本發(fā)明涉及礦山領(lǐng)域，尤其涉及一種基于礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)震級(jí)與里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
：目前，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的是MD震級(jí)的表現(xiàn)方式，對(duì)于監(jiān)測(cè)到的大能量事件與基準(zhǔn)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱地震臺(tái))進(jìn)行了對(duì)比，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于事件的分析結(jié)果所得出的震級(jí)與地震臺(tái)所得出的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)，也給煤礦方面與地震臺(tái)之間交流溝通產(chǎn)生了一定的障礙。震級(jí)不統(tǒng)一和發(fā)布方式的不同，造成沒(méi)辦法有效的對(duì)于所產(chǎn)生的事件進(jìn)行對(duì)比，也對(duì)安裝微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目標(biāo)產(chǎn)生了一定的影響。針對(duì)這一情況，對(duì)于MD震級(jí)與ML震級(jí)轉(zhuǎn)換也提出迫切要求,鑒于目前狀況，5Km范圍內(nèi)ML震級(jí)的定位方式以及軟件編寫正在進(jìn)行，在編寫的過(guò)程產(chǎn)生了各種各樣的問(wèn)題，對(duì)于5Km范圍內(nèi)ML震級(jí)標(biāo)定所能實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間也產(chǎn)生了很大的影響，沒(méi)有了具體應(yīng)用的時(shí)間。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)震級(jí)與里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換方法，方法包括：通過(guò)S波(或Lg波)最大振幅計(jì)算ML震級(jí)，其計(jì)算公式為：ML＝lgAμ+R(Δ)(4)式中：Aμ為量取的S波(或Lg波)最大振幅；R(Δ)為起算函數(shù)隨震中距離(Δkm)取的值；ML震級(jí)與Ms震級(jí)之間的轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換的過(guò)程，涉及到不同震級(jí)之間的相互轉(zhuǎn)換，如里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換為面波震級(jí)(ML-Ms)：Ms＝1.13ML-1.08(5)面波震級(jí)轉(zhuǎn)換為里氏震級(jí)(Ms-ML)ML＝(Ms+1.08)/1.13(6)式中：1.08和1.13為兩個(gè)常規(guī)函數(shù)；微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)震級(jí)Md與里氏震級(jí)(ML)之間的轉(zhuǎn)換，其表述公式為：ML＝logE/2.61-0.15(7)式中：E為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)和分析的能量(單位：焦耳)；2.61為基本常數(shù)(log函數(shù))，包括每一級(jí)(ML)地震之間能量的log函數(shù)差1.5和每0.1級(jí)(ML)能量的log函數(shù)均值1.11；0.15為能量log函數(shù)的修正數(shù)值，同時(shí)也是基本常數(shù)，每0.1級(jí)(ML)能量的log函數(shù)差。從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：基于礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)震級(jí)與里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算出ML震級(jí)與地震臺(tái)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，計(jì)算出的Ms震級(jí)與國(guó)家地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)公布的結(jié)果基本一致?；诘V山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)震級(jí)與里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換方法解決了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于事件的分析結(jié)果所得出的震級(jí)與地震臺(tái)所得出的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)的問(wèn)題，這樣使煤礦方面與地震臺(tái)之間交流溝通更為便利。震級(jí)和發(fā)布方式統(tǒng)一，有效的對(duì)礦山震級(jí)產(chǎn)生的事件進(jìn)行對(duì)比，也對(duì)安裝微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目標(biāo)產(chǎn)生了積極的作用。