微震監測信號辨識方法研究*

曹華鋒，林 峰

(1．湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南郴州市 423037;2．長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

微震監測信號辨識方法研究*

曹華鋒1，林 峰2

(1．湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南郴州市 423037;2．長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

地下作業環境中產生噪聲的震源很多，包括人工噪聲、爆破和機械設備噪聲等。采用微震監測技術進行地壓監測時，對各種震源的辨識是一個工作量大和復雜的分析過程。總結了礦山地下作業環境中的各種震源，提出了對各種震源的經驗和理論辨識方法。在現場監測的基礎上，對地下礦山爆破、機械作業設備、人員作業、巖體破裂等產生的震源信號進行了波形分析、辨識，給出了各種震源波形的基本特點。所提出的分析方法對于現場巖體破裂微震信號的提取和分析有較好的指導作用。

微震監測;噪聲;信號辨識

0 引言

微震監測技術是深部礦山和高應力礦山地壓監測的重要監測手段。微震監測技術在礦山地壓和安全監測方面的應用主要涉及到對高地應力分布監測、巖爆監測、巖移監測、巖層動態參數監測、崩落范圍監測、礦震監測、爆破及其余震監測、大冒頂片幫監測、礦山災害安全救助、礦山安全預警等多個方面，可以說微震監測技術在礦山地壓和安全監測方面的應用是全方位的［1］。微震監測的目的是監測巖石在應力作用下產生破裂時的彈性波信號，并應用這些信號對巖石的穩定性進行評價，對可能產生的巖體的各種破壞災害等地壓現象進行預測。微震監測系統監測一定頻率范圍的彈性波信號，包括有用信號和噪聲。由于地下監測環境較復雜，各種震源產生大量的彈性波信號，混雜在一起，如地震波、爆轟波、人為敲擊、開采設備等產生的波等，都是監測的對象。因此，掌握監測區內的震源類型，合理分析各種震源信號的特點、區分各種震源、剔除人為噪音、提取有效信息，就成為微震監測技術應用研究的第一步，也是微震監測應用技術研究的基礎［2］。

由于微震監測技術在我國應用得不多，只有很少的有關微震信號辨識的相關報道［3］。本文是在對柿竹園多金屬礦采場多通道微震監測基礎上［4］，通過總結礦山地下作業環境中的各種震源，提出對各種震源的經驗和理論辨識方法，對地下各種信號進行波形分析和辨識，為實際監測技術人員提供一些辨識微震信號的基本方法。

1 地下作業環境中的震源［5］

礦山地下開采作業環境較為復雜，產生震源的因素較多，有直接人為活動產生的震源，如人工敲擊、鑿巖、出礦、通風、爆破等，也有采礦活動誘發的巖體破壞、斷層錯動等產生的震源。概括起來，井下環境的主要震源包括6類。

(1)巖石破裂時發出的彈性波。巖石或不連續面在拉、壓和壓剪力的作用下，產生彈性波或稱應力波，引起巖層的震動。這種波是監測的目標，也是分析的主要對象，是有用信號。

(2)爆轟波。地下采礦作業，要進行大量的爆破，因爆破產生彈性波亦稱爆轟波。礦山爆破作業頻繁，點多面廣。根據監測的目的不同，這種震源有時是噪音，有時是要監測的對象，如在監測巖石破壞時，它就是噪音，而在監測爆破產生的地震以及評價因爆破產生的余震時，它則成為要監測的對象。

(3)人員作業活動。地下采區也是采礦人員的工作和活動區，人的基本活動，如行走、講話、不經意的敲擊礦巖體、人工撬頂、設備設施安裝等等，都會產生震源信號。

(4)采礦作業設備。各種鑿巖設備作業時，會產生大量的震源;各種鏟運設備作業時，會產生大量的震源;各種通風設備作業時，會產生大量的震源;各種井下抽排水設備在運行時，會產生震源。

