高放廢物地質(zhì)處置庫坑探設(shè)施微震信號特征研究

王超圣 周宏偉 王子輝 何樹生 劉建鋒

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)，北京100083；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院四川成都610065）

高水平放射性廢物（簡稱高放廢物）是一種放射性強、毒性大、含有長半衰期核素且發(fā)熱的特殊廢物［1］。核工業(yè)發(fā)展與應(yīng)用產(chǎn)生了大量的高放廢物，高放廢物的積累嚴重制約著核工業(yè)的發(fā)展，如何處理高放廢物成為核工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)外常用的處理方法為深地質(zhì)處置，如芬蘭、瑞典、法國、加拿大等都建立了高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室，我國經(jīng)過幾十年的努力在甘肅北山地區(qū)確定幾個預(yù)選區(qū)。地下實驗室不僅是一個龐大的地下工程，更是一個多學(xué)科的科研平臺，對建設(shè)和運營的現(xiàn)代化和信息化要求較高，因此為了確保地下實驗室建設(shè)和運行安全，在北山舊井預(yù)選區(qū)建設(shè)地下坑探設(shè)施進行相關(guān)的研究。

動力災(zāi)害是地下工程建設(shè)過程中常遇到的工程問題，特別是地下實驗室建設(shè)過程中一旦發(fā)生動力災(zāi)害，不僅可能造成人員傷亡，財產(chǎn)損失，而且影響地下實驗室的功能和后期運行安全。因此雖然國外地下實驗室并未發(fā)生過動力災(zāi)害問題，但各國在地下實驗室建設(shè)過程中高度重視圍巖動力災(zāi)害研究。如加拿大地下實驗室，圍巖為致密的花崗巖，σ1=60±3MPa，σ2=45±4MPa，σ3=11±2MPa，為了確保工程安全，使用應(yīng)力微震和鉆屑法監(jiān)測巖爆［2］；瑞典?sp?實驗室為埋深200～400 m的花崗巖，最大應(yīng)力σ1=20±5MPa，雖然整體地應(yīng)力較小，但專家指出由于條件的多變性以及模型和參數(shù)的不確定性，建議建設(shè)過程高度重視巖爆的預(yù)測預(yù)報［3］。因此動力災(zāi)害的監(jiān)測研究也是坑探設(shè)施的重點研究項目之一。

微震能實現(xiàn)實時區(qū)域性監(jiān)測，因此在國內(nèi)外地下工程監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。如戴峰等［4］基于微震監(jiān)測研究了白鶴灘水電站開挖過程圍巖變形和破壞機制；張伯虎［5］等基于遠程微震監(jiān)測系統(tǒng)研究了大崗山地下廠房塌陷區(qū)穩(wěn)定性；馮夏庭［6］基于現(xiàn)場微震監(jiān)測研究了深埋隧洞即時型巖爆孕育規(guī)律和機制；陳炳瑞［7］基于現(xiàn)場微震監(jiān)測研究了深埋隧洞時滯型巖爆孕育規(guī)律和機制；楊志國等［8］使用微震監(jiān)測研究了冬瓜山銅礦巷道和礦柱破壞機制以及破壞的預(yù)報預(yù)測；于洋等［9］研究了錦屏二級水電站深埋隧洞不同開挖方式下巖爆的微震信息特征和能量分形特征；趙周能等［10］研究了TBM掘進過程中微震與巖爆時空分布特征及巖爆孕育過程微震演化規(guī)律；肖亞勛等［11］基于微震監(jiān)測研究了強巖爆隧洞掘進過程中巖爆風(fēng)險；張文東［12］等研究了錦屏二級水電站引水隧洞巖爆特征及微震監(jiān)測規(guī)律。

在北山高放廢物坑探設(shè)施施工過程中使用IMS公司生產(chǎn)的三維微震定位系統(tǒng)對開挖過程中圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測，研究了微震事件去噪，P波、S波的到時拾取，特征參數(shù)和b值，并基于小波包分解，研究了微震事件頻帶能量分布特征。

1 工程概況及微震監(jiān)測系統(tǒng)

北山坑探設(shè)施位于我國高放廢物地質(zhì)處置甘肅北山預(yù)選區(qū)候選地段之一的舊井地段。所在地區(qū)巖體主要巖性為英云閃長巖，巖石總體完整，巖質(zhì)新鮮堅硬，裂隙局部發(fā)育，巖石單軸飽和抗壓強度146.7～162.8 MPa，抗拉強度約8.7 MPa，巖體質(zhì)量總體良好。區(qū)域內(nèi)存在張性斷裂十月井?dāng)嗔眩‵18），走向60°，傾向北西或南東，傾角75°～85°，走向上呈舒緩波狀，斷裂性質(zhì)為左傾走滑正斷裂。構(gòu)造破碎帶內(nèi)巖石破碎，巖石被擠壓成碎裂狀，裂隙發(fā)育，尤其是構(gòu)造帶中心巖石基本已糜棱巖化、綠泥石化，巖體質(zhì)量差～極差（如圖1）。

