微震监测技术在岩体 稳定性监测中的应用(以岩爆为例)北 京 优 赛 科 技 有 限 公 司 北 京 达 汉 新 柯 仪 器 有 限 公 司
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用(以岩爆为例)1 前言岩体的失稳破坏是岩石工程中经常遭遇的自然灾害,涉及到的行业众多,如 水利,水电,铁路,公路,采矿,城建,石油,核能,环保,地热,地震等.岩 石边坡的滑动和崩塌,岩石隧道和洞室的塌方和岩爆,矿山开采顶板冒落和地面 沉陷等每年都会给国家造成巨大的经济损失和环境破坏. 岩体失稳预测是一个世 [1] 界性的难题 ,其中岩爆作为极为复杂的动力失稳问题,最为突出.2 岩爆简介岩爆在煤矿一般称为冲击地压,地震学领域一般称为矿山地震.它是岩体中 储存的应变能的突然释放现象.岩爆是目前岩体工程(矿山,隧道,水利电力等 行业)最严重的地质灾害之一.随着岩体工程活动不断向深部发展.可以预见, 除非采取适当的防治措施,岩爆灾害还会继续增加.岩爆发生的基本条件:一是 岩体处于高地应力环境之中; 二是岩体本身的脆性, 强度高, 能集聚高的弹性能. 岩爆表现形式为爆裂,松脱,剥落,弹射甚至抛掷,轻微的仅产生爆裂,严重的 可到里氏 4.6 级的震级.3 微震监测技术简介微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中,裂纹产生,扩展,摩擦时 内部积聚的能量以应力波的形式释放,而产生的微震事件.1990 年代以来,由 于引入了现代计算机技术,现代通讯技术,GPS 授时定位技术,地震学相关知 识,该技术取得了突破性进展.借助专业化的数据处理软件,能够实现在三维空 间中实时准确地确定岩体中微震事件发生的位置,量级,从而对岩体的变形破坏 的活动范围,稳定性及其发展趋势做出定性,定量评价. 微震监测技术可以从岩体变形的初始阶段开始, 实时定量监测岩体内部微裂 纹产生,扩展,摩擦到整个岩体失稳的整个破坏过程,从而大大提高了监测工作 的科学性,同时也提高了岩石工程灾害预报的准确性和超前性. 最新的微震监测技术能够实时,长期,靠近震源监测大范围岩体变形破坏, 准确定位震源,为岩爆预测提供了有力武器.通过记录,统计,分析微震事件的 诸多参数实现岩爆发生空间,时间的定性,定量预测.具体参数包括:地震能量 相关指标, 震源视体积, 地震事件率, 地震粘性指数, 地震扩散速度, 地震 Schmidt 数等等. 微震监测的作用如下: 通过监测相关的中等,大的微震事件,可事先确定出岩爆的可能区域, 通过监测余震来指导救援和震后生产活动; 指导预防性措施,依据监测结果来修改设计,调整采矿方案,支护方案; 预警,减灾,根据微震监测到的微震相关参数的时空变化的来指导生产, 调整工作人员进场,离场时间,调整进度,确定预防措施的时间地点并 进行评估.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 3335 1
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用通过后分析,提高设计与监测的效率,保证矿山安全高效生产,积累数 据利于进一步研究应用.4 南非 ISS 微震监测系统简介4.1 微震监测系统的组成 ISS 微震监测系统包括硬件和软件两大部分: 硬件部分包括: 拾震器, 数据采集器, 数据通讯单元, 数据中心, GPS 授 时单元;参见图7. 软件部分包括:计时系统软件(RTS) 数据分析软件(JMTS) , ,数据 解释与可视化软件(JDI) .参见图 1,图 2,图 3.图1JMTS 微震数据分析软件图2微震事件实时显示软件图3南非Mponeng矿微震监测成果平面图地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33352
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 3 中的小圆代表了 2003 年 9 月 1 日到 2004 年 2 月 15 日微震发生的地点, 用不同颜色来表示日期,大圆显示了 log P=1.2,1.1,1.2,1.0 级矿山地震发生的地 点. 4.2 ISS 微震监测系统具有下述优良特性: 靠近震源三维实时监测岩体整体; GPS 授时准确定位; 小直径钻孔安装,兼容各种传感器; 专业化的数据处理软件; 全波形,全数字,高速信号采集; 高分辨率,多通道,宽频率,灵活的有线,无线通讯等; 同时在空间和时间的预测方面有突出优势.5 案例5.1 印度Kolar矿区Champion Reef 金矿[2] 该矿采深 3.3km, 是世界上最著名的硬岩深井矿山之一, 岩爆问题十分突出. 