微地震監(jiān)測(cè)技術(shù) 發(fā)展方向及應(yīng)用

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種地球物理檢測(cè)技術(shù)，其主要手段是對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的微小地震事件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并加以觀測(cè)和分析，并對(duì)所得數(shù)據(jù)及結(jié)論進(jìn)行記錄，對(duì)微小地震事件對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的干擾、效力及巖體保持穩(wěn)態(tài)的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)微地震的三要素是監(jiān)測(cè)活動(dòng)的首要任務(wù)，他們包括震源的位置、發(fā)生的時(shí)刻以及震源深度及強(qiáng)度。本文通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及歷史，針對(duì)廣泛應(yīng)用的原理加以解釋，并對(duì)具體生產(chǎn)生活中的應(yīng)用提供方案并進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)。

隨著生產(chǎn)需要的不斷演進(jìn)，頁(yè)巖氣、非常規(guī)油氣開(kāi)采以及各類礦井開(kāi)采的深入研究，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為其依賴的核心成為保證效率和人員設(shè)備安全的重要保證。其多應(yīng)用于判斷壓裂裂縫的形成、發(fā)展趨勢(shì)的判斷依據(jù)。研究微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向以及技術(shù)領(lǐng)域成為必然。經(jīng)過(guò)近幾年的不懈努力與不斷探究，我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

在生產(chǎn)活動(dòng)中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些微小地震事件，通過(guò)特定的監(jiān)測(cè)手段對(duì)其產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行全面分析我們稱之為微地震檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可以評(píng)估出小地震事件對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的影響。由于其為物理監(jiān)測(cè)技術(shù)相應(yīng)的也可以監(jiān)測(cè)到地下洞室圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。作為破壞力極強(qiáng)的自然災(zāi)害，地震的監(jiān)測(cè)一直以來(lái)都是人們極力想要探明的一個(gè)領(lǐng)域，而地震發(fā)生時(shí)的震心位置，地震發(fā)生的時(shí)間和震源在地下的深度以及地震的強(qiáng)度都需要及時(shí)判斷，對(duì)這些信息的追蹤和確定是監(jiān)測(cè)活動(dòng)主要解決的問(wèn)題。在巖體斷裂的斷面或者變形的表面微地震事件多有發(fā)生，這是出于應(yīng)力集中現(xiàn)象，在生產(chǎn)活動(dòng)中會(huì)對(duì)巖體原有的應(yīng)力平衡破壞，這時(shí)應(yīng)力集中就會(huì)出現(xiàn)在巖體中的裂縫周圍，這些裂縫可以是本身存在的或新產(chǎn)生的，其應(yīng)變能量提高。在巖體中存在原有裂縫，原有裂縫會(huì)受到外界的作用力影響，當(dāng)受到較大的作用力時(shí)會(huì)發(fā)生局部的逆向屈服以及發(fā)生形變，導(dǎo)致裂縫會(huì)向物體內(nèi)部不斷延伸，此時(shí)應(yīng)力松弛伴隨向外界以彈性波的形式向外輻射能量。這種現(xiàn)象稱其為微地震現(xiàn)象。

這些波的頻率一般在200～1 500Hz范圍內(nèi)，一般持續(xù)時(shí)間較短低于15s。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)原有裂縫缺陷部分和新產(chǎn)生的裂縫區(qū)域進(jìn)行信號(hào)采集并加以分析記錄，并借助外力的增加等信息確定新發(fā)生裂縫的變形位置以及具體形式和尺寸。經(jīng)過(guò)不斷地積累數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知：當(dāng)頻率越高，時(shí)間越短，輻射波的能量也就越小也就是說(shuō)微地震事件越微弱，相應(yīng)的可知破裂長(zhǎng)度越短。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析，可得出微地震事件的時(shí)間和空間相關(guān)信息，通過(guò)這些經(jīng)驗(yàn)就可以對(duì)巖體區(qū)域穩(wěn)定性給出一個(gè)較為合理的綜合評(píng)價(jià)。

