基于微震監(jiān)測試驗的微震信號類別識別降噪方法研究

劉躍成，康躍明，趙智輝，周 創(chuàng)，周 水

(1.云南交投集團投資有限公司，云南 昆明 675800； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

高埋深隧道以“高地應力，高溫，高滲流性”，等顯著性特點，對其隧道開挖施工安全性產(chǎn)生較大影響[1-2]。如果圍巖狀態(tài)掌握不準確，造成應力積累和突然釋放，造成巖爆發(fā)生，不僅容易造成經(jīng)濟的損失，而且會使整個隧道陷入困境，甚至造成人員傷亡[3]。因此，開展對微震監(jiān)測信號識別研究，不僅可以通過微震監(jiān)測手段對圍巖狀態(tài)有更清晰地認識，而且能為隧道開挖圍巖應力理論和支護技術方面提供更可靠、更全面的資料。

目前，對于微震監(jiān)測技術的研究很多，主要是關于微震信號發(fā)生源的定位、能量識別以及巖爆預測。Ma 等學者[4]采用數(shù)值分析和微震監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，提出了判斷圍巖穩(wěn)定性的綜合預測方法。文獻[5]通過建立微震信號與地下工程開挖之間的關系，分析圍巖變形特征與位置。Young 等學者[6-7]證明了采用微震監(jiān)測技術來判斷圍巖開挖損傷特征的可行性，并提出了更好處理和解釋微震數(shù)據(jù)的非常規(guī)方法。Cai 等[8]采用大數(shù)據(jù)對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，提出了定量描述了巖體損傷程度的方法。Li Yue等[9]結通過整理和歸類西北地區(qū)沙漠地震資料，采用信號特征結構原理對其噪聲去噪，改進了去噪聲法。賈寶新等[10]采用TFA-DC方法解決了雙震相定位中S波初至到時拾取困難的問題，并且通過雙震相目標函數(shù)，計算震出源坐標。竇林名等[11]通過數(shù)值模擬、理論分析及現(xiàn)場實測的方法，分析了震動波在巖層中的傳播歸類和礦震震動波傳播過程中質(zhì)點峰值速度和震動波能量的衰減規(guī)律。李邵軍等[12]采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對中國錦屏地下工程開挖過程中巖層變化進行了微震監(jiān)測，分析了圍巖松動程度和危害以及針對巖爆可能性進行了分析。

因此，基于微震監(jiān)測試驗研究信號類別對采集信號的特征影響規(guī)律，提出通過波形信號特征[13]、體變勢大小、視體積以及視應力大小來對所監(jiān)測的微震信號進行歸類劃分的手段；首先針對監(jiān)測的波形特征進行歸類分析，并與實際現(xiàn)場施工場景所可能采集的微震信號類別進行對比分析；然后針對體變勢大小、視體積以及視應力大小綜合特征進行展開分析，最終通過現(xiàn)場實際情況來進行驗證。

1 微震監(jiān)測原理及系統(tǒng)介紹

擬試驗場地位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村—勐佑鎮(zhèn)中河村的安石隧道，該隧道區(qū)屬中山地貌，地形起伏較大，最大埋深約453.11 m，為分離式特長隧道，雙向長度分別為5 338 m和5 263 m。隧址區(qū)下伏基巖前半段為燕山期侵入花崗巖，區(qū)域地質(zhì)較穩(wěn)定,隧道圍巖中殘存的構造應力在隧道開挖中易使堅硬巖石產(chǎn)生巖爆。石隧道施工中采用上下臺階爆破開挖方式。現(xiàn)場隧道開挖施工中由微震監(jiān)測系統(tǒng)對其巖層內(nèi)部及隧道周圍信號進行監(jiān)測。

1.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成[14-15]：傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及用于數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與處理的微震服務器，如圖1所示。傳感器接收到與巖體破裂有關的波形信號(模擬電信號)以后，由連接電纜將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，采集儀把接收到的模擬信號A/D轉換為數(shù)字信號，并經(jīng)過光纜通過網(wǎng)絡交換機將信號傳輸?shù)轿挥谒淼纼?nèi)二襯下方的微震監(jiān)測與處理服務器上，此過程如圖2所示。

圖1 微震監(jiān)測原理示意Fig.1 Principle of microseismic monitoring

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲Fig.2 Network topology of microseismicmonitoring system

