微震監(jiān)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(zé)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(jiān)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(zé)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(yè)環(huán)境中產(chǎn)生噪聲的震源很多，包括人工噪聲、爆破和機(jī)械設(shè)備噪聲等。采用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行地壓監(jiān)測時(shí)，對各種震源的辨識是一個(gè)工作量大和復(fù)雜的分析過程。總結(jié)了礦山地下作業(yè)環(huán)境中的各種震源，提出了對各種震源的經(jīng)驗(yàn)和理論辨識方法。在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對地下礦山爆破、機(jī)械作業(yè)設(shè)備、人員作業(yè)、巖體破裂等產(chǎn)生的震源信號進(jìn)行了波形分析、辨識，給出了各種震源波形的基本特點(diǎn)。所提出的分析方法對于現(xiàn)場巖體破裂微震信號的提取和分析有較好的指導(dǎo)作用。

微震監(jiān)測;噪聲;信號辨識

0 引言

微震監(jiān)測技術(shù)是深部礦山和高應(yīng)力礦山地壓監(jiān)測的重要監(jiān)測手段。微震監(jiān)測技術(shù)在礦山地壓和安全監(jiān)測方面的應(yīng)用主要涉及到對高地應(yīng)力分布監(jiān)測、巖爆監(jiān)測、巖移監(jiān)測、巖層動態(tài)參數(shù)監(jiān)測、崩落范圍監(jiān)測、礦震監(jiān)測、爆破及其余震監(jiān)測、大冒頂片幫監(jiān)測、礦山災(zāi)害安全救助、礦山安全預(yù)警等多個(gè)方面，可以說微震監(jiān)測技術(shù)在礦山地壓和安全監(jiān)測方面的應(yīng)用是全方位的［1］。微震監(jiān)測的目的是監(jiān)測巖石在應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂時(shí)的彈性波信號，并應(yīng)用這些信號對巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，對可能產(chǎn)生的巖體的各種破壞災(zāi)害等地壓現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測。微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)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(jiān)測環(huán)境較復(fù)雜，各種震源產(chǎn)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(shè)備等產(chǎn)生的波等，都是監(jiān)測的對象。因此，掌握監(jiān)測區(qū)內(nèi)的震源類型，合理分析各種震源信號的特點(diǎn)、區(qū)分各種震源、剔除人為噪音、提取有效信息，就成為微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究的第一步，也是微震監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)研究的基礎(chǔ)［2］。

由于微震監(jiān)測技術(shù)在我國應(yīng)用得不多，只有很少的有關(guān)微震信號辨識的相關(guān)報(bào)道［3］。本文是在對柿竹園多金屬礦采場多通道微震監(jiān)測基礎(chǔ)上［4］，通過總結(jié)礦山地下作業(yè)環(huán)境中的各種震源，提出對各種震源的經(jīng)驗(yàn)和理論辨識方法，對地下各種信號進(jìn)行波形分析和辨識，為實(shí)際監(jiān)測技術(shù)人員提供一些辨識微震信號的基本方法。

1 地下作業(yè)環(huán)境中的震源［5］

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

(1)巖石破裂時(shí)發(fā)出的彈性波。巖石或不連續(xù)面在拉、壓和壓剪力的作用下，產(chǎn)生彈性波或稱應(yīng)力波，引起巖層的震動。這種波是監(jiān)測的目標(biāo)，也是分析的主要對象，是有用信號。

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

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

(4)采礦作業(yè)設(shè)備。各種鑿巖設(shè)備作業(yè)時(shí)，會產(chǎn)生大量的震源;各種鏟運(yùn)設(shè)備作業(yè)時(shí)，會產(chǎn)生大量的震源;各種通風(fēng)設(shè)備作業(yè)時(shí)，會產(chǎn)生大量的震源;各種井下抽排水設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，會產(chǎn)生震源。