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為振動(dòng)波傳播過(guò)程示意圖；圖2為礦山微震波傳播、采集及解譯示意圖；圖3為誘發(fā)礦震的六種典型模型示意圖；圖4為集中力偶震源的靜態(tài)位移輻射花樣圖圖5為典型頂板斷裂微震波形示意圖；圖6為單力偶震源的靜態(tài)位移輻射花樣圖；圖7為典型煤柱劈裂微震波形示意圖；圖8為雙力偶震源的靜態(tài)位移輻射花樣圖；圖9為體波震動(dòng)傳播過(guò)程示意圖；圖10為體波震動(dòng)傳播過(guò)程示意圖；圖11為面波震動(dòng)傳播過(guò)程示意圖；圖12為面波震動(dòng)傳播過(guò)程示意圖；圖13為瑞利波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向示意圖；圖14為拉夫波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向示意圖；圖15為微地震波的透射原理圖；圖16為微地震波的反射原理圖；圖17為巷道內(nèi)的微地震槽波反射現(xiàn)象示意圖。具體實(shí)施方式為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將運(yùn)用具體的實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明保護(hù)的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部的實(shí)施例?；诒緦＠械膶?shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本專利保護(hù)的范圍。本實(shí)施例提供一種基于礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)震級(jí)與里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換方法，包括：我國(guó)目前的地震觀測(cè)規(guī)范中規(guī)定使用仿真位移記錄的S波(或Lg波)最大振幅計(jì)算ML震級(jí)，其計(jì)算公式為：ML＝lgAμ+R(Δ)(4)式中：Aμ為量取的S波(或Lg波)最大振幅；R(Δ)為起算函數(shù)隨震中距離(Δkm)取的值；ML震級(jí)與Ms震級(jí)之間的轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換的過(guò)程，涉及到不同震級(jí)之間的相互轉(zhuǎn)換，如里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換為面波震級(jí)(ML-Ms)：Ms＝1.13ML-1.08(5)面波震級(jí)轉(zhuǎn)換為里氏震級(jí)(Ms-ML)ML＝(Ms+1.08)/1.13(6)式中：1.08和1.13為兩個(gè)常規(guī)函數(shù)；微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)震級(jí)Md與里氏震級(jí)(ML)之間的轉(zhuǎn)換，其表述公式為：ML＝logE/2.61-0.15(7)式中：E為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)和分析的能量(單位：焦耳)；2.61為基本常數(shù)(log函數(shù))，包括每一級(jí)(ML)地震之間能量的log函數(shù)差1.5和每0.1級(jí)(ML)能量的log函數(shù)均值1.11；0.15為能量log函數(shù)的修正數(shù)值，同時(shí)也是基本常數(shù)，每0.1級(jí)(ML)能量的log函數(shù)差。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)選地采用KJ874系統(tǒng)。沖擊地壓具有震動(dòng)前兆和震動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)有效監(jiān)測(cè)和分析礦山震動(dòng)信息可對(duì)誘發(fā)型沖擊地壓進(jìn)行有效預(yù)警?；诖?，通過(guò)分析綜放采場(chǎng)震動(dòng)能量釋放規(guī)律，確定震動(dòng)日釋放能量及單位推進(jìn)度能量預(yù)警指標(biāo)臨界值，分采區(qū)建立震動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系。通過(guò)對(duì)工作面開(kāi)采期間震動(dòng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工序情況，建立工作面日釋放能量區(qū)間。震動(dòng)日釋放能量區(qū)間分析。以1303N工作面為例，1303N工作面采場(chǎng)震動(dòng)日釋放能量基本在17000J以下區(qū)間(96.5％)，平均值8374J，最小值240J，最大值33090J。日釋放能量在0～20000J、0～24000J區(qū)間內(nèi)。綜合以上分析，確定一采區(qū)北翼震動(dòng)日釋放能量限產(chǎn)預(yù)警指標(biāo)為20000J，停產(chǎn)預(yù)警指標(biāo)為24000J。單位推進(jìn)度能量區(qū)間分析。1303N工作面采場(chǎng)震動(dòng)單位推進(jìn)度能量基本在5000J/m以下(96.2％)；平均值2329J/m，最小值284J/m，最大值7654J/m。單位推進(jìn)度能量在0～6500、0～7600J/m區(qū)間內(nèi)，分別占總比例99％、99.7％。1303N工作面震動(dòng)單位推進(jìn)度能量區(qū)間分布。綜合以上分析，確定一采區(qū)北翼著呢歐東單位推進(jìn)度能量限產(chǎn)預(yù)警指標(biāo)6000J/m(略小于6500)，停產(chǎn)預(yù)警指標(biāo)7500J/m(略小于7600)。本發(fā)明提供礦山震級(jí)的具體原理及礦山震級(jí)轉(zhuǎn)換的推導(dǎo)過(guò)程如下所述。地震及震源機(jī)制：礦山微震震源機(jī)制是研究微震信號(hào)特性的重要基礎(chǔ)。