(5)溜井放礦。采區內的溜井在出放礦時，礦石之間的運動、摩擦和震動可形成震源。

(6)電源信號。井下分布有大量的電源信號，如動力和照明電源、通訊設施等，這些電源信號在系統屏蔽失效時，也會進入監測系統的監測范圍，成為一種典型的干擾噪音。

2 微震信號的辨識方法［5］

微震監測主要是監測采區巖體(石)在開挖時圍巖體內應力集中導致巖體(石)破裂而產生的震動信號，利用這些監測到的前兆信號來評價巖體的穩定性。因此，必須掌握微震監測到的信號的辨識，針對監測的目標，剔除噪音，提取有信號，為進一步的巖體穩定性和地壓災害評價提供基礎數據。

微震信號的辨識，可以根據監測操作人員的經驗、設備的性能和分析軟件的功能來分析。首先應充分利用操作人員的經驗，如根據對不同信號發生時間、地點、波形特征等來辨識一些能夠容易區別的信號，這樣可以快速、有效地實現一些信號的辨識;其次，充分利用設備的性能，如設備有聲監聽、波形顯示等直觀的分辨性能，利用這些性能，可以達到對一部分信號的辨識;再次，在前述2種方法難以辨識的情況下，可以根據信號處理軟件的功能，通過較復雜的理論分析，對信號進行辨識;最后，可以采用前述3種方法的組合分析方法進行信號辨識，有時，綜合分析方法可以起到較好的效果。由于理論分析所需的時間較長，方法比較復雜，因此，盡可能采用前2種方法或前2種方法的綜合分析方法進行分析，以達到便捷、快速辨識的目的。

2．1 經驗方法

經驗方法是監測人員根據自己在長期監測分析中積累的經驗，來辨識微震監測信號。這種經驗既包括對微震信號自身的認識，也包括對特定礦山開采環境、震源環境的認識。實際上經驗方法是1種綜合方法，也是1種非常有效的方法。經驗法是在監測的同時，及時對監測事件進行的分析。經驗分析方法包括:根據微震監測所獲得的微震發震時間和空間位置，結合采礦生產作業位置進行辨識;通過對微聲的放大監聽，辨識一些機械噪音，如鑿巖機、鏟運機、井下汽車、鼓風機等生產設備作業時產生的微震信號，都具有連續性、穩定性和頻率不變的特點。

2．2 理論分析法

理論分析是借助于對巖石破裂性質、震源機理、不同震源的波動特性，對微震信號的波形等進行波形或頻譜分析，確定震源的類型。一般而言，理論分析在時間上都滯后于實際監測，是在經驗法難以區分時采用的方法。

(1)波形辨識法。不同的發震機制對應的震源所產生的地震波，一般具有不同的波動特性，監測所獲得的波形也不同。在波動理論中，涉及到許多性質的波，如體波、面波等。微震監測系統可以監測巖體介質中的體波，即可以監測到縱波和橫波，這為波形辨識提供了良好的技術條件。體波由P波(縱波)和S波(橫波)組成，縱波又稱壓縮波，橫波又稱剪切波。縱波振幅小、周期短、傳播快，約以1．7倍于橫波的速度首先到達接收傳感器，故也稱初始波;橫波振幅大、周期長、傳播慢，晚于P波到達接收傳感器，故也稱次達波。

(2)頻率分析。對于不同的人工震源，都有其自身的固有頻率，如鑿巖產生的震源，鏟運機產生的震源等。根據波形圖，可直接分析震源的頻率值的大小，通過頻率分析，可以幫助識別微震類型。

(3)能量(震級)分析。微震事件有大小，衡量其大小的重要指標就是微震的能量值。通過能量分析，掌握各種震源的能量值的特點，如對應一定量炸藥的微震能量、鑿巖事件的微震能量等都可以總結分析出來，這對于區分微震類型是非常有利的。

(4)波譜分析。波譜分析包括對各種微震波形進行頻率、振幅和相位譜分析，是信號處理中的有利手段。波譜分析的方法是通過富氏變換，從理論上掌握各種震源波的特點，從而達到區分各種震源的目的。

2．3 綜合分析方法

在實際應用中，單純采用上述的某一種方法有時不易對信號進行區分，而采用綜合分析方法有助于對信號進行有效的辨識。綜合分析方法就是采用經驗與理論相結合的方法，兩者之間相互彌補，達到區分信號的目的。

