一种基于微震监测的地应力测试方法

技术领域

本发明涉及地应力测试技术领域，尤其涉及一种基于微震监测的地应力测试方法。

背景技术

地应力是存在于地层中的天然应力，随着当前人类向地球深部资源开采规模的扩大，由高地应力引发的岩体灾害日益增多，作为诱发地下工程变形和破坏的根本驱动力，地应力对地下工程的安全稳定起着决定性作用。在岩土工程领域中，地应力状态是工程设计的基本参数，直接影响工程岩体的力学行为。例如在采矿工程中，巷道、开采方法的设计都需了解所在矿区的地应力状态，这对采矿方法的优化以及灾害的防治都具有重要意义。

当前获取不同深度岩体周围地应力参数的主要方式为地应力测试。文献表明，最早的地应力测试出现于20世纪初，国外工程师利用应力解除法对胡佛坝下方的隧道进行应力测试。随着科学技术的不断发展以及工程中生产建设的需要，到目前为止，人们已经提出数十种应力测试方法。根据测试所获得的数据特点，地应力参数的获取方法可以分为绝对应力测试方法和相对应力测试方法。其中绝对应力测试方法中又可细分为直接应力测试法和间接应力测试法，直接测试法包括水力压裂法、声发射法、地质测绘法等，间接测试法包括套芯应力解除法、应力恢复法、X射线法、地质构造信息法、滞弹性应变恢复法。而相对应力测试方法包括钻孔应变测量、差应变曲线分析法、差波速分析法等。

直接应力测试是指在测试点周围钻孔并直接测量该点处的应力值，间接应力测量则是通过研究地表形变或地震活动等因素来推断地层的应力情况。相比于现有的间接应力测试方法，直接测量法的结果更为准确，但设备昂贵，作业麻烦，且钻孔对地质环境的影响较大。现有的间接应力测试技术虽然方便，但结果往往不够准确，缺乏现场数据的支持。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于微震监测的地应力测试方法，采用此种方法对区域岩体的周围应力进行测量，可以更方便、有效、经济的获取地应力参数，达到为地下工程的施工建设提供可靠数据支撑的目的。

一种基于微震监测的地应力测试方法，包括以下步骤：

步骤1：建立微震监测系统，在应力待测区域的周围布置微震传感器，微震传感器通过线缆连接至数据采集仪，数据采集仪的信号通过无线或有线的方式接入服务器；

步骤2：微震监测系统建立后进行试运行，对参数进行调整直至微震监测系统在数据采集时达到稳定状态；其中参数包括底噪、区域波速、门槛值、数据采样频率；

步骤3：对测试区域开展爆破试验；将爆孔设置在测试区域的中心，爆破参数的确定需根据现场条件设计，采集微震信号，并记录爆破参数以及微震信号；

步骤4：对接收到的微震信号进行处理分析，计算地应力参数，估算出待测区域中所测岩体应力大小；

步骤4.1：依靠信号的波形特征对信号进行分类，标定出岩石破裂信号；

步骤4.2：拾取岩石破裂信号的P波到时，根据到时对岩石破裂源进行定位，统计定位结果，分析与爆心由近到远的范围内微震事件密度的变化趋势，试验中得出微震事件密度与爆心之间的距离呈现指数衰减的规律；

步骤4.3：统计爆破发生后所设置时间段内的微震事件数，利用相关指数函数对各时刻发生的微震事件数量进行拟合，求解得出该指数函数中的特征参数相关的p值，其中p值是对k值以及n值影响的综合考虑，p＝lg(k*n)。根据微震事件在空间上是否符合指数衰减规律并结合所求p值估算出待测区域中所测岩体应力状态，即当前岩体所受应力与其遭受破坏时峰值应力的比值。结合所测区域岩石的力学性质，得出该区域应力大小。

其中该指数函数具体为：

N(t)＝A*e

式中，N(t)表示t时刻的微震事件发生率，参数A取决于爆破扰动后余震总数，t是爆破扰动后经历的时间，n是爆破扰动较长时间后微震活动恢复至稳定水平时微震事件数，参数k表征爆破扰动后微震事件率衰减速度的快慢。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种基于微震监测的地应力测试方法，与现有应力测试方法相比，具有以下优点：

1、利用微震实时监测的应力动态分析手段，能够获取深部采场开采过程中不断变化的应力，实现对高应力区域的精准圈定。

2、在系统建立完成后，所有的数据分析均可以通过编程实现自动化，直接获取应力数据，能够有效的节省人力以及分析时间，所以该应力测试方法能够在保证所需精度的条件下，更方便、快捷。

3、本方法具备更加坚实的理论基础，其原理在实验室试验以及理论推导过程中均得到了验证。

4、本方法中使用的传感器为可回收式，在测定完一个区域后能够回收继续测试另一个待测区域，相较于传统的应力测试法，该方法更为经济实用。

附图说明

图1为本发明实施例中爆破扰动诱发微震事件的时序衰减变化图。

图2为本发明实施例中爆破扰动诱发微震事件的空间分布示意图。

图3为本发明实施例中爆破扰动诱发微震事件数的空间衰减规律图。

图4为本发明实施例中不同应力下爆破扰动诱发微震事件数量的时空衰减速度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于微震监测的地应力测试方法，包括以下步骤：

