CN107861157A

CN107861157A - 一种地下水封洞库运营期微震监测方法

Info

Publication number: CN107861157A
Application number: CN201711029769.6A
Authority: CN
Inventors: 曹洋兵; 陈俊熙; 黄真萍; 陈玉华; 邱冬冬; 曾焕接; 詹淦基
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN107861157B

Abstract

本发明涉及一种地下水封洞库运营期微震监测方法，包括：确定监测区域；在水幕巷道内开设不同深度的微震监测孔；在微震监测孔内设置速度型传感器；基于随机模拟方法和最优化方法，计算出各种传感器布置方案的定位误差期望值，确定出最优布置方案；自地面合适位置设置仪表井，在井口附近设置仪表间，放置数据采集仪与数据采集计算机；设置中央控制室，放置数据分析计算机。本发明提供的一种地下水封洞库运营期微震监测方法，实现了覆盖整个洞库的运营期微震传感器监测网，可极大地提高监测结果的准确性与仪器设备的安全性、耐久性和可维护性。

Description

一种地下水封洞库运营期微震监测方法

技术领域

本发明涉及岩石地下工程微震监测技术领域，特别是一种地下水封洞库运营期微震监测方法。

背景技术

岩石工程微震监测技术以岩石破裂过程中释放的微地震波信号为监测对象，通过对微震信息进行数学力学分析，可确定微震源位置及特征参数，并由此判定地下工程的稳定性及安全状况。微震监测技术在地下工程中的应用最早始于上世纪初的南非约翰内斯堡地区的金矿开采，到上世纪中叶，在波兰、美国、前苏联、加拿大等采矿大国都先后开展了矿山微震监测研究及应用，随着传感器技术和计算机技术的飞速发展，目前多通道、高精度的微震监测技术已广泛应用于采矿工程、水利水电工程和深埋隧道工程，但在地下水封洞库工程中的应用鲜见。

地下水封洞库是一种利用地下水密封技术储存石油、液化石油气的地下工程类型。在洞库运营期，主洞室内储存了油品且设置了混凝土封塞与外界隔开，工作人员无法进出主洞室以观测其稳定性状况。另由于地下水封洞库都为大跨度、高边墙、无混凝土二衬的地下结构，长期受油气频繁进出的变内压影响，因此，利用微震监测技术研究运营期岩体内部的微破裂进而评价岩体的损伤程度和稳定性将成为建设大型地下水封洞库的必要环节。

目前，关于地下水封洞库微震监测方面的专利比较少，且集中于微震监测系统及施工期微震监测方法的介绍，其主要技术内容基本上沿用了采矿、水利水电工程中的微震监测技术经验，结合地下水封洞库工程特性进行微震监测方案设计的几乎没有。并且，如何及时、高效、精确地利用微震监测技术对运营期地下水封洞库岩体可能出现的微破裂进行系统性监测，评价围岩损伤破坏程度，并提前判识岩体潜在的失稳区域，从而正确判断水封效果和围岩稳定性，目前国内外对这方面的技术研究尚缺乏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地下水封洞库运营期微震监测方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种地下水封洞库运营期微震监测方法，按照如下步骤实现：

步骤S1：根据待监测地下水封洞库工程地质条件及地下结构特征，对地下洞室群稳定性进行三维数值模拟分析，判断潜在失稳区域，结合施工期监测信息，确定监测区域；

步骤S2：在该待监测地下水封洞库洞的水幕巷道中开设微震监测孔；

步骤S3：在所述微震监测孔内设置速度型传感器；

步骤S4：根据所述步骤S2以及所述步骤S3，基于恒定的通道数，获取X种微震传感器布置方案，作为初步比选方案；对所述初步比选方案进行评价，获取最优的传感器布置方案，并根据该最优的传感器布置方案在微震监测孔设置相应的传感器；

步骤S5：从水幕巷道对应的地表预设位置钻孔至所述水幕巷道顶板，并与水幕巷道顶板内部相连，作为仪表井，传感器线缆均由此仪表井通向地表；

步骤S6：在所述仪表井的井口周侧设置一用于放置数据采集仪与数据采集计算机的仪表间，所述数据采集仪通过光纤与所述采集计算机连接；

步骤S7：将所述采集计算机经光纤连接至设置于在所述待监测地下水封洞库外侧地面的微震监测中央控制室内的数据分析计算机，用于对洞库安全进行监控。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述微震监测孔包括交替设置的深孔与浅孔，且开设于水幕巷道的角点、拐点或潜在失稳区域周侧。