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在不同領(lǐng)域有著不同的功用，其監(jiān)測(cè)對(duì)象不同、監(jiān)測(cè)尺度不同，震源機(jī)制也存在著差異。由此產(chǎn)生的微震動(dòng)信號(hào)同樣存在著差異。對(duì)礦山微震信號(hào)的研究，首先應(yīng)對(duì)礦山微震信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行研究，進(jìn)而分析波形內(nèi)蘊(yùn)藏的大量信息，通過(guò)反演的震源信息去反饋礦山巖體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如圖1所示，微震數(shù)據(jù)的采集與解譯：振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程就是波。波動(dòng)是一種不斷變化、不斷推移的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，它不是固定的、僵化的東西。將傳播的介質(zhì)想象成無(wú)數(shù)的質(zhì)點(diǎn)，波的傳播過(guò)程，其實(shí)質(zhì)就是傳播路徑上的這些質(zhì)點(diǎn)的上下起伏振動(dòng)。這些質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置附近進(jìn)行振動(dòng)。近處的質(zhì)點(diǎn)受到牽引首先振動(dòng)起來(lái)，并逐步向遠(yuǎn)處傳遞。由于振動(dòng)的波速是有限的，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)先后順序以離震源點(diǎn)距離遠(yuǎn)近為準(zhǔn)，離震源點(diǎn)越近，優(yōu)先起跳，遠(yuǎn)點(diǎn)則后振動(dòng)。不同質(zhì)點(diǎn)的起跳時(shí)刻不一致，振幅不同，在整體上呈現(xiàn)出“波動(dòng)”的形態(tài)。因此，振動(dòng)是局部的，波動(dòng)則是整體的。波動(dòng)是能量傳播的重要方式。振動(dòng)的傳播過(guò)程，實(shí)際上就是能量的傳遞過(guò)程。如圖2所示，礦山微震活動(dòng)的實(shí)質(zhì)是，巖體斷裂釋放出大量能量，這些能量以彈性波的形式以巖體作為介質(zhì)向四周傳播。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是利用這一特性，在巖體災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)區(qū)安裝相應(yīng)的拾震傳感器，采集這些彈性波信號(hào)。然后，利用已有技術(shù)手段解譯出信號(hào)中的相應(yīng)信息，從而反演出震源特性。礦山微震監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和解釋三大部分。微震信號(hào)的采集是通過(guò)井下布置的拾震傳感器拾取震動(dòng)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸至地面；數(shù)據(jù)的處理主要包括波形的預(yù)處理、波形分析、到時(shí)拾取及定位計(jì)算等處理過(guò)程；數(shù)據(jù)的解釋主要是利用計(jì)算求得震源位置、發(fā)震時(shí)刻、能量以及震級(jí)等相關(guān)參數(shù)，并利用相關(guān)軟件進(jìn)行三維展示、統(tǒng)計(jì)分析和危險(xiǎn)性分析，對(duì)礦山安全性進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。礦山微震動(dòng)震源機(jī)制：地震是一種自然現(xiàn)象，是地下某處在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量能量的結(jié)果。地下發(fā)生地震的地點(diǎn)叫做震源。震源不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)區(qū)域。按照成因不同，地震可分為構(gòu)造地震、海洋地震和大陸地震三類。其中構(gòu)造地震占了地震的絕大多數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界90％以上的地震屬于構(gòu)造地震。(1)構(gòu)造地震的震源機(jī)制地下巖石受到長(zhǎng)期的構(gòu)造作用積累了應(yīng)變能，巖石斷裂時(shí)，應(yīng)變能全部或部分釋放出來(lái)，便產(chǎn)生地震，這就是構(gòu)造地震。關(guān)于構(gòu)造地震的震源機(jī)制，斷層學(xué)說(shuō)逐漸被普遍接受。彈性回跳理論認(rèn)為，當(dāng)?shù)貧ぷ冃螘r(shí)，能量以彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存在巖石中，直到某一點(diǎn)積累的形變超過(guò)了極限，巖石就發(fā)生斷裂，或者說(shuō)產(chǎn)生了斷層。斷層兩盤回跳到平衡位置，儲(chǔ)存在巖石中的應(yīng)變能便釋放出來(lái)，其中一部分應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為熱，一部分用于使巖石破碎，還有一部分轉(zhuǎn)化為使大地震動(dòng)的彈性波能量。這些彈性波能量由震源向周圍傳播，便形成地震波。(2)海洋地震的震源機(jī)制海洋地震的震源機(jī)制是板塊理論的主要依據(jù)。在海溝附近及其稍外側(cè)發(fā)生的淺震多半是與島弧走向平行的正斷層型。這可能是由于大洋板塊產(chǎn)生彎曲，上面的張力作用引起的。海溝內(nèi)側(cè)的淺震斷層多半是屬于小傾角逆斷層，被認(rèn)為是板塊邊界地震。