（安全技术及工程专业论文）基于GIS和微地震技术的矿山事故救援可行性研究.pdf

快 技术可 在矿山 用于矿 模拟再 地震技 进行应 电子地 理位置 表明， 种数字 关 西南科技大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t q u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e r m i n et h ep o s i t i o no ft h es t a f fi st h ef i r s tt h i n g o fm i n ea c c i d e n te m e r g e n c yr e s c u e m i c r os e i s m i ct e c h n o l o g yc a nb e3 d r e a l t i m ed y n a m i cm o n i t o r i n g ，c a nm e e tt h eo b je c t i v eo fs a f e t yp r o d u c t i o ni n m i n e s i th a sb r o a dp r o s p e c t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fs m a l le a r t h q u a k e si nt h e s a f ep r o d u c t i o ni nm i n e s ，b u tr a r e l yu s e df o rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fm i n e a c c i d e n te m e r g e n c yr e s c u e g i st e c h n o l o g yu s e de l e c t r o n i cm a pt os i m u l a t et h e v i s u a le n v i r o n m e n to fm i n e i t0 f f e r e di n t u i t i v ev i s u a le f f e c tf o rm i n ea c c i d e n t e m e r g e n c yr e s c u e t h i sp a p e rb a s e do ng i sa n ds e i s m i ct e c h n o l o g yt od om i n e r e s c u ef e a s i b i l i t y r e s e a r c h ：f i r s t ，u s i n g t h em i c r os e i s m i c t e c h n o l o g y f o r e m e r g e n c yr e s c u e l o c a t e ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，a n d t h e ne s t a b l i s hg i s p l a t f o r m ，c h a n g e dt h em i c r os e i s m i cl o c a t i o ni n t oe l e c t r o n i cm a ps i m u l a t i v e l o c a t i o n ，t h e nr e f l e c tt h el o c a t e da r e ai nt i m ea n dg i v e st h es p e c i f i cl o c a t i o n ， p r o v i d ea c c u r a t ep o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o nf o re m e r g e n c yr e s c u e ，a n da p p l i c a t i o n e x a m p l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft w ob i gt e c h n o l o g y u s e di nam i n er e s c u ec o m p l e t e l yf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ed i g i t a lt e c h n o l o g y s h o u l db em i n ea c c i d e n te m e r g e n c yr e s c u ed e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nf u t u r e k e y w o rd ：s a f e t y ；m i n e ；m i c r os e i s m i c ；g i s 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 il 页 f ：q 三王 口刊k 1 绪论1 1 1 选题的意义1 1 2g i s 数字矿山和微地震技术的现状2 1 2 1g i s 地理信息系统2 1 2 