深部巖體應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震機(jī)制與識(shí)別＊

楊建華盧文波，陳 明嚴(yán) 鵬周創(chuàng)兵

1）中國(guó)武漢430072武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2）中國(guó)武漢430072武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

深部巖體應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震機(jī)制與識(shí)別＊

楊建華1，2）盧文波1，2），陳 明1，2）嚴(yán) 鵬1，2）周創(chuàng)兵1，2）

1）中國(guó)武漢430072武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2）中國(guó)武漢430072武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

從能量釋放的角度討論了深部巖體開(kāi)挖激發(fā)微地震的機(jī)制.研究表明，伴隨著爆破破巖新自由面形成而發(fā)生的巖體彈性應(yīng)變能釋放屬于瞬態(tài)過(guò)程，高地應(yīng)力條件下爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的微地震由爆炸荷載和初始地應(yīng)力（開(kāi)挖荷載）瞬態(tài)釋放耦合作用引起.地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震可成為周?chē)鷰r體振動(dòng)的主要組成部分，這有賴于巖體自身的蓄能能力、巖體開(kāi)挖方式及開(kāi)挖面的大小.通過(guò)瀑布溝地下廠房爆破開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)測(cè)圍巖地震信號(hào)的時(shí)能密度和幅值譜分析，對(duì)地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震進(jìn)行了識(shí)別.耦合地震信號(hào)的低頻成分主要由初始地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷引起，而高頻成分主要由爆炸荷載引起.應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理的FIR濾波方法對(duì)耦合振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了初步分離，數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了分離結(jié)果的可靠性.

微地震 動(dòng)力過(guò)程 深埋隧洞 爆破開(kāi)挖 瞬態(tài)卸荷 彈性應(yīng)變能

Abstract：The mechanism of triggered microseism by excavation of deep rock mass is discussed from the view of energy release.Results reveal that the elastic strain energy release of rocks，accompanied with the formation of new free surface during the rock fragmentation by blasting，is a transient process；and in highly stressed rock mass，the triggered microseism by blasting excavation isattributed to the coupling of blasting load and transient release of in－situ stress（TRIS）.The TRIS－triggered microseism could become absolutely the main component of total vibration，which depends on the storage capacity of rock energy，the excavation method and the size of excavated surface.In combination with the blasting excavation of an underground powerhouse in the Pubugou Hydropower Station，the microseism excited by TRIS is identified through time－energy density analysis and amplitude spectrum analysis of monitored microseismic signals in surrounding rocks.Results indicate that lower frequency component in the coupled microseism results more from TRIS than from blasting load，and higher frequency component originates from the blasting load alone.The coupled microseismic signals are separated by employing the finite impulse response（FIR）filter，and separated waves agree very well with numerical simulation results.

Key words：microseism；dynamic process；deep－buried tunnel；blasting excavation；transient unloading；elastic strain energy

引言

人類(lèi)工程活動(dòng)引起的地震問(wèn)題是現(xiàn)代地震學(xué)廣為研究的課題之一.從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，源于國(guó)防建設(shè)的需要，國(guó)內(nèi)外對(duì)地下核爆炸、化學(xué)爆炸進(jìn)行了大量的研究，揭示了其應(yīng)力波傳播規(guī)律和地運(yùn)動(dòng)特征（Kharin et al，1966；Bykovtsev，Kramarovskii，1994；唐廷等，2007）.隨著礦山開(kāi)采深度的日益增加，人類(lèi)活動(dòng)不斷走向巖體深部，開(kāi)挖擾動(dòng)引起巖體地應(yīng)力重分布.其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，能量的積聚引起巖體裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展、甚至是地質(zhì)間斷面（斷層）的運(yùn)動(dòng)，由此導(dǎo)致應(yīng)力波或彈性波的釋放并在周?chē)鷰r體內(nèi)快速傳播誘發(fā)礦山地震（Mccreary et al，1992；唐春安等，1997；Ge，2005；和雪松等，2007）.在深部巖體爆破開(kāi)挖過(guò)程中，鉆爆開(kāi)挖是通過(guò)爆炸荷載與孔壁圍巖相互作用，達(dá)到破碎巖石、拋擲碎塊的過(guò)程.伴隨著爆炸產(chǎn)生的巖體開(kāi)裂和新自由面的形成，被開(kāi)挖巖體對(duì)保留巖體的應(yīng)力約束瞬間消失，即開(kāi)挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)釋放.一般認(rèn)為，爆破地震是指炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波通過(guò)巖土介質(zhì)傳播到遠(yuǎn)距離處衰減而引起的振動(dòng).但爆破開(kāi)挖面上的應(yīng)力快速釋放可以在圍巖中激發(fā)動(dòng)拉應(yīng)力（Carter，Booker，1990），且卸荷速率越快，對(duì)保留巖體的破壞越大（Abuov et al，1989），甚至成為巖爆的觸發(fā)機(jī)制之一（徐則民等，2003），明顯地表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)開(kāi)挖卸荷不同的動(dòng)力特征.Cai（2008）認(rèn)為，當(dāng)深埋隧洞采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，將在開(kāi)挖邊界上產(chǎn)生很大的不平衡力，圍巖的一部分應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)爆破地震傳播具有波導(dǎo)效應(yīng)，主地應(yīng)力方向上實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)值要遠(yuǎn)大于預(yù)測(cè)的爆破振動(dòng)（張志呈等，2005）.以上研究成果及工程實(shí)踐表明，伴隨爆炸而發(fā)生的開(kāi)挖輪廓面上地應(yīng)力瞬態(tài)釋放，可能是激發(fā)圍巖微地震的另外一個(gè)因素（李正剛，2004）.