1989 年建立了预报岩爆的微震实时监测系统,安装了 8 台拾震器,尽可能靠近 了岩爆研究区域,具体布置图参见图 4,图中的圆代表了拾震器的位置.选取的 岩爆预报主要前兆参数为:微震事件计数,弹性应变能释放和微震主信号频率. 分析对比预测结果和实测结果可以看出, 该方法能提前 6 个月预测指定区域岩爆 的总体情况.还能提前 6 小时左右显示预警信息,微震事件计数,微震能量,频 率历时变化图上还用*号标出了微震事件发生时间.参见图 5.图4拾震器布置图3地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 3335
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图5微震事件计数,微震能量,频率历时图图 5 为印度当地时间 1990 年 12 月 12 日到 13 日的微震监测成果,13 日 03:27:59 发生了岩爆事件.从图上可以明确看出岩爆发生前至少 6 个小时前,三 个历时图都发生了明显的异常,充分显示了前兆参数的有效性.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33354
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用5.2 南非某金矿[3] 该矿采用了 ISS 微震监测系统来监测矿山地震. 地震移动中值能量指数历时 图在矿山地震发生约 90 小时前就预警了 logE = 11.15 级矿山地震.周一下午晚 些时候地震移动中值能量指数出现了与 logE = 9.89 级矿山地震有关的增长,持 续月 18 小时后,周二上午晚些时候出现了又一次突然增长预警了 logE = 11.15 级矿山地震.此时矿方管理人员根据矿山地震专家的建议,做出了撤人的决定, 避免了重大伤亡事故.参见图 6.图中实线为地震移动中值能量指数历时曲线, 虚线为地震 Schmidt 数历时曲线.图 6 地震能量指数以及地震 Schmidt 数历时曲线5.3 中国安徽铜陵冬瓜山铜矿 [4] [5] 冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大的硬岩金属矿山之一, 是我国岩爆的重 7 要研究基地. 该矿设计生产能力 4.0×10t /a,多盘区,多采场同时开采,巷 道及采空区分布复杂.矿床开挖后采空区周围具有发生岩爆的可能性,位置分布 广,根据经验很难预测岩爆发生的确切位置.微震监测系统覆盖了采区内主要的 作业区矿柱和围岩.2005 年采用南非ISS公司的微震监测系统建立的岩爆监测系 统是我国矿山目前最先进的数字化微震监测系统, 实现了对该矿开采过程的岩体 变形破坏过程的连续监测.微震监测系统组成参见图 7.进行的监测网络布置, 降低信号噪音,改进定位精度等方面的研究,进展良好. 采用的微震监测系统由数据采集器(QS)接收从与其相连的拾震器传输来 的地震模拟信号并将其转换成数字信号, 然后将数字信号传输给微震数据控制中 心.数据由专用软件进行分析,解释,可视化供管理人员进行分析决策.结合该 矿的具体条件,采用16个拾震器(其中4个三分量,12个单分量).拾震器布设于 距离矿体较近的上部巷道之中,巷道内向下或向上施工钻孔用于安装拾震器,考 虑微震信号降噪和施工要求, 单分量拾震器安装深度有的达40 m, 三分量拾震器 的安装深度为10 m.首采区微震拾震器布置参见图8,图中红色三角为拾震器. 初步的微震监测成果参见图9.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33355
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 7 微震监测系统组成示意图图 8 首采区微震拾震器布置图地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33356