大多數(shù)的中源地震發(fā)生在島孤和海溝地區(qū)，其震源機(jī)制比較復(fù)雜。多數(shù)中源地震的斷層為傾滑斷層，只有少數(shù)為走滑斷層。傾滑斷層的滑動(dòng)方向基本上與斷層面一致，并且與走向垂直；而走滑斷層的滑動(dòng)方向則與斷層走向一致。大西洋中央海嶺的錯(cuò)動(dòng)部分由轉(zhuǎn)換斷層連接著。中央海嶺的地震是正斷層型，在于海嶺垂直的方向上為張力；轉(zhuǎn)換斷層上的地震是直立的走向滑動(dòng)型。(3)大陸地震的震源機(jī)制大陸地震的震源機(jī)制還沒(méi)有找到統(tǒng)一的規(guī)律。大陸內(nèi)部發(fā)生的地震，其機(jī)制類似于中央海嶺的，也有在遠(yuǎn)離島孤和中央海嶺的地區(qū)發(fā)生的。由于大陸地震的成因復(fù)雜，相應(yīng)的大陸地震的震源機(jī)制也比較復(fù)雜。礦井開(kāi)采實(shí)踐表明，礦山深部工程災(zāi)害的發(fā)生與采動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、應(yīng)力環(huán)境及巖體在高應(yīng)力下的力學(xué)行為有關(guān)。當(dāng)形成高應(yīng)力場(chǎng)或產(chǎn)生高應(yīng)力差時(shí)，便可能誘發(fā)沖擊地壓。這也是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)、預(yù)警礦山災(zāi)害的前提——通過(guò)追蹤定位巖體內(nèi)的破裂事件，圈定破裂圈，從而確定高應(yīng)力差區(qū)域與高應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域。而事實(shí)上，高應(yīng)力場(chǎng)的形成與高應(yīng)力差的產(chǎn)生正是由于開(kāi)采活動(dòng)所引起的應(yīng)力場(chǎng)重新分布。因此，開(kāi)采活動(dòng)引起圍巖移動(dòng)，圍巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移與重新分布，動(dòng)態(tài)支承壓力作用于圍巖，是誘發(fā)圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)災(zāi)變的根本原因。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了巖體破裂釋放能量引起礦山微震動(dòng)。從宏觀上看礦山微震可以分為兩類：采礦活動(dòng)引起和由地質(zhì)構(gòu)造引起兩大類。這種分類方法較為粗略，Horner和Hasegawa根據(jù)震動(dòng)位置、震源類型，對(duì)礦山震動(dòng)的類型進(jìn)行細(xì)分，將巖體破壞的表現(xiàn)形式分為以下幾類：歸納了采礦活動(dòng)導(dǎo)致的巖石破裂產(chǎn)生微震的力學(xué)機(jī)理，提出了高垂直應(yīng)力、低側(cè)壓、高側(cè)壓、低垂直應(yīng)力等4種剪切類型。高垂直應(yīng)力、低側(cè)壓的壓剪破壞(A類)。高水平應(yīng)力、低垂直應(yīng)力條件下的壓剪破壞(B類)。單層或組合巖層下沉過(guò)程中由彎矩產(chǎn)生的層內(nèi)和層間剪切破壞(C類)。拉張與剪切耦合作用產(chǎn)生的拉張和剪切破壞(D類)。不論哪一種模型，礦山微震動(dòng)的產(chǎn)生均能夠歸結(jié)為，巖體在高應(yīng)力狀態(tài)下，無(wú)法承受外力的拉張或剪切，引起巖體的破壞，能量以震動(dòng)波的方式釋放，這便是微震波產(chǎn)生的原因。通過(guò)基本的力學(xué)模型，可以建立礦山微震事件與巖體破裂失穩(wěn)之間的相互聯(lián)系。將力學(xué)模型歸納為以下三類：集中力、單力偶和雙(多)力偶震源。集中力震源主要是指，巖體受到正應(yīng)力作用，其作用點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，作用方向?yàn)樽鴺?biāo)軸x1、x2和x3軸向方向。如圖4所示，三幅圖分別為不同集中力偶震源所形成的靜態(tài)位移輻射花樣圖。巷道或采場(chǎng)頂板冒落、離層現(xiàn)象、頂板水平拉張斷裂以及煤柱受壓內(nèi)爆式破裂均為集中力作用所致，是集中力的作用效果。如圖5所示，所示為典型的頂板冒落波形，波形起伏不大，初始階段振幅平緩，逐步變大，后迅速衰減，呈“螺絲帽”狀，起始階段為螺紋段，結(jié)束階段為螺帽段。單力偶震源作用，主要是指多個(gè)力作用，且作用點(diǎn)不在坐標(biāo)原點(diǎn)處，分別沿著坐標(biāo)軸x1、x2和x3方向，此時(shí)形成剪切應(yīng)力狀態(tài)。如圖6所示，為單力偶震源作用下的靜態(tài)位移輻射花樣圖。隨著工作面回采工作進(jìn)行，周圍應(yīng)力場(chǎng)分布不斷發(fā)生改變。在高垂直應(yīng)力、低側(cè)壓或高側(cè)壓、低垂直應(yīng)力作用下，易形成壓剪破壞。如上述A、B類力學(xué)模型。當(dāng)達(dá)到破壞條件時(shí)，即發(fā)生巖體破裂或滑移，并沿著最大優(yōu)勢(shì)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。最典型的現(xiàn)象有底板的逆斷層滑移、頂板中的俯沖斷層滑移以及正斷層滑移。如圖7所示，為典型煤柱劈裂破壞微震波形，這類波形屬于A類高垂直應(yīng)力、低側(cè)壓應(yīng)力作用。波形起跳與衰減較為平緩，波形左右對(duì)稱，在中部達(dá)到最大振幅值。雙(多)力偶震源較為復(fù)雜，此類震源由于受多種力偶同時(shí)作用，如集中力偶與集中力偶作用，或集中力偶與單力偶混合作用。其震源靜態(tài)位移輻射花樣圖如圖8所示。這類波形的力學(xué)模型如上述C、D類，既有高垂直應(yīng)力與低側(cè)壓的壓減破壞，也有層間剪切、拉張破壞，受多種力偶相互作用。