深部巖體爆破開(kāi)挖過(guò)程中，地應(yīng)力瞬態(tài)釋放這一卸載擾動(dòng)以彈性波的形式向外傳播，在周?chē)鷰r體中產(chǎn)生微地震，這是一個(gè)物理過(guò)程的動(dòng)力原因和動(dòng)力響應(yīng)，是一個(gè)直接激發(fā)過(guò)程.但從應(yīng)變能快速釋放的觀點(diǎn)看，地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷產(chǎn)生的微地震與采礦卸載間接誘發(fā)的地震具有相似性.因此，開(kāi)展深部巖體爆破開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震的研究，對(duì)于認(rèn)識(shí)工程開(kāi)挖激發(fā)微地震的機(jī)制、預(yù)報(bào)與控制爆破振動(dòng)具有重要意義.進(jìn)一步建立開(kāi)挖瞬態(tài)卸荷激發(fā)微地震的特征與地應(yīng)力分布的關(guān)系，為判斷地下工程二次應(yīng)力分布、預(yù)防和減輕動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害提供了有效途徑（陳培善，1981；張?zhí)炖椎龋?011）.本文首先從巖體彈性應(yīng)變能釋放的角度討論地應(yīng)力釋放激發(fā)微地震的機(jī)制，并針對(duì)深埋圓形隧洞全斷面分段微差爆破，分析地應(yīng)力釋放的力學(xué)過(guò)程；然后結(jié)合高地應(yīng)力條件下爆破開(kāi)挖的實(shí)測(cè)地震信號(hào)，采用小波變換時(shí)能密度和幅值譜分析方法對(duì)地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震進(jìn)行識(shí)別，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)濾波方法對(duì)耦合地震信號(hào)進(jìn)行初步分離，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.

1 巖體開(kāi)挖能量釋放機(jī)理

與開(kāi)挖過(guò)程有關(guān)的巖體應(yīng)力路徑、應(yīng)力狀態(tài)及動(dòng)力響應(yīng)等問(wèn)題，歸根結(jié)底是巖體能量的集聚、儲(chǔ)存、耗散與釋放.假定三向應(yīng)力作用下的原巖處于彈性平衡狀態(tài)，在主應(yīng)力空間中，單位體積巖體彈性應(yīng)變能e為（Solecki，Conant，2003）

式中，σj為主應(yīng)力，j＝1，2，3；E為彈性模量；μ為泊松比.

一定體積的巖體含有n個(gè)巖體單元，所包含的應(yīng)變能U為

式中，Vk為第k個(gè)巖體單元的體積.

工程開(kāi)挖改變了巖體的原始幾何形狀，使開(kāi)挖邊界上的法向初始地應(yīng)力全部卸除，并引起周?chē)Ａ魩r體地應(yīng)力場(chǎng)的變化，形成一定的應(yīng)力影響區(qū).隧洞每一個(gè)進(jìn)尺都將挖除一定體積的巖體，這部分巖體包含了一定的應(yīng)變能；同時(shí)應(yīng)力影響區(qū)巖體由于變位和應(yīng)力調(diào)整也將釋放一定的能量.這兩部分能量之和就是特定開(kāi)挖進(jìn)尺下釋放的能量ΔU（Cook et al，1966），即

式中，U1，U2分別為開(kāi)挖前開(kāi)挖區(qū)和應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)巖體的彈性應(yīng)變能；U′2為開(kāi)挖后影響區(qū)巖體的彈性應(yīng)變能，如圖1所示.