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 9 冬瓜山矿微震监测部分成果图6 微震监测技术预测岩爆的新进展 [6][7] [8]当前微震监测岩爆技术在南非,加拿大,美国,俄罗斯,波兰等国都得到广 泛应用.2000 年南非 ISS 微震监测系统公司,基于重整化群理论,幂率规律, 采用模式识别等方法开展了岩爆时空预报的进一步定量研究, 并开发了相应的算 法 SOOTHSAY 和 INDICATOR.采用该算法预报的成功率在 WEST WITS 地区 达到了 53%,在 FREE STATE 达到了 65%.显示了该技术的突出优势.参考文献: [1] 谢和平,陈忠辉.岩石力学[M].北京:科学出版社.2004,5.312-322 [2] C. Srinivasan, S.K. Arora, S. Benady.Precursory monitoring of impending rockbursts in Kolar gold mines from microseismic emissions at deeper levels [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 36 (1999) 941-948. [3] A J Jager and J A Ryder,P Mountfort. A Handbook on Rock Engineering Practice for Tabular Hard Rock Mines[M].Cape Town, Creda Communications, 1999. [4] 唐礼忠,潘长良,杨承祥,郭 然.冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究[J]. 金属矿山, 364.2006,10:41-45. [5] 贾明涛. 井下通讯与安全预警系统. http://www.dimine.net. [6] Mendecki A J.Seismic monitoring in mines[M].London:Chapman& Hall Press.1997. [7] Gibowicz S J,Kijko A.An Introduction to Mining Seismology[M].New York:Academic Press,l994. [8] W de Beer.Seismology for rockburst prediction. ISSI, Tech Rep:GAP409-REP-005-01, 2000,2.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33357
微震监测技术在岩体 稳定性监测中的应用(以岩爆为例)北 京 优 赛 科 技 有 限 公 司 北 京 达 汉 新 柯 仪 器 有 限 公 司
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用(以岩爆为例)1 前言岩体的失稳破坏是岩石工程中经常遭遇的自然灾害,涉及到的行业众多,如 水利,水电,铁路,公路,采矿,城建,石油,核能,环保,地热,地震等.岩 石边坡的滑动和崩塌,岩石隧道和洞室的塌方和岩爆,矿山开采顶板冒落和地面 沉陷等每年都会给国家造成巨大的经济损失和环境破坏. 岩体失稳预测是一个世 [1] 界性的难题 ,其中岩爆作为极为复杂的动力失稳问题,最为突出.2 岩爆简介岩爆在煤矿一般称为冲击地压,地震学领域一般称为矿山地震.它是岩体中 储存的应变能的突然释放现象.岩爆是目前岩体工程(矿山,隧道,水利电力等 行业)最严重的地质灾害之一.随着岩体工程活动不断向深部发展.可以预见, 除非采取适当的防治措施,岩爆灾害还会继续增加.岩爆发生的基本条件:一是 岩体处于高地应力环境之中; 二是岩体本身的脆性, 强度高, 能集聚高的弹性能. 岩爆表现形式为爆裂,松脱,剥落,弹射甚至抛掷,轻微的仅产生爆裂,严重的 可到里氏 4.6 级的震级.3 微震监测技术简介微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中,裂纹产生,扩展,摩擦时 内部积聚的能量以应力波的形式释放,而产生的微震事件.1990 年代以来,由 于引入了现代计算机技术,现代通讯技术,GPS 授时定位技术,地震学相关知 识,该技术取得了突破性进展.借助专业化的数据处理软件,能够实现在三维空 间中实时准确地确定岩体中微震事件发生的位置,量级,从而对岩体的变形破坏 的活动范围,稳定性及其发展趋势做出定性,定量评价. 微震监测技术可以从岩体变形的初始阶段开始, 实时定量监测岩体内部微裂 纹产生,扩展,摩擦到整个岩体失稳的整个破坏过程,从而大大提高了监测工作 的科学性,同时也提高了岩石工程灾害预报的准确性和超前性. 最新的微震监测技术能够实时,长期,靠近震源监测大范围岩体变形破坏, 准确定位震源,为岩爆预测提供了有力武器.通过记录,统计,分析微震事件的 诸多参数实现岩爆发生空间,时间的定性,定量预测.具体参数包括:地震能量 相关指标, 震源视体积, 地震事件率, 地震粘性指数, 地震扩散速度, 地震 Schmidt 数等等. 微震监测的作用如下: 通过监测相关的中等,大的微震事件,可事先确定出岩爆的可能区域, 通过监测余震来指导救援和震后生产活动; 指导预防性措施,依据监测结果来修改设计,调整采矿方案,支护方案; 预警,减灾,根据微震监测到的微震相关参数的时空变化的来指导生产, 调整工作人员进场,离场时间,调整进度,确定预防措施的时间地点并 进行评估.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 3335 1