2 人员定位技术的发展现状3 1 3 本文的技术路线5 2 gls 与微地震技术综述7 2 1g i s 平台的现状及发展、7 2 1 1 g i s 在信息系统中的地位7 2 1 2 地理信息系统的发展8 2 2 微地震技术1 0 2 2 1 微地震技术介绍1 0 2 3 基于g i s 平台的微地震技术1 4 2 4 本章小结1 5 3 微地震技术研究应用16 3 1 微地震技术原理1 6 3 2 微地震技术研究1 7 3 3 微地震事件定位方法2 1 3 3 1p 波定位法2 1 3 3 2 地震波射线法2 3 3 3 3p 波射线传播方向交汇点法2 5 3 4 微地震定位实验2 7 3 5 微地震定位软件的实现3 2 3 6 数据应用3 3 3 7 本章小结3 5 4gls 平台的建立3 6 4 1g i s 及相关应用软件、硬件3 6 4 2g i s 平台的技术路线3 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第lv 页 4 3 平台设计3 8 4 3 2 拓扑检查4 1 4 4 本章小结4 1 5 应用举例4 3 5 1 宏观矿山危险等级分析4 3 5 2 微观定位分析4 6 5 3 本章小结4 7 结论4 8 致i 射4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果5 4 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 选题的意义 近年来信息技术日益革新，“数字矿山”作为信息时代的必然产物，在矿 山开发与利用中扮演着越来越重要的角色。矿业生产的动态性、空间性和复 杂的地质构造，需要地理处理的模拟地图实现更逼真的地理信息描述，提高 地理数据的分析和查询能力。g i s 平台作为以地图制作为主的地图软件有强 大的数据分析和处理功能，它可以在软件编制人员的开发后，在数据满足要 求的情况下，充分的分析和利用地图内的地理数据。地理数据可以是已经存 在的，也可以是以其它技术为载体，载体的形式可以是各类传感器和其配套 的分析软件，数据采集器等等。 在传感技术上，现有的传感器种类很多，可以通过性能反应和监测的具 体内容进行g i s 模拟，可以测气、测压、测水等。在计算机网络技术上，要 实现传感器和网络的串联，通过测得的数值，结合程序模块给出相应的计算 值，读出数据以备软件模块识别读入，其中重要部分在于数据的采集和数据 的处理；另外还要考虑井下拓扑结构来设计路由协议，采用优选的算法对结 点坐标进行计算，获得定位坐标。在软件开发上，需注重程序的编写，模块 的录入，调用等。 定位技术推陈出新，研究成果也越来越多如：射频技术，p h s 技术，z i g b e e 技术，微震技术等，这些都对煤矿安全生产有积极的意义，它们实时定位， 预报预测，发挥的作用是无法用金钱衡量的，虽然这些技术并没有达到最优， 它们仍在更深入的研发中，但这已经使得大中型煤矿获益良多。井下人员精 确定位系统的开发与应用旨在提高煤矿安全生产效率和降低矿难发生的死伤 率，降低财产损失，使煤矿生产安全化，系统化，高效化。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2gis 数字矿山和微地震技术的现状 1 2 1gis 地理信息系统 地理信息系统是一种决策支持系统，它具有信息系统的特点。地理信息 系统与其他系统的主要区别在于其存储和处理的信息都是经过地理编码的， 地理位置及该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。地理信 息系统是一门描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的 交叉学科；地理信息系统是一个技术系统，它以地理空间数据( g e o s p a t i a l d a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的 地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 地理信息系统的三个特征n ，： 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性 和动态性。 第二，由于计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模 拟常规的或专门的地理分析方法，作用域空间数据，产生有用信息，完成人 力难以完成的任务。 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信 息系统能快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分 析。 地理信息系统按其内容可以分为三大类n ，： ( 1 ) 专题地理信息系统( t h e m a t i cg i s ) ：是具有有限目标和专业特点的 地理信息系统，为特定的专门目的服务。如森林动态监测信息系统、水资源 管理信息系统、矿业资源信息系统、草场资源管理信息系统等。 ( 2 ) 区域信息系统( r e g i o n a lg i s ) ：主要以区域综合研究和全面的信息 服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级 等为各种不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或流域为 单位的区域信息系统。 ( 3 ) 地理信息系统工具或地理信息系统外壳( g i st o o l s ) ：是一组具有图 形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统 基本功能的软件包。它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信 息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系统空问数据后得到的，具有对计算 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信 息系统，也可以用作g i s 教学软件。 近年来，地理信息系统技术日益发展，在越来越多的领域应用，其原动 力是信息时代的发展人们对技术要求和系统解决分析问题能力要求的不断提 高。计算机的发展为它提供了必要的先进手段，使得新兴计算机技术能够应 用到地理信息系统中。目前，地理信息系统已经在测绘制图、城市规划、自 然资源管理、土地利用、环境保护、石油、电信、交通运输及高等教育等诸 多领域应用。 1 2 2 人员定位技术的发展现状 目前，定位技术更多的研究都是进行对井下人员生产过程中的监控、定 位，对于事故后救援有使用最多的是生命探测仪。而在矿山事故中，受困者 一般在井下作业面，对于整个矿体体征和采掘工作熟悉的救援人员才能在保 证自身安全的同时及时施救，这种要求对救援来说难度相当大。因此无线通 讯技术在矿山救援得到广泛的应用。 ( 1 ) 国外定位技术发展现状： 国外井下人员定位技术起步较早。最早的可以追述到l9 9 1 年南非德比尔 公司的芬什矿山使用的地下矿铲运机自动测位系统，。它使用的是红外效应 探测原理。1 9 9 4 年在南非普雷米尔( p r e m i e r ) 金矿安装的微波信标系统，。 此系统使用探测器连续探测微波信标的实现。1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业 公司开发了基于射频识别( r f i d ) 技术的人员探测系统晦，。此系统使用顶板 安装天线监控矿工帽上的小型无源信标。目前，在美国、澳大利亚、南非等 采矿业发达的国家基于射频识别技术r f i d 兴起，各国矿业都在积极的将此 技术运用到井下的无线定位和安全管理。 为了更好的实现定位，又出现了射频电磁波与超声相结合的定位技术。 如剑桥大学a t & t 实验室的a c t i v eb a t s ( 2 0 0 4 ) 系统，麻省理工学院的c r i c k e t 室内定位系统 ，等。此类系统利有两种信号载体，一种利用r f 信号用以标 识人员的身份编码：另一种利用超声波在收、发装置之间的传播时间来确定两 者之间的距离，进而实现定位。因为超声波信号的传播速度比电磁波的速度 小，所以对超声波传播时间的测量在硬件上的要求比r f 信号要低的多，但 是超声波在空气中的传播衰减很大，必须布设十分密集的超声波接收装置， 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 系统复杂度以及造价均很高，故也不适合在井下应用。 国外专家还在射频识别技术的基础上借助p e d ，构架利用超低频信号穿 透岩层进行传输无限救援通讯系统，极大提高搜救效率。p e d 系统具有的紧 急信息发布功能，矿工在事故发生时才得以迅速撤离，而通过井下个人跟踪 系统的准确定位功能，可将被困矿工及时抢救出来阳，。美国在矿井人员定位 方面，已经实现了应用z i g b e e t 们技术对矿井人员的定位精确，为矿工的生命 安全提供了更可靠的保障体系。 ( 2 ) 国内定位技术发展现状： 国内的监控系统方面的研究起步较晚，现在我国已有的一些研究成果： 北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的k j l 6 6 系统、煤科院重 庆分院的k j 9 0 系统、上海嘉利矿山电子公司的k j 9 2 系统、煤科总院常州自动 化研究所的k j 9 5 系统等，其主要特点是：测控分站的智能化水平进一步提高； 具有网络连接功能；系统软件普遍采用了w i n d o w s 操作系统。在计算机技术 和电子技术飞速发展的今天，企业同样对自身的要求有所提高，在煤矿安全 的相关规定等指导条款中，规定我国的大中小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出的矿 井必须相关的监测定位系统。国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了 k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统n 们，。上述系统都在煤矿安全 生产中发挥着巨大的作用。 监控系统中的精确定位技术是国内外研究的一个热点，主要有基于已经 存在移动蜂窝网及g p s 系统的定位技术。这在国内外已经有了广泛的研究。 主要可分为空基定位系统( g p s ) 、地基定位系统( 移动蜂窝网) 及混合定位系 统( a g p s ) 三种“。g p s 系统以高精度、全天候等特点在全球被广泛应用， 在车辆调度管理及全球定位中发挥重要作用。