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微震监测原理

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Basics of Microseismic Monitoring

煤岩结构在破坏过程中总是伴随着微震现象。在较高的应力或应力变化水平的岩体内,特别是在采动的影响下,煤岩发生破坏或原有的地质破裂被激活产生错动或破裂发展,诱发的微震能量以弹性波的形式释放并传播出去,如图1所示。对弹性波信息进行采集处理,可以获取微震事件发生的位置、大小、能量、地震矩、非弹性变形和震源机制等。并由此反演出煤岩体中原岩应力场、应力降等参数,进而结合岩石力学,达到判断煤岩体稳定性监测预警的目的。

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图1  微震监测及定位原理示意图

微震(声发射)现象是20世纪30年代末由美国L.阿伯特及W.L. 杜瓦尔发现。目前,世界各国普遍将微震技术作为一种有效的监测预警手段,为地下工程及矿井生产安全提供风险管理。在采矿及地下岩土工程生产实践中,人们发现高应力水平下岩体的破坏(如岩爆、隐伏断层激活、突水等)过程中,其内部积聚的应变能会以地震波的形式释放并传播,并可记录到微震事件。微震事件中包含了大量的有关围岩介质、围岩受力破坏以及地质破裂活化过程的信息。通过对微震信号的采集、处理、分析和研究,可以推断矿岩内部的性态变化,预测岩体是否在发生破坏 ,反演其破坏机理。通过在地下岩土工程中布置传感器台阵,可以实现微震数据的自动采集、传输和处理,并利用定位原理确定破坏发生的位置,并在三维矿图上显示出来。微震监测技术具有远距离、整体、三维、实时监测的特点,可以根据震源情况进一步分析推断岩体的破坏尺度和力学性质,这为研究覆岩空间破裂形态提供了新的手段。
研究表明矿山动力灾害,不管是煤矿,还是非煤矿山都与矿山开采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相关。微破裂(微震)是动力灾害的重要前兆特征。对于矿山突水灾害的监测预报而言,在矿井水信息监测的基础上,更应从寻找诱发矿山突水灾害的本质机理和微破裂前兆规律入手,利用现代高性能计算和网络技术,开展矿山突水灾害分析预报方法的研究。因此,可以利用岩体微震活动的这一特点,对岩体的稳定性进行监测,从而预警岩体突水、坍塌、滑坡和岩爆等现象。

微震信号的特征决定于震源性质、传播所经岩体性质及监测点到震源的距离等。基本参数与岩体的稳定状态密切相关,基本反映了岩体的破坏状况。若目标监测区域周围以一定的密度布置一定数量的传感器,组成传感器三维几何台阵,当监测区域内出现微震时,传感器即可将信号拾取,并将这种物理量转换为电压量,通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻,连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解,即可确定声发射源的时空参数,达到定位的目的。煤岩层破坏前后应力与应变曲线微震事件见图2所示。


图2   煤岩体破坏前后应力与应变曲线与(声发射)微震事件的联系



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