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用通过后分析,提高设计与监测的效率,保证矿山安全高效生产,积累数 据利于进一步研究应用.4 南非 ISS 微震监测系统简介4.1 微震监测系统的组成 ISS 微震监测系统包括硬件和软件两大部分: 硬件部分包括: 拾震器, 数据采集器, 数据通讯单元, 数据中心, GPS 授 时单元;参见图7. 软件部分包括:计时系统软件(RTS) 数据分析软件(JMTS) , ,数据 解释与可视化软件(JDI) .参见图 1,图 2,图 3.图1JMTS 微震数据分析软件图2微震事件实时显示软件图3南非Mponeng矿微震监测成果平面图地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33352
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 3 中的小圆代表了 2003 年 9 月 1 日到 2004 年 2 月 15 日微震发生的地点, 用不同颜色来表示日期,大圆显示了 log P=1.2,1.1,1.2,1.0 级矿山地震发生的地 点. 4.2 ISS 微震监测系统具有下述优良特性: 靠近震源三维实时监测岩体整体; GPS 授时准确定位; 小直径钻孔安装,兼容各种传感器; 专业化的数据处理软件; 全波形,全数字,高速信号采集; 高分辨率,多通道,宽频率,灵活的有线,无线通讯等; 同时在空间和时间的预测方面有突出优势.5 案例5.1 印度Kolar矿区Champion Reef 金矿[2] 该矿采深 3.3km, 是世界上最著名的硬岩深井矿山之一, 岩爆问题十分突出. 1989 年建立了预报岩爆的微震实时监测系统,安装了 8 台拾震器,尽可能靠近 了岩爆研究区域,具体布置图参见图 4,图中的圆代表了拾震器的位置.选取的 岩爆预报主要前兆参数为:微震事件计数,弹性应变能释放和微震主信号频率. 分析对比预测结果和实测结果可以看出, 该方法能提前 6 个月预测指定区域岩爆 的总体情况.还能提前 6 小时左右显示预警信息,微震事件计数,微震能量,频 率历时变化图上还用*号标出了微震事件发生时间.参见图 5.图4拾震器布置图3地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 3335
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图5微震事件计数,微震能量,频率历时图图 5 为印度当地时间 1990 年 12 月 12 日到 13 日的微震监测成果,13 日 03:27:59 发生了岩爆事件.从图上可以明确看出岩爆发生前至少 6 个小时前,三 个历时图都发生了明显的异常,充分显示了前兆参数的有效性.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33354
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用5.2 南非某金矿[3] 该矿采用了 ISS 微震监测系统来监测矿山地震. 地震移动中值能量指数历时 图在矿山地震发生约 90 小时前就预警了 logE = 11.15 级矿山地震.周一下午晚 些时候地震移动中值能量指数出现了与 logE = 9.89 级矿山地震有关的增长,持 续月 18 小时后,周二上午晚些时候出现了又一次突然增长预警了 logE = 11.15 级矿山地震.此时矿方管理人员根据矿山地震专家的建议,做出了撤人的决定, 避免了重大伤亡事故.参见图 6.图中实线为地震移动中值能量指数历时曲线, 虚线为地震 Schmidt 数历时曲线.图 6 地震能量指数以及地震 Schmidt 数历时曲线5.3 中国安徽铜陵冬瓜山铜矿 [4] [5] 冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大的硬岩金属矿山之一, 是我国岩爆的重 7 要研究基地. 