在基于射频识别技术以及自动 控制、通信等相关技术，国内也相应投入生产了比较先进的井下人员及车辆 跟踪系统。但是由于在我国起步晚，仅仅处于初级发展阶段，存在技术水平 不高，标准规范不完整等很多问题，与先进国家相比还是存在很大的差距。 射频识别技术是一种利用射频信号通过空间祸合( 交变磁场或电磁场) 实 现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。由于井下地理 环境的特殊性，在地面上使用较广泛的g p s 井下实施：而g s m 系统的设备成本 较高，现在很多煤矿采用了不是很理想。r f i d 射频技术为基础的人员定位系 统，但使用效果都不是很理想h “。射频技术的覆盖范围较小，发射频率低， 无法井下全面覆盖。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 近期，成功应用于煤矿井下的井下小灵通系统是将地面的p h s 公众移动电 信技术经过安全技术处理移植于煤矿井下使用的。此系统在保留了p h s 系统 ( 小灵通系统) 的系统标准、主要结构、基本功能的基础上针对煤矿行业需求 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 - 1 技术模型 f i g 1 - 1 t e c h n i c a is tr u c t u r e 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 gis 与微地震技术综述 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 地理信息系统的发展 近年来，地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的 应用领域对地理信息系统不断提出的要求。由于计算机科学的飞速发展为地 理信息系统提供了先进的工具和手段，如面向对象技术、三维技术、图像处 理和人工智能技术都可直接应用到地理信息系统中。下面提及的是地理信息 系统中的几个热点研究领域。 ( 1 ) g i s 中面向对象技术研究：面向对象方法为人们通过计算机直接描述 现实世界提供了一条适合于人类思维模式的方法，面向对象技术在g i s 中的 应用已成为g i s 的发展方向。 ( 2 ) 时空系统：传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时 间特性。近年来，对g i s 中时态特性的研究变得十分活跃，即所谓“时空系 统”。如环境监测、地震救援、天气预报等。 ( 3 ) 地理信息建模系统：g i s 可以通过二次开发和己存在的模型、知识库 耦合于一个整体，这样方便用户完成模型的定义和检验，并建立自己的建模 界面。 ( 4 ) 三维地理信息系统的研究：三维g i s 是许多应用领域对g i s 的基本 需求。真正的三维g i s 必须支持真三维的矢量和栅格数据模型以及此为基础 的三维空间数据，解决了三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括： 三维数据结构的研究；三维数据的生成和管理；地理数据的三维显示。 未来几年g i s 的发展可用以下几方面来概括： ( 1 ) g i s 网络化 对于g i s 的发展，计算机网络技术是起到质变作用的重要技术。如网络 技术使得数据库在地里位置上以分布的方式存在，这样各个数据库可以局部 地进行生产、更新、维护和管理。而网络又使这些分布在局部的数据库相互 之间可以连接起来使用。万维网的发展给g i s 数据在更大范围内的发布、出 版、获取和查询提供了有效可行的途径。网络浏览器的使用从视觉上给提供 和使用地理数据的人们带来了方便，地理数据不仅可以按照地理位置、专题 内容、生产机构、使用价格等进行搜索，甚至可以直接在网上进行数据的各 类空间操作，直接产生新的数据结果。 ( 2 ) g i s 标准化 g i s 标准化将在国际、国家、省、市、县和机构范围内多层次地进行， 其内容可能包括g i s 的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软件 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 硬件系统等。标准化的真正实现将使人们能在一个共同理解的基础上共享信 息和资源。 ( 3 ) 数据商业化 地理数据的开发、更新和维护既费时又费力，g i s 硬件、软件和数据的 造价比是1 ：1 0 ：1 0 0 ，所以如何有效地生产和维护地理数据将会是g i s 未来 面临的主要挑战之一。 ( 4 ) 系统专门化 从使用g i s 机构的角度上看，很多机构只是需要g i s 软件中的部分功能， 从用户方面考虑，g i s 将不作为一个独立的系统存在于机构内，而是作为整 个管理和运作系统的一个部分，g i s 各种功能将融合在与专业领域更直接的 系统之中。其次，从g i s 的工业发展角度上考虑，目前的g i s 软件所提供的 各种功能也将与给类专业软件系统融合起来，共同发展。软件的部件化将成 为一个趋势，g i s 可能将作为各类应用系统一个必需的部分存在 ( 5 ) 企业化g i s g i s 网络化的发展使得g i s 在机构内部各部门之问更有效地进行通信、 交流和进行各种资源的共享。