摘要：微震監測技術是一種高科技信息化的地下工程動力監測技術。隨著設備硬件技術、信號處理技術和數字化技術的快速發展，微震監測技術的應用在國際上也越來越多，目前國內出現了對該技術的應用研究熱。本文介紹了微震技術的特點及微震技術在地下工程安全監測中的作用。根據微震監測技術在國內外的應用，概括了該技術在地下工程安全監測和防災減災監測的若干方面的應用。
0 引言
微地震監測技術(Microseismic Monitoring Technique，簡稱MS)基于聲發射學和地震學，現已發展成為一種新型的高科技監控技術。它是通過觀測、分析生產活動中產生的微小地震事件，來監測其對生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術。當地下巖石由于人為因素或自然因素發生破裂、移動時，產生一種微弱的地震波向周圍傳播，通過在破裂區周圍的空間內布置多組檢波器并實時采集微震數據，經過數據處理后，采用震動定位原理，可確定破裂發生的位置，并在三維空間上顯示出來。
1 微震監測在工程中的應用歷史[2]
微地震監測技術在地下工程中的應用最早始于上世紀初的南非約翰內斯堡地區的金礦開采誘發的地震監測。南非對微地震的早期監測是采用常用的地震監測儀器，20多年后，60年代大規模的礦山微震研究在南非各主要金礦山展開，并隨之在l970-1980年代以來各采金礦山先后建立了礦山微震監測臺站。到上世紀中葉，在波蘭、美國、前蘇聯、加拿大等采礦大國都先后開展了礦山地震研究，且隨著電子技術和信號處理技術的發展，多通道的微地震監測技術也開始得到應用，最突出的有以美國斯波坎的Electrolab公司為代表研制和生產多通道微震監測技術和設備，并在美國的金屬礦山得到應用，微震監測技術在非礦山行業之外的核能、地下油氣存儲庫、地下隧道工程等領域也得到應用，如加拿大原子能地下實驗室就采用了微震監測系統口。近年來，利用微震監測技術進行地下災害救助等方面，也得到應用。在上個世紀90年代以前，微震監測設備大都是模擬信號型的；90年代開始，全數字型微震監測技術和設備開始得到廣泛的應用。由于全數字型微震監測技術的出現，使得在大規模的信號存儲、計算機自動監測、數據的遠傳輸送、監測定位的實時分析和信號分析處理的可視化成為可能。全數字技術的出現和發展，大大促進了微震監測技術理論和應用的發展，開創了微震監測技術理論和應用研究的新局面。我國在上世紀的80年代中期開始微地震方面的研究工作。1986年，由煤炭部和國家地震局等相關單位牽頭在北京的門頭溝煤礦開始了微震監測方面的研究，利用由波蘭引進的一套模擬信號8通道微震監測系統(SYLOK)，對采煤區的微地震進行監測研究，這也是我國首次開展礦山(地下)多通道微震監測技術研究。2000年前后，澳大利亞聯邦科學院探采所與山東煤田地調局等單位合作在興隆莊煤礦開展了為期2年的礦震監測研究工作。2000年汕頭市液化氣庫建立了我國第一套24通道全數字型多通道微震監測系統，這也是我國在礦山行業之外的地下工程領域的第一套多通道微震監測系統。
2 微震監測技術的原理
2．1 微震監測技術的原理
微震是指在受外力作用以及溫度等的影響下，巖體等材料中的一個或多個局域源以順態彈性波的形式迅速釋放其能量的過程，微震起源于材料中的裂紋(斷層)、巖層中界面的破壞、基體或夾雜物的斷裂。采用微震監測儀器來采集、記錄和分析微震信號，并據此來推斷和分析震源特征的技術稱為微震監測技術。微震監測技術是在地震監測技術的基礎上發展起來的，它在原理上與地震監測、聲發射監測技術相同，是基于巖體受力破壞過程中破裂的聲、能原理。從頻率范圍可以看出地震、微震與聲發射之間的關系[3]。
本文所指的微震監測是被動監測，它是指在無需人為激勵的情況下，通過接收傳感器直接監測巖體結構在外荷載(力和溫度等)作用下產生破裂(微破裂)過程時所釋放的彈性波。也就是說，微震監測系統只需要接收傳感器(或拾震器)和數據采集儀，不需要發射傳感器或人工產生震源。它是以監測地下巖體和混凝土結構破裂過程為對象，采集破裂釋放的微地震波信號，再通過對震源信號的處理分析來評價地下結構的穩定性和安全狀況。
2．2微震監測技術的作用