圖1 開(kāi)挖引起的巖體應(yīng)力和應(yīng)變能變化示意圖Fig.1 A schematic of excavation－triggered changes in rock stress and elastic strain energy

以理想條件下深埋圓形隧洞全斷面分段微差爆破開(kāi)挖作為理論分析模型（圖2）.與某一圈炮孔起爆對(duì)應(yīng)的初始地應(yīng)力為前一圈炮孔起爆后形成的二次應(yīng)力.與隧洞分段微差起爆順序?qū)?yīng)的巖體任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，可采用厚壁圓筒受遠(yuǎn)場(chǎng)壓應(yīng)力的平面應(yīng)變模型計(jì)算：

式中，λ＝σH/σV，σH和σV分別為遠(yuǎn)場(chǎng)水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力；ηi＝ri－1/r，ri－1為第（i－1）段雷管起爆所形成的臨時(shí)空腔半徑，r為空腔周?chē)我稽c(diǎn)到洞室中心的距離；σri，σφi，τrφi和σzi分別為與第i段起爆對(duì)應(yīng)的徑向正應(yīng)力、切向正應(yīng)力、剪應(yīng)力和軸向應(yīng)力（下面統(tǒng)稱σi）；φ為極角.

處于三向高地應(yīng)力作用下的深部巖體可以集聚大量的彈性能，因開(kāi)挖釋放的能量往往大于巖體發(fā)生動(dòng)態(tài)破裂、滑移所需要的能量ΔG，二者之差稱為巖體破壞的彈性余能（趙陽(yáng)升等，2003）.大部分情況下這部分能量以動(dòng)能形式釋放，轉(zhuǎn)換為破碎巖體的拋射而發(fā)生巖爆，或轉(zhuǎn)換為周?chē)鷰r體的振動(dòng)而發(fā)生微地震.對(duì)于高地應(yīng)力條件下的深部巖體開(kāi)挖，動(dòng)力破壞彈性余能遠(yuǎn)大于淺部巖體，這部分以動(dòng)能形式釋放的能量是巖體工程設(shè)計(jì)與施工中必須考慮的重要因素.

當(dāng)采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量大部分用于破碎巖體和產(chǎn)生塑性變形，部分能量仍以動(dòng)能的形式釋放而產(chǎn)生爆炸地震波，與應(yīng)力卸載地震波耦合在一起.則式（5）應(yīng)改為

式中，Uexp為炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，K＜1.

圖2 分段微差爆破地應(yīng)力的確定Fig.2 Determination of the rock stress corresponding to millisecond delay blasting

2 地應(yīng)力瞬態(tài)釋放力學(xué)過(guò)程

2.1 地應(yīng)力釋放荷載邊界條件

在深埋隧洞鉆爆開(kāi)挖過(guò)程中，裂紋首先在炮孔連線方向優(yōu)先擴(kuò)展，相鄰炮孔在極短時(shí)間內(nèi)相互貫通、巖體碎塊拋離新形成的開(kāi)挖面，被開(kāi)挖巖體對(duì)保留巖體的法向約束荷載將瞬間消失，即完成開(kāi)挖面上初始地應(yīng)力（開(kāi)挖荷載）的瞬態(tài)釋放.根據(jù)開(kāi)挖邊界上的應(yīng)力連續(xù)條件，只有在裂紋貫穿、炮孔壓力Pb衰減至低于初始地應(yīng)力σi時(shí)，宏觀上的地應(yīng)力釋放在開(kāi)挖輪廓面上發(fā)生；當(dāng)炮孔壓力降至大氣壓時(shí)，完成地應(yīng)力的同步釋放（盧文波等，2011）.與爆炸荷載耦合作用下的地應(yīng)力瞬態(tài)釋放起止時(shí)刻與變化規(guī)律由開(kāi)挖面上地應(yīng)力大小和爆炸荷載變化過(guò)程確定，如圖3所示.圖中Pb0為爆炸荷載峰值，tr為爆炸荷載上升時(shí)間，td為爆炸荷載持續(xù)時(shí)間，ti為地應(yīng)力卸載開(kāi)始時(shí)刻.

圖3 爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)釋放過(guò)程曲線Fig．3 Curves of blasting load and transient release of in－situ stress versus time

2.2 地應(yīng)力釋放持續(xù)時(shí)間

對(duì)于常采用的孔底起爆方式，爆炸荷載變化過(guò)程分為以下3個(gè)部分：①首先炸藥從孔底起爆，爆轟波以爆速D在裝藥中傳播，在極短的時(shí)間內(nèi)孔內(nèi)平均爆炸荷載上升至最大值Pb0，同時(shí)在圍巖中激起應(yīng)力波；②受爆炸荷載作用，炮孔周?chē)鷰r體開(kāi)裂并在爆生氣體的驅(qū)動(dòng)下以速度Cf進(jìn)一步擴(kuò)展并最終全部貫通，裂縫周?chē)鷰r體發(fā)生局部的地應(yīng)力釋放；③高溫高壓的爆生氣體從炮孔間的貫通裂縫或堵塞物被沖出后的孔口高速逸出，產(chǎn)生一束以速度Cu1向孔底傳播的稀疏波，當(dāng)稀疏波傳播至孔底固壁端時(shí)反射稀疏波，并以速度Cu2向孔口傳播，導(dǎo)致炮孔壓力進(jìn)一步降低，多數(shù)情況下，當(dāng)反射的稀疏波到達(dá)孔口后，炮孔內(nèi)爆炸氣體壓力已衰減至大氣壓水平.上述過(guò)程，可用圖4所示的計(jì)算模型來(lái)表示.圖中L1和L2分別為炮孔的裝藥長(zhǎng)度和堵塞長(zhǎng)度；Ls為炮孔間距；CP為巖體縱波速度；vg為爆炸氣體逸出速度.