企业和机构可以从更高层次上对g i s 在企业中 的使用进行统筹安排和计划，企业化g i s 对技术和管理人员有更高的要求， 需要企业不断地对人员进行技术和管理培训。 ( 6 ) g i s 全球化 网络技术发展，使得地球变成了“地球村”，使得人们之间的关系更加紧 密。世界经济的发展也在要求人们建立一个更稳定、和谐的环境。而g i s 越 来越成为一种有效工具帮助人们了解他们所生存和依赖的自然条件和社会变 化状况。 ( 7 ) g i s 大众化 g i s 越来越受到人们重视，在人们日常生活中也潜移默化地改变着人们 的生活。当人们到一个新地方，g i s 将成为最好的向导。 目前，g i s 技术的发展方向是将地理信息系统与数学模型结合在一起， 充分利用人口、社会经济、地理空间数据等，为该地区提供决策、管理等的 支持。例如，2 0 0 2 年中国首家区县级地理信息系统、青岛市人口地理信息系 统以及后来的北京门头沟区统计数据仓库暨地理信息系统中，统筹学、数理 统计和数据挖掘得到了很好的应用，为政府决策提供了科学有效的依据。 从8 0 年代至今，发达国家在g i s 应用方面做了很多工作。g i s 的应用从 数据存储管理到多源数据数字输入输出，再到d e m 或d t m 模型使用，g i s 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 结合灾害模型进行扩展分析，到网络g i s ，逐步发展并得到了深入应用。 目前g i s 在我国应急救援的应用还处于起步阶段，并在进一步的研究开 发中。现在地理信息系统技术已经在火灾、地震、旱灾、洪涝、地面沉降以 及滑坡、泥石流等方面得到一定的应用，通过地理信息系统，可以迅速实现 各种灾害灾情的一定程度上的监测、灾害危害范围的确定、灾情面积的估算 等，从而为应急救援提供及时、准确的信息 n “。 以g i s 为平台的应急救援技术在我国有相当大的市场，但是目前专业人 才相对较少，国内只有少数科研单位和高等院校有相对较好的硬件和软件条 件从事地理信息系统的研究、设计与开发工作；虽然已经建设了一些示范性 系统，但这些系统没有及时转化为可运行的使用系统，没有成为现实生产力， 并且专业的应用系统还处在探索与实验阶段，实际投入应用的相对较少，即 使投入运行的，令人满意的也不多。因此我们需要更深入的研究并掌握更前 端的技术发展g i s ，以供相关企业部门用于实践，创造实际价值。 2 2 微地震技术 2 2 1 微地震技术介绍 人们在长期的地下岩土工程实践中发现，围岩结构在破坏过程中，总是 伴随着声发射现象。这主要是由于在较高的应力水平，特别是在掘进的影响 下，岩石发生破坏( 如裂纹产生、集聚扩展，并导致突发性强烈的断裂) 或原 有的地质缺陷被激活产生错动，能量以振动波的形式释放并传播出去。 由于在岩土工程中围岩结构破坏以及由此导致的某些地质缺陷活动时产 生的声发射能量等级通常介于里氏3 至1 j + 3 级，持续时间小于l s ，接收到的 信号频率一般在l o 3 0 0h z 之间，高频分量在地层的传播过程中都被衰减， 故一般称为微地震( m i c r o s e i s m i c ，m s ) 。 目前微地震技术己在采矿、岩土工程和军事反恐上得到了应用，它的可 测震级3 到3 级，可测距离在5 千米以内，频率范围是1 0 3 0 0 h z ，它利用地 震探测原理对地震波资料处理并解释，并通过p 波和s 波的到时，已知的地 震速度结构进行事件的定位。此技术的优点在于电子器件小型化，低耗能， 高可靠性，高精度，价格低廉；微处理器速度快，储存量高，可指令控制和 更好的数据管理功能；电池新型化，高储能，高性能，可进行自然能源获取； 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 数据处理方面它的算法更有效，更精确和高效的噪声压制技术。微地震监测 技术可对矿体破裂的时间、位置、强度和灾害关系进行预测，并能给出重大 灾害的管理控制措施提供完善的信息”。 美国矿业局在2 0 世纪4 0 年代就开始提出应用微震法来探测地下给矿井 造成严重危害的冲击地压，但由于所需以其价格昂贵且精度不高检测结果不 明显而未能引起人们的足够重视和推广。随着电子技术和设备的突破性进展， 特别是近十年来，计算机技术的飞跃式发展，使得监测技术随之进入了一个 新纪元。地球物理学的进展以及数字化地震监测技术的应用更为小范围内的、 微地震研究提供了必要的技术基础。近年来美国一些公司的研究机构和大学 联合，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“、 水利大坝、石油、采矿核废料处理等) 中进行了一些重大工程应用实验，并获 得了意想不到的巨大成功，使人们重新认识了这一方法的巨大潜力。其使用 价值和应用前景也得到了学术界和工程界的广泛关注，并已在石油、水利、 土建、采矿等岩土工程中逐步开展起来。 澳大利亚联邦( c s i r o ) 从1 9 9 2 年开始，对采矿引起的微地震现象进行了 研究，主要针对长壁采煤工作面附近岩层的破坏及冒落。在对昆士兰州的高 登斯通矿以及其他几个矿区的微地震研究后发现，在采煤工作面连续推进过 程中，其周围岩层的微地震活动表现出一种规律性的模式，表明在采矿过程 中，其周围岩层的地址缺陷及其断层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，以致在远离工作面几百米的 地方也会发生微地震活动。