如圖1所示，北山坑探設(shè)施埋深約50 m，通過斜井進入地下平巷，斜井長度約146 m，傾角20°，平巷呈L型垂直穿過破碎帶和F18斷層，平巷長度約110 m，平巷落平處右側(cè)設(shè)置水倉，水倉長度約20 m。共設(shè)置4個專用試驗硐室，超前探測試驗硐室位于斜井中部，主要用于近場圍巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞綔y，L硐室位于斜巷轉(zhuǎn)平處，主要用于錯車道開挖過程中地下水監(jiān)測、EDZ監(jiān)測、圍巖變形監(jiān)測、光面爆破效果監(jiān)測和動力災(zāi)害監(jiān)測，破碎帶前左右2個耳洞主要用做破碎帶注漿試驗、導(dǎo)水?dāng)嗔褞綔y、動力災(zāi)害監(jiān)測以及破碎帶開挖圍巖變形監(jiān)測，并在開挖破碎帶時進行破碎帶支護試驗。

高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室是一個龐大而復(fù)雜的地下工程，存在多種形式和大小的斷面，多條巷道相互影響，穿越不同的地質(zhì)條件，受到局部節(jié)理或小斷裂以及局部高應(yīng)力影響。結(jié)合地下實驗室廠址、結(jié)構(gòu)、埋深以及應(yīng)力特征，坑探設(shè)施選擇錯車道和十月井?dāng)嗔?個重點試驗段（如圖1），試驗段1位于錯車道，該段巷道受水倉和L型硐室交叉影響，易引起局部的應(yīng)力集中造成圍巖破壞，試驗段2位于十月井?dāng)嗔?，該階段受破碎帶和斷層的影響，同時受超前探測硐室和主巷道交叉的影響，易引起圍巖的失穩(wěn)。

2個試驗段共安裝9個微震傳感器，其中試驗段1在完成水倉和L型硐室施工后安裝MS1、MS6～MS9；試驗段2在左右超前硐室施工完成后安裝MS2～MS5，同時撤銷MS6～MS9傳感器。傳感器的安裝具體位置及監(jiān)測時間如圖1、表1所示，圖1中深色圓代表三分量微震傳感器，淺色圓代表單分量傳感器。

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2 微震事件到時拾取

一個微震信號由P波（縱波）和S波（橫波）組成，準(zhǔn)確確定P波和S波到時是微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵。通常P波傳播速度快，頻率高，振幅?。籗波傳播速度慢，頻率低，振幅大。對于固定傳感器，先接收到P波，再接收到S波，因此對于微震波形前密后舒，先小后大，如圖2（a）。根據(jù)微震信號的這些特征，可以直觀地拾取P波、S波到時。但現(xiàn)場監(jiān)測受各種因素的影響，很多微震事件的P波、S波到時非常模糊，如圖2（b），通過波形圖主觀識別會出現(xiàn)較大的困難和誤差（文中的采樣序列是指信號點采集的先后順序）。

如圖2（b）所示，由于受環(huán)境噪聲的影響，傳感器接收到的信號并非是原始巖石破裂信號，因此在事件處理中消除或減少噪音的影響使有用事件最大顯現(xiàn)十分重要。常用的小波去噪方法有默認閾值去噪，給定閾值去噪和強制消噪。一般情況下有用信號和噪聲頻率混雜在一起，通過閾值去噪和強制去噪方法易丟失事件中的有用成分，因此選擇默認閾值對微震事件進行去噪，先利用ddencmp函數(shù)獲取微震事件的默認閾值，再利用函數(shù)wdencmp進行去噪處理。圖2（b）事件去噪后的波形圖如圖3，由圖3可知，保持微震事件形狀基本不變的情況下，可去掉事件中的“毛刺”。

微震信號P波、S波與干擾信號具有不同的振動頻率，因此可以將傳感器監(jiān)測到的波形分解到不同的頻率上，在不同的頻率上匹配P波、S波，從而確定微震到時。常用波形分解的方法主要有Fourier變換和小波變換，F(xiàn)ourier變換在處理平穩(wěn)信號時效果較好，但處理非平穩(wěn)信號時由于局部突變會出現(xiàn)頻域上的畸變，從而影響分析的準(zhǔn)確性；而小波變換能夠解決信號局部突變的問題。