有關(guān)爆炸氣體壓力詳細(xì)的變化過(guò)程可以由炮孔空腔動(dòng)力膨脹、裂紋擴(kuò)展、堵塞物沖出及爆生氣體一維非定常流動(dòng)聯(lián)合計(jì)算得到（楊建華等，2010），荷載曲線如圖3所示.整個(gè)爆炸荷載持續(xù)時(shí)間為

圖4 爆炸荷載持續(xù)時(shí)間計(jì)算力學(xué)模型Fig.4 Mechanic model adopted to determine the process of blasting load

對(duì)于深埋隧洞全斷面爆破開(kāi)挖，一般采用鉆孔直徑為φ42mm、孔間距0.8—1.2 m、孔深1.5—5.0 m的淺孔爆破；采用爆速為3 500—4 500 m/s的2＃巖石硝銨炸藥或乳化炸藥.若巖體的初始地應(yīng)力為20—50 MPa，由式（7）—（8）可以估算此條件下地應(yīng)力釋放持續(xù)時(shí)間Δt＝2—5 ms.該估算值與巖石爆破現(xiàn)場(chǎng)高速攝影資料相符合（Preece et al，1993）.爆炸荷載脈沖的瞬時(shí)性決定了開(kāi)挖面上地應(yīng)力釋放是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的瞬態(tài)過(guò)程.巨大的彈性應(yīng)變能ΔK在數(shù)毫秒內(nèi)高速釋放，必將在周?chē)鷰r體中激發(fā)顯著的瞬態(tài)卸載地震波.

2.3 地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震

同時(shí)可以估算上述條件下因地應(yīng)力釋放引起的圍巖應(yīng)變率可達(dá)（10－1—101）/s量級(jí)（盧文波等，2008）.當(dāng)應(yīng)變率大于10－1/s時(shí)屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程，不能忽略慣性力的作用（周維垣，1989）.而以往研究往往將地應(yīng)力釋放作為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程來(lái)考慮，忽略了鉆爆開(kāi)挖過(guò)程中能量釋放的瞬時(shí)性及其引起的動(dòng)力響應(yīng).

圖5 地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震示意圖Fig.5 A schematic of triggered microseism by transient release of in－situ stress

可以用一個(gè)簡(jiǎn)單而形象的例子對(duì)爆破開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震的過(guò)程加以說(shuō)明：如圖5a所示的彈簧，在初始應(yīng)力σi作用下，產(chǎn)生一定量的位移，這相當(dāng)于地應(yīng)力作用下巖體的初始狀態(tài)（圖5b）；如果壓力σi緩慢釋放，彈簧只回彈到平衡位置（圖5c）；如果壓力σi瞬間突然釋放，則彈簧會(huì)因慣性回彈到平衡位置以下（圖5d），此后開(kāi)始在平衡位置上下振動(dòng).與緩慢釋放（準(zhǔn)靜態(tài)卸載）的效果相比，在卸載瞬間相當(dāng)于對(duì)處于平衡位置的彈簧突然施加了一個(gè)與σi等值的拉力.

在工程爆破領(lǐng)域，目前普遍采用質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度來(lái)表征爆破地震的強(qiáng)度.按照彈性卸載假定，每一段炮孔起爆過(guò)程中開(kāi)挖面上的地應(yīng)力瞬態(tài)釋放產(chǎn)生的卸載擾動(dòng)以彈性波速向外傳播，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與波陣面上應(yīng)力存在如下關(guān)系：

式中，v為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度；σ為波陣面上的應(yīng)力；ρ，CP分別為巖體的密度和彈性縱波速度.

設(shè)第i段雷管起爆時(shí)開(kāi)挖面上（r＝ri）的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度為v0，則v0＝σi/（ρCP），周?chē)鷰r體中任一點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度可表示為（Lu，Hustrulid，2003）

式中，K為與地質(zhì)條件和爆破參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；d為到荷載作用面的距離；α為振動(dòng)衰減系數(shù).

