综合集成高精度智能微震监测技术及其在深部岩石工程中的应用

通过微震技术获取更多的岩石工程灾害演化过程微震信息,自动识别岩石破裂微震信息,自动精准定位岩石破裂的位置,为灾害分析、预警与防控提供理论与技术支撑,一直是科学家和工程师研究的热点与难点。针对这些难点,研发了1）传感-采集-传输一体化集成技术;2）32位A/D与元器件联合降噪采集技术;3）微震信号递归STA/LTA-BP神经网络综合识别方法;4）基于PTP高精度时间同步策略的速度模型数据库速配微震源定位算法,并对这些技术进行了综合集成,提出了综合集成高精度智能微震监测技术。目前该技术已在国内外多个深部岩石工程进行了应用,应用结果表明该技术既可应用于岩爆、冲击地压等动力型灾害监测,又可应用于岩石工程开挖（开采）围岩稳定性监测,还可推广应用于矿产资源防盗采监测,一定程度上提升了岩石工程灾害演化过程微震信号的捕获能力、岩石破裂微震信号的识别能力和微破裂源的定位精度,正推动微震监测技术朝着岩石工程灾害自动监测、分析与智能预警方向快速发展。     

综合集成高精度智能微震监测技术及其在深部岩石工程中的应用

通过微震技术获取更多的岩石工程灾害演化过程微震信息,自动识别岩石破裂微震信息,自动精准定位岩石破裂的位置,为灾害分析、预警与防控提供理论与技术支撑,一直是科学家和工程师研究的热点与难点。针对这些难点,研发了1）传感-采集-传输一体化集成技术;2）32位A/D与元器件联合降噪采集技术;3）微震信号递归STA/LTA-BP神经网络综合识别方法;4）基于PTP高精度时间同步策略的速度模型数据库速配微震源定位算法,并对这些技术进行了综合集成,提出了综合集成高精度智能微震监测技术。目前该技术已在国内外多个深部岩石工程进行了应用,应用结果表明该技术既可应用于岩爆、冲击地压等动力型灾害监测,又可应用于岩石工程开挖（开采）围岩稳定性监测,还可推广应用于矿产资源防盗采监测,一定程度上提升了岩石工程灾害演化过程微震信号的捕获能力、岩石破裂微震信号的识别能力和微破裂源的定位精度,正推动微震监测技术朝着岩石工程灾害自动监测、分析与智能预警方向快速发展。     

基于STA/LTA岩石破裂微震信号实时识别算法及工程应用

微震监测获取的数据中通常混有大量的非岩石破裂信号,该类信号目前主要通过人工经验进行识别与滤除,这消耗了大量的宝贵时间,严重影响灾害的防治和救援效率。对大量微震信号进行分析,发现STA/LTA算法在信号实时触发后能大致表征波形振幅和频率的变化,岩石破裂信号和非岩石破裂信号在延迟位置处R值具有差异性。基于此,提出了岩石破裂微震信号实时识别算法。新算法应用到白鹤滩水电站地下厂房、红透山和阿舍勒铜矿深部采场3个工程,岩石破裂事件识别的准确率分别是85.98%、92.45%和91.06%,非岩石破裂事件滤除的准确率分别是72.06%、83.11%和49.87%。该算法使基于岩石破裂微震信息的岩石工程灾害自动分析与预警成为可能,具有重要意义。     

基于EMS微震参数的岩爆预警方法及探讨

一系列深埋长大隧道工程在我国西部涌现,深埋隧道围岩的岩爆成因机制及监测预警成为亟待解决的课题。微震监测作为岩体微破裂空间监测技术在隧道工程岩爆预警上发挥了重要作用。由于微震数据存在的波动性（时间序列）、离散性（空间分布）和误差,利用震源参数随施工循环的演化特征评估岩爆发育过程并非足够稳定、有效。基于3种微震监测易于获取且紧密联系的震源参数（地震能量、地震矩和视应力）,扩展建立了用于岩爆评估与预警的EMS方法。该方法定义了地震能量、地震矩、视应力3种评价指标,并获得了3种评价指标间的关系;将3种评价指标用于岩爆预测,并进行了岩爆等级评估;同时还给出了微震路径与震源参数空间的概念。最后,将EMS方法应用于巴陕高速米仓山隧道的岩爆灾害实例,对岩爆里程段微震事件簇（微震事件聚集区域）内岩体累进破裂和岩爆发育过程进行了评估,实现了简易有效的微震数据日常处理与岩爆灾害评估预警。     