(5)溜井放礦。采區(qū)內(nèi)的溜井在出放礦時(shí)，礦石之間的運(yùn)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(shè)施等，這些電源信號在系統(tǒng)屏蔽失效時(shí)，也會進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)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(jiān)測主要是監(jiān)測采區(qū)巖體(石)在開挖時(shí)圍巖體內(nèi)應(yīng)力集中導(dǎo)致巖體(石)破裂而產(chǎn)生的震動信號，利用這些監(jiān)測到的前兆信號來評價(jià)巖體的穩(wěn)定性。因此，必須掌握微震監(jiān)測到的信號的辨識，針對監(jiān)測的目標(biāo)，剔除噪音，提取有信號，為進(jìn)一步的巖體穩(wěn)定性和地壓災(zāi)害評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

微震信號的辨識，可以根據(jù)監(jiān)測操作人員的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備的性能和分析軟件的功能來分析。首先應(yīng)充分利用操作人員的經(jīng)驗(yàn)，如根據(jù)對不同信號發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、波形特征等來辨識一些能夠容易區(qū)別的信號，這樣可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)一些信號的辨識;其次，充分利用設(shè)備的性能，如設(shè)備有聲監(jiān)聽、波形顯示等直觀的分辨性能，利用這些性能，可以達(dá)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(jù)信號處理軟件的功能，通過較復(fù)雜的理論分析，對信號進(jìn)行辨識;最后，可以采用前述3種方法的組合分析方法進(jìn)行信號辨識，有時(shí)，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(shí)間較長，方法比較復(fù)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(jìn)行分析，以達(dá)到便捷、快速辨識的目的。

2．1 經(jīng)驗(yàn)方法

經(jīng)驗(yàn)方法是監(jiān)測人員根據(jù)自己在長期監(jiān)測分析中積累的經(jīng)驗(yàn)，來辨識微震監(jiān)測信號。這種經(jīng)驗(yàn)既包括對微震信號自身的認(rèn)識，也包括對特定礦山開采環(huán)境、震源環(huán)境的認(rèn)識。實(shí)際上經(jīng)驗(yàn)方法是1種綜合方法，也是1種非常有效的方法。經(jīng)驗(yàn)法是在監(jiān)測的同時(shí)，及時(shí)對監(jiān)測事件進(jìn)行的分析。經(jīng)驗(yàn)分析方法包括:根據(jù)微震監(jiān)測所獲得的微震發(fā)震時(shí)間和空間位置，結(jié)合采礦生產(chǎn)作業(yè)位置進(jìn)行辨識;通過對微聲的放大監(jiān)聽，辨識一些機(jī)械噪音，如鑿巖機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、井下汽車、鼓風(fēng)機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的微震信號，都具有連續(xù)性、穩(wěn)定性和頻率不變的特點(diǎn)。

2．2 理論分析法

理論分析是借助于對巖石破裂性質(zhì)、震源機(jī)理、不同震源的波動特性，對微震信號的波形等進(jìn)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(shí)間上都滯后于實(shí)際監(jiān)測，是在經(jīng)驗(yàn)法難以區(qū)分時(shí)采用的方法。

(1)波形辨識法。不同的發(fā)震機(jī)制對應(yīng)的震源所產(chǎn)生的地震波，一般具有不同的波動特性，監(jiān)測所獲得的波形也不同。在波動理論中，涉及到許多性質(zhì)的波，如體波、面波等。微震監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測巖體介質(zhì)中的體波，即可以監(jiān)測到縱波和橫波，這為波形辨識提供了良好的技術(shù)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(dá)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(dá)接收傳感器，故也稱次達(dá)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(chǎn)生的震源，鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生的震源等。根據(jù)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(biāo)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(diǎn)，如對應(yīng)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(jié)分析出來，這對于區(qū)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(jìn)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(diǎn)，從而達(dá)到區(qū)分各種震源的目的。