1.2 微震監(jiān)測原理

20世紀30年代后期，文獻[14-15]在深埋硬巖礦中開展聲波研究時發(fā)現(xiàn)了微震現(xiàn)象。高應力作用下的巖體受到開挖卸荷等擾動時，伴隨著裂縫的產(chǎn)生及擴展，巖體內(nèi)集聚的彈性應變能以應力波的形式釋放并傳播，即為微震事件。微震活動包含了巖體變形破壞的豐富信息，通過布設的微震監(jiān)測系統(tǒng)采集、識別并定位微震信號，可獲得微裂隙位置及巖體損傷程度，由此可以對巖體失穩(wěn)災害進行預警，從而確保圍巖安全穩(wěn)定。與傳統(tǒng)監(jiān)測技術相比，微震監(jiān)測技術具有遠距離、動態(tài)、三維、整體、實時監(jiān)測等特點，其最大優(yōu)點是能夠定位出圍巖潛在破壞區(qū)域的位置。

微震監(jiān)測技術是一種被動監(jiān)測方法，在隧道中的應用主要包括以下3個步驟：①在潛在圍巖失穩(wěn)區(qū)附近安裝傳感器和數(shù)據(jù)采集設備，傳感器臺陣的布設以其能夠空間覆蓋關注區(qū)域為最佳;②檢測和處理微震事件，包括噪聲濾除、微震信號識別與初至拾取及微震事件定位;③根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及工程施工活動分析并解釋微震數(shù)據(jù)，根據(jù)微震活動有關特征預警潛在的圍巖失穩(wěn)區(qū)域，確保工程安全。

2 微震監(jiān)測方案設計

2.1 設計基本原則

微震監(jiān)測不同于常規(guī)應力、變形監(jiān)測，微震監(jiān)測范圍是一個空間的體，微震監(jiān)測方案設計時應考慮微震信號分析與工程災害預警所必需的條件。因此，微震監(jiān)測方案設計時應遵循以下原則：①滿足“微震源定位需要有4個傳感器監(jiān)測到有效信號”的必要條件；②考慮微震源定位原理，盡可能避免微震源定位的“盲區(qū)”；③考慮微震監(jiān)測的特殊性及傳感器的類型與性能，根據(jù)巖體結構特點，在確保監(jiān)測范圍內(nèi)對巖石破裂事件定位及時、準確的前提下，盡可能擴大監(jiān)測范圍；④盡量避免環(huán)境噪聲對微震信號的影響；⑤考慮現(xiàn)場布置的可操作性、設備銜接和走線的方便，確保線路安全，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)、準確；⑥在條件允許的情況下，盡可能確保監(jiān)測對象在傳感器陣列之內(nèi);⑦各傳感器應協(xié)同作業(yè)原則：充分利用傳感器協(xié)同工作的特點，提高監(jiān)測系統(tǒng)自我容錯能力，當某區(qū)域傳感器工作不正常時，其他區(qū)域的傳感器仍可保障該區(qū)域的基本監(jiān)測。

2.2 傳感器安裝設計

傳感器的布設以其能夠空間覆蓋監(jiān)測區(qū)域為最佳。然而，在深埋隧道中進行微震監(jiān)測時，傳感器通常只能布設于工作面之后，而微震事件主要集中在隧道工作面附近，因此，傳感器陣列很難或不可能實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的三維覆蓋。在這種情況下，傳感器應盡可能靠近監(jiān)測區(qū)域。

微震傳感器現(xiàn)場安裝的質(zhì)量，很大程度上影響著微震監(jiān)測結果的準確性。①應確保傳感器與巖體的有效耦合，提高微震信號的信噪比，以便后續(xù)數(shù)據(jù)的處理及解譯；②應確保傳感器安裝到設計位置，保證傳感器坐標位置的準確性，提高微震事件的定位精度。

安石隧道中微震傳感器布設于一個斷面，每個斷面分別于不同位置處(隧道左側和隧道右側)布設6個傳感器，具體布設如圖3所示。

圖3 傳感器布設Fig.3 Sensor layout diagram

傳感器現(xiàn)場安裝方式主要分為孔內(nèi)安裝和孔外安裝2種方法，此次采用孔內(nèi)安裝方法。孔內(nèi)安裝時先將傳感器和回收裝置連接，主要用于傳感器的回收利用，并將其置于3 m深的孔底，而后用回收桿將其擰緊，確保傳感器與巖體充分耦合。