在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，对于所述浅孔，在孔底部布置传速度型传感器；对于深孔，在对应主洞室顶部、底部两处均设置速度型传感器；所述微震监测孔中的相邻设置的速度型传感器之间留设有预设深度阈值的深度差；在巷道的角点、拐点或监测区域周侧的微震监测孔优先布置三向传感器；其余微震监测孔内采用单向传感器与三向传感器交替设置。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，根据岩体纵波传播速度概率分布特征、到时误差概率分布特征，基于Monte-Carlo随机模拟方法，计算出各初步比选方案的定位误差期望值；根据定位误差期望值评价各初步比选方案的定位精度，确定最优的传感器布置方案。

在本发明一实施例中，所述根据定位误差期望值评价各初步比选方案的定位精度通过如下步骤实现：

步骤S41：在主洞室空间中布置N个微震源，且三维坐标和发震时间已知；

记岩体P波传播速度V和到时误差ξ对传感器均服从相同的正态分布，即V～N(u_v，σ_v)，ξ～N(0，σ_t)，传感器接收微震源信号的时间为：

其中，t为传感器接收到微震源信号的时间，t_i表示微震源发震时间，V表示弹性波在介质中的传播速度，ξ为到时误差，(x，y，z)为表示传感器的位置坐标，(x₀，y₀，z₀)为微震源的位置坐标；

基于岩体P波传播速度V和到时误差ξ的概率分布特征，利用Monte-Carlo方法随机产生M组样本(V，ξ)，通过上式获取微震源在岩体P波传播速度V条件下的传感器接收时间t；

步骤S42：基于所有或部分的传感器接收时间t、传感器位置以及P波传播速度V，通过最优化方法，以累计到时残差最小为优化函数，反演出微震源位置(x＇，y＇，z＇)和发震时间t＇；

步骤S43：通过下式获取微震源定位误差：

以同一微震源在M组样本(V，ξ)下的定位误差期望值作为初步比选方案对该微震源的定位精度，以所有微震源定位精度的期望值作为初步比选方案优劣的评判指标，并由此确定最优传感器布置方案。

在本发明一实施例中，在所述步骤S6中，所述数据采集仪通过光纤与所述采集计算机设置于一NEMA4封装箱内。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)提出了一种运营期地下水封洞库微震传感器监测方案优化方法及微震源定位方法，可及时、高效、精确地对岩体可能出现的微破裂进行系统性监测，为评价围岩损伤破坏程度并提前判识岩体潜在的失稳区域奠定基础。

(2)通过注浆将微震传感器永久固定于钻孔内部，传输线缆经水泥浆包裹由仪表井通向地面，数据采集仪及数据采集计算机等放置于防雷保护装置内，确保了仪器设备的安全性、耐久性，可满足运营期长期监测的需要。

(3)主要通过水幕巷道内的微震监测孔放置微震传感器，即使仪器损坏，也可通过可行的方法进行仪器更换，使得仪器设备具有可维护性。

附图说明

图1为本发明中一种地下水封洞库运营期微震监测方法的流程图。

图2为本发明一实施例中深浅孔与主洞室的空间关系示意图。

图3为本发明一实施例中微震传感器平面设置示意图。

图4为本发明一实施例中仪表井结构示意图。

图5为本发明一实施例中微震监测系统地面设施示意图。

【标号说明】：1-水幕巷道；2-浅监测孔；3-主洞室；4-深监测孔；5-深孔单/三向传感器；6-浅孔单向传感器；7-浅孔三向传感器；8-深孔单/单向传感器；9-施工巷道；10-封塞；11-连接支洞；12-仪表井；13-水泥浆；14-PVC管；15-传输线缆；16-微震传感器；17-地面；18-仪表间；19-数据采集仪；20-数据采集计算机；21-传输光纤；22-数据分析计算机；23-中央控制室。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种地下水封洞库运营期微震监测方法，如图1所述，包括如下步骤：

