微地震监测技术在盐矿地面塌陷预警中的应用研究_郑雪静.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.045微地震监测技术在盐矿地面塌陷预警中的应用研究郑雪静，熊强青，刘恋（安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031）摘要 水溶性开采诱发地表塌陷是盐矿开采常见的地质灾害，为了监测开采溶腔发育发展情况及上覆地层稳定性，确保盐矿安全生产，利用实时微地震技术对定远东兴盐矿进行长期监测。通过布置 12 台监测台站，接收生产过程中的微地震事件，综合分析了 3 类与溶腔发育发展有关系的微震信号波形及时频特征，研究了开采溶腔发育发展过程中微地震事件诱发因素及形成的物理过程，为盐矿山微震监测的开展提供参考依据。运用微地震监测数据高精度定位震源，分析了定位事件的时空演化规律，为盐矿安全生产提供了技术保障。关键词 微地震监测；水溶性开采；盐矿；溶腔中图分类号P631.4文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0145-040引言食盐是人类不可缺少的生活必需品，又是基本化工的主要原料之一，在国民经济中占有重要的地位。我国盐矿开采普遍采用钻井水溶开采方式，水溶性开采诱发地表塌陷是盐矿开采中常见的且危害严重的地质灾害之一，具有突发性强、破坏程度大、持续时间长和反复出现等特点1。安徽省某盐矿一开采区自 2005 年以来共发生4 次塌陷。第一次塌陷前没有进行任何预警措施，突发的塌陷造成的直接经济损失上千万元，属特大型地质灾害级别。可见在盐矿生产管理中，需要实时掌握开采溶腔的发育动态，避免过度开采导致顶板冒落而诱发塌陷。研究表明，常规二维地震勘探技术已经被证明可以准确地预测开采溶腔的安全性2，但地震勘探设备大、人员多、费用高、周期长及不能实时监控等缺点对盐矿塌陷预警有局限性。而微震监测是一种岩石破裂监测技术，利用声学运动学原理，根据地震学的原理和思路利用弹性波场在地层介质中的传播特性，将产生或诱导的微小地震效应反演，求取微震震源位置等参数，进而监督或指导生产活动。因此，相对于常规地震勘探，微震监测可以实时地刻化溶腔的发育发展情况和顶板的应力变化。近年来，微地震监测技术发展迅速，目前微震监测技术已被广泛应用于固体矿山地压监测领域，以其区域性、实时性等特点成为矿山开采动态响应研究与地压灾害风险预警的重用工具3。微地震监测在国外水溶开采盐矿中已经有了广泛的应用，但在国内盐矿地面塌陷监测中尚无应用。1技术原理1.1事件识别及初至拾取长短时窗法通过计算地震数据的绝对值、能量或包络面的长时窗（LTA）与短时窗（STA）来作为识别有效时间的特征函数。当该比值大于某个预先设点的门限时，认为事件为有效信号，如图 1 所示。其原理是用 STA 和 LTA 之比来反映信号水平或能量的变化。当信号到达时，STA 要比 LTA 变化得快，相应的 STA/LTA 值会有一个明显的增加；当其比值大于某一个阈值时，此点被判定为初至。利用STA/LTA 方法识别出地震事件，可以得到 P 波和 S波的初至到时估计值，之后采用手动调整的方式对P 波和 S 波初至进行调整，得到准确的 P 波和 S 波到时。图 1STA/LTA算法示意1.2微地震事件定位本次研究的震源定位方法是网格搜索法。该方法具有原理简单、实现方便等特点，能够快速地确定真解的大概位置，其基本思想是把模型空间划分成规则的网格。首先在模型空间按较粗网格进行快i-l2i-l1itest pointEnergyWindowsLTASTA信息技术能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11452023 年 2 月Feb.,2023郑雪静，等微地震监测技术在盐矿地面塌陷预警中的应用研究速搜索，得到误差分布，然后基于 Gaussian 误差分布假设，对全局最小区域进行加密搜索；通过多次加密最终得到全局最小值，即震源位置。