盛虞1 Lynch R.2
（1.北京盛科瑞儀器有限公司；2.IMS International Ltd.）
1、前言
現(xiàn)代高精度工程微震監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用始于1980年代中期的南非金礦開采活動[1]，其目的是為解決南非Angola Gold 公司在南非Welkom 地區(qū)深埋（超過1000m）金礦開采中遇到的大量巖爆和巖體破壞問題，避免由于巖爆或巖體破壞事件而導(dǎo)致作業(yè)人員傷亡和設(shè)備的損壞。該技術(shù)的原理是用傳感儀器采集伴隨采礦后巖體中應(yīng)力重分布所導(dǎo)致巖石破裂時發(fā)出的地震波信息，通過對地震波信息進行分析處理確定破裂點的空間位置和震級，根據(jù)累積微震事件的數(shù)量和能量釋放的關(guān)系，估計因微震活動引起的非線性應(yīng)變區(qū)域的發(fā)展，據(jù)此判斷巖體的穩(wěn)定性[2，3，4]。該項技術(shù)由IMS公司開發(fā)，在九十年代初期逐漸走向成熟，得以迅速地在非洲、澳大利亞、美國、加拿大及南美洲的采礦工程中推廣應(yīng)用。
得益于在地下采礦工程中取得的成功，自90年代中后期開始嘗試應(yīng)用于露天采礦中的巖體邊坡穩(wěn)定監(jiān)測，在解決了一系列技術(shù)問題后，該技術(shù)已在超過25巖體邊坡穩(wěn)定監(jiān)測中成功應(yīng)用[5，6]。
自2000年前后起，該技術(shù)在國際上被引用到其它工程應(yīng)用領(lǐng)域，如非礦山的隧洞開挖、水庫及大壩、地下核廢料儲藏設(shè)施、戰(zhàn)略石油儲備、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警等領(lǐng)域。我國自2004年開始將該技術(shù)應(yīng)用的采礦領(lǐng)域[7]。
近十年來，我國大型水電資源的開發(fā)逐步向西部高山峽谷集中在的云、貴、川諸省，在大型和巨型水電站建設(shè)中有著大量的高邊坡開挖以及高埋深地下廠房和引水洞室的開挖工程。該地區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜、地應(yīng)力高、區(qū)域及局部地質(zhì)構(gòu)造和斷裂的分布存在著很大的不確定性，巖體的工程穩(wěn)定性給工程建設(shè)帶來很大擔(dān)憂。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在如此復(fù)雜的巖體工程問題上遇到一系列的局限性。如輸水洞開挖中高地應(yīng)力巖體的巖爆問題、高邊坡的深層穩(wěn)定性問題、及高地應(yīng)力條件下地下廠房巖體穩(wěn)定問題都給目前巖體變形監(jiān)測技術(shù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。而微震監(jiān)測技術(shù)具有在三維空間中全方位監(jiān)測巖體從裂紋開展、破裂的漸進性累積、到破壞失穩(wěn)的全過程的技術(shù)特點，將傳統(tǒng)巖體監(jiān)測技術(shù)在時空上給與了極大的延伸，可以預(yù)料微震監(jiān)測技術(shù)可以為解決大型水電工程建設(shè)中遇到的復(fù)雜巖體穩(wěn)定性的評估提供一條新的途徑。
2、傳統(tǒng)巖體監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點與局限性
傳統(tǒng)現(xiàn)場巖體工程穩(wěn)定性判斷是建立在對原位巖體變形監(jiān)測資料分析的基礎(chǔ)上進行的，通常根據(jù)工程建筑物的重要性，選定在地質(zhì)條件不好或有不確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)的位置（或斷面）埋設(shè)變形監(jiān)測儀器（如測斜儀、多點位移計、錨桿、錨索計及外觀變形監(jiān)測點等），用以監(jiān)測巖體在施工和運行過程中的舉止，從而判斷所關(guān)注部位的巖體是否處于安全工作狀態(tài)。
傳統(tǒng)巖體監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)積累了數(shù)十年的經(jīng)驗，已有相應(yīng)的規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和大量的工程總結(jié)指導(dǎo)安裝、數(shù)據(jù)采集與分析。因此、只要儀器選擇得當(dāng)，埋設(shè)仔細合理，通過資料的整理和分析，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)具有監(jiān)測精度高，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點。
傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的重大不足之處在于，觀測點或觀測斷面位置選擇相對分散，難以獲取以空間形式存在的巖體中各部位的應(yīng)力、應(yīng)變變化和位移發(fā)展的機理。通常布置點（或斷面）的選擇是基于對有限的工程地質(zhì)調(diào)查成果的認識上進行的，難免存在不明確或遺漏某些重要地質(zhì)構(gòu)造，致使所選的監(jiān)測斷面有時不能及時反應(yīng)出變形較大的巖體情況，危及工程安全。理想的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)λP(guān)注區(qū)域內(nèi)的巖體對工程施工的響應(yīng)，應(yīng)能夠獲取巖體中應(yīng)力、應(yīng)變演化的過程，尤其是工程活動所導(dǎo)致的地質(zhì)結(jié)構(gòu)（如斷層）的活化。根據(jù)目前國際上業(yè)已取得的成果，微震監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)充分發(fā)揮出其全方位監(jiān)測巖體對開挖工程的響應(yīng)，在短期巖體開挖安全預(yù)警預(yù)報和中、長期災(zāi)害分級和穩(wěn)定性評估方面有著獨特的優(yōu)勢。
微震（微地震）指的是局部范圍內(nèi)巖石由于某種誘發(fā)原因（如工程開挖）在裂紋開展時以地震波形式產(chǎn)生的震動。微震監(jiān)測技術(shù)是利用記錄和分析微震波信息從而獲得巖體微震活動的時間，震源位置，震級，能量釋放及非線性應(yīng)變區(qū)域等數(shù)據(jù)，從而判斷、評估和預(yù)報監(jiān)測范圍內(nèi)巖體的穩(wěn)定性。工程中通常遇到的由巖體破壞誘發(fā)的地震震級一般在3級以下，如圖1 所示，由于其討論的震級范圍小于通常天然地震感興趣的震級范圍（>3級），因此可將工程巖石力學(xué)中遇到的地震稱為微震。
圖1，微震震級區(qū)間。
表1[1]給出了震級與震源大小的關(guān)系，由表中可見震級為-2.0 級的地震可以在巖體中產(chǎn)生2-4 米長的裂紋尺寸，如果在局部巖體區(qū)域內(nèi)有足夠多這樣大小的裂縫，可足以產(chǎn)生局部的塌方，如在隧道，輸水洞、地下廠房和邊坡開挖中通常所遇到的。因此，對工程巖石力學(xué)問題，首先需要有精確的微震波記錄。對實用微震監(jiān)測系統(tǒng)，基本要求是要能可靠地記錄發(fā)生在震級−2.0≤ m ≤+3.5的微震事件。以便能夠準(zhǔn)確定位巖體中各個破壞事件的位置和震級。正是由于微震監(jiān)測技術(shù)達到了如此高的精度，才使得該技術(shù)在工程中應(yīng)用成為可能。
表1，系統(tǒng)靈敏度推薦指標(biāo)
圖2給出了IMS高精度微震系統(tǒng)記錄到的M= -2級的高清晰微震圖譜[8]。由圖譜及軟件自動給出的分析結(jié)果表明，系統(tǒng)能記錄并處理相當(dāng)大的振幅范圍內(nèi)微震事件。如該-2.0級的小事件在170m距離上產(chǎn)生10-6m/s的巖體活動。
圖2 由一組14Hz鉆孔檢波器從一個-2.0級的微震事件記錄到的高精度微震圖譜[8]。
4、利用微震監(jiān)測結(jié)果確定巖體穩(wěn)定狀態(tài)
微震監(jiān)測技術(shù)的一個顯著特點是它可以對三維空間中的巖體性狀進行實時監(jiān)測，通過對微地震波的采集和分析，可以判斷巖體破裂的位置、震級、能量釋放和巖體中由微震而伴生的非線性應(yīng)變的開展。
對某個微弱且開裂較慢的事件，距離該點較近的一些測點可以監(jiān)測到由該點發(fā)出的輻射波，而其它的測點得到的可能是開裂過程中由于開裂面上應(yīng)力降低而產(chǎn)生的波動。因此，如果要研究開裂起因，需要對不同時刻到達的信號進行波形分析。準(zhǔn)確定位對解決下面這些問題致關(guān)重要：
-
確定可能發(fā)生巖爆或巖體失穩(wěn)的位置；
-
后續(xù)微震過程分析，如震源定量，衰減，速度反演等都依賴于定位；
-
所有獨立事件的分析和解釋均依賴于定位，例如，對在遠離工作面的區(qū)域或通常不認為會發(fā)生微震事件的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的事件予以關(guān)注。
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微震活動性解釋，如微震活動密集化或沿某些結(jié)構(gòu)面的集中化及發(fā)展和遷移，微震參數(shù)的時空分布速率等都依賴于定位于定時。
由于每個事件的震源都對應(yīng)一個有限的區(qū)域，對一個特定區(qū)域內(nèi)所有微震事件，對各事件震源的定位精度（定位誤差）應(yīng)該小于其所對應(yīng)震源尺寸。此要求定義了該區(qū)域內(nèi)微震監(jiān)測網(wǎng)的靈敏度。比如，系統(tǒng)監(jiān)測到所有事件中的最小震級，mmin, 應(yīng)能夠給出足夠高的信號噪聲比，見表1。對從一個至少包含6個三分量檢波器布置合理的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)所獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，定位誤差可控制在該網(wǎng)絡(luò)平均中心距的3%。
