高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)坑探設(shè)施微震信號(hào)特征研究

王超圣 周宏偉 王子輝 何樹(shù)生 劉建鋒

（1.中國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)高放廢物）是一種放射性強(qiáng)、毒性大、含有長(zhǎng)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(yán)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(guó)內(nèi)外常用的處理方法為深地質(zhì)處置，如芬蘭、瑞典、法國(guó)、加拿大等都建立了高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的努力在甘肅北山地區(qū)確定幾個(gè)預(yù)選區(qū)。地下實(shí)驗(yàn)室不僅是一個(gè)龐大的地下工程，更是一個(gè)多學(xué)科的科研平臺(tái)，對(duì)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)代化和信息化要求較高，因此為了確保地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行安全，在北山舊井預(yù)選區(qū)建設(shè)地下坑探設(shè)施進(jìn)行相關(guān)的研究。

動(dòng)力災(zāi)害是地下工程建設(shè)過(guò)程中常遇到的工程問(wèn)題，特別是地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中一旦發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害，不僅可能造成人員傷亡，財(cái)產(chǎn)損失，而且影響地下實(shí)驗(yàn)室的功能和后期運(yùn)行安全。因此雖然國(guó)外地下實(shí)驗(yàn)室并未發(fā)生過(guò)動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，但各國(guó)在地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中高度重視圍巖動(dòng)力災(zāi)害研究。如加拿大地下實(shí)驗(yàn)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(cè)巖爆［2］；瑞典?sp?實(shí)驗(yàn)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(zhuān)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(guò)程高度重視巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)［3］。因此動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)研究也是坑探設(shè)施的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。

微震能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)區(qū)域性監(jiān)測(cè)，因此在國(guó)內(nèi)外地下工程監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。如戴峰等［4］基于微震監(jiān)測(cè)研究了白鶴灘水電站開(kāi)挖過(guò)程圍巖變形和破壞機(jī)制；張伯虎［5］等基于遠(yuǎn)程微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了大崗山地下廠(chǎng)房塌陷區(qū)穩(wěn)定性；馮夏庭［6］基于現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)研究了深埋隧洞即時(shí)型巖爆孕育規(guī)律和機(jī)制；陳炳瑞［7］基于現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)研究了深埋隧洞時(shí)滯型巖爆孕育規(guī)律和機(jī)制；楊志國(guó)等［8］使用微震監(jiān)測(cè)研究了冬瓜山銅礦巷道和礦柱破壞機(jī)制以及破壞的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)；于洋等［9］研究了錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞不同開(kāi)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(jìn)過(guò)程中微震與巖爆時(shí)空分布特征及巖爆孕育過(guò)程微震演化規(guī)律；肖亞勛等［11］基于微震監(jiān)測(cè)研究了強(qiáng)巖爆隧洞掘進(jìn)過(guò)程中巖爆風(fēng)險(xiǎn)；張文東［12］等研究了錦屏二級(jí)水電站引水隧洞巖爆特征及微震監(jiān)測(cè)規(guī)律。

在北山高放廢物坑探設(shè)施施工過(guò)程中使用IMS公司生產(chǎn)的三維微震定位系統(tǒng)對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究了微震事件去噪，P波、S波的到時(shí)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(cè)系統(tǒng)

北山坑探設(shè)施位于我國(guó)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(zhǎng)巖，巖石總體完整，巖質(zhì)新鮮堅(jiān)硬，裂隙局部發(fā)育，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度146.7～162.8 MPa，抗拉強(qiáng)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(guò)斜井進(jìn)入地下平巷，斜井長(zhǎng)度約146 m，傾角20°，平巷呈L型垂直穿過(guò)破碎帶和F18斷層，平巷長(zhǎng)度約110 m，平巷落平處右側(cè)設(shè)置水倉(cāng)，水倉(cāng)長(zhǎng)度約20 m。共設(shè)置4個(gè)專(zhuān)用試驗(yàn)硐室，超前探測(cè)試驗(yàn)硐室位于斜井中部，主要用于近場(chǎng)圍巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞綔y(cè)，L硐室位于斜巷轉(zhuǎn)平處，主要用于錯(cuò)車(chē)道開(kāi)挖過(guò)程中地下水監(jiān)測(cè)、EDZ監(jiān)測(cè)、圍巖變形監(jiān)測(cè)、光面爆破效果監(jiān)測(cè)和動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)，破碎帶前左右2個(gè)耳洞主要用做破碎帶注漿試驗(yàn)、導(dǎo)水?dāng)嗔褞綔y(cè)、動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及破碎帶開(kāi)挖圍巖變形監(jiān)測(cè)，并在開(kāi)挖破碎帶時(shí)進(jìn)行破碎帶支護(hù)試驗(yàn)。