微震監測技術在地下工程中的作用是多方面的，概括起來包括監測巖爆和礦震，應力集中與重分配，巖體大冒落，邊坡破壞，為地下結構設計提供參數和優化地下工程設計與施工，災害定位監測、預報和災害預警，地下災害安全救助，檢測工程(如大體積混凝土、地下注漿等)施工質量，監測巖體和混凝土結構的損傷和老化過程等諸多方面。由此可見，微震監測技術既可以用于地下工程施工過程中的各種安全監測，也可以用于建成工程的使用過程的安全監測。
3 微震監測技術的特點
3．1實時監測
多通道微震監測系統一般都是把傳感器以陣列的形式固定安裝在監測區內，它可實現對微震事件的全天候實時監測，這是該技術的一個重要特點。全數字型微震監測儀器的出現，實現了與計算機之間的數據實時傳輸，克服了模擬信號監測設備在實時監測和數據存儲方面的不足，使得對監測信號的實時監測、存儲更加方便。
3．2全范圍立體監測
采用多通道微震監測系統對地下工程穩定性和安全性進行監測，突破了傳統監測方法力(應
力)、位移(應變)中的“點”或“線”的意義上的監測模式，它是對于開挖影響范圍內的巖體破壞(裂)過程的空間概念上的時間過程的監測。該種方法易于實現對于常規方法中人不可達到地點的監測。
3．3空間定位
多通道微震監測技術一般采用多通道帶多傳感器監測，可以根據工程的實際需要，實現對微震事件的高精度定位。微震技術的這種空間定位功能是它的又一與實時監測同樣重要的特點，這一特點大大提高了微震監測技術的應用價值。由于與終端監控計算機實現了數據的實時傳輸，可以通過編制對實時監測數據進行空間定位分析的三維軟件，籍助于可視化編程技術，可以實現對實時監測數據的可視化三維顯示。
3．4全數字化數據采集、存儲和處理
全數字化技術克服了模擬信號系統的缺點，使得計算機監控成為可能，對數據的采集、處理和存儲更加方便。由于多通道監測系統采集數據量大，處理時需要計算機進行實時處理，并將數據進行保存，而大容量的硬盤存儲設備、光盤等介質對記錄數據的存儲、長期保存和讀取提供了保證。微震監測系統的高速采樣以及P波和S波的全波形顯示，使得對微震信號的頻譜分析和處理更加方便。
3．5遠程監測和信息的遠傳輸送
微震監測技術可以避免監測人員直接接觸危險監測區，改善了監測人員的監測環境，同時也使得監測的勞動強度大大降低。數字技術的出現和光纖通訊技術的發展，使得數據的快速遠傳輸送成為可能。數字光纖技術不僅使信號傳送衰減小，而且其它電信號對光信號沒有干擾，可確保在地下復雜環境中把監測信號高質量遠傳輸送。另外，可利用Internet技術和GPS
技術，把微震監測數據實時傳送到全球，實現數據的遠程共享。
3．6多用戶計算機可視化監控與分析
監測過程和結果的三維顯示以及在監測信號遠傳輸送的前提下，利用網絡技術(局域網)實現多用戶可視化監測，即可以把監測終端設置在各級安全監管部門的辦公室和專家辦公室，可為多專家實時分析與評價創造條件。
4 微震監測技術在地下工程中的應用領域
微震監測技術在地下工程災害和安全監測方面的應用涉及公路鐵路交通、水電工程、能源儲備、礦山資源開發、核設施安全監測等多領域，可以說微震監測技術在巖土工程和地下工程中的應用是多方面的。以下概要介紹該技術在這些方面的應用。
4．1 隧道圍巖穩定性監測
4．1．1 隧道工程施工安全監測
對于高地應力作用或深埋的長大隧道，在工程施工階段往往會產生巖爆等動力地壓災害，以及工程施工爆破誘發的諸如大冒落等災害，這些災害會嚴重威脅施工人員和設備的安全，影響工程施工進度。微震監測技術可以對巖爆、大冒落等地壓災害實現有效的監測，確保施工過程的安全生產。隧道工程安全監測可以采用便攜式微震監測設備，進行流動的抽樣監測；也可以對長大隧道進行固定式多通道微震監測，監測系統可以沿用到隧道使用階段的安全監測。
4．1．2 隧道使用安全監測
公路和鐵路隧道有很高的安全要求，地下隧道在建成使用期間，隨著隧道周邊工程地質環境的變化、支護結構的老化、地震作用的影響等，起承載作用的圍巖體、支護結構體等的受力狀況會產生變化，可能在它們內部產生不同程度的損傷或破裂，這種損傷的積累甚至誘發災變。因此，對一些重大的隧道工程如超長大隧道、過江跨海隧道等在使用期間，對圍巖體和支護結構進行實時監測，監測巖體隨時間弱化和混凝土老化，掌握結構內的微破裂前兆、損傷程度等，及時采區措施，防范災害的發生，確保使用期間隧道的營運安全等有重要的意