岩体破裂尺度与频率特征关系及其工程实证研究

将S变换时频分析技术引入微震信号波形分析领域,通过震源破裂尺度,研究微震信号频率特征与岩体变形破坏之间的联系。以西南地区3个水电工程作为研究对象,将大量微震监测数据作为统计样本以减小外部因素对参数计算的影响。在该基础上统计、分析岩体破裂尺度与微震信号频率之间的关系,结合大渡河猴子岩水电站地下厂房微震与多点位移计监测资料进行工程实证研究。研究结果表明,当岩体破裂尺度增大时微震信号高频成分减少,表现出低频特征;在围岩变形过程中微震信号高频成分呈现出先减少再增加的演化规律,围岩发生明显变形前微震信号出现由高频向低频转移的现象,因此,可将聚集区域内微震信号频率降低作为该区域岩体宏观变形破坏的前兆信息。研究结果可为基于微震监测的岩体工程稳定性分析及其灾害预测预报提供参考。     

香炉山钨矿残采区地压灾害微震监测技术应用分析

香炉山钨矿东区形成了形状复杂、体积巨大的采空区,地压灾害问题突出。为了确保矿山生产安全,该矿成功地建立了国内最大、最先进的48通道全数字型微震监测系统。本文简要介绍了多通道微震监测系统的组成、传感器的优化布置,分析了微震监测系统对微震事件的定位误差和效果;论文进一步对采区内微震定位事件、非定位事件进行了初步的应用研究;论文还对西区大爆破对东区地压的影响程度进行了监测。最后,论文对井下岩体破裂类型与释放的弹性波波形进行了辨识与频谱分析。初步的地压微震监测与分析结果表明,微震监测技术能对香炉山钨矿残采区进行动态的地压监测,可以预见该技术将在今后的矿山安全管理中起到更加重要的作用。     

蓄水期坝肩岩质边坡微震活动性及其时频特性研究

以锦屏一级水电站左岸坝肩边坡微震监测数据为基础,研究蓄水期微震活动性规律,利用S变换（ST）对波形进行分解,并将其应用于左岸坝肩边坡蓄水期与施工期的微震波形处理,以研究其岩石微破裂信号的时频特性。研究表明,(1) 微震活动性与地质构造及蓄水活动密切相关,与施工期相比,蓄水期坝肩边坡岩体趋于稳定状态;(2) S变换综合了短时傅里叶变换（STFT）与小波变换（WT）的优点,其在微震等非平稳信号的时频分析中具有独特的优势;(3) 时频特性与波形特征相比更加稳定,基于S变换的微震波形分解能较好的揭示波形中包含的震源破坏信息;(4) 与施工期相比,左岸坝肩边坡岩石微破裂信号在蓄水期频率升高,持续时间减小,单震型微震事件比例增大,主要是由于在蓄水期左岸坝肩边坡岩体整体性和强度提高,岩体趋于稳定,从而使微震信号表现出不同的时频特征。微震时频参数可以反映岩体的内部微破裂信息,并为其稳定性分析提供参考。     

煤矿底板注浆堵水工程实践

微震波蕴含了大量的震源和传播介质的信息,包括震源位置、类型、能量、岩层密度、裂隙等。微震监测的过程就是对微震波的反演分析过程。微震监测能够对煤矿突水通道进行时空定位,通过对定位结果的三维展示和分析,实时监测突水通道的形成扩展过程。以某矿煤层底板注浆成功治理4301工作面底板突水工程实践为例,认为采用微震监测技术可有效分析判断工作面出水水源;在注浆治理工程中利用微震事件监测可有效指导钻孔注浆量及压力;治理工程完成后通过对比分析含水层水位与突水水质数据,可以对注浆堵水进行效果评价。     