总的来说，这些微地震观测属于经验性的定性研 究，在实践中尚缺乏定量化手段。在1 9 9 8 年，在进行三维( 主动) 地震探测中 发现了一次较明显的有采矿引发的微地震，并进行了初步定位，后来得到证 实。这一偶然发现，使人们相信微地震在现场可以进行观测并能对其进行比 较精确的定量研究。此后，19 9 8 年8 月一2 0 0 0 年6 月，在a l p i n 地区，对 采矿引发的微地震进行了布网监测似”1 。 归纳起来，国外微地震研究的主要内容在以下几个方面： ( 1 ) 实验室试验及仪器研究：研究岩石在各类典型“载荷一变形破坏”条件 下声发射信号与岩石力学性质之间的相关关系，以确定岩石非稳定裂隙的起 始点、岩石的屈服极限，探索与岩石破坏全过程相对应的不同类型声发射模 式( 一般为声发射序列) 并据此推断各类岩石破坏的声发射机理；微地震监测 系统的开发研制，包括传感器、数据采集及存储、传输器件的选型与组配技 术。 珏南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 2 ) 现场应用研究：依据现场实地测得的微地震信号，对矿山、大型岩土 开挖、边坡及隧道等工程的稳定性进行评判，对潜在的地质灾害进行预测。 考虑流体作用的岩石稳定性监测，如石油工业中地下油气储的稳定性、水库 大坝基础的稳定性及煤矿岩层的导气( 瓦斯) 导水带的稳定性等。此外，微地 震监测技术还在军事方面进行应用研究。例如：将微地震技术用于核爆炸监 测、部队及车辆运动监测、甄别与定位、军情报警、地雷探测、地下工事探 测( 包括地下指挥部、地下军械库、地下军工厂、地下坑道等) 、轰炸效果 评价、重要区域与建筑防范、进入敏感区域人员与车辆定位与甄别、地下坑 道挖掘与人员运移探测与监测、地下洞穴人员活动探测与监测、边境线越境 状况监测等等。 ( 3 ) 理论分析及计算模型研究：利用岩石力学、断裂力学、地球物理及信 号分析等专业基础理论，结合实验室及现场实验数据，对微地震事件进行理 论、建模、定位处理及仿真分析计算，以形成系统的理论体系及计算方法， 达到指导生产实践的目的心刀1 。 国内微地震技术在矿山开采方面有了一定的研究，深井岩体破裂的微震 定位技术是先进的矿山安全技术，可以广泛应用于预测和预报顶板大面积垮 落、突水淹井、煤与瓦斯突出等矿井灾害。微震技术在人员定位方面还没有 深入的研究，因此用此技术实现人员救援将是技术上的新起点。中国石油勘 探开发研究院采油所的刘建中高级工程师利用微地震监测技术对油田生产动 态和注水前沿进行监测研究他”。油田生产波及区的微地震法实时监测是目前 国内外方兴未艾的研究课题。 1 9 9 8 年山东兖州兴隆庄煤矿与澳大利亚联邦科学与工业研究院( c s i r o ) 的合作。该煤矿利用澳大利亚的微地震监测仪对该煤矿跨落带、断裂带进行 监测。结果证明，微地震技术可以有效地确定煤矿生产中断裂带与垮落带的 区域，它能够揭示采煤工作面周期来压、断裂带与垮落带的边坡角、煤层顶 板和底板地层应力的分布特征等规律，判断采煤作业是否会突破含水层发生 突水事故，岩石破裂是否为导水裂隙带，应用证实微地震监测投资少，费用 低，精确可靠，具有很好的应用前景n 引n ”。 2 0 0 0 2 0 0 1 年，c s i r o 与山东科技大学资源与环境工程学院合作，研究 了采场空间破裂规律及其在采矿业中的应用价值。中澳联合课题组采用微地 震定位监测技术，观测和研究了煤矿长壁工作面围岩的空间破坏规律，解释 了国内外部分综采、综放采场支架压坏的岩层运动机理；根据微地震监测结 果，提出了工作面长度为2 0 0 - - - 2 5 0 m 时底板破裂深度的估计曲线以及岩层离 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 层与破裂的微地震显现的差异；初步描述了采场围岩空间破裂的形态，即在 采空区周围顶、底板及四周煤体破裂后形成的三雏空间破裂形态b ”。 山东科技大学自主研制的c o m i s e 2 0 0 2 煤矿井下微地震监测仪对山东华 丰煤矿顶板破裂情况采用微地震监测，将结果与矿山压力理论建立的顶板运 动规律计算模型相比较，发现两者监测结果基本一致，证明微地震监测可以 用于预测顶板运动规律，从而预防灾害发生，保证煤矿安全生产并提高资源 回采率b ”。 北京科技大学姜福兴教授领导的微地震课题研究组对微地震监测技术做 了一系列研究工作。主要包括微地震产生机理及模式、破裂过程信号分析、 微地震源定位求解方法及误差分析、微地震监测中传感器的布置方法以及埋 置误差校正、检波器研发及其安装技术、微地震监测灾害及预报等n 3 删。在具 体应用方面，对鲁西煤矿采用微地震监测法确定覆岩导水裂隙带高度，并通 过与其它方法对比证实微地震监测技术确定导水裂隙带高度是可靠的。 西南科技大学在锦屏一级水电站水工隧道微地震监测的具体实践，取得 了较大成功。第一次在中国大型水电工程进行了系统的微地震监测试验并获 得了成功。为解决大范围上大型硐室稳定性监测开辟了一种新的途径；发现 了围岩内部卸荷带破裂变化的微地震特征。为围岩应力动态变化与破裂机理 分析提供了一种有效手段；通过应用发现了微地震技术在水电工程应用中需 要改进的地方。为进一步完善该技术的理论及应用提供了实测数据；使我国 在水电工程微地震监测研究及应用方面达到国际先进水平。 当前微地震应用研究领域面临的主要挑战在以下几个方面： ( 1 ) 微地震波形归类。