式（4）和式（10）說(shuō)明，在確定的遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力條件下，ri－1和ri的大小距離決定了巖體彈性應(yīng)變能釋放產(chǎn)生地震的強(qiáng)度，而這個(gè)因素與掌子面的炮孔布置和起爆網(wǎng)絡(luò)的連接有關(guān).綜合第1節(jié)分析，地應(yīng)力釋放激發(fā)地震除了受到巖體自身蓄能能力的影響外，還與巖體開(kāi)挖方式、開(kāi)挖面的大小密切相關(guān).

3 實(shí)測(cè)耦合振動(dòng)的識(shí)別分離

深部巖體爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的地震動(dòng)由爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)釋放耦合作用引起.要了解地應(yīng)力瞬態(tài)釋放的動(dòng)力響應(yīng)，有賴于對(duì)瞬態(tài)卸荷激發(fā)地震的有效識(shí)別與分離.

3.1 工程概況與微地震監(jiān)測(cè)

瀑布溝水電站地下洞室群由地下廠房、主變室、尾水閘門(mén)室、6條壓力管道和2條無(wú)壓尾水隧洞組成.主廠房斷面尺寸為26.80 m×66.68 m（寬×高），在主廠房下游平行布置主變室，主變室尺寸為18.30 m×25.58 m（寬×高）.地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)以構(gòu)造應(yīng)力為主的中等偏高地應(yīng)力場(chǎng).其中第一、第三主應(yīng)力方向接近水平，大小分別為27.3 MPa和11.8 MPa，第一主應(yīng)力與主廠房縱軸線有20°—30°的夾角；第二主應(yīng)力接近垂直，大小為23.3 MPa（薛孌鸞，陳勝宏，2006）.

圖6給出了主廠房第Ⅳ層開(kāi)挖過(guò)程中一次拉槽爆破的爆區(qū)概況和地震監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置情況，此時(shí)主變室第一層開(kāi)挖已經(jīng)完成.1?！?＃測(cè)點(diǎn)布置于主廠房爆區(qū)后沖向的巖臺(tái)上，9＃和10＃測(cè)點(diǎn)布置于與爆區(qū)正對(duì)的主變室邊墻上.爆破采用2＃巖石乳化炸藥，炮孔深8.5 m，孔徑90mm，采用直徑為60mm的藥卷連續(xù)裝藥，分8段起爆，雷管跳段使用，具體的爆破設(shè)計(jì)如圖7所示.為方便敘述，下面稱MS1，MS5，MS9，MS13段雷管為第一組，MS3，MS7，MS11，MS15段雷管為第二組.

圖6 爆破開(kāi)挖振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：m）Fig.6 Arrangement of vibration monitoring sites for blasting excavation（unit：m）

圖7 主廠房中部拉槽爆破設(shè)計(jì)圖（單位：m）Fig.7 Blasting design for the middle－cutting of main powerhouse excavation（unit：m）

3.2 圍巖微地震分析

根據(jù)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力分布，采用大型有限元數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS計(jì)算本次爆破前爆區(qū)的二次應(yīng)力分布.計(jì)算中采用Drucker－Prager本構(gòu)關(guān)系模擬巖體.其材料參數(shù)為：密度ρ＝2 610 kg/m3，彈性模量E＝20 000 MP，泊松比μ＝0.21，黏聚力c＝2.0 MPa，內(nèi)摩擦角θ＝54°.計(jì)算結(jié)果表明，在垂直于廠房縱軸線方向，第一組、第二組雷管起爆時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖邊界上的地應(yīng)力分別為16.6 MPa（靠近廠房縱軸線）和33.0 MPa（靠近保護(hù)層）；在平行于廠房縱軸線方向，兩組雷管對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖面上的地應(yīng)力分別為7.6 MPa和8.6 MPa.因此，各測(cè)點(diǎn)的水平徑向地震信號(hào)中應(yīng)同時(shí)包含爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)釋放這兩種激勵(lì)源所產(chǎn)生的振動(dòng).然而，在實(shí)際監(jiān)測(cè)到的圍巖微地震信號(hào)中，爆炸荷載和開(kāi)挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)釋放所產(chǎn)生的地震相互耦合、疊加在一起，在時(shí)域上并沒(méi)有明確的分界點(diǎn)，這給地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)地震的研究帶來(lái)了很大的不便.

3.3 地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震的識(shí)別

3.3.1 小波變換時(shí)能密度分析

小波變換時(shí)能密度分析方法有反映信號(hào)能量突變的特征，近年來(lái)一些研究者將其引入到爆破振動(dòng)非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)處理中來(lái)（凌同華等，2006）.實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)改變時(shí)能密度函數(shù)的積分上、下限，得到某頻率范圍內(nèi)信號(hào)的能量密度隨時(shí)間的分布特征.高地應(yīng)力條件下爆破施工時(shí)，如將某次爆破的圍巖振動(dòng)作為一個(gè)系統(tǒng)，爆炸荷載的沖擊作用和開(kāi)挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)釋放都是能量源，不同機(jī)理的能量輸入必將引起系統(tǒng)能量的突變.因此，可以根據(jù)時(shí)能密度圖中出現(xiàn)的突峰對(duì)開(kāi)挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震進(jìn)行識(shí)別.

