,左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌 斑岩脉及f!、地下硐 室开挖施工过程中,围岩应力平衡遭到破坏.岩体 发生破坏变形或原有的地质缺陷被激活,给施_T 带来很大的施工隐患。为确保工程施工安全,针 对该项目,利用微地震监测系统对左岸导流洞、交 通洞以及边坡开挖引起的岩体卸荷松弛进行实时 监测,通过对记录的微地震信号的产生机理、能 558 工程地球物理学报(第5卷 量、频谱及初至时间等分析,反演计算得到岩体破 裂形变的时刻、位置和性质;分析微地震事件在时 间、空间上的分布规律,确定岩体三维空间的破裂 大小和集中程度,以此推断岩体的破坏程度。实时 监测、分析变形和错动的发展趋势,将岩石破裂事 件与变形观测资料、地质资料、物探检测资料等相 结合,分析微地震与岩体卸荷的关系,预测岩体变 形的发展趋势,为围岩稳定性评价提供科学依据。 3.2监测系统布置 微地震监测系统传感器的分布是根据现场施 工条件,结合岩体松弛变形区域,布置在导流洞交 通支洞、左岸绕坝交通洞、施工支洞、勘探平洞中, 布置多个高精度三分量传感器,见图5。图中圆 圈为传感器。 3.3微地震事件监测 在2006年1月至11微地震事件监测期间, 260 260 ,0O 360 460 500 650 800 860 700 760 1月至3月,微地震记录爆破事件基本上发生在 右岸,左岸爆破施工扰动轻微,岩体处于应力调整 收敛阶段,围岩稳定。 2006年5月至7月,破裂事件数量很平稳, 从定位计算的结果来看,事件定位点分布零散,左 岸山体基本稳定,但未完全稳定的施工支洞与左 岸导流洞交汇处破裂事件稍多。 2006年8月至11月,破裂事件数量明显增 加,尤其表现在9月下旬至11月。结合破裂事件 定位计算结果,破裂事件主要产生于新开挖洞室 周围、基础处理施工通道与导流洞及勘探平洞投 影交汇区域。图6为2006年度左岸微地震事件 点位剖面图,图中红色圆圈为1~3月接收的事 件;绿色圆圈为5~7月接收的事件;蓝色圆圈为 8~11月接收的事件。 总体分析,系统记录的破裂事件与爆破事 1 W w ≤ 1 ~ Ⅳ :一 = 《 : . 。,/ ,// \\ \ \ ^ 1 0 C@ 150 200 250 300 3如40O 450 500 550 00 750 800 图5 某水电站左岸微地震监测传感器布置示意图 of on of a 6某水电站2006年度左岸微地震事件点位剖面图 of on of a 006 第5期 裴 琳:微地震监测技术在地下工程中应用研究 559 件存在一定的对应关系:爆破施工作业面离左岸 导流洞较远,数量较少时.左导附近区域破裂事件 数量较少.且破裂事件的定位结果较分散;当爆破 施工作业面离左岸导流洞较近。数量较多时,左导 附近尤其时在导流洞与其他洞室交汇处破裂事件 数量明显增多.且破裂定位点较集中。 4 结 语 微地震涵盖多个学科的内容,涉及到地质学、 岩石力学、地震勘探、动态信号测试与分析等多门 基础学科的相关知识。任何弹性形变(微破裂、相 对错位及体积变化等)都会产生弹性波,这些波可 以被安装在远处(5~100m)的检波器接收到。利 用多个检波器接收到的地震波形,通过反演方法 就可以得到弹性形变发生时刻、位置和性质,利用 破裂的大小和集中程度及岩体在空间的破裂密 度,以此可以推断岩体的破坏程度。 在大型水电丁程施工过程中.隧道和洞室的 开挖破坏了围岩原始应力平衡状态,不平衡应力 状态下的岩石会在新力的作用下发生弹性和塑性 形变,破裂变形主要产生于新开挖洞室周围,这就 要求我们在洞室开挖爆破施工过程中要严格按照 施工要求进行爆破开挖作业.重视并加强开挖完 成后洞室的支护措施.尤其洞室在三维空间比较 接近时.尤其应该控制爆破开挖药量,及时加强支 护措施,以防洞室问松弛岩体连通造成大范围灾 害性事故。 参考文献: [1波.姜福兴.微地震工程应用研究[ 石力学与工程学报,2002,21(增2):2609~2612. [2 W H K I. W 震台网的原理及应用 M].北京:地震出版社.1984. ,,,,.].oc ,, .995(5):117—126. [4],,.of r M].o.998.67—79. [52 ,,,,of in ].[6]逢焕东,姜福兴,张兴民.微地震的线性方程定位求 解及其病态处理 J].岩土力学.2004.25(增):6O~ 62. [7]董世泰.高红霞.微地震监测技术及其在油田开发中 的应用[J].石油仪器,2004,):5~8. [82张兴民.于克君,席京德.等.微地震技术在煤矿”两 带”监测领域的研究与应用[J:,煤炭学报,2000,25 (6):566~570.
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