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

早在2002年趙向東就提出了如下理論：由于在生產(chǎn)生活種應(yīng)用材料不同，使得材料內(nèi)部的強(qiáng)度迥異，有些材料內(nèi)部強(qiáng)度不夠，會(huì)形成局部能量過(guò)高現(xiàn)象。這樣就使得外界擾動(dòng)作用在這些固體材料時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，局部應(yīng)力的集中很有可能會(huì)出現(xiàn)塑性形變和微觀損傷，正所謂千里之堤潰于蟻穴，當(dāng)物體存在一定數(shù)量的微觀損傷，這些損傷不斷擴(kuò)張會(huì)形成較大的裂痕，使得整體材料內(nèi)部受損，失去其功能性。在1991年和2000年，吳光琳、彭新明分別對(duì)巖石聲進(jìn)行了科學(xué)闡釋。在裂紋的聚集和擴(kuò)展時(shí)，會(huì)以一種較為突然的形式累積，與此同時(shí)釋放能量，其形式就是彈性波。在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，包括一些地質(zhì)勘探活動(dòng)，以及生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行，會(huì)持續(xù)對(duì)巖體造成損傷，損傷累積會(huì)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)的整體破壞，當(dāng)這些破損輻射的能量在低頻率帶時(shí)，這種現(xiàn)象就屬于微地震。

在2012年，宋維琪提出了關(guān)于監(jiān)測(cè)微地震事件等效速度反演定位法，其用意是為了解決地面微地震監(jiān)測(cè)資料相鄰?fù)ǖ雷邉?shì)曲線時(shí)差微小的問(wèn)題，該方法主要利用的是建立模型，該模型具備記錄初始速度的能力，并可以模擬出其等效速度，主要利用已有的擾動(dòng)速度模型，通過(guò)差分計(jì)算迅速鎖定等效速度。通過(guò)這些信息追溯該地震事件來(lái)定位的方法。校正了反演不夠靈敏，且精度不高的問(wèn)題。其有效性也給出了相關(guān)了的證明并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在2013年，何惺華利用射孔直達(dá)級(jí)三分量檢波器震源反演法來(lái)定位震源。首先利用射孔直達(dá)縱波水平分量來(lái)確定檢波器的方位角。通過(guò)其傳播速度與時(shí)間按照偏移角度向回推得到大概的地震發(fā)生的中心區(qū)域范圍；但是由于震源反演中存在有多解問(wèn)題，需要再多確定一個(gè)要素如檢波器與震源方向偏差的夾角，通過(guò)空間坐標(biāo)系利用矩陣方法，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，來(lái)計(jì)算得出地震中心的具體坐標(biāo)，這種極具創(chuàng)造性的檢測(cè)方法為將來(lái)的發(fā)展方向打開(kāi)了全新的思路。

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

微地震研究作為一項(xiàng)地球物理技術(shù)在國(guó)際上發(fā)展迅猛，尤其在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)中，OYO Geospace，Avalon，Sercel等公司在硬件供應(yīng)方面非常出色。而相應(yīng)的在軟件方面有建樹(shù)的如ESG、ASC等公司。眾所周知檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)為核心Pinnacle，Schlumberger，Microseismi Inc.等公司具備很強(qiáng)的實(shí)力。

早在2009年斯倫貝公司就推出了StimMAP系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)自動(dòng)的監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)，主要用于微地震監(jiān)測(cè)與定位真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和全面的實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是利用已知具體參數(shù)的外界激勵(lì)，對(duì)周圍物體施加水力壓，并用地震檢波器進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)，這一過(guò)程一般會(huì)在半分鐘內(nèi)完畢并提出檢測(cè)報(bào)告。

2006年時(shí)威德福公司推出了FracMap技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于永久性井下設(shè)備制造、安裝和數(shù)據(jù)采集。其檢測(cè)技術(shù)主要體現(xiàn)在儲(chǔ)層壓裂監(jiān)測(cè)和油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。這種井下聲波設(shè)備十分先進(jìn)，是一種比較直觀且有效的定位測(cè)量方法，可以通過(guò)裂縫的傳播追根溯源，并且繪制連續(xù)的畫面進(jìn)行裂縫形成的回執(zhí)報(bào)告信息，通過(guò)反饋信號(hào)可知其具體狀態(tài)，包括形成過(guò)程及在收到壓力時(shí)的狀態(tài)。

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用endprint

礦山安全開(kāi)采微地震監(jiān)測(cè)