本文選用目前在爆破地震信號(hào)分析中使用最多的db8小波基，取尺度下限為1，上限為125，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的爆破地震信號(hào)分段進(jìn)行分析.由于前4段振動(dòng)存在疊加，沒(méi)有明顯地分開(kāi)，因此僅對(duì)各測(cè)點(diǎn)的后4段信號(hào)進(jìn)行分析.因篇幅所限，這里僅給出6＃和10＃測(cè)點(diǎn)MS11段的時(shí)能密度分布曲線，如圖8所示.

圖8 實(shí)測(cè)微地震波形時(shí)能密度曲線（a）6＃測(cè)點(diǎn)；（b）10＃測(cè)點(diǎn)Fig.8 Variation of energy of monitored microseismic waves with time（a）No.6 measurement site；（b）No.10 measurement site

圖9 露天梯段爆破微地震波形時(shí)能密度曲線Fig.9 Temporal variation of microseismic wave energy in open－pit bench blasting

為了更加清晰地反映爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)釋放耦合作用激發(fā)微地震的時(shí)能密度曲線特征，圖9給出了一個(gè)巖性、鉆爆參數(shù)相近情況下露天梯段爆破時(shí)的時(shí)能密度曲線（李鵬等，2011）.可以看到，露天梯段爆破所選爆破段的時(shí)能密度曲線由3—4個(gè)較大突峰集中在一起組成一個(gè)突峰群，該突峰群對(duì)應(yīng)于爆炸荷載這一個(gè)激勵(lì)源.而高地應(yīng)力條件下梯段爆破所選爆破段的時(shí)能密度曲線突峰群分成明顯的兩個(gè)部分（圖8a，b，以不同線形表示），則這兩個(gè)突峰群對(duì)應(yīng)于兩個(gè)具有時(shí)間間隔的激勵(lì)源，分別為爆破荷載和后續(xù)的地應(yīng)力瞬態(tài)釋放.

3.3.2 幅值譜分析

本次爆破過(guò)程中，兩組雷管的爆破條件基本一致（只是爆心距略有不同，經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，離開(kāi)爆區(qū)30 m后爆心距的影響極?。?，僅在垂直于廠房縱軸線方向上存在地應(yīng)力大小的差異.因而對(duì)兩對(duì)應(yīng)段別雷管起爆時(shí)產(chǎn)生的徑向地震波進(jìn)行比較分析，有望對(duì)地應(yīng)力瞬態(tài)釋放引起的微地震作進(jìn)一步識(shí)別.

利用Matlab中的快速傅里葉變換工具箱函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)各段地震信號(hào)的幅值譜.圖10中只給出6＃和10＃測(cè)點(diǎn)MS9段、MS11段幅值譜對(duì)比分析圖，詳細(xì)的幅值譜峰值列于表1中.可以看到，各段振動(dòng)均具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)頻率，且優(yōu)勢(shì)頻率的分界點(diǎn)無(wú)一例外地在85Hz左右.這說(shuō)明不同頻率的振動(dòng)不是由雷管誤差等一些偶然因素產(chǎn)生，而是分別由爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)釋放這兩個(gè)必然的激勵(lì)源所引起的.

圖10 各對(duì)比段別微地震信號(hào)幅值譜比較（a）6＃測(cè)點(diǎn)；（b）10＃測(cè)點(diǎn)Fig.10 Comparison of amplitude spectra of monitored microseismic signals between contrastive delays（a）No.6 measurement site；（b）No.10 measurement site

表1 各對(duì)比段別微地震信號(hào)幅值譜峰值Table 1 Peak amplitude spectrum of monitored microseismic signals between contrastive delays

6＃和7＃測(cè)點(diǎn)的水平徑向振動(dòng)平行于廠房縱軸線.在這個(gè)方向上，兩段雷管起爆時(shí)對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力基本一致，僅相差11.6%；9＃和10＃測(cè)點(diǎn)水平徑向振動(dòng)垂直于廠房縱軸線，此方向上兩段雷管起爆時(shí)對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力相差49.7%.由表1可以看到，在0—85Hz低頻范圍內(nèi)，6＃和7＃測(cè)點(diǎn)對(duì)比段別的幅值譜峰值差別較小，相差約9.2%（平均值）；而9＃和10＃測(cè)點(diǎn)幅值譜峰值差別較大，可達(dá)42.9%（平均值）.由于第一組的開(kāi)挖荷載小于第二組，各測(cè)點(diǎn)各對(duì)比段別的幅值譜峰值的差值只有負(fù)值.以上分析表明，0—85Hz范圍內(nèi)幅值譜峰值與開(kāi)挖面上的地應(yīng)力有較好的相關(guān)性.結(jié)合式（10）可以認(rèn)為，地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震頻率主要分布在0—85Hz范圍內(nèi).在85—400Hz高頻范圍內(nèi)，幅值譜峰值的差值出現(xiàn)了正值，這是由于兩組炮孔個(gè)數(shù)不同，裝藥量大的段別引起的振動(dòng)幅值較大.裝藥量的不同只影響了高頻范圍的振動(dòng)；就其絕對(duì)值的平均值而言，幅值譜峰值的差值與因炮孔個(gè)數(shù)差異引起的爆炸荷載差值也基本一致.