三峡工程万州库区高切坡地质灾害变形监测

三峡工程万州库区高切坡地质灾害监测网络,采用了高精度的GPS空间定位技术、全站仪变形监测技术、数字化精密水准测量、先进的遥测台网技术并与地理信息系统相结合,构成了一个空间上点、线、面相结合的高效率的地质灾害监测网络系统。该变形监测系统2008年建成,到目前为止,已经获得了大量宝贵的监测数据,为当地高切坡灾害预警预报提供了科学依据。     

微地震技术在裂缝监测中的应用研究

论述压裂过程中诱发微地震的激发机理,分析人造裂缝与地应力关系并叙述了微震事件的定位方法。利用微地震监测技术,通过实时定位理论系统对深凹区BYHF1井页岩水平井分段大型压裂过程实时监测,运用偶极子测井和VSP资料建立监测井区的初始速度模型,并通过射孔炮对其校正。在对实时监测定位理论系统数据进行综合处理分析,及有效微震事件识别的基础上,利用纵波和横波信息分析计算得到微地震事件的位置,通过可视化技术对压裂井区裂缝发育的方向、大小、空间分布进行了描述,监测结果是裂缝发育方向基本上为NE34°,与成像测井结果吻合良好。     

微地震技术在裂缝监测中的应用研究

论述压裂过程中诱发微地震的激发机理,分析人造裂缝与地应力关系并叙述了微震事件的定位方法。利用微地震监测技术,通过实时定位理论系统对深凹区BYHF1井页岩水平井分段大型压裂过程实时监测,运用偶极子测井和VSP资料建立监测井区的初始速度模型,并通过射孔炮对其校正。在对实时监测定位理论系统数据进行综合处理分析,及有效微震事件识别的基础上,利用纵波和横波信息分析计算得到微地震事件的位置,通过可视化技术对压裂井区裂缝发育的方向、大小、空间分布进行了描述,监测结果是裂缝发育方向基本上为NE34°,与成像测井结果吻合良好。     

基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸地下厂房稳定性分析

针对白鹤滩水电站地下洞室群开挖过程围岩稳定问题,基于离散单元法的数值仿真软件3DEC,研究开挖卸荷作用对围岩变形和破坏的影响;引入微震监测技术,对洞室围岩内部微破裂演化实时监测和分析,并将数值模拟结果与微震监测数据对比分析;借助常规位移监测研究围岩宏观变形的时空演化规律,验证数值模拟和微震监测结果的准确性。研究结果表明,围岩损伤与现场施工状态密切相关,同时受各种地质结构影响;数值模拟得到的围岩变形特征与微震监测得到的微震事件聚集规律基本一致,且与常规监测结果对应良好,采用三维离散元数值模拟和微震监测技术相结合的综合研究方法,能够较好地描述围岩在开挖卸荷作用下的力学行为,有效评估洞室围岩的损伤特征和潜在风险区域。     

区域矿山地质灾害监测技术研究与应用

矿产资源的大规模开采,在满足国家经济建设需要的同时,也会引发地质灾害,破坏矿区的生态环境并威胁人民群众的生命财产安全。对地质灾害隐患的动态监测预警,是矿山地质环境的重要研究课题。本文着重讨论了差分干涉测量技术(Differential InterferometricSynthetic Aperture Radar-DInSAR)和微震监测技术在矿山地质灾害中的应用,前者利用多时相卫星雷达影像,通过相位相减并去除地形、大气等误差,获得大范围高精度的地表形变信息,后者通过实地布设监测系统观测分析生产活动中产生的微小地震事件,并根据震动波在介质中的传播确定破裂的具体位置。地表形变和地下应力监测数据相结合,能够实现对矿区进行实时、全面地一体化监测。     

透明地质关键技术及示范专题客座主编寄语

煤矿智能化建设是煤炭企业转型升级的技术方向,煤矿智能地质保障系统是《煤矿智能化建设指南(2021年版)》的基本建设内容,其核心是实现矿井地质信息的透明化.透明地质是以高精度地质探测和监测技术为核心,以三维地质可视化平台为支撑,建立地质与工程数据动态融合的高精度模型,为智能掘进、智能采煤以及智能安全监控等提供基础地质保障.为此,需要大力推广智能采掘T作面的随采智能探测、随掘智能探测与监测的技术装备,积极研发智能钻探、智能物探、智能探测机器人等新技术与新装备,并开展智能地质保障系统的技术集成和工程示范.     