地震波傳播規(guī)律，地震波的分類，地震波主要分為兩類，一類是能在整個(gè)地球介質(zhì)內(nèi)傳播的體波，另一類是只能沿地球表面或分界面?zhèn)鞑サ拿娌ā?1)體波彈性波的傳播實(shí)質(zhì)上是彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間應(yīng)變的傳遞。彈性介質(zhì)中只有兩種基本的應(yīng)變：體應(yīng)變和切應(yīng)變。與體應(yīng)變對(duì)應(yīng)的體波成為縱波，與切應(yīng)變對(duì)應(yīng)的體波成為橫波。縱波是在脹縮力的作用下，周圍介質(zhì)只產(chǎn)生體積變化而無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)交替發(fā)生膨脹和壓縮，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，如圖9所示。橫波是在旋轉(zhuǎn)力的作用下，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，如圖10所示。只有在固體中才能傳播橫波，橫波又可分為兩種形式：質(zhì)點(diǎn)的橫向位移發(fā)生在波傳播方向垂直面內(nèi)的稱為垂直橫波，記作SV波；質(zhì)點(diǎn)的橫向位移發(fā)生在波傳播方向水平面內(nèi)的稱為水平橫波，記作SH波。在各向同性介質(zhì)中，地震波的傳播速度僅與本省的物理性質(zhì)有關(guān)，則式中：νp、νs分別為縱波、橫波的傳播速度；E為彈性模量；σ為泊松比；ρ為介質(zhì)密度。由式(4-1)、式(4-2)可得縱波、橫波的傳播速度為(2)面波面波是體波在地球表面或界面因干涉而產(chǎn)生的，常見(jiàn)的面波有瑞利波和拉夫波。如圖11和圖12所示。瑞利波是一種沿空氣與介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ牟ㄈ鐖D13所示，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)有水平和垂直兩個(gè)方向，運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)逆進(jìn)橢圓，橢圓的長(zhǎng)軸垂直于地面，短軸與波的前進(jìn)方向一致，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度大致為短軸的1.5倍。瑞利波的能量主要集中在地表，水平振幅隨距離的衰減比體波慢，而垂直振幅隨距離的增加迅速衰減。瑞利波的傳播速度較低，約為同一介質(zhì)中橫波波速的0.8倍。此外，它的傳播速度隨頻率升高而降低，這種速度隨頻率而變化的現(xiàn)象叫做頻散。拉夫波是在低速層覆蓋于波速較高的半無(wú)限空間情況下產(chǎn)生的，如圖14所示。拉夫波沿界面?zhèn)鞑r(shí)，其質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，而振動(dòng)平面與界面平行，所以拉夫波本質(zhì)上是一種水平橫波。同瑞利波一樣，拉夫波也存在頻散現(xiàn)象。礦山微震波的傳播規(guī)律：地質(zhì)異常體(如陷落柱、斷層等)的存在，會(huì)影響地質(zhì)勘探的精度，對(duì)于微震技術(shù)而言，不連續(xù)介質(zhì)會(huì)引起地震波速的改變，從而影響最終的定位精度。因此，需要研究微地震波的傳播規(guī)律以及頻散特性。礦山微震波滿足地震波的傳播規(guī)律，斯奈爾定律、費(fèi)馬(Fermat)原理以及惠更斯(Huygens)原理。如圖15所示，展示的是地震波在巖層中的透射與反射現(xiàn)象，其中α為入射角，β為反射角，N與N’分別兩種不同介質(zhì)，在入射面上發(fā)生透射；(b)圖為反射現(xiàn)象，經(jīng)入射面發(fā)生反射，入射角與反射角相等。費(fèi)馬原理是地震波射線理論中的重要原理，它指出，在一般情況下，地震波沿運(yùn)行時(shí)間最短的路徑進(jìn)行傳播。因此，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，存在地震波并非沿直線傳播，距離遠(yuǎn)反而先行抵達(dá)，下一章將就此進(jìn)行解釋。斯奈爾定理則指出，同光線在非均勻介質(zhì)中的傳播一樣，當(dāng)彈性波遇到兩種不同均勻介質(zhì)之間的分界面時(shí)，彈性波要在此分界面上產(chǎn)生反射和投射。地震波在巷道中呈現(xiàn)槽波現(xiàn)象，如圖16.17對(duì)槽波的發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行模擬?？梢钥闯觯跏茧A段地震波向四周不斷擴(kuò)散，在靠近巷道邊界時(shí)，地震波發(fā)生發(fā)射，并不斷反向擴(kuò)散。微震波的散射與衰減，微震信號(hào)在巖體介質(zhì)中傳播，實(shí)際是一個(gè)能量耗散的過(guò)程，在傳播過(guò)程中，波形會(huì)不斷發(fā)生散射和衰減。微震波的衰減受多種因素影響，其中最為主要的有以下四部分：幾何發(fā)散、透射損失、反射損失以及介質(zhì)的吸收衰減，此外，地震波的散射及其它因素同樣有較大影響。其主要因素有三類，一是激發(fā)條件。激發(fā)方式、強(qiáng)度，以及震源與地面的耦合狀態(tài)都會(huì)影響地震波；二是傳播過(guò)程，波前擴(kuò)散、地層吸收，以及反射、投射等；三是，接收條件。檢波器、放大器、記錄儀頻率特性對(duì)波的改造等。地層巖性是影響微震波衰減的主因之一，地震波向周圍以球面擴(kuò)散時(shí)，隨著距離r的增加，振幅越來(lái)越小。相關(guān)理論研究及試驗(yàn)結(jié)果均表明，因巖體介質(zhì)的阻尼作用，震動(dòng)波的固有衰減主要呈指數(shù)衰減規(guī)律。因此，隨傳播距離的增大，能量呈指數(shù)衰減，頻率隨距離的增加也呈衰減趨勢(shì)。其衰減規(guī)律可表達(dá)為(4-3)：其中：η為震動(dòng)波能量衰減系數(shù)，r為傳播距離，v為地震波傳播速度，f為頻率，Q為巖體質(zhì)量。