在開裂或摩擦滑動過程中能量的釋放是由于巖體由彈性變形向非彈性變形轉(zhuǎn)化的結(jié)果。這個轉(zhuǎn)化速率可以是很慢的蠕變事件也可能是很快的動力微震事件，其在震源處的平均變化速度可達每秒數(shù)米。相同大小的事件，慢速事件較快速動力事件發(fā)展時間要長，因此慢速事件主要輻射出低頻波。由于激發(fā)的微震能量是震源函數(shù)的時間導(dǎo)數(shù)，慢震過程產(chǎn)生較小的微震輻射。從斷裂力學(xué)的觀點，開裂速度越慢，輻射能量就越少，擬靜力開裂過程將不會產(chǎn)生輻射能。
能量指數(shù)EI[3]用于比較具有類似微震潛能的各微震事件所產(chǎn)生的微震輻射能的一個有用工具，一個微震事件的能量指數(shù)是該事件所產(chǎn)生的實測輻射微震能E與區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能E(P)之比。平均能量可由該區(qū)域的實測平均能量和微震潛能P關(guān)系logE=dlogP+c（圖3）求得。
d=1.0表示平均能量與視應(yīng)力成比例關(guān)系。能量指數(shù)越大表示事件發(fā)生時震源的驅(qū)動應(yīng)力越大。由于能量指數(shù)反應(yīng)了事件的統(tǒng)計特性，在工程分析應(yīng)用中十分方便。
通常巖體的穩(wěn)定性可以用勁度，即巖體抵抗應(yīng)力增加而產(chǎn)生的變形的能力，來描述。當(dāng)巖體的總勁度保持不變，總微震潛能與采礦開挖體積成正比，ΣP~Vm。隨著不斷開采，巖體總勁度逐漸下降，單位體積巖體的總潛能的變化將加快。隨著勁度的進一步下降，巖體表現(xiàn)出非線性變形，隨活動率（1/t）的增大，潛能釋放加速ΣP~（ΣVmeff）γ，預(yù)示可能會發(fā)生較大的巖體失穩(wěn)。這種巖體失穩(wěn)的動力學(xué)過程可以用視應(yīng)力σ=E/P來表示，它依賴于失穩(wěn)巖體與周圍巖體的勁度之比。勁度比越大，震源區(qū)單位體積巖體的非彈性變形所釋放的能量就越多。
根據(jù)這些現(xiàn)象，尋找微震失穩(wěn)過程中應(yīng)力軟化階段的跡象就演化為找出能量指數(shù)和累積視體積隨時間的變化發(fā)展規(guī)律，以代替微震動力學(xué)的應(yīng)力與應(yīng)變隨時間的發(fā)展。能量指數(shù)增加伴隨正的累積視體積率表示應(yīng)變硬化過程；能量指數(shù)下降伴隨加速發(fā)展的視體積表示應(yīng)變軟化，預(yù)示著巖體進入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測上述巖體變形失穩(wěn)的過程。
圖4a為在某地下金礦約1.5公里埋深記錄到的在一個震級為2.4的大微震事件發(fā)生前30小時的實測能量指數(shù)下降和累積視體積隨時間加速發(fā)展的過程。圖中陰影區(qū)的應(yīng)變軟化期可以從空間上判斷出未來非穩(wěn)定區(qū)的發(fā)展[8]。圖4b為巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，陰影區(qū)對應(yīng)于圖4a中伴隨現(xiàn)場能量釋放而產(chǎn)生的非線性失穩(wěn)。
圖4a 實測i能量指數(shù)和累積視體積隨時間變化[8]。
圖4b 應(yīng)變軟化區(qū)與巖體失穩(wěn)
6、微震監(jiān)測技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用前景
微震監(jiān)測技術(shù)在伴隨地下采礦工程發(fā)展起來的，因此對于水電工程，該技術(shù)可以直接引用到地下洞室、隧洞、廠房的巖體穩(wěn)定和巖爆監(jiān)測。由于篇幅所限，本文介紹該技術(shù)在邊坡穩(wěn)定監(jiān)測中的應(yīng)用[5，6]。
200多米高的Navachab 邊坡應(yīng)用實例中的微震監(jiān)測系統(tǒng)包含四只拾震器呈三棱錐形布置、兩只位于半坡臺階的淺孔中、另兩只位于巖體中150m 深的鉆孔中（如圖5），拾震器間距約為120米。從2002年7月到12月間監(jiān)測到的微震事件如圖6所示。
圖5，拾震器布置圖
圖6、 微震監(jiān)測事件分布圖
邊坡上同時進行傳統(tǒng)地表位移監(jiān)測，結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果進行了歷時對比。圖7所示為疊加后的微震監(jiān)測區(qū)域和表面觀測區(qū)域，陰影區(qū)為微震監(jiān)測控制區(qū)域，圖中離散點為傳統(tǒng)外觀監(jiān)測點，紅線包含區(qū)域為位移發(fā)生區(qū)域。圖8為兩種技術(shù)監(jiān)測到的累計邊坡位移時程線，微震監(jiān)測技術(shù)獲取的位移發(fā)生時間明顯先于外觀監(jiān)測結(jié)果給出的時間，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)提前約45天預(yù)報了邊坡有產(chǎn)生大的變形或失穩(wěn)的可能。
圖7、微震與地表位移監(jiān)測系統(tǒng)。
圖8、邊坡累計位移時程記錄。
