微震監測預測巖爆技術在地下工程施工中的應用

秦 偉

(中鐵二局第二工程有限公司，四川成都 610031)

巖爆是隧道及地下工程掘進過程中，由于圍巖被擾動后應力重新調整分布，在調整過程中圍巖巖體內聚積的彈性應變能大于巖體破壞所消耗的應變能量而突然釋放，導致巖體爆裂并彈射的現象。工程巖體是否具有巖爆傾向性，必須具備較高的地應力，且最大主應力σ1與巖塊單軸抗壓強度σc之比在0.165～0.35 間［1］，巖體完整、干燥且具有較高的脆性和彈性。巖爆的發生不但損壞施工設備，導致作業人員傷亡，而且嚴重影響施工進度，是隧道及地下工程建設領域破壞性極強的地質災害。近年來，我國交通、水電建設飛速發展，具有巖爆傾向的工程項目越來越多，有的項目在建設過程中由于沒能引起足夠重視，導致巖爆頻發造成重大損失。隨著國家西部大開發的深入推進，川藏鐵路、滇藏鐵路建設已進入前期勘察階段，規劃中的線路均跨越青藏高原東沿臺階，在崇山峻嶺中展線，深埋隧道項目必將成為重點控制性工程，巖爆的預測預報與治理已成為項目建設亟待解決的關鍵技術。

巖爆的預測預報包括趨勢預測與短期日常預報。趨勢預測是用理論分析和經驗類比，在較大的區域和未來一段時間內預測發生巖爆的可能性;短期預報方法有鉆屑法、物探法、地音與微震監測法(簡稱微震監測法)。本文重點介紹利用微震監測技術預測預報巖爆，以及微震監測在錦屏水電工程深埋隧道項目的運用情況。

1 微震監測與巖爆預測預報的關系

研究表明，在外力作用下巖體在破壞前其內部要產生微裂隙，微裂隙的孕育與發展最終導致巖體破壞。導致巖體出現微裂紋的原因，是巖體在外力作用下或在開挖隧道、硐室過程中，應力平衡被破壞，在應力重新調整聚集過程中其內部將產生局部彈塑性能集中現象，當能量積聚到某一臨界值之后，就會引起微裂隙的產生與擴展，微裂隙的產生與擴展伴隨有彈性波或應力波在周圍巖體內快速釋放和傳播，即巖石的聲發射，相對于尺寸較大的巖體，在地質上也稱為微震事件(Microseism，MS)［2］。微震的孕育與發展會導致巖體內彈性應變能不斷聚集，當這種能量大于巖體破壞所需要的能量時，巖體被破壞。因此巖爆產生根本誘因是巖體內原有地應力平衡被破壞，在應力重新調整平衡過程中，巖體內產生微裂隙，微裂隙的孕育與發展導致巖爆。由此可知，要對巖爆進行預測預報，可以通過對巖體內微裂隙的孕育與發展來實現。

每一次微裂隙的產生都是以聲發射信號即彈性波形式表現的，將每一次的微裂隙視為一次微震事件，通過利用多個傳感器對微震產生的聲發射信號進行采集、數據濾波處理和反演分析，就能監測到微裂隙發生的時刻、位置和震級，即地球物理學中所謂的“時空強”三要素。根據微破裂的大小、集中程度、破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發展趨勢，特別是微破裂分布及其叢集規律(即變形破壞過程局部化現象)，就有可實現對巖爆進行預測預報，達到預測預報巖爆防災減災之目的。

2 微震監測的系統構成

微震監測系統主要由硬件和軟件兩部分組成，其采用模塊化設計方式，實行遠程采集PC 配置。硬件部分包括微震傳感器、配有電源并具備信號波形修整功能的Paladin 傳感器連接盒、Paladin(v.2)－24 位地震記錄儀、PMTS－Paladin 主控時間服務器、纖維光學分束器、監視器等(圖1)。軟件部分包括PAL－Paladin 采集軟件、HNAS－Hyperion 網絡采集軟件、HSS 標準v.12 版本數據分析軟件等。

圖1 微震監測系統結構

圖1為微震監測系統結構示意圖［3］。該系統通訊優先采用光電纜進行數據傳輸，采用無線傳輸作為備用，并且現場服務器實時備份作為應急，保證數據的完整性。系統能實時監測，采用網絡通訊，可實現全球共享。

2.1 傳感器安裝

傳感器直徑22 mm，為便于拆卸，安裝工孔徑取40 mm，鉆孔深度以能探測到圍巖松弛圈外為準，一般取3～5 m，安裝孔內需防治積水。每個監測斷面傳感器布置原則如圖2所示。具體位置可根據現場情況和監測設計方案適當調整。