高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)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(shí)驗(yàn)室廠(chǎng)址、結(jié)構(gòu)、埋深以及應(yīng)力特征，坑探設(shè)施選擇錯(cuò)車(chē)道和十月井?dāng)嗔?個(gè)重點(diǎn)試驗(yàn)段（如圖1），試驗(yàn)段1位于錯(cuò)車(chē)道，該段巷道受水倉(cāng)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(yàn)段2位于十月井?dāng)嗔眩撾A段受破碎帶和斷層的影響，同時(shí)受超前探測(cè)硐室和主巷道交叉的影響，易引起圍巖的失穩(wěn)。

2個(gè)試驗(yàn)段共安裝9個(gè)微震傳感器，其中試驗(yàn)段1在完成水倉(cāng)和L型硐室施工后安裝MS1、MS6～MS9；試驗(yàn)段2在左右超前硐室施工完成后安裝MS2～MS5，同時(shí)撤銷(xiāo)MS6～MS9傳感器。傳感器的安裝具體位置及監(jiān)測(cè)時(shí)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(shí)拾取

一個(gè)微震信號(hào)由P波（縱波）和S波（橫波）組成，準(zhǔn)確確定P波和S波到時(shí)是微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵。通常P波傳播速度快，頻率高，振幅小；S波傳播速度慢，頻率低，振幅大。對(duì)于固定傳感器，先接收到P波，再接收到S波，因此對(duì)于微震波形前密后舒，先小后大，如圖2（a）。根據(jù)微震信號(hào)的這些特征，可以直觀(guān)地拾取P波、S波到時(shí)。但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)受各種因素的影響，很多微震事件的P波、S波到時(shí)非常模糊，如圖2（b），通過(guò)波形圖主觀(guān)識(shí)別會(huì)出現(xiàn)較大的困難和誤差（文中的采樣序列是指信號(hào)點(diǎn)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(hào)并非是原始巖石破裂信號(hào)，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(rèn)閾值去噪，給定閾值去噪和強(qiáng)制消噪。一般情況下有用信號(hào)和噪聲頻率混雜在一起，通過(guò)閾值去噪和強(qiáng)制去噪方法易丟失事件中的有用成分，因此選擇默認(rèn)閾值對(duì)微震事件進(jìn)行去噪，先利用ddencmp函數(shù)獲取微震事件的默認(rèn)閾值，再利用函數(shù)wdencmp進(jìn)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(hào)P波、S波與干擾信號(hào)具有不同的振動(dòng)頻率，因此可以將傳感器監(jiān)測(cè)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(shí)。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(hào)時(shí)效果較好，但處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)由于局部突變會(huì)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(hào)局部突變的問(wèn)題。

微震事件是具有局部突變的信號(hào)，并且微震事件中有許多類(lèi)似小波的結(jié)構(gòu)，通過(guò)小波變換，可以將不同頻段的震相分離出來(lái)，而且效果較好。對(duì)微震事件而言，感興趣的是震相初動(dòng)到時(shí)，而這些震相往往不是在同一時(shí)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(guò)分析這些尺度信號(hào)可以得到它們的特征。

圖4為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的2016年8月13號(hào)微震事件，將第三個(gè)傳感器降噪后使用db5小波對(duì)降噪事件進(jìn)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(duì)應(yīng)的頻率約為100～400 Hz，縱波和d1～d3分解層匹配比較好，對(duì)應(yīng)的頻率為400～2 800 Hz，通過(guò)對(duì)波形的分解可以準(zhǔn)確拾取縱波和橫波到時(shí)。