2．4 有用信號的自動識別與提取

通過一定時間的監測，就要結合礦山的生產實踐、礦巖的物理力學特性，總結一些最能反應巖石破壞特性的微震信號，如什么頻率范圍的微震信號最能刻畫巖石的破壞。若能在這方面總結出一些經驗或規律，則有助于通過調整頻率范圍、觸發電平門檻值等，實現對噪音信號的剔除和對有用信號的提取。

(1)選擇頻率范圍。在進行一定時間的監測后，探索和掌握一定的規律，通過選擇恰當的監測頻率范圍，可以達到對一些頻率范圍的無用信號的剔除。

(2)選擇恰當的觸發電平門檻值。選擇不同的觸發電平門檻值，同樣可以實現對某些噪聲信號的有效的剔除。在掌握了各種震源的正常的振幅大小、能量等特點后，即可選擇不同的觸發電平門檻值來過濾一些有害的震源信號。

3 實測震源信號分析［5，6］

為便于分析，對各種震源進行測試，監測可能監測到的微震信號，包括巖石破裂產生的微震、爆破、鑿巖、通風、鏟運機等設備產生的震源的信號，記錄并保存所有這些信號的波形圖。觀察各種類型的震源波形的特征，分析波形的有關參數(頻率、振幅、能量等)，必要時進行頻譜分析，根據各種震源的特點，進行波形辨識。根據波形辨識，提取巖石破裂產生的有用震源信號，為進一步的研究提供基礎數據。

(1)爆破震源。爆破所產生的爆轟波是典型的壓縮波。一般來說，當爆轟波不穿過大的不連續面，即只在均勻介質中傳播時，只是壓縮波，而沒有剪切波。但需要指出的是，只有壓縮波的震源不一定都是爆轟波。圖1(a)是深部采區常規爆破的波形圖，它的震動衰減較快;圖1(b)是深部采區典型的微差大爆破的波形圖，由于采用分段微差爆破，所以形成了振幅延續時間較長。

圖1 爆破波形

爆破震源波形衰減迅速，該特點是與鑿巖、局扇和其它機械設備連續作業產生的波形的區別點。

(2)鑿巖作業震源。在正常作業情況下，沖擊頻率比較固定，沖擊產生的振動波形也基本相似。只要鑿巖機不停止作業，鑿巖信號的波形就具有連續性，如圖2所示。同時，鑿巖具有地點已知、作業時間段已知等特點，這些都為辨別鑿巖震源提供了依據。從典型的鑿巖震源波形中可以分析出，鑿巖不僅具有一定的頻率，而且對于沖擊式鑿巖機械有1個明顯的沖擊特征，其正常工作時，沖擊頻度一般是比較固定的。

圖2 鑿巖機鑿巖波形

(3)鏟運機作業震源。鏟運機作業具有連續性的特點，鏟運機自身的噪音有比較固定的頻率范圍。因此，可以通過測定不同型號的鏟運機在作業時的波形，分析鏟運機的波形參數，達到辨識鏟運機震源的目的。

(4)電信號。井下有大量的照明、動力等電纜。如果監測系統對井下的模擬信號的屏蔽不好時，這些電源對系統的模擬信號會產生干擾。對于照明和動力電源，其頻率為50 Hz，且波形連續，振幅穩定。典型的電信號干擾波形表明，電信號干擾的波形連續、振幅和頻率穩定，頻率為50 Hz，無衰減現象。

(5)巖石破裂產生的震源。巖石破裂產生的震源因產生破裂的形式不同而不同。一般來說，對于壓剪型破壞，如前所述都會產生P波和S波;對于張拉型破壞，一般只會產生P波。不過，由于S波不能在空氣和水等介質中傳播，因此即使是1個含有P波和S波的震源，在其傳播過程中當遇到水或空氣等介質時，S波的傳播也會受到阻斷;或在通過不連續地質界面時，S波產生不同程度的衰減而變得不易辨識，此時可能出現一些傳感器接收的波形包含P波和S波，而另一些傳感器的波形則只能辨識出P波。在柿竹園礦監測到的典型的包含P波和S波的剪切破裂的微震波，是大爆破后發生在大爆破采場的余震震源波形。