圖2 傳感器安裝

2.2 傳感器的布置

傳感器的布置設計原則是:安全、經濟、高效、可操作性強，環境干擾小。

關鍵技術要點包括以下幾方面:

①隧道及地下工程洞線長，監測的重點區域位于不斷前移的掌子面附近，為此要求傳感器能方便靈活轉移;

②安裝傳感器位置附近的圍巖完整性好，且應盡量與震中在同一層位;

③深、淺孔組合布置，深孔中可以安裝多個傳感器。

圖3 是錦屏水電樞紐工程C2 標引水隧洞K7+374～K9+100 區段傳感器布置圖。

圖3 傳感器布置方案

2.3 監測系統連接順序

傳感器→傳感器連接盒→地震記錄儀→主控時間服務器→光電轉換器→電腦監視器→互聯網。

3 微震信號處理

微震監測系統監測到的信息為施工作業區域所有聲發射信息，需要從這些信息中找出微震信息，即對監測到的信息濾噪。

3.1 噪音的分類及其特點

隧道及地下工程施工作業環境產生的噪音大致分為以下四類，并且具有不同特點。

(1)工頻干擾類:由設備作業產生，其主要特點是規律性較強、信號量大、周期明顯、頻率固定、振幅變化小。

(2)人員活動類:由工人施工作業產生，其主要特點是規律性不強、頻率變化范圍寬、振幅變化也較大，信號量相對機械噪聲小。

(3)爆破類:由爆破施工作業產生，其主要特點是間隔時間相等或接近、持續時間短、衰減快。

(4)隨機類:主要由巖壁片幫、掉塊或安裝傳感器的探桿頭受到外力擾動產生，其主要特點幅度大小不定，波形形狀與有效微震信號相似，出現比較集中。

3.2 濾波步驟

濾波步驟為:①根據試驗測試結果設置采集儀濾波參數，進行硬件濾波;②利用傳感器對噪音信號的差異反映和敏感性進行協同濾波;③考慮到主要有效信號位于掌子面附近，而傳感器在掌子面后方，根據信號到時與傳感器位置進行濾波;④根據試驗階段建立的噪音數據庫，利用人工神經網絡方法進行濾波;⑥最后，通過監測系統示波窗進行噪聲濾除。圖4為濾波前后微震事件對比圖。

圖4 濾波前后微震事件對比

4 微震源定位原理與方法

目前，最成熟的微震監測定位方法是時差定位法。該方法的原理是在微震源周圍以一定范圍、按一定的密度布置一定數量的傳感器，組成傳感器陣列，當監測巖體內出現微震時，傳感器即可將信號拾取，并將這種物理量轉換為電壓量或電荷量，通過多點同步數據采集測定各傳感器接收到該信號的時刻，連同各傳感器坐標及所測波速代入方程組求解，即可確定微震源的時空參數。這種根據微震信號到達同一陣列內不同傳感器時所形成的一組時差，經過幾何關系的計算確定微震源位置的方法就是時差定位法。時差定位法的原理圖見圖5。微震監測系統對微震源的定位分析是由基于粒子群微震源分層定位算法的數據分析軟件自動處理完成，具體計算理論不再贅述。經過定位分析軟件處理后的微震事件分布見圖6。

圖5 平面上微震事件定位模型

圖6 定位后的微震事件

5 微震評價指標

微震現象表征巖體穩定性的機理很復雜，微震監測技術通過對微震信號波形的分析，利用其特征數據對巖體穩定性做出恰當的判斷和預測。針對這類信號特征，主要記錄與分析下列具有統計性質的量:

(1)事件率(頻度)。指單位時間內聲發射與微震事件數，單位為次/min，該指標是用聲發射或微震評價巖體狀態最常用的參數。

(2)振幅分布。指單位時間內聲發射與微震事件振幅分布情況，振幅分布又稱幅度分布。振幅是指聲發射與微震波形的峰值振幅，根據設定的閉值可據此將一個事件劃分為小事件或大事件。

(3)能率。指單位時間內聲發射與微震能量之和，能量分析是針對儀器輸出的信號進行的。

(4)事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態的變化速度。

(5)頻率分布。

6 巖爆趨勢預報

巖爆趨勢預測預報是根據現場地質條件、數值分析結果與微震監測結果綜合分析做出的判斷，具體判斷方法如下:

(1)微震事件越多，微震活動越活躍，巖爆發生的風險越大。

巖體受外部干擾產生破壞過程中，微震活動隨之增加，事件率等參數也相應升高，發生巖爆之前，微震活動增加明顯。發生極強巖爆的微震事件累積分布，其中微震事件集中的區域就是巖爆的中心位置。