工程滑坡防治关键问题初论

在概述工程滑坡灾害防治研究主要进展的基础上,从工程边坡扰动过程与机理、潜在工程滑坡危险性识别评估和监测预警3个方面,集成探索工程滑坡灾害有效预防的主要途径,强调潜在工程滑坡危险性识别评估是有效预防工程滑坡灾害的关键;从快速钻探勘察技术、快速评估和快速锚固技术,特别是深层滑坡自适应锚固技术研究方面,概述工程滑坡快速防治技术研究新进展;从主动减灾防灾理念和意识、工程滑坡风险评估与控制、综合减灾3个方面,集成研究主动减轻工程滑坡灾害的有效途径,强调构建“防、治、管”为一体的国家级综合减灾信息共享平台,是综合减灾防灾的关键。     

工程滑坡防治关键问题初论

在概述工程滑坡灾害防治研究主要进展的基础上,从工程边坡扰动过程与机理、潜在工程滑坡危险性识别评估和监测预警3个方面,集成探索工程滑坡灾害有效预防的主要途径,强调潜在工程滑坡危险性识别评估是有效预防工程滑坡灾害的关键;从快速钻探勘察技术、快速评估和快速锚固技术,特别是深层滑坡自适应锚固技术研究方面,概述工程滑坡快速防治技术研究新进展;从主动减灾防灾理念和意识、工程滑坡风险评估与控制、综合减灾3个方面,集成研究主动减轻工程滑坡灾害的有效途径,强调构建“防、治、管”为一体的国家级综合减灾信息共享平台,是综合减灾防灾的关键。     

WD智能天然源面波数据采集处理系统及其应用试验

我国自主研发的WD智能天然源面波数据采集处理系统,改变了迄今为止现场仪器只采集天然微振动波形记录的现状。该系统利用大数据计算、筛选、叠加、归一化等技术,创先性研制出现场仪器在采集微震信号的同时,可直接显示勘探成果的面波频散曲线;信号采集过程中,无需震源,无需人工控制;装置系统安置在地面,10~30min可获得上百米深度地层的面波频散曲线,得知土层软硬。在不同岩性地区的试验结果证实,该系统能快速、准确地进行地层划分,操作便捷,适应性强,为天然源面波勘探广泛应用于工程勘查提供了技术保障。     

孤岛综放面冲击地压前兆信息识别及多参数预警研究

孤岛综放工作面强烈的动压显现使得其发生冲击地压的可能性大大增加,通过运用微地震和电磁辐射综合监测手段分析孤岛综放工作面两次强动压显现事件,获得了工作面煤体发生冲击地压前后能量积聚与释放规律及相应微震和电磁辐射监测数据变化规律,认为工作面煤体发生冲击地压前一般存在一个短暂的能量积聚期,在能量积聚期内微震系统监测到的微震事件的次数和总能量均较少,同时能量积聚期内煤体电磁辐射强度值和脉冲数均持续升高。将工作面微震事件的沉默期以及煤体电磁辐射强度值、脉冲数的持续升高期作为冲击地压的综合前兆信息,并将其转换为量化的预警参数和指标,建立了工作面冲击地压多参数预警方法。现场实践表明,危险识别与灾害预警效果良好。     

《滑坡监测预警与应急防治技术研究》一书出版

由殷跃平、吴树仁教授等著的《滑坡监测预警与应急防治技术研究》,近期由科学出版社出版发行。本书被列为新世纪工程地质学系列丛书。内容涉及滑坡早期识别与空间预测、监测预警高新监测技术和简易仪器研制、应急快速治理技术和风险评估方法等,是近年来滑坡灾害研究较为系统的成果。     

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es /Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明：在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。