振幅與能量呈線性關(guān)系，通過(guò)換算，可以獲得振幅衰減規(guī)律滿足下式(4-4)：礦山地震能量及震級(jí)計(jì)算，震級(jí)是表示地震強(qiáng)弱的一種方法，它是地震固有的屬性，與地震釋放的能量有關(guān)，地震能量越大，震級(jí)就越大，可利用地震波的最大振幅、平均周期和震中距進(jìn)行計(jì)算。震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最先是由美國(guó)地震學(xué)家里克特提出來(lái)的，所以又稱“里氏震級(jí)”。一個(gè)8.5級(jí)地震通過(guò)地震波釋放出來(lái)的能量，大約相當(dāng)于二灘電站連續(xù)發(fā)電近6年的電能總和。目前，常用的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要有三種：遠(yuǎn)震里氏震級(jí)(Ms)、近震里氏震級(jí)(ML)、體波震級(jí)(Mb)。(1)遠(yuǎn)震里氏震級(jí)(Ms)對(duì)于震源淺且距離遠(yuǎn)的強(qiáng)震通常測(cè)定面波震級(jí)Ms。面波震級(jí)(SurfaceWaveMagnitude)是指根據(jù)面波計(jì)算出來(lái)的震級(jí)，以符號(hào)MS表示，是通用的震級(jí)。中國(guó)規(guī)定以它為標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外報(bào)道的地震震級(jí)一般也為面波震級(jí)。Ms震級(jí)計(jì)算公式為：Ms＝lg({A}μm/{T}s)最大+σ(Δ)+C(4-4)式中：A為面波水平方向最大地動(dòng)位移的數(shù)值(以微米計(jì))；T為與A相應(yīng)的周期(以秒計(jì))；σ(Δ)為面波震級(jí)量規(guī)函數(shù)；C為觀測(cè)臺(tái)站的校正。Ms震級(jí)測(cè)定方法為：面波震級(jí)標(biāo)度Ms比較適用于從遠(yuǎn)處(震中距大于1000km)測(cè)定淺源大地震的震級(jí)，而且各國(guó)地震機(jī)構(gòu)的面波震級(jí)測(cè)定結(jié)果也比較一致，因此世界各國(guó)在公布1931年新疆8級(jí)地震和交換有關(guān)震級(jí)的信息資料時(shí)，一般都使用面波震級(jí)。(2)近震里氏震級(jí)(ML)里氏震級(jí)，亦稱近震震級(jí)，是地震規(guī)模大小的標(biāo)度，是由兩位來(lái)自美國(guó)加州理工學(xué)院的地震學(xué)家里克特(CharlesFrancisRichter)和古登堡(BenoGutenberg)于1935年提出的一種震級(jí)標(biāo)度，是目前國(guó)際通用的地震震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。它是根據(jù)離震中一定距離所觀測(cè)到的地震波幅度和周期，并且考慮從震源到觀測(cè)點(diǎn)的地震波衰減，經(jīng)過(guò)一定公式，計(jì)算出來(lái)的震源處地震的大小。里氏震級(jí)是由觀測(cè)點(diǎn)處地震儀所記錄到的地震波最大振幅的常用對(duì)數(shù)演算而來(lái)。由于地震儀的位置一般并不在震中，考慮到地震波在傳播過(guò)程中的衰減以及其它干擾因素，計(jì)算時(shí)需減去觀測(cè)點(diǎn)所在地規(guī)模0地震所應(yīng)有的振幅之對(duì)數(shù)。為了使結(jié)果不為負(fù)數(shù)，里克特定義在距離震中100km處之觀測(cè)點(diǎn)地震儀記錄到的最大水平位移為1微米的地震作為0級(jí)地震。按照這個(gè)定義，如果距震中100km處的地震儀測(cè)得的地震波振幅為1mm的話，則震級(jí)為里氏3級(jí)。里氏震級(jí)并沒(méi)有規(guī)定上限或下限?，F(xiàn)代精密的地震儀經(jīng)常記錄到規(guī)模為負(fù)數(shù)的地震。由于當(dāng)初設(shè)計(jì)里氏震級(jí)時(shí)所使用的地震儀限制，近震規(guī)模ML若大于約6.8或觀測(cè)點(diǎn)距離震中超過(guò)約600km便不適用。我國(guó)目前的地震觀測(cè)規(guī)范中規(guī)定使用仿真位移記錄的S波(或Lg波)最大振幅計(jì)算ML震級(jí)，計(jì)算公式為：ML＝lgAμ+R(Δ)(4-5)式中：A為量取的S波(或Lg波)最大振幅；R(Δ)為起算函數(shù)隨震中距離(Δkm)取的值。(3)體波震級(jí)(Mb)體波震級(jí)(bodywavemagnitude)是根據(jù)體波計(jì)算出來(lái)的震級(jí)。由B.Gutenberg和C.F.Richter于1956年提出，是以地動(dòng)時(shí)體波(P波、PP波、S波)波群的運(yùn)動(dòng)能量來(lái)表示地震規(guī)模大小的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式為Mb＝lg({A}μm/{T}s)最大+Q(Δh)+S(4-6)式中：A為地動(dòng)波群的最大振幅的地動(dòng)位移(單位微米)；T為體波周期(以秒計(jì))；Q(Δh)為體波震級(jí)起算函數(shù)；S為觀測(cè)分站的校正。礦山地震震級(jí)計(jì)算，持時(shí)震級(jí)(Md)是利用地震波形的持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算地震震級(jí)，因?yàn)榈卣鸩ǔ掷m(xù)時(shí)間反映了地震強(qiáng)度，與地震震級(jí)大小具有相關(guān)性。由于礦震事件較小，觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)范圍較小，S波不發(fā)育等原因，與天然地震存在較大差別，因此采用持續(xù)時(shí)間震級(jí)計(jì)算礦震震級(jí)的大小。