微震事件是具有局部突變的信號，并且微震事件中有許多類似小波的結(jié)構(gòu)，通過小波變換，可以將不同頻段的震相分離出來，而且效果較好。對微震事件而言，感興趣的是震相初動到時，而這些震相往往不是在同一時間出現(xiàn)。因此，在小波變換中，將不同的震相分散在不同的尺度上，通過分析這些尺度信號可以得到它們的特征。

圖4為監(jiān)測系統(tǒng)記錄的2016年8月13號微震事件，將第三個傳感器降噪后使用db5小波對降噪事件進行7層分解的結(jié)果。由圖4可知，橫波和d4和d5分解層匹配比較好，對應(yīng)的頻率約為100～400 Hz，縱波和d1～d3分解層匹配比較好，對應(yīng)的頻率為400～2 800 Hz，通過對波形的分解可以準(zhǔn)確拾取縱波和橫波到時。

根據(jù)P波、S波到時對微震事件進行定位，微震事件空間分布如圖5所示，圖中黑色球體代表微震事件，黑色球體的大小代表微震震級的大小。

3 微震事件特征參量分析

3.1 特征參量分布特征

微震事件常用的特征參量主要有震級、能量、地震力矩、微震體變勢、應(yīng)力降和視應(yīng)力等。其中微震震級是微震事件產(chǎn)生震動以及能量大小的綜合量，微震事件震動大釋放能量多則震級大，否則產(chǎn)生的震級??；微震體變勢表示震源區(qū)內(nèi)由微震伴生的非彈性變形區(qū)的巖體體積的改變量，它與形狀無關(guān)，微震體變勢是一個標(biāo)量，定義為微震震源非彈性區(qū)的體積和體應(yīng)變增量的乘積。震級代表了震源釋放能量的大小，體變勢代表了震源破壞對周圍巖石的影響，因此選擇震級和體變勢分析微震事件的特征。

北山花崗巖微震震級和微震體變勢（P）的大小分布如圖6所示，震級和logP基本分布在0以下，只有極少微震事件震級分布在0以上，震級和logP小于-2.5約占80%，概率密度最高點對應(yīng)的震級和logP分別為-5和-5.5，震級的平均值為-3.7，logP的平均值為-4.0。綜上，微震事件主要以低震級的小事件為主，高震級大事件很少。

為了進一步研究微震事件特征隨掘進的變化，繪制微震事件特征隨時間的變化如圖7所示，按照微震事件的大小和位置可以將微震事件分為3類，Ⅰ-Ⅰ類發(fā)生在完整巖石掘進過程中，該部分震級和微震體變勢相對較小，由空間定位圖5可知，小事件分布更靠近巷道壁，考慮到微震定位誤差的影響，認為該部分事件主要發(fā)生在圍巖的表層；Ⅰ-Ⅱ類也發(fā)生在完整巖石掘進中，但與Ⅰ-Ⅰ微震事件相比，震級和體變勢明顯增大，數(shù)量明顯減少，分布也更遠離巷道表面，因此認為發(fā)生在圍巖內(nèi)部；Ⅱ類發(fā)生在破碎巖石掘進過程中，該階段微震事件整體上比Ⅰ-Ⅰ震級和體變勢大，但比Ⅰ-Ⅱ微震事件震級和體變勢小。綜上，完整巖石中掘進微震事件可以分為2部分，其中Ⅰ-Ⅱ震級明顯高于Ⅰ-Ⅰ，數(shù)量上少于Ⅰ-Ⅰ；因此可以把少部分高震級事件做為圍巖進一步破壞征兆，當(dāng)大量高震級事件同時出現(xiàn)時極易造成圍巖的失穩(wěn)；而破碎巖石掘進過程中微震事件分布相對集中，這也就為破碎帶圍巖失穩(wěn)預(yù)警帶來一定的困難。

3.2 能量指數(shù)分布特征研究

一般情況下，微震體變勢（震級）越大，震源的驅(qū)動力越大，產(chǎn)生的絕對破壞也越大，但有時更關(guān)注震源相對驅(qū)動力的大小，即能量指數(shù)EI，能量指數(shù)是該事件所產(chǎn)生的實測輻射微震能E與區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能Eˉ（P）之比，平均微震能可由該區(qū)域的實測平均能量和微震體變勢求得：

