三道莊礦微震信號辨識應(yīng)用研究

謝九敬（洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南洛陽471500）

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三道莊礦微震信號辨識應(yīng)用研究

謝九敬
（洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南洛陽471500）

摘要：針對三道莊礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，從大量摻雜著的干擾信號中提取有效信號，有效地應(yīng)用微震信號對巖石穩(wěn)定性進(jìn)行評價，對可能產(chǎn)生的破壞災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測具有重要意義。文章對該礦山各種微震信號源按實際監(jiān)測需要進(jìn)行了大致分類，分為巖體破裂信號、噪音信號和爆破信號三大類。在大量現(xiàn)場微震監(jiān)測基礎(chǔ)上，總結(jié)出了微震信號經(jīng)驗辨識法和頻譜分析辨識法。利用經(jīng)驗辨識方法從波形振幅值、持續(xù)時間、上升時間、信號間隔等方面對各種震源波形的直觀特征進(jìn)行了辨識；利用頻譜分析法對各種微震震源頻率成分進(jìn)行分析，總結(jié)出了三道莊礦各種微震震源信號特征。研究成果給礦山現(xiàn)場快速準(zhǔn)確提取有用微震信號提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測；信號辨識；經(jīng)驗辨識法；頻譜分析法

0引言

微震監(jiān)測技術(shù)是基于信息化高技術(shù)的礦山安全監(jiān)測技術(shù)，目的是監(jiān)測巖石在應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂時的彈性波信號，并應(yīng)用這些信號對巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，對可能產(chǎn)生的各種破壞災(zāi)害等地壓現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測。由于實際監(jiān)測環(huán)境往往比較復(fù)雜，在監(jiān)測到有用信號的同時，往往會獲得大量摻雜在一起的干擾信號，即噪音信號。因此，如何區(qū)分有用信號和噪音信號，從大量的監(jiān)測信號中快速準(zhǔn)確地提取出有用信號是微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。國內(nèi)外專家在信號辨識和提取方面做了大量的研究工作[1-4]，比如利用FFT譜分析、小波分析方法進(jìn)行信號辨識，這些研究主要是圍繞信號分析方法和理論研究。筆者在這些研究的基礎(chǔ)上，利用大量現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，總結(jié)出了經(jīng)驗辨識法和頻譜分析辨識法相結(jié)合的方法，利用該方法可以快速有效地進(jìn)行現(xiàn)場信號辨識應(yīng)用，對現(xiàn)場工程具有應(yīng)用和推廣價值。

三道莊礦為中國特大型鎢鉬生產(chǎn)基地，礦山開采前期采用地下開采，為了合理利用資源，從20世紀(jì)90年代初開始露天開采，經(jīng)過30多年的前期地下開采，在露天臺階下方形成了面積約120萬m2，體積約1 800萬m3的復(fù)雜地下采空區(qū)，嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)，空區(qū)處理與露天生產(chǎn)危險程度高。例如2007年汛期時“6·14”塌陷事故造成1臺351潛孔鉆機(jī)被埋；2007年9月8日，在露天臺階1402水平南部發(fā)生塌陷事故，一臺挖掘機(jī)陷入地下采空區(qū)內(nèi)；2012年5月，一臺潛孔鉆機(jī)在采場作業(yè)期間因臺階塌陷被埋等。針對露天臺階和采空區(qū)穩(wěn)定性問題，礦山于2012年建立了一套48通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地下采空區(qū)和露天臺階的全天候、實時和立體監(jiān)測[5-8]。

1微震監(jiān)測技術(shù)原理

微震是巖體或其他材料介質(zhì)在受力作用影響下，以彈性波的形式釋放能量的過程。微震監(jiān)測技術(shù)就是指利用專門的微震監(jiān)測設(shè)備來采集和記錄巖體或其他材料在受力作用下釋放的彈性波，以此來分析微震震源特征，進(jìn)而分析評價震源穩(wěn)定性和安全狀況的一種技術(shù)，圖1為微震監(jiān)測技術(shù)原理示意圖。

圖1微震監(jiān)測技術(shù)原理示意Fig.1 Schematicdiagramofmicro-seismicmonitoringtechnology

在實際工程應(yīng)用過程中，微震監(jiān)測的目標(biāo)信號往往只是一種或者幾種需要的信號，我們稱為有用信號，但是在實際工程應(yīng)用中，由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在監(jiān)測過程中通常會采集到大量有用信號以外的其他信號。因此，如何快速準(zhǔn)確的區(qū)分各種微震信號，從中提取出有用信號是實際微震監(jiān)測應(yīng)用的第一步，也是下一步微震監(jiān)測分析的基礎(chǔ)[9-11]。

2礦山震源種類

三道莊礦生產(chǎn)作業(yè)復(fù)雜，產(chǎn)生的震源種類也很多，按實際監(jiān)測需要來分類，大致可以分為三大類：一是巖體破裂信號，這類信號是實際監(jiān)測需要分析的有用信號；二是干擾信號，也稱為噪音信號，這類信號往往在提取有用信號過程中產(chǎn)生最大干擾。三是爆破信號，這類信號是介于前面兩種信號之間的，通常在不對爆破和爆破余震進(jìn)行監(jiān)測時，這類信號屬于噪音信號，反之，則屬于有用信號。