2．3 綜合分析方法

在實(shí)際應(yīng)用中，單純采用上述的某一種方法有時(shí)不易對信號進(jìn)行區(qū)分，而采用綜合分析方法有助于對信號進(jìn)行有效的辨識。綜合分析方法就是采用經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法，兩者之間相互彌補(bǔ)，達(dá)到區(qū)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(shí)間的監(jiān)測，就要結(jié)合礦山的生產(chǎn)實(shí)踐、礦巖的物理力學(xué)特性，總結(jié)一些最能反應(yīng)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(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)或規(guī)律，則有助于通過調(diào)整頻率范圍、觸發(fā)電平門檻值等，實(shí)現(xiàn)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(jìn)行一定時(shí)間的監(jiān)測后，探索和掌握一定的規(guī)律，通過選擇恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測頻率范圍，可以達(dá)到對一些頻率范圍的無用信號的剔除。

(2)選擇恰當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平門檻值。選擇不同的觸發(fā)電平門檻值，同樣可以實(shí)現(xiàn)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(diǎn)后，即可選擇不同的觸發(fā)電平門檻值來過濾一些有害的震源信號。

3 實(shí)測震源信號分析［5，6］

為便于分析，對各種震源進(jìn)行測試，監(jiān)測可能監(jiān)測到的微震信號，包括巖石破裂產(chǎn)生的微震、爆破、鑿巖、通風(fēng)、鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)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(guān)參數(shù)(頻率、振幅、能量等)，必要時(shí)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)各種震源的特點(diǎn)，進(jìn)行波形辨識。根據(jù)波形辨識，提取巖石破裂產(chǎn)生的有用震源信號，為進(jìn)一步的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(1)爆破震源。爆破所產(chǎn)生的爆轟波是典型的壓縮波。一般來說，當(dāng)爆轟波不穿過大的不連續(xù)面，即只在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，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(qū)常規(guī)爆破的波形圖，它的震動衰減較快;圖1(b)是深部采區(qū)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(xù)時(shí)間較長。

圖1 爆破波形

爆破震源波形衰減迅速，該特點(diǎn)是與鑿巖、局扇和其它機(jī)械設(shè)備連續(xù)作業(yè)產(chǎn)生的波形的區(qū)別點(diǎn)。

(2)鑿巖作業(yè)震源。在正常作業(yè)情況下，沖擊頻率比較固定，沖擊產(chǎn)生的振動波形也基本相似。只要鑿巖機(jī)不停止作業(yè)，鑿巖信號的波形就具有連續(xù)性，如圖2所示。同時(shí)，鑿巖具有地點(diǎn)已知、作業(yè)時(shí)間段已知等特點(diǎn)，這些都為辨別鑿巖震源提供了依據(jù)。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(jī)械有1個(gè)明顯的沖擊特征，其正常工作時(shí)，沖擊頻度一般是比較固定的。

圖2 鑿巖機(jī)鑿巖波形

(3)鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)震源。鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)具有連續(xù)性的特點(diǎn)，鏟運(yùn)機(jī)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(yùn)機(jī)在作業(yè)時(shí)的波形，分析鏟運(yùn)機(jī)的波形參數(shù)，達(dá)到辨識鏟運(yùn)機(jī)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(jiān)測系統(tǒng)對井下的模擬信號的屏蔽不好時(shí)，這些電源對系統(tǒng)的模擬信號會產(chǎn)生干擾。對于照明和動力電源，其頻率為50 Hz，且波形連續(xù)，振幅穩(wěn)定。典型的電信號干擾波形表明，電信號干擾的波形連續(xù)、振幅和頻率穩(wěn)定，頻率為50 Hz，無衰減現(xiàn)象。

(5)巖石破裂產(chǎn)生的震源。巖石破裂產(chǎn)生的震源因產(chǎn)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(chǎn)生P波和S波;對于張拉型破壞，一般只會產(chǎn)生P波。不過，由于S波不能在空氣和水等介質(zhì)中傳播，因此即使是1個(gè)含有P波和S波的震源，在其傳播過程中當(dāng)遇到水或空氣等介質(zhì)時(shí)，S波的傳播也會受到阻斷;或在通過不連續(xù)地質(zhì)界面時(shí)，S波產(chǎn)生不同程度的衰減而變得不易辨識，此時(shí)可能出現(xiàn)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(jiān)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(fā)生在大爆破采場的余震震源波形。

