微地震监测系统及定位原理 以及工程应用

AB
岩石破裂过程中产生微地震事件的原理
支承 压力
微震 事件
岩层 运动
岩体 破裂
微震监测技术是以岩体破裂的被动监测 作为监测目标，通过定位和能量计算得到岩 体破裂的位置和破裂尺度，为各种应用提供 基础数据。
冲击地压监测的对象：支承压力分布特征
控制冲击地压根本：岩层运动规律
飞机的定位原理
检波器
监测原理
在破裂区周围的空间内布置多组检波器实时采集微 震数据，经过数据处理后，应用震动定位原理，可确 定破裂发生的位置 。
定位原理
岩层破裂发生在应力差大的区域，因此，岩层破 裂区总是与高应力差区域相重合，并与高应力区域 接近。
应用原理
σ 微震
数量
全应力应变曲线 微震事件数
ε
A
支承压力曲线 岩层破裂
1#
S波
P波 4#
2#
5#
实体煤
采空区
实体煤
3#
6#
检波器接受岩层破裂产生的声波信号，利用时间差和波速进行定位
S波的速度仅次于P波（最快的地震波）。S波的S也可以 代表剪力波(shear wave)，因为S波是一种横波，地球
内部粒子的震动方向与震波能量传递方向是垂直的。 微地震监测定位原理示意图
P波意指（primary wave）或是压力波（pressure wave）。 在所有地震波中，P波拥有最快的传递速度。P波的P也 能代表压力（pressure），来自于其震动传递类似声波， 属于纵波的一种(或疏密波)，传递时介质的震动方向与 震波能量的传播方向平行。
回采区 应力
构造 应力
外界 触发力
挤压力 水
煤岩体
挤压力 气
涌水量 增大
渗水 突水
形变 微破裂 大破裂
渗气 气突出
瓦斯浓 度增加
冲击
崩塌垮 落
火源
爆炸 燃烧
震
撞击磨 擦升温
设备损坏
电火花外 泄
人为 因素
此色是灾害 此色有破坏 此色表示各种力 黑色或灰色表示煤岩体
应 力
监测 预警 原理
断裂—震动
普通微震
矿震、冲击地压与微震的关系
矿 震——矿区范围内有感震的 动力现象
冲击地压——采场与巷道周围的灾害性 动力现象
微 地 震——采动引起岩体破裂时产生的 动力现象
三者之间的对比
事件数量上
微震 > 冲击地压 > 矿震
能量上
微震 < 冲击地压 < 矿震
影响范围上
微震 < 冲击地压 < 矿震
微震烈度的描述
应变
应 力
监测 预警 原理
破裂-震动
高精度微震
应变
高应力作用下岩石出现微破裂（微尺度、 微能量）——裂缝扩展、贯通（小尺度、小能 量的破裂）——岩体局部失稳（中尺度、中能 量的冲击）——岩体结构破坏、大范围失稳 （大尺度、大能量的矿震）
研究“宽频带和高密度”一体化的震动监测技 术,实现“小尺度破裂——扩展——中尺度破裂— —冲击——结构失稳——矿震”的过程监测，特别 是前端的前兆监测，以提高震动监测的预警水平。
微地震监测定位数学原理 震源坐标
微地震监测定位数学原理 检波器坐标
微地震监测定位数学原理 波速 到时 震时
微地震监测定位数学原理 未知数(4个)：x，y，z，t
工作分工
地测人员的工作
监测人员的工作
到时拾取(确定到时)
1# 70ms 2# 76ms 3# 82ms 4# 55ms
5# 61ms 6# 77ms 拾取P波到达时间，根据到时差和波速计算震源（破裂点）位置
适合于监测大能量事件，如矿震
国内：监测范围小、搬家次数多、精度高 适合于监测冲击地压、岩体破裂
检波器的选取 依据：监测目的
微震事件震动能量一般为10^2～10^10J，频 率一般为0～150Hz。微震事件能量越大，频 率越小。
中频—矿震、冲击地压、岩体破裂
低频—矿震、冲击地压
低频检波器(起始4.5Hz)
3 高精度防爆型微地震监测系统——用于监测矿震和岩层破裂，特点是井 下设防爆分站，地面设监测中心，检波器采用井田内分布式、区域内集中 式布置，可以布置深孔检波器，矿震和破裂事件的定位精度达到10米左右， 适合采掘工程尺度，用于监测工作面和顺槽附近的冲击地压、透水范围、 三维破裂场和高应力场。
注：大尺度和小尺度微地震监测系统各有其应用范围，解决的工程问 题是不同的，因此，正确地选择合适的微地震监测系统是成功的关键
数据采集软件 定位软件
微地震监测结 果分析软件
微地震监测结果分析系统
北京科技大学
微震事件定位过程 修改当日工作面位置
修改当日检波器坐标
拾取到时
定位计算检Leabharlann 器布置方式内场定位 3～8m
近场定位 5～10m
外场定位 10～50m
国外设备检波器布置方式
国内设备检波器布置方式
两种布置方式对比 国外：监测范围广、搬家次数少、精度低
(BMS)微地震监测系统结构
硬件：检波器、监测主机、监控主机、数据传输线路 软件：监测软件、分析软件、定位软件、后处理软件
BMS微地震监测系统 地面监测主机
BMS微地震监测系统 地面数据处理主机
BMS微地震监测系统 地面数据处理主机
BMS微地震监测系统 KZ-1型三分量检波器
BMS微地震监测系统 检波器安装机具
破裂点剖面位置
破裂点平面位置
按定位尺度分为三类：
1 分布式矿井地震监测系统——用于监测矿震，特点是注重监测大震级破 裂事件，定位精度100-500米左右；
2 分布式微地震监测系统——用于监测小型矿震，特点是可监测小震级破 裂事件，采用分布式结构，定位精度50-100米左右。大部分国外的产品属 于此类系统；
指标：能量、震级
地震 世界上最大震级为9.5级 中国最大震级为8.6级 震源深，数千米 5级以下不会造成严重破坏
矿震 世界上最高震级为4.6级 国内矿震的最高震级为4.3级 震源较浅，数百米 1.5级以上可能造成严重后果
有震不一定有灾 有灾一定有震 监测震能够预测灾
岩石在应力作用下发生破坏，并产生微震和声波。
（KZ型） （伪三分量检波器）
（真三分量检波器）
中频检波器(起始60Hz) （CJ型）
微地震监测技术
矿井动力灾害治理现状
武器不精，敌情不清 措施不力，效果不佳
我们在打一场“灰色”战争，时有牺 牲
微地震监测系统及定位原理 微地震监测数据的后处理 微地震监测系统的工程应用 冲击地压实时监测预警系统 冲击地压监测设备应用现状
第一部分 微地震监测系统及定位原理
采空区 应力