[科普中国]-微地震监测技术

微地震是一种小型的地震（mine tremor or microseismic）。在地下矿井深部开采过程中发生岩石破裂和地震活动，常常是不可避免的现象。由开采诱发的地震活动，通常定义为，在开采坑道附近的岩体内因应力场变化导致岩石破坏而引起的那些地震事件(Cook，1976)。开采坑道周围的总的应力状态．是开采引起的附加应力和岩体内的环境应力的总和。

简介矿山微地震监测技术共分为三类：第一类是矿井地震监测系统，用于监测矿震，特点是监测大震级破裂事件，定位精度500米左右，主要采用地震行业的技术和设备；第二类是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，定位精度50-100米左右。一般适合采区尺度的震动监测。第三类是高精度微地震监测系统，用于监测小震级冲击地压和岩层破裂，定位精度达到10米以内，适合采掘工程尺度。1

开发背景岩爆是岩石猛烈的破裂，造成开采坑道的破坏(Cook，1976；Ortlepp，1984)，只有那些能够引起矿区附近的地区都受到破坏的地震事件才叫做冲击地压或煤爆、“岩爆”。对地下开采诱发的地震活动性的研究表明，矿震不一定全都发生在开采的地点，且不同地区的最大震级也不相同，但矿震深度一般对应于开采挖掘的深度。每年在一些矿区的地震台网能记录到几千个地震事件，只有几个是岩爆。在由开采引起的地震事件的大的系列里，岩爆只是其中很小的一个分支。对矿山地震、微地震及冲击地压的观测具有一致性，但应用到实际生产中必须区别对待。2

各国实践上西里西亚第一个监测地震活动的台网，20年代末期建在上西里西亚(上西里西亚煤盆的德国一侧，现属于波兰)。台网由四个子台组成，其中一个子台放在Rozbark煤矿的井下，装有Mainka水平向地震仪。这个台网不断改进，坚持运转直到二战以后(Gibowicz，1963)，直到60年代中期，被安装在地表和地下的现代化地震台站代替。

南非在南非，于1939年设计并布设了五个机械式地震仪，在地面组成台阵，主要为矿震定位(Gane等，1946)。虽然自矿区开采以来地震活动性和采矿的关系已经看得非常清楚，但是，是Gane等人(1946)在Witwatersrand地区第一次描述了深部金矿开采和地震活动的直接关系。

美国矿业局在20世纪40年代就开始提出应用微地震法来探测给地下矿井造成严重危害的冲击地压，但由于所需仪器价格昂贵且精度不高、监测结果不明显而未能引起人们的足够重视和推广。直到近10年来，地球物理学的进展，特别是数字化地震监测技术的应用，为小范围内的、信号较微弱的微地震研究提供了必要的技术基础。近期，为了验证和开发微地震监测技术在地下岩石工程(如地热水压致裂、水库大坝)、石油、核废料处理等)中所具有的巨大潜力，国外一些公司的研究机构和大学联合，进行了一些重大工程应用实验。

1997年，在美国德州东部的棉花谷(Cotton valley)进行了一次全面而深入的水压致裂微地震成像现场实验，以验证微地震成像技术的实用价值。该实验取得了巨大成功，证明微地震成像技术相对于其它技术来讲，分辨率高、覆盖范围广、经济实用及可操作性强，很有发展潜力。

英国在英国，P.Young教授领导的KEELE大学应用地震实验室ASL(Applied Seismology Laboratory)，主要从事岩石力学方面的微地震基础应用研究，主要分为3个方向：震源力学、微地震成像及岩石力学。其主要研究目的是：揭示岩石在外界条件(如承载、温度、渗流压力等)变化时裂纹初始结晶、凝聚接合及其扩展的机理，研究岩石宏观损伤、破裂的监测技术。

位于加拿大金斯敦的工程地震组织ESG(Engineering Seismology Group)的主要成员是出自P.Young教授的门下，该组织主要进行工程实际现场应用研究，研究方向为岩石地下工程微地震系统的构建、微地震信号采集、处理及分析，编制的软件可以实时进行微地震事件定位。

加拿大原子能公司为监测深部开挖引发的大应力集中，防止其造成危害，采用了微地震监测技术，定量评定损伤程度，并监测所存放在地下的放射性核燃料扩散到周围地下水中的可能途径，以防造成污染。该研究机构为了保证置放核燃料的地下结构的稳定性，在-420m水平开挖了一条直径3.5m、长46m的实验隧道，进行专门研究，称为地下实验室URL(The Underground Research Laboratory)。其开挖围岩主要是低渗透性硬岩，研究的主要课题是地下坚硬围岩开挖引发的柱状隧道损伤。在传统的应力、应变监测的同时，进行了详细的微地震监测，使用了分布在开挖体周围的16个三分向加速度计，在1a的时间内记录并定位了大约10000个微地震事件。这是一项耗资巨大的科研工程，围绕这一项目得出了许多有价值的科研成果。重点内容是微震事件分布、能级、机理及其与岩石变形的关系，依据现场实测结果来建立和分析数学模型。

澳大利亚联邦科学与工业研究院CSIRO从1992年开始对采矿诱发的微地震现象进行研究。在对昆士兰州的高登斯通矿以及其它几个矿区的微地震活动进行研究后发现，在采煤面连续推进过程中，其周围岩层的微地震活动表现出一种规律化的模式，表明在采矿过程中，其周围岩层的地质缺陷及其断层等会受到采动的影响而被激活，产生相应的运动，这种结构性的运动会影响到整体响应，以至于在远离工作面几百米的地方也会发生微地震活动。1999年8月～2000年6月，在APPIN地区，对采矿引发的微地震进行了布网监测。随着经验的积累和技术手段的提高，初步证明微地震可在现场附近进行观测并能对其进行比较精确的定量研究。微地震研究取得的良好效果，为采矿工作提供了大量有益信息，极大地激发了矿业公司投资进行此类监测及研究的积极性，到目前为止，澳大利亚联邦科学与工业研究院CISRO已完成15个矿的微震监测试验，积累了大量的现场经验，为微地震监测工作的广泛开展和进一步研究打下了良好基础。以姜福兴教授为首的矿山微地震研究团队在吸取国际上微地震监测成果的基础上，针对矿山的不同灾害，研制了系列微地震监测仪器、传感器和软件，已经形成了灾害监测、评价和治理的成套技术和装备，并在多个矿山取得了成功应用。研究团队由采矿工程、仪器仪表、地球物理、安全工程、软件工程等专业的博士、教授和研究生组成。通过承担大量国家和企业的科研项目，在理论、技术和装备一体化方面，取得了多项国际领先水平的成果，为企业解决了很多安全难题。目前推出的微地震监测成套技术和装备，是在这些重要项目的基础上开发的。3

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院