式中，E為震源輻射能量；P為微震體變勢；d、c為擬合系數(shù)，完整段和破碎段的擬合系數(shù)如圖8（a）和圖8（b）所示。

由式（1）、式（2）可知，EI越大，微震輻射的能量越高，裂紋擴展速度越快，對圍巖的穩(wěn)定性影響越大。把微震事件分成完整段和破碎段進行研究，為了便于對比，得出logEI隨時間變化的曲線，如圖8（c）所示。完整段和破碎段均出現(xiàn)一定數(shù)量危險事件，完整段危險事件約占總事件的55.88%，破碎帶危險事件約占總事件的54.54%。

3.3 微震事件b值研究

為了進一步揭示圍巖破壞的過程，借鑒地震研究中常用的G-R模型［13］，研究微震事件的b值，該式如下：

式中，M為震級；N為震級大于M的微震事件數(shù)量；a、b為擬合系數(shù)，其中b值是相對震級分布的函數(shù)。b值不僅是一個統(tǒng)計量，還具有物理意義。

李全林等［14］對b值物理意義進行了探討，如圖9所示，圖中橫坐標(biāo)σ為應(yīng)力，縱坐標(biāo) f(σ，σˉ)為應(yīng)力分布的概率密度函數(shù)，S為區(qū)域內(nèi)巖石的平均強度，σˉ為該區(qū)域平均應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力σ≤S時，巖石處于安全狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力σ＞S時，巖石發(fā)生破壞，定義破壞區(qū)域為危險區(qū)域，其大小用面積F表示。F越大，該區(qū)域發(fā)生破壞的概率越高，巖體穩(wěn)定性越差；F越小，該區(qū)域發(fā)生破壞的概率越低，巖體越穩(wěn)定。圖中1-F代表安全區(qū)域面積。b與F的關(guān)系如式（4）所示，C是與巖石性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。因此b值代表了安全區(qū)域的大小，即圍巖的穩(wěn)定性。

根據(jù)圖7的微震事件分類，分別計算3類微震事件的b值，擬合曲線如圖10所示，由圖10可知，Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ微震事件的b值分別為0.367、0.611、0.387，由b值物理意義可知，Ⅰ-Ⅱ區(qū)域穩(wěn)定性較高，Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ區(qū)域穩(wěn)定性相對較低。

Ⅰ-Ⅰ微震事件主要發(fā)生在圍巖表面區(qū)域，該區(qū)域一方面受爆破掘進的影響，巖石強度降低，另一方面該區(qū)域圍壓較小，易發(fā)生單軸壓縮破壞或者局部拉應(yīng)力造成的劈裂破壞，如圖11（a），安全面積1-FⅠ-Ⅰ-1-FⅠ-Ⅰ-2較小，因此b值較小。Ⅰ-Ⅱ微震事件處于完整圍巖內(nèi)部，該區(qū)域巖石強度受爆破的影響較小，強度增大。圍壓應(yīng)力也增大，由于坑探設(shè)施埋深較淺，因此在Ⅰ-Ⅱ區(qū)巖石強度的升高成主導(dǎo)因素，且主要以壓剪破壞為主，因此造成安全區(qū)面積1-FⅠ-Ⅱ增大，如圖11（b），因此b值增大。破碎巖石中，巖石被大量結(jié)構(gòu)面切割，且結(jié)構(gòu)面多為泥質(zhì)填充，填充物強度遠遠低于巖石強度，圍巖主要沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生壓剪破壞，與Ⅰ-Ⅱ區(qū)域相比，Ⅱ區(qū)域應(yīng)力基本相同，但強度大大降低，因此危險面積1-FⅡ減小，b減小，如圖11（c）。3個區(qū)域關(guān)鍵參量對比如表2所示。

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4 微震事件頻帶能量分布特征研究

4.1 微震事件小波包分解

小波包分解是在小波分析的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，既克服了小波分解在高頻階段頻率分辨率，低頻階段時間分辨率不足，又克服了傅里葉分析處理突變事件上的不足。微震事件S（t）的小波包分解，是將S（t）投影到小波包基上，獲得一系列小波系數(shù)，通過這些小波系數(shù)反映微震事件的不同特征。S（t）的表達式為

式中，fi，j（tj）為微震事件小波包分解到節(jié)點（i，j）上的重構(gòu)事件。其中，j=0，1，2，...2i-1；i=1，2，3，4，5。

4.2 微震事件頻帶能量表達

小波包能量特征的求取，實質(zhì)上是利用小波包變換，將微震信號的能量信息映射到不同頻帶上。由巴什瓦（Parseval）定理可知，第i層信號的能量一般定義為

式中，i為小波包分解的層數(shù)；m為離散采樣點數(shù)；Ei，j（tj）表示事件分解到第i層第j個節(jié)點處的小波包頻帶能量；xj，k（j=0，1，2，…，2i-1；i=1，2，3…；k=1，2，…）為微震信號重構(gòu)事件fi，j（tj）離散采樣點的幅值。