在某處陡峭的山坡上發(fā)現(xiàn)一處礦產(chǎn)，兩側(cè)山體應(yīng)力較高，其中一側(cè)存在較深的內(nèi)部裂縫，海拔較低的位置有松弛的巖體，總體地質(zhì)條件復(fù)雜。當(dāng)挖掘工作不斷延伸，圍巖應(yīng)力平衡將會(huì)被打破，平衡被打破就會(huì)造成巖體的破壞，原本存在的缺陷漏洞就會(huì)形成宏觀上的破壞。這就給整體工程的人員以及設(shè)備財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的安全隱患，為了能保證施工過(guò)程的安全性要對(duì)整個(gè)巖體的各種缺陷以及在挖掘過(guò)程中形成的巖體破裂現(xiàn)象發(fā)生的具體時(shí)間，破裂程度以及破裂深度和具體位置，監(jiān)測(cè)并進(jìn)行標(biāo)記存檔；采集到的微地震信號(hào)其產(chǎn)生的具體方式，輻射出去的能量形式，具有的頻率特性和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)需要分析才能溯源計(jì)算得到巖體破裂的具體類型。在接下來(lái)的生產(chǎn)活動(dòng)中即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析變形預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，評(píng)估工程安全性達(dá)到預(yù)警的效果。與此同時(shí)需要查閱相關(guān)資料，如歷年對(duì)巖體觀測(cè)記錄，當(dāng)?shù)貛r體地質(zhì)信息特征等，才能更好地分析微地震與應(yīng)力卸荷的關(guān)系，這樣才能對(duì)巖體保持穩(wěn)定狀態(tài)特性的科學(xué)評(píng)估。

隧道挖掘的微地震監(jiān)測(cè)

1）傳感器、監(jiān)測(cè)臺(tái)站、線纜及監(jiān)測(cè)孔是組成系統(tǒng)的必要部分。為了更好地全方位接收必要信號(hào)信息，這就需要在沒(méi)個(gè)檢測(cè)孔上安裝上靈敏的傳感器，一般多用至少三分量傳感器；2）信號(hào)輸入系統(tǒng)以后，需要相應(yīng)的進(jìn)行采集判別進(jìn)行分類處理，信號(hào)采集模塊是常用的部件，經(jīng)過(guò)初步處理之后一并傳輸?shù)教幚砥鳟?dāng)中進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析；3）處理器會(huì)利用相關(guān)軟件和修改，主要是對(duì)存儲(chǔ)在記錄儀當(dāng)中的關(guān)于微地震信息各項(xiàng)參數(shù)，接受并傳輸數(shù)據(jù)對(duì)其做處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，繪制出波形信號(hào)圖示，并將所得信息和圖形進(jìn)行存儲(chǔ)；4）信號(hào)數(shù)據(jù)傳入電腦中，數(shù)據(jù)處理軟件會(huì)對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行采樣并進(jìn)行初步處理，經(jīng)過(guò)微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算可得出因生產(chǎn)活動(dòng)遭到破壞的巖體位置、深度等信息。這樣就可以預(yù)知那些施工部位的安全性，保證人員設(shè)備安全。

結(jié)論

全文通過(guò)對(duì)當(dāng)下熱門的微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史，理論研究進(jìn)程以及最前沿的包括國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的科研成果進(jìn)行了比較全面的概述，闡釋了在近幾年飛速發(fā)展并被廣泛研究的地球物理技術(shù)的原理及其主要應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較為落后，在我們的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中將會(huì)遇到諸多需要攻克的技術(shù)難題，例如針對(duì)微地震現(xiàn)象，我們還缺少對(duì)該現(xiàn)象專門進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的計(jì)量系統(tǒng)、對(duì)微地震必要要素的迅速采集和精確判斷以及對(duì)微地震產(chǎn)生的波形研究和發(fā)生機(jī)理的研究都是亟待解決的課題。未來(lái)道阻且長(zhǎng)，需要大量的數(shù)據(jù)采集積累并付出艱巨的勞動(dòng)才能使微地震檢測(cè)技術(shù)成為一種較為成熟的檢測(cè)與預(yù)報(bào)手段。

參考文獻(xiàn)

[1]趙博雄，王忠仁，劉瑞，等.國(guó)內(nèi)外微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2014（4）：1882-1888.

[2]劉建中，唐春華，左建軍.微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向及應(yīng)用[J].中國(guó)工程科學(xué)，2013，15（10）：54-58.

[3]金維浚，張衡，張文輝，等.微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].地震，2013，33（4）：84-96.

[4]唐春華，顧廣慶.微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)探究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2012（4）：95-99.

[5]董恩博.微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)蒙古石油化工，2016（z1）：108-112.

[6]黃今，蘇華友，駱循.微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在TBM隧道施工中的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2007（2）：21-23.

（作者簡(jiǎn)介：徐金，云南省地震局。）endprint