2.1巖體破裂信號

巖體破裂信號是指巖體在受到拉力、壓力或者剪切力等作用下產(chǎn)生破壞或微破裂過程而產(chǎn)生的彈性波。這類信號是實際監(jiān)測所需要的，通常利用獲取的巖體破裂信號對震源巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2噪音信號

由于實際工程作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，往往會產(chǎn)生大量的噪音信號，根據(jù)三道莊礦噪音震源的不同，大致分為三類：

（1）電磁噪聲。在微震監(jiān)測系統(tǒng)周圍存在大量的電磁信號，這些電磁信號有時會影響微震監(jiān)測信號，造成微震信號畸化，從而成為噪音信號。系統(tǒng)自身運行過程也會受一些電磁沖擊影響，產(chǎn)生噪聲信號。

（2）機(jī)械作業(yè)噪音。三道莊礦生產(chǎn)過程存在大量的機(jī)械作業(yè)，比如鑿巖設(shè)備、鏟裝設(shè)備、運輸設(shè)備等。這些機(jī)械設(shè)備作業(yè)時會觸發(fā)周圍的微震傳感器，從而被監(jiān)測系統(tǒng)采集到，成為信號提取過程中的噪音信號。

（3）人為作業(yè)噪音。實際微震監(jiān)測區(qū)域存在人員活動作業(yè)，比如行走、說話、人為敲擊、其他生產(chǎn)作業(yè)等，這個過程都會產(chǎn)生噪音信號。

2.3爆破信號

礦山實際產(chǎn)生過程中存在大量爆破作業(yè)，會產(chǎn)生爆破信號，爆破信號有時可以成為有用信號。在對爆破和爆破余震進(jìn)行監(jiān)測分析時，爆破信號就成為研究過程中的有用信號；當(dāng)不對爆破進(jìn)行專門研究時，它則被列入噪音信號中。

3微震信號辨識法

3.1經(jīng)驗辨識法

經(jīng)驗辨識方法是在長期監(jiān)測分析基礎(chǔ)上總結(jié)出來的一種經(jīng)驗方法，也是一種綜合分析方法。這種方法建立在監(jiān)測人員對各種微震波形特征熟悉的基礎(chǔ)上，同時還需要熟悉監(jiān)測作業(yè)環(huán)境。通常需要從波形振幅值、持續(xù)時間、上升時間、信號間隔等方面對波形的直觀特征進(jìn)行辨識，同時還需要通過震源信號發(fā)生時間和空間位置，并結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境來對微震信號進(jìn)行辨識。經(jīng)驗辨識方法是一種非常有效的方法，是實際監(jiān)測中最為常用的方法。以下為典型的利用經(jīng)驗辨識方法來進(jìn)行信號辨識案例。

圖2和圖3是巖體變形破裂產(chǎn)生的微震信號波形，是重點監(jiān)測對象。從波形直觀特征來看，波形信號持續(xù)時間很短，一般為10～30 ms，波形尖銳；剪切破裂波形有明顯的P波和S波震相，P波傳播速度快，S波速度慢，P波在前S波在后，且S波攜帶能量大，即振幅值大；張拉破壞波形只有P波震相。

圖4是典型電磁噪音波形，這類波形振蕩簡單，振幅值較大，上升時間很短，一般很容易辨識。

圖5是典型機(jī)車行駛波形，這類信號的特點是波形持續(xù)時間較長，一般為2～3 s。

圖2巖體剪切破壞產(chǎn)生的波形Fig.2 Waveform generated by rock shear failure

圖3巖體張拉破壞產(chǎn)生的波形Fig.3 Waveform generated by rock tensile failure

圖4電磁噪音波形Fig.4 Waveform of electromagnetic noise

圖5機(jī)車行駛產(chǎn)生的波形Fig.5 Waveform generated by engine running

圖6是典型鑿巖過程產(chǎn)生的波形，這類波形一般很好辨識，單個事件的時間間隔均勻，且單個事件的振幅也基本一致。

圖7是典型的人為敲擊巖體產(chǎn)生的波形，這類波形的最大特點是信號往往以多個單個事件組成，且間隔時間和人為敲擊間隔一致，單個事件和巖石破裂波形很相似。

圖8為典型爆破波形，這類波形的最大特點是觸發(fā)傳感器數(shù)量較多，振幅值較大，由于露天大爆破采用分段延時爆破，所以信號持續(xù)時間較長，一般在100～300 ms。