步骤S1：根据地下水封洞库工程地质条件及地下结构特征，建立含竖井、水幕巷道、封塞、主洞室等主要地下单元的洞室群稳定性三维数值模拟模型，结合施工期监测信息，判识长期运行条件下危险性较大的区域，并将其作为微震传感器监测的重点区域。

步骤S2：优先在水幕巷道中施加微震监测孔，以将储存石油或石油气的主洞室都置于传感器阵列内。若仅在水幕巷道监测孔内施加的传感器无法达到该要求，则可从施工巷道内或者直接从地面施加微震监测孔。

在本实施例中，施加微震监测孔时，优先将孔位布置在巷道的角点、拐点或重点监测区域周边，以提高监测效果。微震监测孔间距为80-100m，不应超过150m，同时确保监测孔不穿过主洞室。

在本实施例中，如图2所示，采用深浅孔结合、交替的布置方式。浅孔深度为至主洞室顶往上10m至20m，深孔深度为至主洞室底板往下20m至30m。各个监测孔的深度不宜相同，距离较近的监测孔至少应有2m的深度差，以提高定位精度。监测孔的直径应为微震传感器直径的1.3倍至1.6倍。较佳地，监测孔的直径选为微震传感器直径的1.5倍。

步骤S3：在微震监测孔内布置速度型传感器，应同时采用单向、三向传感器，以便在微震源精确定位的同时确定出震源其它参数。

在本实施例中，每个洞罐最少含4个三向传感器，3个单向传感器；考虑水幕巷道中的水会滤除高频弹性波，故应选用速度型传感器，频率范围6-2kHz；应用的传感器应为高精度传感器，可接收到微震震级-2级以上的震动信号，能满足系统灵敏度的要求。

在本实施例中，如图3所示，对于浅孔，只需要在监测孔底部布置传感器；对于深孔，则在对应着主洞室顶部、底部两位置都布置传感器。

进一步的，与监测孔深度特征类似，传感器在钻孔中的安装位置应在空间上错开，距离较近的传感器至少应有2m的深度差，以提高定位精度。

在本实施例中，如图3所示，在巷道的角点、拐点或重点监测区域周边优先布置三向传感器，其余监测孔内可采用单向、三向传感器交替的基本布置形式。

步骤S4：按步骤S2和步骤S3所述的基本思路和方法，基于某恒定的通道数，可设计出X种微震传感器布置方案，作为初步比选方案。考虑岩体纵波传播速度概率分布特征、到时误差概率分布特征，基于Monte-Carlo随机模拟方法，计算出各种初步方案的定位误差期望值，基于此评价各方案的定位精度，最终确定出最优的传感器布置方案，并在监测孔内进行相应的传感器埋置。

在本实施例中，具体还包括如下步骤：

a)在主洞室空间中布置N个微震源(已知三维坐标和发震时间)，对每种传感器布置方案分别进行定位精度分析。

假定岩体P波传播速度V和到时误差ξ对传感器均服从相同的正态分布，即V～N(u_v，σ_v)，ξ～N(0，σ_t)，受此影响后，传感器接收微震源信号的时间为：

式中，t为传感器接收到微震源信号的时间，t_i表示微震源发震时间，V表示弹性波在介质中的传播速度，ξ为到时误差，(x，y，z)为表示传感器的位置坐标，(x₀，y₀，z₀)为微震源的位置坐标。

基于P波传播速度V和到时误差ξ的概率分布特征，利用Monte-Carlo方法随机产生M(一般大于1000)组样本(V，ξ)，将其代入式(1)即可获得某个微震源在P波传播速度V条件下的传感器接收时间t。

b)基于所有或部分(一般不少于6个)的传感器接收时间t、传感器位置以及P波传播速度V，通过最优化方法(单纯形方法、遗传算法等)，以累计到时残差最小为优化函数，反演出微震源位置(x′，y′，z′)和发震时间t′。

c)应用式(2)确定微震源定位误差。以同一微震源在M组样本(V，ξ)下的定位误差期望值作为微震监测方案对该微震源的定位精度，以所有微震源定位精度的期望值作为微震监测方案优劣的评判指标，并由此确定最优监测方案。

在本实施例中，按步骤S2和S3所述的基本思路和方法以及恒定的通道数要求，设计出10种微震传感器布置方案，作为初步比选方案。在主洞室空间中随机布置50个微震源(已知三维坐标和发震时间)，对每种传感器布置方案分别进行定位精度分析。

