《Geomechanics for Energy and the Environment》：Investigating Stress Evolution in Rock Burst Prone Regions in an Underground Mine with Seismic Tomographic Imaging
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利用地震层析成像技术分析加拿大深层金属矿应力场演化，通过微震与岩爆数据识别应力集中区迁移规律，揭示岩爆前兆及应力松弛特征，为矿山地震灾害预警提供新方法。
Xu Ma | Rui Ma | Erik Westman | Baisheng Nie | Miao Zhang | Kai Guo
中国地震局地质研究所地震动力学与预测国家重点实验室，北京，中国
摘要
采矿作业，尤其是深部采矿，会显著改变岩体的原位应力状态，导致裂缝形成和能量释放，从而可能引发地震事件。了解岩爆发生前、发生中和发生后的应力演变过程以及相关的采矿诱发地震活动，对于有效的早期预警和地震灾害缓解至关重要。在这项研究中，我们利用地震层析成像技术调查了加拿大一座深部金属矿山的应力场演变情况。通过分析微震数据和岩爆数据，我们识别出与岩爆事件前应力集中区相对应的速度异常。高速异常现象表明应力在逐渐积累，并且这些异常向最终的岩爆震中迁移。地震事件发生后，高速异常区的减少或消失表明受影响区域的应力得到了释放。这些发现强调了地震层析成像技术在采矿环境中可视化应力演变的潜力，为监测应力集中区和增强采矿诱发地震灾害的早期预警提供了有价值的工具。本研究为将地震数据纳入应力监测系统提供了实际范例，有助于实现更安全、更可持续的地下采矿实践。
引言
采矿活动会引发岩体内裂缝的形成和扩展，并伴随显著的能量重新分布。采矿诱发的地震事件是这些变化的直接后果。1, 2, 3 由于矿物开采（尤其是在深部采矿中）导致的应力集中和扰动，可能会危及岩体内断层的稳定性，从而可能引发地震灾害4。研究采矿诱发地震事件周围的应力场演变被认为是监测和早期预警的有效方法，并在近年来受到了广泛关注。近几十年来，越来越多的矿山采用了地震监测系统来应对高地应力以及与深部采矿相关的频繁地震活动。优化这些系统及其数据的使用已成为工程学中的一个关键问题5, 6, 7, 8, 9, 10。
采矿诱发地震不仅带来灾害，同时也是了解岩体行为的宝贵信息来源11。通过将采矿诱发地震事件视为信号源，我们可以更深入地了解岩体的结构和力学特性。从能源开发、安全采矿和环境可持续性的角度来看，利用采矿诱发地震来研究岩体特性具有重要意义。许多研究采用了多种分析方法来探讨其成因和机制12, 13, 14, 15。这些研究主要集中在岩体中的孔隙压力扰动、岩石渗透性和物理性质，以及断层附近的应力场演变16, 17, 18, 19, 20, 21, 22。特别是，通过岩体速度场推断应力场演变对于监测和预警采矿诱发地震灾害具有巨大潜力23, 24。煤矿开采工作面前地震速度的变化为监测采矿进度提供了重要指标。此外，地震层析成像技术可用于推断原位应力状况，并识别与采矿活动相关的地质异常24。然而，目前尚未建立起一个全面且被广泛接受的框架，用于通过速度结构识别应力集中区，并将这种方法应用于采矿环境中的早期预警系统23, 24, 25, 26, 27, 28。仍然需要改进方法，以便从采矿诱发地震数据中构建精确的岩体速度模型，并进行采矿诱发地震事件周围的层析成像分析29。
虽然之前的研究已经利用地震层析成像技术识别了地下矿山中的高应力静态区域，但很少有研究能够成功捕捉到重大岩爆发生前几天内应力的动态、高分辨率演变过程30, 31。本研究通过采用双差层析成像方法，克服了复杂矿山几何结构中的共路径误差，从而提高了空间精度。我们进行了棋盘测试来评估模型的可靠性和速度反演的精度。在模型验证之后，利用地震监测系统的到达时间、计算旅行时间和传感器数据对易发生岩爆区域的速度场演变进行了反演。与传统绝对到达时间方法不同，我们的方法能够跟踪瞬态速度异常的迁移和增强过程。在岩爆事件发生之前，就识别出了速度结构中的异常，从而推断出应力集中区。岩爆发生后，继续进行监测以跟踪岩体内应力场的演变。总之，本研究利用地震层析成像技术研究了与岩爆相关的应力场的时空演变过程。这些发现凸显了地震层析成像技术在采矿诱发地震早期预警方面的潜力，并支持其在采矿工程中的进一步应用。
数据集概述
我们分析了Kidd矿的地震数据集，涵盖了2011年6月21日至11月13日的145天时间段。该数据集包含779次发生在880至1380米深度之间的微震事件。在此期间，地震监测系统还识别并记录了两次岩爆事件（表1）。下文提供了Kidd矿的地震活动详情和地质背景信息。为了研究微震活动与岩爆事件之间的时间相关性，
结论
本研究表明，将被动地震成像技术与微震监测相结合，可以有效揭示与岩爆相关的应力场的时空演变过程。主要发现包括：（1）岩爆发生前微震事件密度显著增加，表明它们具有作为前兆的效用；（2）高P波速度异常向即将发生的岩爆位置迁移，这与岩体中的应力积累一致；（3）岩爆发生后...
作者贡献声明
Baisheng Nie：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件开发、资源提供。Erik Westman：撰写 – 初稿撰写、监督、资源提供、项目管理、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。Kai Guo：撰写 – 初稿撰写、可视化处理、验证、项目管理、调查、资金获取、正式分析。Miao Zhang：可视化处理、验证、资源提供、方法论设计、调查、正式分析。Rui Ma：撰写 – 审稿与...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国山西省重点研发计划（项目编号202202020101009）、国家自然科学基金（NSFC）一般项目（项目编号42374229）、国家重点研发计划（项目编号2021YFC3000600）以及中国博士后科学基金一般项目（项目编号2023M74023）的财政支持。此外，该项目还得到了加拿大矿业研究组织和NIOSH地面控制能力的额外支持。