(2)微震事件的當地震級越大，發生巖爆的強度越大。

目前業界常用的ISS 系統取當地震級作為震級指標，事件的當地震級m 由下式進行計算［4］:

m=0.344log10E+0.516log10M－6.572

式中:E為微震能量;M為地震矩;各常數由系統根據E－M 曲線擬合計算后給出。

m=－0.2～0.5 時，可能發生輕微巖爆;

m=0.5～1.0，可能發生中等巖爆;

m=1.0～1.2，可能發生強烈巖爆;

m＞1.2，可能發生極強巖爆。

(3)微震事件的球體越大，能量釋放越大，發生巖爆的強度越大，見圖7 所示。

(4)利用微震事件能量指數、巖體視體積的變化趨勢預測預報巖爆發展趨勢。

在巖爆發生前期，關注區域的視體積和能量指數呈逐步增加趨勢，這個時期的圍巖主要處于峰值強度前的壓密和彈性階段;當圍巖體積內的能量超過圍巖體的儲能能力之后，圍巖開始發生破壞，能量指數陡然下降，視體積繼續增加，本階段為巖爆預警階段;接著視體積又恢復增加繼而降低，能量指數繼續穩步增加直至巖爆發生，此為巖爆發生階段。巖爆孕育、預警、發生三階段過程中圍巖的能量指數、視體積變化過程如圖8 所示。

圖7 一次極強巖爆前的微震累積事件

圖8 視體積、能量指數與巖爆發生之間的關系

7 關鍵技術

7.1 巖爆預報技術

巖爆趨勢的預測預報內容包括巖爆的位置、等級、發生概率。微震監測技術是通過監測微震事件的數量、分布、當地震級和輻射的能量大小，綜合判斷巖爆發生的位置和等級;根據微震事件的視體積和能量指數變化曲線圖判斷巖爆發生的概率。具體表現為:①微震事件越多，微震活動越活躍，巖爆發生的風險越大;②微震事件的當地震級越大，發生巖爆的強度越大;③微震事件的球體越大，能量釋放越大，發生巖爆的強度越大;④巖爆發生前期，微震源視體積持續增加，有突增趨勢，且能量指數有突然下降跡象。

7.2 提高預報準確性的具體措施

(1)傳感器與孔壁緊貼;

(2)按照統一的標準拾取到時(微震信號到達傳感器的時間簡稱到時);

(3)用到時接近的點進行組合定位;

(4)用位置接近的傳感器進行組合定位;

(5)避免同一平面的點組合;

(6)當計算的破裂時間晚于到時或某個定位坐標出現失常時，應去掉異常點，再計算其它定位結果的平均值，該平均值作為最終定位結果。

8 結束語

巖爆的預測是當今世界的前沿科學，就目前的測試技術，要準確測定巖爆的時、空參數還有很多技術沒有解決，不同的計算理論有不同的假設條件，但哪種理論更切合實際，還需要在實際工程中不斷的進行對比、研究、改進。但是，由于我國部分管理者觀念落后，加之具有科研價值的項目極少，很難在這方面開展運用研究。錦屏水電樞紐工程為國家自然科學基金支持重點項目，中科院武漢巖土工程研究所在項目上開展了微震監測預報巖爆技術，在2#引水洞西段成功預測到兩次強巖爆，分別發生在K8+659、K10+921 附近。K8+659 前后15 m 洞段在開挖過程中采取了弱爆破和強支護措施［5］，施工期沒有發生巖爆;對K10+921 前后15 m 采取同樣施工方法，在掘進通過122 m 后，距掌子面后方50 m 發生強巖爆。這樣的結果無法判斷預報是否準確，因為巖爆在巖體中的孕育過程是地應力在巖體中不斷調整重分布過程，一旦應力超出巖體的儲能能力及發生巖爆，其隨機性很大，影響因數眾多，特別是分析軟件的參數與實際地質特性的匹配問題，還需要在實踐中不斷探索。目前業界普遍認為，微震監測技術可用于區域性巖爆進行風險預測，預報巖爆發生的準確時間還很難。

［1］王文星.確定巖石巖爆傾向的新方法及其運用［J］.有色金屬設計，2001，28(4):43

［2］楊志忠.深部高地應力去采礦研究綜述［J］.巖石力學與工程學報，2002，4(7):51－52

［3］唐禮忠，楊承祥.大規模深井開采微震監測系統站網布置優化［J］.巖石力學與工程學報，2006(10):113

［4］唐禮忠.冬瓜山銅礦深井開采巖爆危險區分析與對策［J］.中南工業大學學報，2002，33(4):335－338