此邊坡應(yīng)用案例成功顯示了微震監(jiān)測系統(tǒng)在巖體邊坡穩(wěn)定監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警功能方面的突出優(yōu)勢。
本文簡要介紹了最具代表性的IMS高精度微震監(jiān)測技術(shù)及在邊坡穩(wěn)定監(jiān)測中的應(yīng)用。盡管該技術(shù)是在采礦領(lǐng)域的工程應(yīng)用中發(fā)展起來的，該技術(shù)近年來在石油開采、地?zé)衢_采、地下核廢料儲備設(shè)施、地下石油儲備和其它地下巖體工程的開挖中得到廣泛應(yīng)用。我國大型水電建設(shè)項目的巖體開挖工程規(guī)模越來越大，面對的巖體穩(wěn)定性問題也越來越復(fù)雜，因此，可以預(yù)計作為傳統(tǒng)巖體監(jiān)測技術(shù)的補充和擴展，高精度微震監(jiān)測技術(shù)對了解復(fù)雜應(yīng)力條件下巖體變形和可能的失穩(wěn)演變機理提供了一個有效工具，在水電工程中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。
由于工程條件和微震監(jiān)測技術(shù)的復(fù)雜性，需要有專門的工程技術(shù)人員來運行系統(tǒng)。只有當(dāng)技術(shù)人員完全掌握了應(yīng)用技術(shù)，微震監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點才會充分顯示出來。
[1] Mendecki, A. J. (Ed.) (1997), Seismic Monitoring in Mines, 1st ed., Chapman & Hall.
[2] Mendecki, A. J. (1993), Real time quantitative seismology in mines: Keynote address, in Proceedings of the 3rd International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, Kingston,Ontario, Canada, edited by R. P. Young, pp. 287_295, Balkema, Rotterdam.
[3] van Aswegen, G., and A. G. Butler (1993), Applications of quantitative seismology in South African gold mines, in Proceedings of the 3rd International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, Kingston, Ontario, Canada, edited by R. P. Young, pp. 261_266, Balkema, Rotterdam.
[4] Mendecki, A. J. (2001), Data-driven understanding of seismic rock mass response to mining:Keynote Address, in Proceedings of the 5th International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines, Johannesburg, South Africa, edited by G. van Aswegen etc. South African Institute of Mining and Metallurgy.
[5] Lynch, R.A..and Wuite, B. Smith, and A. Cichowicz (2005), Micro-seismic monitoring of open pit slopes, in Rockbursts and Seismicity in Mines, Perth.
[6] Lynch, R., and D. Malovichko (2006), Seismology and slope stability in open pit mines, in International Symposium on Stability of Rock Slopes.
[7] 唐禮忠，潘長良，楊承祥，郭然（2006），冬瓜山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究，《金屬礦山》，2006年第10期，總364期。
[8] Lynch, R., and A. Mendecki (2004), Gap601a: Experimental and theoretical investigations of fundamental processes in mining induced fracturing and rock instability close to excavations-research project for safety in mines research advisory council, Tech. rep., ISS International Limited.