虽然微地震波形分类理论已经成熟，但由于现场监 测的微地震波信号往往比较复杂，因此，如何利用计算机技术自动对微地震 信号归类处理是当前面临的最大难题。 ( 2 ) 微地震系统实时、自动处理与分析监测数据技术。目前的微地震数据 般都需要人工处理，不但耗费大量的人力、物力，而且最重要的是不能给 施工现场及时提供监测信息。而微地震系统实时自动处理技术需要解决波形 到达时刻自动识别、微地震波辨认、波形类别判断、微地震事件分类、事件 定位与分析及解释等关键技术。 ( 3 ) 噪音自动剔除技术。在现场监测过程中，经常会接收到大量无效的人 为或机械噪音信号，大大增加了数据处理的工作量。噪音自动剔除技术是解 决微地震系统实时自动处理技术的核心与关键。 ( 4 ) 更加坚固、耐用、可靠的微地震监测设备、器件。在工程施工现场应 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 用微地震技术进行监测的时间一般较长，而且监测环境复杂，需要更加坚固 耐用的传感器、监测线缆、监测仪器等。而当前仪器、设备、材料等发展与 应用情况均不能达到要求，需要进一步研究。 ( 5 ) 如何提高微地震定位精度、如何改变单一速度模型定位以及定位结果 可信度评估等等。 微地震未来发展趋势主要有以下几个特点： ( 1 ) 从早期借鉴传统大范围地震监测法向局部小范围微地震监测过渡； ( 2 ) 由地面设站向地下设站过渡； ( 3 ) 由监测微地震序列向全波形记录过渡； ( 4 ) 由人工波形分析向计算机自动分析过渡； ( 5 ) 由监测向预报过渡； ( 6 ) 更注重根据实测数据加以理论分析以得到适用于具体地质环境条件 的比较可靠的监测结论”。 2 3 基于gis 平台的微地震技术 本文通过g i s 平台展现微地震定位技术，是微地震技术直观的表现，它 的应用范畴广泛，适用于需要定位的任何场景，而g i s 贝j j 以真实的实况再现 定位的具体属性位置和地理位置，以提供更便捷的定位路线。 图中不同的工作面分别用不同的颜色示意，其中黄色代表的工作面为井 下人员敲击岩壁发出震动所锁定的具体工作面，在明确了具体位置的同时实 施应急救援。 在g i s 平台的基础上我们需要微地震技术的定位数据支撑，要求定位软 件实时提供筛选后的有效数据，用于a r c g i s 软件的调用、读取、定位。 下图为g i s 软件制作某矿山局部工作巷道的直观示意图 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 - 2 人员在巷道中的定位 f i g 2 - 2 t h ep e r s o n n e ii o c a ti o no fai o c a i 2 4 本章小结 ( 1 ) 本章引入地理信息系统( g i s ) ，介绍地理信息系统的发展现状及 其应用领域，阐述了地理信息系统的发展方向。地理信息系统目前已经在很 多领域应用，如管理系统，特殊属性分析等，其特点是根据用户需要进行模 块的开发，从而达到更直观的可视化效果。 ( 2 ) 在第二小节介绍了微地震的发展状况及其特点和不足之处。 ( 3 ) 介绍基于g i s 的微地震定位技术，其直观效果如图2 2 所示。而存在 的问题是微地震软件的实时性。数据的读取在3 6 节给出了读取流程。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 3 微地震技术研究应用 3 1 微地震技术原理 微地震技术与岩石受到撞击或者岩石破裂有着密切的关系，因此微地震 技术可以用于岩石、岩体的监测。在微地震现象产生时，有两种波在岩体中 传播，p 波和s 波，又因为p 波传播的速度快，到时明显识别，所以通常用p 波 定位，p 波的传播速度即为v ，式3 1 为震源与检波器的走时关系。 微地震的定位方法根据震源机制在产生振动信号后，在满足( 1 ) 至少4 个 分布在不同地点的台站；( 2 ) 可靠的p 波和s 波到时；( 3 ) 已知的地震速 度结构的要求时，由仪器对波形的记录，对地震到时和射线方向进行联合反 演，得出地震定位，进行震源重构。 纸一x ) 2 + 瓴一y ) 2 + 包一z ) 2 一v ( t i 一磅= o( 3 1 ) x ，y ，z ，t 为震源的空间坐标和微震发生的时间： x ，。y ；，z ：，t ；。为微地震检测站的空间坐标( m ) 和检测到微震信号的p 波到 时( m s ) 。m 。1 在知道4 个点的情况下，将点坐标带入( 3 1 ) 式，用牛顿迭代法进行方 程组的求解即为震源点空间坐标。可用m a t l a b 软件求解。右图为震源定 位示意图，在图中我们可以看到a 、b 、c 、d 是个点分别代表震源周围的四 个检波器的站点并与e 相关联，在e 点发出震动信号时，这4 个与e 相关的 检波器站点在监测时得到的波形记录可以组成一个方程组，如下： 图3 1m s 定位示意 f i g 3 1m sl o c a t i o ng r a p h 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 ( 3 - 1 ) 牛顿迭代法求解形式： f ( x l 一妁。