以上分析表明，耦合地震信號(hào)中的低頻振動(dòng)成分主要由地應(yīng)力瞬態(tài)釋放引起，而高頻成分則主要由爆炸荷載引起.這在理論上也容易得到解釋，由于爆炸荷載上升時(shí)間短，荷載變化梯度大，而地應(yīng)力瞬態(tài)卸載時(shí)間稍長(zhǎng)，因而地應(yīng)力瞬態(tài)釋放產(chǎn)生的圍巖地震含有較多的低頻能量.由于工程結(jié)構(gòu)的自振頻率一般較低，因此這種效應(yīng)不利于地下工程中構(gòu)筑物的安全.

3.4 耦合微地震的分離及數(shù)值模擬驗(yàn)證

每一段振動(dòng)均是由爆炸荷載與后續(xù)的地應(yīng)力瞬態(tài)釋放所產(chǎn)生的振動(dòng)在時(shí)域上疊加而成.根據(jù)上述分析，采用數(shù)字信號(hào)處理的FIR低通濾波器從實(shí)測(cè)微地震信號(hào)中分離出低頻信號(hào)，便可以近似地得到地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的地震波曲線，采用原始信號(hào)減去瞬態(tài)卸荷地震波曲線便可以得到爆炸荷載地震波曲線.

為驗(yàn)證分離結(jié)果的可靠性，采用動(dòng)力有限元ANSYS/LS－DYNA模擬了爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)釋放引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度.計(jì)算中采用等效的數(shù)值模擬方法，將爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)釋放過(guò)程作用在同段炮孔中心連線與炮孔軸線所確定的面上（盧文波等，2011）.開(kāi)挖面上的等效爆炸荷載Pe＝12.2 MPa；取爆炸荷載上升時(shí)間tr＝1.5 ms、正壓作用時(shí)間td＝8.0 ms，地應(yīng)力瞬態(tài)釋放持續(xù)時(shí)間Δt＝4.0 ms.荷載曲線如圖3所示.

圖11 分離的微地震波曲線與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比（a）6＃測(cè)點(diǎn)；（b）10＃測(cè)點(diǎn)Fig.11 Comparison between separated and simulated microseismic waves（a）No.6 measurement site；（b）No.10 measurement site

圖11給出了MS11段起爆時(shí)10＃點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和分離曲線與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比情況.圖中“TRIS”表示地應(yīng)力瞬態(tài)釋放，“BL”表示爆炸荷載，“CO”表示二者耦合作用.可以看到，地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微震量級(jí)與爆炸荷載所引起的圍巖振動(dòng)大小具有可比性.特別是在垂直于廠房縱軸線方向上，由于開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中，地應(yīng)力瞬態(tài)釋放引起的地震超過(guò)了爆炸荷載而在耦合振動(dòng)中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位.分離的地震波曲線與數(shù)值模擬較好地吻合，表明前文的分析是可靠的.

由于受到監(jiān)測(cè)儀器的漂移誤差、測(cè)點(diǎn)部位局部巖體松動(dòng)等多因素影響，同時(shí)分離得到的地應(yīng)力瞬態(tài)釋放地震波曲線中仍然包含了爆炸荷載激發(fā)地震的部分低頻成分，在地震波形的尾部分離數(shù)據(jù)與模擬值相差較大.

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析和討論，得到以下主要結(jié)論：

1）伴隨著爆破破巖新自由面形成而發(fā)生的巖體彈性應(yīng)變能釋放屬于瞬態(tài)過(guò)程，深部巖體開(kāi)挖過(guò)程中巨大的動(dòng)力破壞彈性余能以動(dòng)能形式瞬間釋放會(huì)激發(fā)顯著的圍巖微地震.

2）高地應(yīng)力條件下，爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的微地震由爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)釋放耦合作用引起.地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的振動(dòng)可能成為圍巖微地震的主要組成部分，這主要依賴于巖體自身的蓄能能力、巖體開(kāi)挖方式及開(kāi)挖面的大小.