(6)人工敲擊。人工敲擊產生的震源一般會產生P波和S波，并且此時的波形與微震的波形極為相似。因此，要仔細分辨這種干擾信號。一般來說，人工垂擊產生的震源的能量不大，波形的振幅值也比微震事件的小得多;在實際監測時，只有垂擊點附近的傳感器可以接收得到垂擊的信號，遠離垂擊點的傳感器往往不能接收到這種信號。一般情況下，可以根據井下人員的作業地點、震源點、發震時間和能量大小等經驗方法來判斷，在難以根據經驗辨識時，就必須根據譜分析來辨識它們。典型的人工錘擊所獲得的波形，其震級在－4級以下，且震動衰減相對較快，震動持續時間一般在幾十毫秒。

(7)局扇噪音。在采區內，局扇是常用的通風設備，是噪音源。局扇產生的噪音，會對其附近的傳感器產生影響。由于局扇有分段連續性的工作特點，通過對其的專門測定和監聽后，可掌握其噪音特點，區分之是不難的。典型的局扇通風時的噪音波形連續，比較雜亂。

通過上述分析，總結出常見幾種震源和噪音的主要技術特點和技術參數，見表1。

表1中的參數是根據實測事件分析所得的結果，事件參數有一定的變化，有的事件如巖石破裂的參數變化還很大，因此，表中參數僅供參考。以上是對波形一般的直觀分析方法，在無明顯噪音干擾的情況下無需進行譜分析，且這種方法簡單易行，現場技術人員易于掌握。

一些微震監測系統配置了聲信號監聽裝置，可以通過揚聲器或耳機等直接監聽各種監測得到的信號。實際上，一些機械噪聲如鑿巖、通風等產生的噪聲，對于1個有經驗的監測人員來說，甚至無需進行波形分析就可以通過直接監聽的方法辨識出來。

目前，微震監測系統大多是全數字型監測系統，實現了對計算機之間的信號傳輸，配置了較為完善的信號分析處理軟件，包括對信號的波譜分析，如振幅譜、頻率譜和相位譜等。當采用上述的經驗辨識和常規理論辨識方法不能對信號進行分辨時，采用監測系統提供的信號分析軟件進行進一步的譜分析是必要的。實時、可視化的分析軟件操作方便，技術人員易于掌握。限于篇幅，本文對進一步的信號分析不作介紹。

4 結語

現場監測表明，每天監測數據量較大。因此，微震監測數據處理是一個很繁瑣、復雜、費時的工作，而且也是一個必須認真、細致的分析工作。在實際監測中，每天都要處理大量的各種信號，且必須從中辨識出有用信號，這就要求測試分析人員有豐富的經驗，對生產安排、生產作業過程還要有充分的了解，在此基礎上，充分根據經驗、震源位置和波形圖等就能將大量的震源信號排除，只有在較為復雜的情況下，才需要有針對性地對一些震源事件進行理論上的波譜分析。本文在現場監測的基礎上，給出了幾種重要地下震源的波形特征，總結了一些分析方法，所有這些都是最基本和初步的。

［1］ 國家十一五科技攻關項目子項“柿竹園多金屬礦地壓微震監測技術研究”報告［R］．長沙:長沙礦山研究院，2008．

［2］ Gibowicz S J，Kijko A．礦山地震學引論［M］．修濟剛，等．北京:地震出版社，1998．

［3］ 陸菜平，竇林名，吳興榮，等．巖體微震監測的頻譜分析與信號識別［J］．巖土工程學報，2005，27(7):772 －775．

［4］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達，等．凡口鉛鋅礦多通道微震監測系統及其應用研究［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(12):2048－2053．

［5］ 柿竹園多金屬礦“井下采區特大型爆破地應力變化過程實時監測”報告［R］．長沙:長沙礦山研究院，2010．

［6］ ESG Canada Inc．ESG Solutions［R］．Canada，2007．

國家十一五科技攻關項目(2006BAB02B05)．

201－10－10)

曹華鋒(1970－)，男，湖南郴州人，工程師，主要從事礦山生產與管理工作。