步骤1：建立微震监测系统，在应力待测区域的周围布置微震传感器，微震传感器通过线缆连接至数据采集仪，数据采集仪的信号通过无线或有线的方式接入服务器；

微震监测系统是获取微震信号的基础，该系统的建立对后续应力测试至关重要。首先在测试区域设计微震监测台网布置方案，方案应该保证可实施性并通过D值理论法验证定位误差满足精度要求。依托设计好的微震监测台网布置方案安装传感器，再进行线缆以及光纤铺设，使采集仪与传感器保持连接，并保证采集仪和服务器之间的网络通讯，以达到数据传输和同步授时的目的。

微震传感器作为无源设备通过线缆连接至数据采集仪，这种有线连接方式能够降低数据传输中的信号干扰，并提高数据的准确性。数据采集仪的信号接入服务器时，可以根据现场条件选取不同的方式：当露天采场中环境较好的条件下，可以将数据通过网桥远端无线传输至网桥近端，这种方式可以减少电缆的使用，提高数据采集的灵活性。然后，在网桥近端，使用光电转换器和光纤将数据接入服务器，确保数据的高速传输和稳定性。当微震监测系统建立在井下时，不具备无线传输的条件，可以将各数采仪采集到的信号通过光纤汇入传输分站中。传输分站可以充当数据集中处理和传输的中继站，将来自不同传感器的数据集中管理并传输至地面的服务器。这种方式能够实现井下环境中的数据集中管理和传输，提高了数据的整合和分析效率；

步骤2：微震监测系统建立后进行试运行，对参数进行调整直至微震监测系统在数据采集时达到稳定状态；

试运行中使用一定当量的炸药在应力测试区域开展爆破扰动，炮孔尽量设计在待测区域的中心位置。详细记录爆破过程中的相关数据，如爆破时间、炮孔中心位置、爆破药量等，方便后续微震信号的数据分析中使用；

其中参数包括底噪(背景噪声)、区域波速、门槛值、数据采样频率；

其中底噪和门槛值的设置对波形信号的拾取具有重要作用，区域波速对微震事件的定位精度影响极大。底噪和门槛值的设置需要结合现场环境适当调整；波速校正较为复杂，可以在测试区域某定点位置开展打钻或爆破等活动，根据传感器接收到的信号反演波速。采样频率的设置一般为岩石破裂信号最高频率的5倍。

步骤3：本发明观测到的微震事件数主要由爆破冲击产生，所以需对测试区域开展爆破试验；将爆孔设置在测试区域的中心，爆破参数的确定需根据现场条件设计，采集微震信号，并记录爆破参数以及微震信号；

由于现场环境复杂，在开展爆破扰动后所采集到的信号类型繁多，如爆破信号、机械振动信号、岩石破裂信号、电气信号等。因此，需要通过总结岩石破裂信号的波形特征与其它类型信号之间的区别，从多种信号类型中区分整理出微震信号；

步骤4：对接收到的微震信号进行处理分析，计算地应力参数，估算出待测区域中所测岩体应力大小；

步骤4.1：依靠信号的波形特征对信号进行分类，标定出岩石破裂信号；

步骤4.2：拾取岩石破裂信号的P波到时，根据到时对岩石破裂源进行定位，统计定位结果，分析与爆心由近到远的范围内微震事件密度的变化趋势，试验中得出微震事件密度与爆心之间的距离呈现指数衰减的规律；

步骤4.3：统计爆破发生后所设置时间段内的微震事件数，利用指定的指数函数对各时刻发生的微震事件数量进行拟合，求解得出该指数函数中的特征参数相关的p值，其中p值是对k值以及n值影响的综合考虑，p＝lg(k*n)。从室内的大量试验中发现，当岩样处于的应力水平越高，产生微震事件数量随时间的衰减速度越慢，基本遵循y＝a*x+b的规律，其中y代表考虑微震事件衰减速度及背景微震数影响的特征参数p，x表示为岩石此时所处应力与岩石遭到破坏时最大强度之比，a、b值在各个地质条件中存在差异，可以通过在现场的地质情况修正参数值a、b；根据微震事件在空间上是否符合指数衰减规律并结合所求p值估算出待测区域中所测岩体应力大小。

其中该指数函数具体为：

N(t)＝A*e

式中，N(t)表示t时刻的微震事件发生率，参数A取决于爆破扰动后余震总数，t是爆破扰动后经历的时间，n是爆破扰动较长时间后微震活动恢复至稳定水平时微震事件数，参数k表征爆破扰动后微震事件率衰减速度的快慢。

本实施例中图1是某次爆破试验后微震事件的时序特征图，从图1中可以看出，随着爆破过后的时间越久，该片区域的微震事件数量呈现指数衰减的趋势。图2是开展爆破试验后，该区域的微震事件的空间分布图。图3是某次爆破试验后微震事件距爆心范围的空间分布特征，可以看出距离爆心越远，微震事件的空间密度越小。图4中的p值代表微震数量的衰减速度，是通过开展大量不同应力水平下的爆破扰动试验得出的岩石周围应力大小对微震时序特征衰减速度的影响。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。