持時(shí)震級(jí)適用于測(cè)定礦震事件的小型臺(tái)網(wǎng)，不受記錄限幅影響，計(jì)算簡(jiǎn)單，不依賴振幅、周期、頻率特性等參數(shù)。其計(jì)算公式為：Md＝a+blgT(4-7)式中：持續(xù)時(shí)間T的起算位置為P波初動(dòng)，結(jié)束時(shí)間為振動(dòng)衰減到信號(hào)方差等于2倍背景噪聲方差的時(shí)間。a、b值需根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍v史地震參數(shù)校驗(yàn)生成，根據(jù)前期運(yùn)行記錄暫定a值為0.68，b值為1.57。能量計(jì)算也是通過(guò)地震波形的持續(xù)時(shí)間來(lái)測(cè)定。計(jì)算公式為lgE＝c+dlgT(4-8)式中：E為能量；T為持續(xù)時(shí)間；c、d值需根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史地震參數(shù)擬合生成。根據(jù)前期運(yùn)行記錄暫定c值為2.6，d值為4.2。需要說(shuō)明的是，持續(xù)震級(jí)(Md)與能量E之間不存在關(guān)聯(lián)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是持續(xù)震級(jí)(Md)計(jì)算方法。近年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦山得到了廣泛應(yīng)用，它也能計(jì)算震源的震級(jí)，但它通常是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析震源能量與震級(jí)之間的關(guān)系推導(dǎo)震級(jí)計(jì)算方法，例如ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的震級(jí)(M)計(jì)算方法是我國(guó)大部分礦山企業(yè)所采用的震級(jí)計(jì)算方式：M＝(logE-1.8)/1.9(4-9)式中：E為能量；1.8、1.9為兩個(gè)基本常數(shù)。不同震級(jí)表示的轉(zhuǎn)換，(1)ML震級(jí)與Ms震級(jí)之間的轉(zhuǎn)換目前，全世界通用地震等級(jí)發(fā)布方式為Ms(面波震級(jí))，我國(guó)對(duì)外也是采用Ms(面波震級(jí)),因此，無(wú)論是近震還是遠(yuǎn)震，在分析定位完成后，全都是轉(zhuǎn)換成Ms(面波震級(jí))對(duì)外發(fā)布。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程，牽扯到不同震級(jí)之間的相互轉(zhuǎn)換，如里氏震級(jí)轉(zhuǎn)換為面波震級(jí)(ML-Ms)：Ms＝1.13ML-1.08(4-10)面波震級(jí)轉(zhuǎn)換為里氏震級(jí)(Ms-ML)ML＝(Ms+1.08)/1.13(4-11)式中：1.08和1.13為兩個(gè)常規(guī)函數(shù)。(2)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)震級(jí)Md與里氏震級(jí)(ML)之間的轉(zhuǎn)換根據(jù)煤礦的要求和軟件實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，將兩個(gè)不同單位的震級(jí)表現(xiàn)方式進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式整理，才是最有效快捷的方式，有鑒于此，對(duì)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行了推導(dǎo)。具體步驟如下：①M(fèi)L震級(jí)的能量轉(zhuǎn)換以及解釋里氏震級(jí)直接反映地震釋放的能量。其中1級(jí)地震釋放的能量為2.0×10^6焦耳，按幾何級(jí)數(shù)遞加，每級(jí)相差31.6倍(準(zhǔn)確地說(shuō)是根下1000倍，即差兩級(jí)能量差1000倍)。至今為止中國(guó)使用的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際上通用的里氏分級(jí)表，共分9個(gè)等級(jí)，在實(shí)際測(cè)量中，震級(jí)則是根據(jù)地震儀對(duì)地震波所作的記錄計(jì)算出來(lái)的。地震愈大，震級(jí)的數(shù)字也愈大，震級(jí)每差一級(jí)，通過(guò)地震被釋放的能量約差32倍。地震的級(jí)數(shù)就是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，以地震波的形式放出的能量的指示參數(shù)E＝10^4.8×10^(1.5M)焦耳(4-12)其中，M為地震級(jí)數(shù)前國(guó)際上使用的地震震級(jí)——里克特級(jí)數(shù)，是由美國(guó)地震學(xué)家里克特所制定，它直接同震源中心釋放的能量(熱能和動(dòng)能)大小有關(guān)，震源放出的能量越大，震級(jí)就越大。里克特級(jí)數(shù)每增加一級(jí)，即表示所釋放的熱能量大了10√10倍。假定第1級(jí)地震所釋放的能量為k，第2級(jí)應(yīng)為10√10k，第3級(jí)應(yīng)為1000k，依此類推，第7級(jí)為10億k。里氏震級(jí)相比較通用的其他標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，更客觀、更從量的基礎(chǔ)上測(cè)定地震強(qiáng)度。它并不表明地震的影響，但通過(guò)地震儀能夠精確給出以釋放能量為標(biāo)準(zhǔn)的地震等級(jí)。震級(jí)相差0.1級(jí)，釋放的能量平均相差1.4倍。按震級(jí)大小可把地震劃分為以下幾類：弱震震級(jí)小于3級(jí)。