4 - 钒一蝣：+ ( 2 l z ) 2 一v 互( t l t ) 2 = 0 j驻2 一x ) 2 + 魄一y ) 2 + 一z ) 2 一v 2 ( t 2 - t ) 2 = o l缟一x ) 2 + 饥一妇z 十瓴一z ) 2 一v 2 ( b t ) 2 = 0 ( 3 2 ) l ( 】k x ) 2 - i - o k y ) 2 - ! - 纯一z ) ：一v 2 c t , 一t ) 2 = 9 由上式，在知道a 、b 、c 、d 的空间坐标分量时，即可求出震源点e 的 空间坐标和发生微地震的时间，空间坐标分量在埋设检波器时就要记录，而 到时则可由检波器测出。 3 2 微地震技术研究 微地震是物体内部发生破坏而释放出来的波动能量，所以在原理上与地 震类似，但是能级要比天然地震小得多，并且波形具有更强的瞬时性。而在 实验室对岩石试样进行实验时，可较容易地测到带宽达到3m h z 的信号，而 且能级很小，故一般称为岩石声发射引“。表3 1 是天然地震、微地震和声 发射在震级、可测距离、频率范围等方面的比较情况。 由于微地震是岩石材料变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象，它与围岩结 构的力学行为有着密切的相关性，因而信号中包含了大量的关于围岩受力破 坏以及地质缺陷活化过程的有用信息，可用精密的仪器检测、分析，以此推 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 断岩石材料的力学行为，估测岩土结构是否在发生破坏。因此，微地震波的 走时、幅值、相位变化等，反映了岩石的破裂面及其内部流体的信息。 表3 - 1天然地震、微地震与声发射对比表 t a b i e 3 - 1 t h ec o n t r a s tt a b i ef o re a r t h q u a k ea n dm i c r o s e i s m i ca n da c o u s t i c e m is s i o n 微地震监测技术是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来 监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术，其基础是声发射学 和地震学。微地震监测主要包括数据采集、震源成像和精细反演等几个关键 步骤。 一个震源点产生的微地震信号称为微地震事件，其震源点的位置就是岩 石破裂的位置。微地震事件的实质是一个围岩应力、应变、变形、开裂、失 稳及破坏等一系列动态演变过程的一种表现形式。目前已取得公认的微地震 监测信息参数主要包括：震源定位( 震源半径) 、发震时刻、震级大小( 微地震 能级、震矩) 、峰值振动速度、应力降及震源破裂模式等口州b ”1 。测量这些监测 信息参数及它们与掘进的关系，不仅有助于对危险区做出正确评价和判断， 而且也可对灾害的发生做出预测并及时报警。 采集、提取、处理、分析微地震信号的系统称为微地震监测系统。该系 统由以下几个部分组成： ( 1 ) 微地震观测系统：由4 个以上的监测台站，包括监测孔、传感器及线 缆组成。在每个监测孔安装三分量传感器，用于接收微地震信号。 ( 2 ) 微地震数据采集仪：对输入信号采集和判别，并将满足预设参数的信 号通过并口电缆送入p c 电脑。 ( 3 ) p c 电脑及监测软件：通过应用软件设置或修改仪器监测的各项参数、 接收并口传输数据并对其做预处理和分析、可设置信号图形显示并进行数据 存储。 ( 4 ) 微地震数据处理软件：利用微地震数据处理软件对p c 电脑中的采集 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 数据进行处理，对震源点定位并及时分析，给施工提供岩体稳定性信息。 微地震监测的关键技术及重点解决技术在以下几个方面： ( 1 ) 传感器的采用类型及安装方法。需重点解决在工程施工条件下微地震 传感器的选用及安装问题。这将根据应用区域的岩性特征及其地震波的衰减 频率特性选择相应地震传感器。传感器需安装在三维空间坐标系中以获得可 靠的事件定位。 ( 2 ) 采集到的微地震信号远距离传输。根据传输距离的远近采用电缆或光 纤传输。 ( 3 ) 多通道地震监测仪器。施工现场宜采用多通道微地震监测系统进行监 测。 ( 4 ) 资料处理。重点解决微地震信号与工程噪声的区别，岩石微破裂事件 的高精度定位以及其空间定位显示。 ( 5 ) 资料分析解释。根据前期地勘资料及开挖隧道所揭示的地质情况，结 tn e m u卜ls n g n tceo 刀 c h 一 图妇理如 原 c仪-集h 采 娆 据 数沁 震 m地计微tahc 口v e 图咖 n p eh r 3 一 g f 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 合变形观测监测的资料，分析微震动与围岩卸荷的关系，预测岩体变形发展 趋势及破裂情况。 微地震监测优点具体表现在以下几个方面引n ”r 们 ( 1 ) 监测结果提供多信息，多参数。通过分析监测到的信息，能直接确定 岩体内部破裂的位置和性质，同时可得到三维空间岩层的运动、破坏、应力 降及其破坏模式和破坏范围等参数。 ( 2 ) 监测结果具有连续、动态特征，可实现三维空间的整体监测。 ( 3 ) 监测的覆盖面积大。利用微地震技术可以监测到传感器周围几百米甚 至几千米范围内的岩体稳定性情况。 ( 4 ) 实时性。微地震监测是一种被动监测方法，只要在它的监测范围内有 微地震信息，就能被它所捕获。 ( 5 ) 多点监测。微地震技术可以灵活应用于断层带附近或隧道围岩内，可 同时监测多个部位、多个弱面，并进行跟踪对比。 ( 6 ) 能用于地下