原始信號S（t）為第i層所有節(jié)點上的重構(gòu)信號之和，其總能量等于第i層各節(jié)點信號分量的能量之和。由式（6）可求得微震事件S（t）的總能量為

微震事件各頻帶內(nèi)的能量占事件總能量的百分比 Pi，j，可表示為

通過式（8）可以研究微震事件各頻帶能量分布情況。

4.3 微震事件頻帶能量分布

IMS微震系統(tǒng)的離散采樣為6 kHz，根據(jù)采樣定理，其奈奎斯特采樣頻率即為3 kHz。對微震事件進行7層小波包分解，其第i層可以得到2i個子頻帶，即27個子頻帶。每個頻帶對應(yīng)的頻率為23.437 5 Hz，最低頻帶為0.000 0～23.437 5 Hz，見表3。

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小波包分解與重構(gòu)過程中，小波基函數(shù)的選取至關(guān)重要，基函數(shù)直接影響信號處理和分析結(jié)果。db系列可以較好地反映微震信號在時間和頻率分布上的非穩(wěn)態(tài)變化過程，在微震事件分析中得到廣泛的應(yīng)用［15-16］。因此，本文采用db3小波基，對微震信號進行7層小波分解。

通過對微震事件進行小波包分解，研究各微震信號的頻帶能量分布，發(fā)現(xiàn)微震信號頻帶能量分布主要分為兩類，一類能量主要集中在低頻帶區(qū)域，把這類信號稱為低頻主震型信號；另一類有2個能量集中區(qū)域，即低頻帶集中區(qū)域和中平帶集中區(qū)域，稱這類信號為雙頻震動型信號。如圖12（a）和表4所示，低頻主震型微震信號的能量主要分布在0～15頻帶，對應(yīng)的頻率范圍約為0～350 Hz，只有少部分事件的能量分布在0～30或0～35頻帶，所有的微震信號在頻帶35內(nèi)（820 Hz）累計能量均達到了85%，有的甚至超過了95%。

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雙頻震動型典型圖形如圖12（b）所示，部分雙頻震動事件能量分布如表5所示，第一主頻范圍為10～30頻帶，對應(yīng)頻率約為230～700 Hz；第二主頻范圍為44～61頻帶，對應(yīng)的頻率為1 030～1 430 Hz，2個主頻范圍能量約占總能量的70%～81%。根據(jù)微震事件頻率特征，推測第一主頻是橫波震動引起，第二主頻是縱波震動引起。

進一步研究發(fā)現(xiàn)在完整巖石中微震事件基本都是低頻主震型，破碎巖石中以低頻主震型事件為主，但也出現(xiàn)少部分雙頻震動型事件。微震事件中橫波振幅比縱波大，頻率比縱波低，因此在原始微震事件的能量組成中低頻率能量占比高，高頻率能量占比低。微震信號在傳播過程中進行衰減，在完整巖石中，縱波衰減速度大于橫波，因此完整巖石掘進過程中主要以低頻主震型的微震事件為主，而破碎帶微震事件的衰減主要受結(jié)構(gòu)面的影響，橫波遇到結(jié)構(gòu)面會急劇衰減，因此在破碎帶橫波衰減較多，造成部分微震事件呈現(xiàn)雙頻震動型事件，即橫波低頻震動能量聚集區(qū)和縱波高頻震動能量聚集區(qū)。

5 結(jié) 論

使用IMS三維微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測放廢物地質(zhì)處置庫北山坑探設(shè)施掘進過程微震事件，并對微震事件進行特征分析和波形研究，重點研究了微震事件去噪，到時拾取，分布特征以及與圍巖的穩(wěn)定關(guān)系，得到結(jié)論如下：

（1）小波分解可以準(zhǔn)確拾取微震信號P、S波的到時，并進一步對微震事件進行三維空間定位。

（2）微震事件主要以低震級的小事件為主，高震級大事件很少，完整巖石微震事件可以分為高震級和低震級2部分，而破碎巖石微震事件比較集中在低震級。

（3）完整段危險事件約占總事件的55.88%，破碎帶危險事件約占總事件的54.54%。

（4）Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ區(qū)域微震事件的b值分別為0.367、0.611、0.387，Ⅰ-Ⅱ區(qū)圍巖穩(wěn)定性較高，Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ區(qū)圍巖穩(wěn)定性相對較低。

（5）根據(jù)微震事件頻帶能量分布將微震事件分為低頻主震型和雙頻震動型，完整巖石中事件為低頻主震型，破碎巖石中低頻主震型和雙頻震動型事件共存。

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