有感地震震級(jí)等于或大于3級(jí)、小于或等于4.5級(jí)。中強(qiáng)震震級(jí)大于4.5級(jí)、小于6級(jí)。強(qiáng)震震級(jí)等于或大于6級(jí)。其中，震級(jí)大于等于8級(jí)的又稱為巨大地震。②Md震級(jí)的能量轉(zhuǎn)換以及解釋持時(shí)震級(jí)(Md)是利用地震波形的持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算地震震級(jí)，因?yàn)榈卣鸩ǔ掷m(xù)時(shí)間反映了地震強(qiáng)度，與地震震級(jí)大小具有相關(guān)性。由于礦震事件較小，觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)范圍較小，S波不發(fā)育等原因，與天然地震存在較大差別，因此采用持續(xù)時(shí)間震級(jí)計(jì)算礦震震級(jí)的大小。持時(shí)震級(jí)適用于測(cè)定礦震事件的小型臺(tái)網(wǎng)，不受記錄限幅影響，計(jì)算簡(jiǎn)單，不依賴振幅、周期、頻率特性等參數(shù)。③兩者共同性兩種不同的震級(jí)表現(xiàn)方式所得到的結(jié)果，都是根據(jù)能量所表現(xiàn)的強(qiáng)弱來(lái)表現(xiàn)震級(jí)的大小；能量的單位同時(shí)都表現(xiàn)為焦耳,同樣都為熱能和動(dòng)能。那么，我們就根據(jù)能量大小以及表現(xiàn)方式，來(lái)找兩者之間所才在的對(duì)應(yīng)性和相互轉(zhuǎn)換。④具體實(shí)施根據(jù)ML震級(jí)能量標(biāo)準(zhǔn)以及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，我們得到如下表所示數(shù)據(jù)：表4-1ML震級(jí)能量標(biāo)準(zhǔn)以及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)震級(jí)能量(焦耳)log函數(shù)1M12.0*1066.32M26.3*1077.83M32.0*1099.34M46.3*101010.85M52.0*101212.36M66.3*101313.87M72.0*101515.38M86.3*101616.89M92.0*101818.3根據(jù)上表4-1所闡述的內(nèi)容，我們可以得出所有ML地震能量的log函數(shù)總和為110.7；每一級(jí)地震之間log函數(shù)差為1.5。我們將全部地震等級(jí)均分100份(從M0-M9.9)，那么每M0.1的log函數(shù)均值為1.11(取小數(shù)點(diǎn)后兩位)，函數(shù)差為0.15。對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)換公式之間進(jìn)行了反向推導(dǎo)，得出的公式如下：ML＝logE/2.61-0.15(4-13)式中：E為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)和分析的能量(單位：焦耳)；2.61為基本常數(shù)(log函數(shù))，包括每一級(jí)(ML)地震之間能量的log函數(shù)差1.5和每0.1級(jí)(ML)能量的log函數(shù)均值1.11；0.15為能量log函數(shù)的修正數(shù)值，同時(shí)也是基本常數(shù)，每0.1級(jí)(ML)能量的log函數(shù)差。將已知事件套入上述公式，基本演算步驟如下：事件能量為：3616702.8焦耳，logE＝6.55，套入公式為：ML＝6.55/2.61-0.15＝2.40(取小數(shù)點(diǎn)后兩位)，與地震臺(tái)測(cè)定的ML震級(jí)相等，轉(zhuǎn)換為國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)通用的震級(jí)發(fā)布方式(Ms)，公式為：Ms＝1.13ML-1.08＝1.13*2.40-1.08＝1.63。根據(jù)結(jié)果可以得出：2015-05-2509:56事件的震級(jí)為M1.63。事件能量為：1.7*108焦耳，logE＝8.23，套入公式為：ML＝8.23/2.61-0.15＝3.00(取小數(shù)點(diǎn)后兩位)，與地震臺(tái)測(cè)定的ML震級(jí)相等，轉(zhuǎn)換為國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)通用的震級(jí)發(fā)布方式(Ms)，公式為：Ms＝1.13ML-1.08＝1.13*3.00-1.08＝2.31。根據(jù)結(jié)果可以得出：2015-07-2902:49事件的震級(jí)為M2.31。表4-2震源震級(jí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表4-2所示為幾次礦山地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的幾次地震事件。采用式(4-12)對(duì)事件的震級(jí)進(jìn)行計(jì)算，并與泰安地震臺(tái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果和國(guó)家地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)公布的震級(jí)進(jìn)行對(duì)比。從表4-2中可以看出，計(jì)算出ML震級(jí)與泰安地震臺(tái)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，計(jì)算出的Ms震級(jí)與國(guó)家地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)公布的結(jié)果基本一致。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3