网格搜索法结合每个检波器拾取的旅行时、射线路径和建立的精细速度模型进行计算。假定在特定的网格中搜索到的极小值不是局部最小值，将重新建立新的网格密度。网格搜索法原理如图 2 所示。图 2网格搜索法原理2盐矿微地震监测应用实例2.1微地震监测系统建立结合常规地震勘探、微震监测技术的特点，在以往常规地震勘探圈定的塌陷隐患区域内布设微震监测站点 12 个，每个站点布设 1 套 32 位 A/D 数字采集仪（3 通道）和三分量矿用本安型拾震传感器，传感器埋深 8 m。微地震台站分布如图 3 所示。图 3微地震台站（黑点）分布2.2微震信号识别与分析由于盐矿开采现场环境较为复杂，噪声源多且杂，微地震检测记录中包含各种波形，而目前在盐矿开展的微地震监测研究较少。对研究区的监测数据进行分析研究，提取了 3 类有效微震信号的波形特征和时频特征。2.2.1高频信号高频微震信号波形具有 P 波初动方向向上、S波不易识别、波形尖锐、频率高（50160 Hz）、振动衰减很快、持续时间短的特征。高频微震信号代表了溶腔顶板破裂的物理过程。高频信号波形特征及频谱分析如图 4 所示。（a）true PDF（b）initial sampling（c）subdivision（d）subdivision（e）subdivision（f）manysubdivisions2.2.2塌陷前兆信号该类微震信号在盐矿发生塌陷前大量出现，塌陷发生后消失，称之为塌陷前兆信号。图 5 显示的信号波形特征是先高频（50（a）微震波形Y/mX/m4008001 2001 6001 6001 200800400S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S1检波器溶腔边界溶腔顶板破损边界图 4高频信号波形特征及频谱分析（Z 分量）（b）时频分析能量/dB2.2e-141.6e-141.1e-145.5e-151.6e-25时间/ms250200150100500频率/Hz频率范围/Hz01 4702 9404 4105 8807 376时频分析XYZ01 4702 9404 4105 8807 3761.1e-060-1.1e-06速度/（m/s）时间/ms微震波形采样率=500 Hz，震中距=651.8 m，频峰=18.80 Hz，时长=7.378 sec（2）S10 2020/03/16 03:18:56.91401462023 年 2 月Feb.,20232.3微震事件时空分布特征表 1 为该盐矿 2019 年 5 月到 7 月有效微震事件数量统计。表 1微震事件数量统计图 7 给出了不同时间段微震事件的空间分布情况。由图 7（a）可以看到，2019-05-1506-06 微震事件水平定位结果主要集中在 S5 台附近，涉及2 个溶腔，其中 1 个溶腔顶板破坏严重；图 7（b）是2019-06-0707-11 监测到的 71 个微地震事件网格搜索定位结果，依然集中在 S5 台附近，涉及 1 个图 5混合信号波形特征及频谱分析（Z 分量）图 6地表塌陷信号波形特征及时频分析时间微震事件数量/个2019-05-1506-061082019-06-0707-11712.2.3地表塌陷信号地表发生塌陷时记录到的微地震波形如图 6所示。通过对该信号的 S1 台 Z 分量进行时频分析发现，地表塌陷信号频率低、振幅强、衰减较慢，持续 1 min 多。（a）多台接收微震波形（c）S1 台 Z 分量时频分析（b）S1 台 Z 分量微震波形频率/Hz时间/min0.511.522.5-120-130-140-150能量/dB20190711.161500.S1.Z20100时间/sS1S2S6S8100 120 140 1602040608020190711.161500.S1.Z10-6速度/（m/s）50-5时间/s05010015020021530020190711.161500160 Hz）、紧随其后的是低频简谐振荡尾波（5 Hz左右）。针对这一现象，推断与岩石破裂及卤水涌入的过程有关，岩石破裂对应高频，卤水涌入对应低频。