根據(jù)P波、S波到時(shí)對(duì)微震事件進(jìn)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(jí)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(jí)、能量、地震力矩、微震體變勢(shì)、應(yīng)力降和視應(yīng)力等。其中微震震級(jí)是微震事件產(chǎn)生震動(dòng)以及能量大小的綜合量，微震事件震動(dòng)大釋放能量多則震級(jí)大，否則產(chǎn)生的震級(jí)小；微震體變勢(shì)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(wú)關(guān)，微震體變勢(shì)是一個(gè)標(biāo)量，定義為微震震源非彈性區(qū)的體積和體應(yīng)變?cè)隽康某朔e。震級(jí)代表了震源釋放能量的大小，體變勢(shì)代表了震源破壞對(duì)周?chē)鷰r石的影響，因此選擇震級(jí)和體變勢(shì)分析微震事件的特征。

北山花崗巖微震震級(jí)和微震體變勢(shì)（P）的大小分布如圖6所示，震級(jí)和logP基本分布在0以下，只有極少微震事件震級(jí)分布在0以上，震級(jí)和logP小于-2.5約占80%，概率密度最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的震級(jí)和logP分別為-5和-5.5，震級(jí)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(jí)的小事件為主，高震級(jí)大事件很少。

為了進(jìn)一步研究微震事件特征隨掘進(jìn)的變化，繪制微震事件特征隨時(shí)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(lèi)，Ⅰ-Ⅰ類(lèi)發(fā)生在完整巖石掘進(jìn)過(guò)程中，該部分震級(jí)和微震體變勢(shì)相對(duì)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(rèn)為該部分事件主要發(fā)生在圍巖的表層；Ⅰ-Ⅱ類(lèi)也發(fā)生在完整巖石掘進(jìn)中，但與Ⅰ-Ⅰ微震事件相比，震級(jí)和體變勢(shì)明顯增大，數(shù)量明顯減少，分布也更遠(yuǎn)離巷道表面，因此認(rèn)為發(fā)生在圍巖內(nèi)部；Ⅱ類(lèi)發(fā)生在破碎巖石掘進(jìn)過(guò)程中，該階段微震事件整體上比Ⅰ-Ⅰ震級(jí)和體變勢(shì)大，但比Ⅰ-Ⅱ微震事件震級(jí)和體變勢(shì)小。綜上，完整巖石中掘進(jìn)微震事件可以分為2部分，其中Ⅰ-Ⅱ震級(jí)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(jí)事件做為圍巖進(jìn)一步破壞征兆，當(dāng)大量高震級(jí)事件同時(shí)出現(xiàn)時(shí)極易造成圍巖的失穩(wěn)；而破碎巖石掘進(jìn)過(guò)程中微震事件分布相對(duì)集中，這也就為破碎帶圍巖失穩(wěn)預(yù)警帶來(lái)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(shì)（震級(jí)）越大，震源的驅(qū)動(dòng)力越大，產(chǎn)生的絕對(duì)破壞也越大，但有時(shí)更關(guān)注震源相對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)平均能量和微震體變勢(shì)求得：

式中，E為震源輻射能量；P為微震體變勢(shì)；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(kuò)展速度越快，對(duì)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(jìn)行研究，為了便于對(duì)比，得出logEI隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖8（c）所示。完整段和破碎段均出現(xiàn)一定數(shù)量危險(xiǎn)事件，完整段危險(xiǎn)事件約占總事件的55.88%，破碎帶危險(xiǎn)事件約占總事件的54.54%。

3.3 微震事件b值研究

為了進(jìn)一步揭示圍巖破壞的過(guò)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(jí)；N為震級(jí)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(duì)震級(jí)分布的函數(shù)。b值不僅是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，還具有物理意義。