義[1]。
4．2 地下注漿工程監測
注漿技術是一種廣泛應用于地下隧道、城市地下鐵、水利水電工程、礦山防治水工程等眾多領域的技術，注漿技術的目的一是加固巖、土體，提高其強度，二是堵水防滲，減小巖土體的滲透性。微震監測技術的作用一是確定漿體注入的范圍，確保注漿效果；二是防止跑漿，降低成本。對于一些大型的注漿工程，采用微震監測技術來監測注漿效果是非常有技術和經濟價值的。日本等國家在地下注漿工程方面有工程應用方面的研究[4]。
4．3 大型地下油氣庫的安全監測
地下油氣庫的安全監測其目的是監測圍巖體及其支護結構的穩定性，防泄漏 世界上第一個地下油氣存儲庫建成于上世紀初，二戰后世界石油需求量大增，為防需求的波動和戰略儲備的需要，促進了地下油氣庫的建設，一些發達的高耗能國家如美國、日本等先后建立了大量的地下油氣存儲庫。到2001年為止，全球已建成70多座地下油氣庫。韓國、日本是亞洲較早建地下油氣庫的國家，在這兩個國家的一些地下油氣庫的建設和使用中都使用過和建立了多通道微震監測系統。到目前為止，我國已建成并投入使用的汕頭液化氣庫成功建立了一套24通道的全數字型微震監測系統，對兩個10萬m。的地下氣庫進行全天候實時監測，每個氣庫各安裝了2個三軸傳感器和6個單軸傳感器。據報道，我國第二座液化氣庫也正在寧波建成。中國規劃未來20年中將投入1000億美元進行石油戰略儲備，在北至遼寧、南到廣西的海岸線上的地質構造穩定、可建造深水碼頭的沿海地區，將出現更多這樣的地下油氣庫。也由此可見，微震監測在我國的地下油氣庫安全監測方面有廣闊的前景。
4．4 石油工程中的監測應用
微震監測技術一個重要的應用就是在石油工程領域的應用。對于抽采石油的采區，為了提高石油的采出率，往往要向采區注入高壓水破巖。石油開采一般都在大深度的地層下進行，淺則幾百米，深則上千米。因此，注水要技術上可行和經濟上合理。微震監測技術對于這種大深度的井下注水工程有較好的監測效果，它可以強有力地確定巖體破裂和裂紋擴展方向、裂紋擴展長度和寬度等；確定注水鉆孔的合理位置，控制注水量以達到節約用水；優化壓裂設計，如注水壓力、注水時間等。加拿大的ESG公司就在美國的一些石油開采區使用了微震監測技術，并取得較好的經濟效益[5][6]。
5 結語
微震監測技術是一種高技術、信息化的地下工程動力監測技術。本文介紹了微震監測技術的主要特點、微震監測技術的作用，微震監測技術在地下工程的幾個方面的應用，并且較為全面地分析了該技術在礦山微地震、巖爆、地應力分布、冒頂與巖移、爆破及其余震、安全救助和預警等方面可能的應用。微震監測技術在應用方面，還不止本文所述及的幾個方面，在國外還有在地下核試驗室、核廢料存儲庫等其它方面的應用，這里沒有贅述。就目前而言，該技術在應用領域還有許多待解決的應用理論和技術問題，這方面在本文中沒有進行評述。雖然微震技術還存在一些亟待解決的理論和技術難題，但這并不妨礙該項技術的應用，理論和技術是在應用中得到完善和發展的。與國外相比，我國在該技術的應用方面還較落后，無論從技術應用和理論研究方面還處于起步階段。目前，國內還主要應用于礦產資源開發領域，在地下工程其它方面的應用不多。但可以肯定的是隨著微震監測技術理論的發展、設備性能的完善、價格的大眾化，以及人們對其認識的廣泛和加深，跨行業的更多的技術人員對其的了解等，其必將成為地下工程安全監測的重要手段，應用前景會更加廣闊。
參考文獻：
[1] 李庶林，尹賢剛，李愛兵．多通道微震監測技術在大爆破余震監測中的應用[J]．巖石力學與工程學報2005，24(Supp1)：4711一4714．
[2] 李庶林．試論微震監測技術在地下工程中的應用[J]．地下空間與工程學報，2009．
[3] 傅承義，陳運泰，祁貴仲．地球物理學基礎．北京：科學出版社，1985．
[4] 騰山邦久(馮夏庭譯)．聲發射(AE)技術的應用(M)．北京：冶金工業出版社，1996．
[5] 梁兵，朱廣生．油氣田勘探開發中的微震監測方法[M]．北京：石油工業出版社，2004．
[6] 桂志先，趙成，李秀榮，等．微地震監測技術中的幾個關鍵問題分析[A]．勘探地球物理學進展文集[C]．北京：石油工業出版社，2008．