圖6鑿巖波形Fig.6 Waveform generated by drilling

圖7人為敲擊巖體產(chǎn)生的波形Fig.7 Waveform generated by man-made percussion rock

圖8爆破波形Fig.8 Waveform generated by blasting

3.2頻譜分析辨識法

經(jīng)驗辨識法具有較快的識別速度和較高的準(zhǔn)確率，但是，對于波形形態(tài)特征比較相似的信號，經(jīng)驗識別還是十分困難的。此時就需要考慮從信號的頻率特征進(jìn)行辨識，因為不同震源產(chǎn)生的機(jī)理不同，所產(chǎn)生的波形頻率成分也不相同。目前通常采用傅里葉變換理論來對信號頻率成分進(jìn)行分析，傅里葉變換的原理是將一個信號從振幅隨時間變換信息轉(zhuǎn)換成為振幅或者相位隨頻率變換信息，從而求解出信號的頻率成分。

利用經(jīng)驗辨識法可以判斷圖9波形為典型的巖體破裂波形，但僅僅根據(jù)波形表觀特征無法判別該波形是巖體剪切破壞時產(chǎn)生的波形還是巖體拉伸破壞時產(chǎn)生的波形。

對波形進(jìn)行頻譜分析，圖10為巖體破裂波形頻譜分析結(jié)果，可以看出該波形具有兩個明顯的頻率范圍段，分別為主頻段和次主頻段，主頻和次主頻分別為3000 Hz和2 600 Hz，由此可以判斷波形具有P波和S波，為典型的巖體剪切破壞時產(chǎn)生的波形。

圖11是露天臺階生產(chǎn)爆破波形頻譜分析結(jié)果，圖中顯示該波形頻率范圍為0～200 Hz，主頻為68 Hz左右。

圖12是井下爆破波形頻譜分析結(jié)果，結(jié)果顯示該波形頻率范圍為0～500 Hz，主頻為126 Hz左右。

利用上述經(jīng)驗辨識法和頻譜分析法對礦山各種微震震源特征進(jìn)行分析，表1為三道莊礦各種震源信號特征分析結(jié)果。

圖10巖體破裂波形頻譜分析結(jié)果Fig.10 Spectrum analysis of rock fractured wave

圖11露天臺階爆破波形頻譜分析結(jié)果Fig.11 Spectrum analysis of waveform generated by blasting in the open bench

圖12井下生產(chǎn)爆破波形頻譜分析結(jié)果Fig.12 Spectrum analysis of underground blasting wave

表1三道莊礦各種震源微震信號特征Tab.1 Micro-seismic signal characteristics of various vibration sources of Sandaozhuang mine

4結(jié)語

微震監(jiān)測技術(shù)已成為巖土工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的有效手段之一，由于工程現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致混入大量噪音信號，監(jiān)測過程信號辨識工作量大且難度也較大。在大量監(jiān)測基礎(chǔ)上，提出了經(jīng)驗辨識法和頻譜分析辨識法，并對三道莊礦微震信號特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，巖體破裂微震信號持續(xù)時間為15～30 ms，頻率在1 000～3 000 Hz，巖體剪切破壞波形具有明顯的P波和S波，巖體拉伸破壞只有P波；機(jī)車運行信號持續(xù)時間長，一般為2～3 s；電磁噪音信號一般振幅值較大，且上升時間很短，振蕩簡單；人為敲擊巖體信號間隔時間明顯；電磁干擾信號頻率為50 Hz；機(jī)械鑿巖信號間隔時間規(guī)律，且整體連續(xù)；露天臺階爆破信號持續(xù)時間200～500 ms，振幅一般大于500 mV，頻率在0～200 Hz；井下生產(chǎn)爆破信號持續(xù)時間100～300 ms，振幅一般小于500 mV，頻率范圍0～500 Hz。利用該研究成果不僅可以大大減輕工作量，而且還有效地提高了信號辨識的準(zhǔn)確性，具有較好的工程應(yīng)用價值。

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《中國鎢業(yè)》編輯部

CHENG Chao，LAN Xiao -ping，WU Shui -sheng，et al. On the microseismic monitoring technology on the ground pressure in the large gob[J]．China Tungsten Industry，2011，26（5）：10-13.

Micro-seismic signal identification at Sandaozhuang Mine

XIE Jiu-jing
(China Molybdenum Group Co., Ltd., Luoyang 471500, Henan, China)

Abstract:Due to the complex production environment in Sandaozhuang Mine, a large number of noise signals are generated, which renders the assessment of rock stability difficult. This paper classifies the micro-seismic signal sources into rock burst signals, noise signals and blasting signals. The experience identification method and spectrum analysis identification method are summed up based on a large number of field monitoring experiences. The visual features of signals are analyzed by the experience identification method, such as wave amplitude value, signal duration, rise time and signal interval time. The frequency components of signals are calculated by the spectrum analysis.The characteristics of various microseismic signals are analyzed. The research results provide favorable technical support for an effective extraction of the useful signals.

Key words:micro -seismic monitoring; signal recognition; empirical method of signal identification; spectrum analysis

作者簡介：謝九敬（1970-），男，河南欒川人，工程師，主要從事礦山安全管理和采空區(qū)處理工作。

收稿日期：2015-11-12

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2016.01.009

中圖分類號：TD76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A