3 監(jiān)測信號規(guī)律研究

3.1 微震監(jiān)測過程中爆破信號

通過此次實驗結果，可得知爆破信號的能量較大，觸發(fā)傳感器數(shù)量較多，部分傳感器接收的信號呈滿量程狀態(tài)，信號波形被削弱，波形呈現(xiàn)雙峰形。爆破信號衰減較快，尾波不發(fā)育，持續(xù)時間約為240～380 ms，頻譜最大頻率分布區(qū)間為0～800 Hz，多數(shù)分布在0～10 Hz。微震監(jiān)測系統(tǒng)在2021年6月2日—2021年7月30日監(jiān)測到的現(xiàn)場爆破采集事件體變視統(tǒng)計如圖4所示。研究得知爆破信號的體變勢分布在0～510 m3,且大多集中在10～90 m3，體變勢分布區(qū)間較為集中。爆破采集事件視體積統(tǒng)計如圖5所示。

圖4 爆破信號體變勢統(tǒng)計Fig.4 Statistical chart of blasting signal volume variation

圖5 爆破信號視體積統(tǒng)計Fig.5 Visual volume statistics of blasting signal

通過分析研究可知，爆破信號的視體積數(shù)量級最大，分布在0～45 000 000 m3，且多數(shù)分布在1 000～7 000 000 m3，最為分散。爆破采集事件視應力統(tǒng)計如圖6所示。研究得知爆破信號視應力數(shù)量級較大，分布在0～650 kPa，多數(shù)在50～450 kPa，較為分散。

圖6 爆破信號視應力統(tǒng)計Fig.6 Visual stress statistics of blasting signal

3.2 微震監(jiān)測過程中打炮眼信號

通過分析研究，打炮眼信號持續(xù)時間為270～380 ms，頻譜最大頻率分布區(qū)間為190～230 Hz區(qū)間，多數(shù)分布在190～210 Hz。打炮眼采集事件體變勢統(tǒng)計如圖7所示。通過分析研究，得知打炮眼信號的體變勢大多集中在0～0.10 m3，數(shù)值最少，體變勢分布區(qū)間較為集中。

圖7 打炮眼信號體變勢統(tǒng)計Fig.7 Statistics of the signal volume of blasting boreholes

現(xiàn)場打炮眼采集事件視體積統(tǒng)計如圖8所示。通過分析研究，得知爆破信號的視體積數(shù)量級較大，分布在0～300 000 m3，且多數(shù)分布在0～100 000 m3，較為分散。

圖8 打炮眼信號視體積統(tǒng)計Fig.8 Signal apparent volume statistics of blasting boreholes

打炮眼采集事件視應力統(tǒng)計如圖9所示。通過分析研究，得知打炮眼信號的視應力數(shù)量級較大，分布區(qū)間為0～35 kPa，多數(shù)分布在2.5～20 kPa，較為集中。

圖9 打炮眼信號視應力統(tǒng)計Fig.9 Statistics of apparent stress of blasting boreholes signal

3.3 電氣干擾信號波形分析

通過分析研究，打炮眼信號持續(xù)時間為270～330 ms，頻譜最大頻率分布區(qū)間為0～55 Hz，多數(shù)分布在48～55 Hz，極少數(shù)分布在10 Hz以下。

現(xiàn)場電氣干擾采集事件體變視統(tǒng)計如圖10所示。通過分析研究，得知電氣干擾信號的體變勢分布在0～0.17 m3,且大多集中在0～0.5 m3，數(shù)值最少，體變勢分布區(qū)間較為集中。

圖10 電氣干擾信號體變勢統(tǒng)計Fig.10 Statistical chart of electrical interference signal variant

現(xiàn)場電氣干擾采集事件視體積統(tǒng)計如圖11所示。通過分析研究，得知電氣干擾的視體積數(shù)量級較大(0～6 500 000 m3)，且多數(shù)分布在0～60 000 m3，較為分散。

圖11 電氣干擾信號視體積統(tǒng)計Fig.11 Statistics of electrical interference signal apparent volume

現(xiàn)場電氣干擾采集事件視應力統(tǒng)計圖如圖12所示。通過分析研究，得知電氣干擾信號的視應力數(shù)量級較大，為0～80 kPa，多數(shù)分布在0～20 kPa，較為集中。