该矿设计生产能力 4.0×10t /a,多盘区,多采场同时开采,巷 道及采空区分布复杂.矿床开挖后采空区周围具有发生岩爆的可能性,位置分布 广,根据经验很难预测岩爆发生的确切位置.微震监测系统覆盖了采区内主要的 作业区矿柱和围岩.2005 年采用南非ISS公司的微震监测系统建立的岩爆监测系 统是我国矿山目前最先进的数字化微震监测系统, 实现了对该矿开采过程的岩体 变形破坏过程的连续监测.微震监测系统组成参见图 7.进行的监测网络布置, 降低信号噪音,改进定位精度等方面的研究,进展良好. 采用的微震监测系统由数据采集器(QS)接收从与其相连的拾震器传输来 的地震模拟信号并将其转换成数字信号, 然后将数字信号传输给微震数据控制中 心.数据由专用软件进行分析,解释,可视化供管理人员进行分析决策.结合该 矿的具体条件,采用16个拾震器(其中4个三分量,12个单分量).拾震器布设于 距离矿体较近的上部巷道之中,巷道内向下或向上施工钻孔用于安装拾震器,考 虑微震信号降噪和施工要求, 单分量拾震器安装深度有的达40 m, 三分量拾震器 的安装深度为10 m.首采区微震拾震器布置参见图8,图中红色三角为拾震器. 初步的微震监测成果参见图9.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33355
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 7 微震监测系统组成示意图图 8 首采区微震拾震器布置图地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33356
微震监测技术在岩体稳定性监测中的应用图 9 冬瓜山矿微震监测部分成果图6 微震监测技术预测岩爆的新进展 [6][7] [8]当前微震监测岩爆技术在南非,加拿大,美国,俄罗斯,波兰等国都得到广 泛应用.2000 年南非 ISS 微震监测系统公司,基于重整化群理论,幂率规律, 采用模式识别等方法开展了岩爆时空预报的进一步定量研究, 并开发了相应的算 法 SOOTHSAY 和 INDICATOR.采用该算法预报的成功率在 WEST WITS 地区 达到了 53%,在 FREE STATE 达到了 65%.显示了该技术的突出优势.参考文献: [1] 谢和平,陈忠辉.岩石力学[M].北京:科学出版社.2004,5.312-322 [2] C. Srinivasan, S.K. Arora, S. Benady.Precursory monitoring of impending rockbursts in Kolar gold mines from microseismic emissions at deeper levels [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 36 (1999) 941-948. [3] A J Jager and J A Ryder,P Mountfort. A Handbook on Rock Engineering Practice for Tabular Hard Rock Mines[M].Cape Town, Creda Communications, 1999. [4] 唐礼忠,潘长良,杨承祥,郭 然.冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究[J]. 金属矿山, 364.2006,10:41-45. [5] 贾明涛. 井下通讯与安全预警系统. http://www.dimine.net. [6] Mendecki A J.Seismic monitoring in mines[M].London:Chapman& Hall Press.1997. [7] Gibowicz S J,Kijko A.An Introduction to Mining Seismology[M].New York:Academic Press,l994. [8] W de Beer.Seismology for rockburst prediction. ISSI, Tech Rep:GAP409-REP-005-01, 2000,2.地址:北京车公庄西路 19 号华通大厦 A 座 505 室.邮编:100044 1 电话:010-6848 6065,010-6848 3334. 传真:010-6848 33357