假定该工程岩体P波传播速度V和到时误差ξ对传感器服从相同的正态分布，即V～N(4300，100)，ξ～N(0，0.005)，利用Monte-Carlo方法随机产生1000组样本(V，ξ)，通过式(1)获得某个微震源在P波传播速度V条件下的传感器接收时间t。基于最近的6个传感器接收时间t、传感器位置以及P波传播速度V，应用遗传算法，以累计到时残差最小为优化函数，反演出微震源位置(x′，y′，z′)和发震时间t′。通过式(2)确定出微震源定位误差。以同一微震源在1000组样本(V，ξ)下的定位误差期望值作为微震监测方案对该微震源的定位精度，以所有微震源定位精度的期望值作为微震监测方案优劣的评判指标，并由此确定最优监测方案。

经计算，各种微震监测方案的定位误差期望值表1，最终确定方案6为最优传感器布置方案，并在监测孔内进行相应的传感器埋置。

表1微震监测方案的定位误差期望值表

方案编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											定位误差期望值(m)	12.3	13.6	12.8	15.5	16.1	10.4	18.2	13.9	11.4	10.9

在本实施例中，所有的微震传感器都与微震信号线缆连接并封装好，微震监测孔内的传感器通过灌浆和周围岩体永久固化在一起，传感器线缆放置于水幕巷道洞壁上开挖的沟槽中，并用水泥封住沟槽至仪表井，提高线缆的使用寿命。

步骤S5：如图4所示，考虑传感器线缆走线的方便以及实际场地的可操作性，根据现场具体情况，自地面合适位置钻孔至水幕巷道顶板，并与水幕巷道顶板内部打通相连。将此钻孔作为仪表井12，所有的传感器线缆均由此仪表井通向地表。仪表井内部还放置有PVC管14，其尺寸需要满足微震设备线的进出及正常使用。一般仪表井的钻孔直径为130mm至140mm，较佳的，钻孔直径为140mm。钻孔内放置的PVC管的直径为110mm，PVC管壁与钻孔壁间灌注水泥浆粘结。

步骤S6：如图5所示，在地面仪表井口附近的适当位置设置一个仪表间，用来放置数据采集仪19与数据采集计算机20，数据采集仪通过光纤21与采集计算机连接。

在本实施例中，数据采集仪及数据采集计算机被放置在NEMA4封装箱内，封装箱体能提供防雷保护等功能。

步骤S7：如图5所示，在地下水封洞库附近的平地上修建微震监测中央控制室23，用来放置数据分析计算机22，以及方便工作人员日常对洞库安全的监控。

在本实施例中，在仪表间东北方向250m的平地上修建微震监测中央控制室。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种地下水封洞库运营期微震监测方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S3：在所述微震监测孔内设置速度型传感器；

步骤S5：从水幕巷道对应的地表预设位置钻孔至所述水幕巷道顶板，并与水幕巷道内部相连，作为仪表井，传感器线缆均由此仪表井通向地表；

2.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库运营期微震监测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述微震监测孔包括交替设置的深孔与浅孔，且开设于水幕巷道的角点、拐点或潜在失稳区域周侧。

3.根据权利要求2所述的一种地下水封洞库运营期微震监测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对于所述浅孔，在孔底部布置速度型传感器；对于深孔，在对应主洞室顶部、底部两处均设置速度型传感器；所述微震监测孔中的相邻设置的速度型传感器之间留设有预设深度阈值的深度差；在巷道的角点、拐点或监测区域周侧的微震监测孔优先布置三向传感器；其余微震监测孔内采用单向传感器与三向传感器交替设置。

4.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库运营期微震监测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，根据岩体纵波传播速度概率分布特征、到时误差概率分布特征，基于Monte-Carlo随机模拟方法，计算出各初步比选方案的定位误差期望值；根据定位误差期望值评价各初步比选方案的定位精度，确定最优的传感器布置方案。

5.根据权利要求4所述的一种地下水封洞库运营期微震监测方法，其特征在于，所述根据定位误差期望值评价各初步比选方案的定位精度通过如下步骤实现：

步骤S43：通过下式获取微震源定位误差：

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6.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库运营期微震监测方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述数据采集仪通过光纤与所述采集计算机设置于一NEMA4封装箱内。