圖12 電氣干擾信號視應力統(tǒng)計Fig.12 Statistics of electrical interference signal apparent stress

3.4 巖石破裂微震監(jiān)測信號

通過分析研究，巖石破裂持續(xù)時間為300～430 ms，頻譜最大頻率分布區(qū)間為0～200 Hz，多數(shù)分布在50～60 Hz和180～200 Hz。

監(jiān)測到的現(xiàn)場巖石破裂采集事件體變勢統(tǒng)計如圖13所示。通過分析研究，得知巖石破裂產(chǎn)生的微震信號的體變勢分布在0～110m3,且大多集中在0～10 m3，數(shù)值較大，體變勢分布區(qū)間較為集中。

圖13 微震信號體變勢統(tǒng)計Fig.13 Statistical chart of microseismic signal volume variability

監(jiān)測到的現(xiàn)場巖石破裂采集事件視應力統(tǒng)計如圖14所示。通過分析研究，得知巖石破裂產(chǎn)生的微震信號的視體積數(shù)量級較大，分布在0～17 500 000 m3，且多數(shù)分布在0～25 000 m3，較為集中。

圖14 微震信號視體積統(tǒng)計Fig.14 Statistics of apparent volume of microseismic signals

監(jiān)測到的現(xiàn)場爆破采集事件視應力統(tǒng)計如圖15所示。

圖15 微震信號視應力統(tǒng)計Fig.15 Statistics of apparent stress of microseismic signals

通過分析研究，得知巖石破裂產(chǎn)生的微震信號的視應力數(shù)量級較大，分布區(qū)間為0～5 500 kPa，多數(shù)分布在1～5 kPa，較為集中。

4 結論

(1)隨著隧道的開挖，隧道周邊及巖層內(nèi)部發(fā)生變化產(chǎn)生微震信號，其中包括施工過程的干擾信號(爆破信號、打炮眼信號、電氣信號)和巖石破裂信號。因此，提出了通過波形信號特征、體變勢大小、視體積以及視應力大小來對所監(jiān)測的微震信號進行歸類劃分的方法。

(2)爆破信號體變勢的數(shù)值最大，分布在0～510 m3,且大多集中在10～90 m3。打炮眼信號的體變勢大多集中在0～0.10 m3，數(shù)值最少，電氣干擾信號的體變勢分布在0～0.17m3,且大多集中在0～0.5 m3，數(shù)值較少。巖石破裂產(chǎn)生的微震信號的體變勢分布在0～110 m3,且大多集中在0～10 m3，數(shù)值較大。

(3)爆破信號頻譜最大頻率多數(shù)分布在0～10 Hz區(qū)間。打炮眼頻譜最大頻率分布區(qū)間為190～230 Hz，多數(shù)分布在190～210 Hz。極少數(shù)分布在10 Hz以下。現(xiàn)場電氣干擾信號頻譜最大頻率多數(shù)分布在48～55 Hz。現(xiàn)場巖石破裂產(chǎn)生的微震信號頻譜最大頻率分布區(qū)間為0～200 Hz，多數(shù)分布在50～60 Hz和180～200 Hz。

(4)爆破信號的視體積數(shù)量級最大，多數(shù)分布在1 000～7 000 000 m3，最為分散；炮眼視體積數(shù)量級較大，分布在0～300 000 m3，且多數(shù)分布在0～100 000 m3，較為分散。電氣干擾的視體積數(shù)量級較大，分布在0～6500000 m3，且多數(shù)分布在0～60 000 m3，較為分散。巖石破裂產(chǎn)生的微震信號的視體積數(shù)量級較小，多數(shù)分布在0～25 000 m3，較為集中。

(5)爆破信號的視應力數(shù)量級最大，多數(shù)分布在50～450 kPa，較為分散。打炮眼、電氣干擾及巖石破裂產(chǎn)生的視應力信號較為集中。打炮眼信號的視應力多數(shù)分布在2.5～20.0 kPa。電氣干擾信號的視應力多數(shù)分布在0～20 kPa。巖石破裂產(chǎn)生的微震信號的視應力多數(shù)分布在1～5 kPa。

首次考慮信號源對產(chǎn)生的波形信號特征、體變勢大小、視體積以及視應力大小差異性特征，考慮以上因素特征進行歸類與現(xiàn)場實測信號類型吻合良好，對今后的微震信號識別有很好的指導意義。