(6)人工敲擊。人工敲擊產(chǎn)生的震源一般會產(chǎn)生P波和S波，并且此時(shí)的波形與微震的波形極為相似。因此，要仔細(xì)分辨這種干擾信號。一般來說，人工垂擊產(chǎn)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(shí)際監(jiān)測時(shí)，只有垂擊點(diǎn)附近的傳感器可以接收得到垂擊的信號，遠(yuǎn)離垂擊點(diǎn)的傳感器往往不能接收到這種信號。一般情況下，可以根據(jù)井下人員的作業(yè)地點(diǎn)、震源點(diǎn)、發(fā)震時(shí)間和能量大小等經(jīng)驗(yàn)方法來判斷，在難以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)辨識時(shí)，就必須根據(jù)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(xù)時(shí)間一般在幾十毫秒。

(7)局扇噪音。在采區(qū)內(nèi)，局扇是常用的通風(fēng)設(shè)備，是噪音源。局扇產(chǎn)生的噪音，會對其附近的傳感器產(chǎn)生影響。由于局扇有分段連續(xù)性的工作特點(diǎn)，通過對其的專門測定和監(jiān)聽后，可掌握其噪音特點(diǎn)，區(qū)分之是不難的。典型的局扇通風(fēng)時(shí)的噪音波形連續(xù)，比較雜亂。

通過上述分析，總結(jié)出常見幾種震源和噪音的主要技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1中的參數(shù)是根據(jù)實(shí)測事件分析所得的結(jié)果，事件參數(shù)有一定的變化，有的事件如巖石破裂的參數(shù)變化還很大，因此，表中參數(shù)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(jìn)行譜分析，且這種方法簡單易行，現(xiàn)場技術(shù)人員易于掌握。

一些微震監(jiān)測系統(tǒng)配置了聲信號監(jiān)聽裝置，可以通過揚(yáng)聲器或耳機(jī)等直接監(jiān)聽各種監(jiān)測得到的信號。實(shí)際上，一些機(jī)械噪聲如鑿巖、通風(fēng)等產(chǎn)生的噪聲，對于1個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的監(jiān)測人員來說，甚至無需進(jìn)行波形分析就可以通過直接監(jiān)聽的方法辨識出來。

目前，微震監(jiān)測系統(tǒng)大多是全數(shù)字型監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對計(jì)算機(jī)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(dāng)采用上述的經(jīng)驗(yàn)辨識和常規(guī)理論辨識方法不能對信號進(jìn)行分辨時(shí)，采用監(jiān)測系統(tǒng)提供的信號分析軟件進(jìn)行進(jìn)一步的譜分析是必要的。實(shí)時(shí)、可視化的分析軟件操作方便，技術(shù)人員易于掌握。限于篇幅，本文對進(jìn)一步的信號分析不作介紹。

4 結(jié)語

現(xiàn)場監(jiān)測表明，每天監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大。因此，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理是一個(gè)很繁瑣、復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的工作，而且也是一個(gè)必須認(rèn)真、細(xì)致的分析工作。在實(shí)際監(jiān)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(jīng)驗(yàn)，對生產(chǎn)安排、生產(chǎn)作業(yè)過程還要有充分的了解，在此基礎(chǔ)上，充分根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、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(fù)雜的情況下，才需要有針對性地對一些震源事件進(jìn)行理論上的波譜分析。本文在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，給出了幾種重要地下震源的波形特征，總結(jié)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(guān)項(xiàng)目子項(xiàng)“柿竹園多金屬礦地壓微震監(jiān)測技術(shù)研究”報(bào)告［R］．長沙:長沙礦山研究院，2008．

［2］ Gibowicz S J，Kijko A．礦山地震學(xué)引論［M］．修濟(jì)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(jiān)測的頻譜分析與信號識別［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(7):772 －775．

［4］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達(dá)，等．凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(12):2048－2053．

［5］ 柿竹園多金屬礦“井下采區(qū)特大型爆破地應(yīng)力變化過程實(shí)時(shí)監(jiān)測”報(bào)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(guān)項(xiàng)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(chǎn)與管理工作。