李全林等［14］對(duì)b值物理意義進(jìn)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(qiáng)度，σˉ為該區(qū)域平均應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力σ≤S時(shí)，巖石處于安全狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力σ＞S時(shí)，巖石發(fā)生破壞，定義破壞區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)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(lèi)，分別計(jì)算3類(lèi)微震事件的b值，擬合曲線(xiàn)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(duì)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(jìn)的影響，巖石強(qiáng)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(qiáng)度受爆破的影響較小，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)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(qiáng)度大大降低，因此危險(xiǎn)面積1-FⅡ減小，b減小，如圖11（c）。3個(gè)區(qū)域關(guān)鍵參量對(duì)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(lái)，既克服了小波分解在高頻階段頻率分辨率，低頻階段時(shí)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(guò)這些小波系數(shù)反映微震事件的不同特征。S（t）的表達(dá)式為

式中，fi，j（tj）為微震事件小波包分解到節(jié)點(diǎn)（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(dá)

小波包能量特征的求取，實(shí)質(zhì)上是利用小波包變換，將微震信號(hào)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(hào)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(diǎn)數(shù)；Ei，j（tj）表示事件分解到第i層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)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(hào)重構(gòu)事件fi，j（tj）離散采樣點(diǎn)的幅值。

原始信號(hào)S（t）為第i層所有節(jié)點(diǎn)上的重構(gòu)信號(hào)之和，其總能量等于第i層各節(jié)點(diǎn)信號(hào)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(guò)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(duì)微震事件進(jìn)行7層小波包分解，其第i層可以得到2i個(gè)子頻帶，即27個(gè)子頻帶。每個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的頻率為23.437 5 Hz，最低頻帶為0.000 0～23.437 5 Hz，見(jiàn)表3。

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小波包分解與重構(gòu)過(guò)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(hào)處理和分析結(jié)果。db系列可以較好地反映微震信號(hào)在時(shí)間和頻率分布上的非穩(wěn)態(tài)變化過(guò)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(duì)微震信號(hào)進(jìn)行7層小波分解。

通過(guò)對(duì)微震事件進(jìn)行小波包分解，研究各微震信號(hào)的頻帶能量分布，發(fā)現(xiàn)微震信號(hào)頻帶能量分布主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)能量主要集中在低頻帶區(qū)域，把這類(lèi)信號(hào)稱(chēng)為低頻主震型信號(hào)；另一類(lèi)有2個(gè)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(chēng)這類(lèi)信號(hào)為雙頻震動(dòng)型信號(hào)。如圖12（a）和表4所示，低頻主震型微震信號(hào)的能量主要分布在0～15頻帶，對(duì)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(hào)在頻帶35內(nèi)（820 Hz）累計(jì)能量均達(dá)到了85%，有的甚至超過(guò)了95%。

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雙頻震動(dòng)型典型圖形如圖12（b）所示，部分雙頻震動(dòng)事件能量分布如表5所示，第一主頻范圍為10～30頻帶，對(duì)應(yīng)頻率約為230～700 Hz；第二主頻范圍為44～61頻帶，對(duì)應(yīng)的頻率為1 030～1 430 Hz，2個(gè)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(cè)第一主頻是橫波震動(dòng)引起，第二主頻是縱波震動(dòng)引起。

進(jìn)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(dòng)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(hào)在傳播過(guò)程中進(jìn)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(jìn)過(guò)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(huì)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(dòng)型事件，即橫波低頻震動(dòng)能量聚集區(qū)和縱波高頻震動(dòng)能量聚集區(qū)。

5 結(jié) 論

使用IMS三維微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)放廢物地質(zhì)處置庫(kù)北山坑探設(shè)施掘進(jìn)過(guò)程微震事件，并對(duì)微震事件進(jìn)行特征分析和波形研究，重點(diǎn)研究了微震事件去噪，到時(shí)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(hào)P、S波的到時(shí)，并進(jìn)一步對(duì)微震事件進(jìn)行三維空間定位。

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

（3）完整段危險(xiǎn)事件約占總事件的55.88%，破碎帶危險(xiǎn)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(duì)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(dòng)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(dòng)型事件共存。

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