高压作用下的岩石脆性破裂是产生高频部分的原因，而随着流体涌入裂缝中的共振产生了紧随其后的低频简谐振荡。（b）时频分析能量/dB3.2e-132.4e-131.6e-138.1e-141.7e-25时间/ms1501209060300频率/Hz频率范围/Hz01 9603 9205 8807 8409 338时频分析（a）微震波形XYZ01 9603 9205 8807 8409 8382.5e-060-2.5e-06速度/（m/s）微震波形采样率=500 Hz，震中距=615.5 m，频峰=5.31 Hz，时长=9.840 sec（8）S4 2020/05/20 02:45:57.5980时间/ms能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11472023 年 2 月Feb.,2023（上接第 47 页）比，工作面初放步距由原来的 2630 m降低到了压裂后的 1012 m，垮落步距减小了58%，压裂效果非常显著。采取措施前，工作面垮落往往从工作面中部开始断裂，采取措施后，顶板断裂从工作面一侧开始，逐渐扩大，垮落形态由常规的整体断裂一次断裂变为分段多次断裂，初次断裂的剧烈程度变得缓和。端头及支架已经发生冒落，并且已经充填采空区。5主要结论（1）工作面机巷推进 17 m、风巷推进 16.6 m，工作面顶板完成大面积垮落。（2）A孔的设计断裂位置位于煤壁前方 10 m，这与顶板完全垮落的位置一致，说明水力压裂对断裂位置实现了可控。（3）与未采取强制放顶措施对比，工作面初放步距由原来的 2630 m 降低到了压裂后的 1012 m，垮落步距减小了 58%，压裂效果非常显著。采取措施前，工作面垮落往往从工作面中部开始断裂，采取措施后，顶板断裂从工作面一侧开始，逐渐扩大，垮落形态由常规的整体断裂一次断裂变为分段多次断裂，初次断裂的剧烈程度变得缓和。参考文献1庞贵艮.坚硬顶板水力压裂技术及效果检验 J.煤炭工程，2021，53（3）：27-30.2袁亮.煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究进展 J.煤炭学报，2020，45（5）：1557-1566.3付海峰，黄刘科，张丰收，等.射孔模式对水力压裂裂缝起裂与扩展的影响机制研究 J.岩石力学与工程学报，2021，40（增刊 2）：3163-3173.作者简介胡威（1987-），男，采矿工程师，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任淮北矿业股份有限公司许疃煤矿采煤副矿长，长期从事煤矿采掘技术及管理工作。收稿日期：2022-07-27溶腔，而且是最终发生地表塌陷的溶腔。（a）2019-05-1506-06 微震事件定位结果（b）2019-06-0707-11 微震事件定位结果图 7微震事件平面分布（黑色星号代表定位结果）3结论（1）在该盐矿建立的微震监测系统能够满足安全监测的要求，且通过对监测到微震事件的研究分析，确定了与盐矿开采溶腔发育发展有关的有效微震信号 3 类。（2）通过对塌陷信号及塌陷之前信号分析，盐矿顶板破裂到塌陷前都存在着不同特征的微震信号。动力灾害发生前，会有微震事件发生频次及定位结果趋于集中的现象，可以作为盐矿地面塌陷预警预报的依据。参考文献1刘章平，熊强青，谭静，等.二维地震勘探在盐矿塌陷预测中的应用 J.工程地球物理学报，2015，12（6）：823-827.2熊强青，袁兴赋，顾汉明，等.三维地震勘探在岩盐溶腔形态及其上覆地层完整性探测中的应用 J.工程地球物理学报，2019，16（3）：266-272.3王平，张洋，黄发凯，等.亚克斯铜镍矿复杂采空区稳定性规律研究 J.有色金属（矿山部分），2018，70（6）：24-28.作者简介郑雪静（1991-），女，工程师，毕业于中国地质大学（北京）地球物理学专业，长期从事地震勘探及微地震监测等方面的研究工作。收稿日期：2022-08-03