3）深埋洞室爆破開(kāi)挖過(guò)程中，實(shí)測(cè)耦合地震信號(hào)的低頻成分主要由地應(yīng)力瞬態(tài)釋放引起，而高頻成分則主要由爆炸荷載引起.由于工程結(jié)構(gòu)的自振頻率一般較低，地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震會(huì)加劇對(duì)地下構(gòu)筑物的危害.

以上分析對(duì)工程開(kāi)挖引發(fā)微地震的成因機(jī)制認(rèn)識(shí)帶來(lái)了新的啟示，但本文只對(duì)地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震進(jìn)行了初步的識(shí)別分離，未細(xì)致考慮其它因素對(duì)分離結(jié)果的具體影響.為此，根據(jù)地應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)的微地震來(lái)判斷地下工程二次地應(yīng)力場(chǎng)分布，尚需進(jìn)一步研究.

陳培善.1981.分析地震波估算地殼內(nèi)的應(yīng)力值［J］.地震學(xué)報(bào)，3（3）：251－－263.

和雪松，李世愚，潘科，張?zhí)熘?，王林瑛，許忠淮，蔣秀琴，宋緒友，陸其鵠，何淑韻.2007.礦山地震與瓦斯突出的相關(guān)性及其在震源物理研究中的意義［J］.地震學(xué)報(bào)，29（3）：314－－327.

李鵬，盧文波，陳明，舒大強(qiáng).2011.高地應(yīng)力環(huán)境下梯段爆破誘發(fā)振動(dòng)特征的試驗(yàn)研究［J］.工程爆破，17（1）：1－－7.

李正剛.2004.二灘水電站地下廠房系統(tǒng)洞室圍巖變形研究［J］.四川水力發(fā)電，23（1）：43－－47.

凌同華，李夕兵，戴塔根，彭振斌.2006.基于小波變換的時(shí)－能密度法優(yōu)選微差延期時(shí)間［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，28（2）：36－－39.

盧文波，周創(chuàng)兵，陳明，金李，嚴(yán)鵬.2008.開(kāi)挖卸荷的瞬態(tài)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，27（11）：2184－－2192.

盧文波，楊建華，陳明，周創(chuàng)兵.2011.深埋隧洞巖體開(kāi)挖瞬態(tài)卸荷機(jī)制及等效數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，30（6）：1089－－1096.

唐春安，傅宇方，趙文.1997.震源孕育模式的數(shù)值模擬研究［J］.地震學(xué)報(bào)，19（4）：337－－346.

唐廷，王明洋，葛濤.2007.地下爆炸的地表運(yùn)動(dòng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，26（增刊1）：3528－－3532.

徐則民，黃潤(rùn)秋，羅杏春，李睿，孫靜怡.2003.靜荷載理論在巖爆研究中的局限性及巖爆巖石動(dòng)力學(xué)機(jī)理的初步分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，22（8）：1255－－1262.

薛孌鸞，陳勝宏.2006.瀑布溝工程地下廠房區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的二次計(jì)算研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，25（9）：1881－－1886.

楊建華，盧文波，陳明.2010.炮孔爆炸荷載變化歷程的確定［C］∥第二屆全國(guó)工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議.北京：773－－777.

張?zhí)炖?，楊文東，張永剛.2011.應(yīng)用震源機(jī)制方法研究鶴崗煤田開(kāi)采區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境［J］.地震工程與工程振動(dòng)，31（1）：174－－177.

張志呈，肖正學(xué)，胡健，李春曉，張渝疆.2005.巖體爆震傳播時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的波導(dǎo)效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.化工礦物與加工，34（7）：21－－24.

趙陽(yáng)升，馮增朝，萬(wàn)志軍.2003.巖體動(dòng)力破壞的最小能量原理［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，22（11）：1781－－1783.

周維垣.1989.高等巖石力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社：219－－220.

Abuov M G，Aitaliev S M，Ermekov T M，Zhanbyrbaev N B，Kayupov M A.1989.Studies of the effect of dynamic processes during explosive break－out upon the roof of mining excavations［J］.Soviet Min Sci，24（6）：581－－590.

Bykovtsev A S，Kramarovskii D B.1994.Evaluation of the seismic effect of an underground explosion［J］.J Appl Mech Tech Phys，35（6）：809－－816.

Cai M.2008.Influence of stress path on tunnel excavation response：Numerical tool selection and modeling strategy［J］.Tunn Undergr Sp Tech，23（6）：618－－628.

Carter J P，Booker J R.1990.Sudden excavation of a long circular tunnel in elastic ground［J］.Int J Rock Mech Min Sci＆Geomech Abstr，27（2）：129－－132.

Cook M A，Cook U D，Clay R B.1966.Behavior of rock during blasting［J］.Trans Soc Min Engrs，1：17－－25.

Ge M C.2005.Efficient mine microseismic monitoring［J］.Int J Coal Geol，64（1/2）：44－－56.

Kharin D A，Kuz′mina N V，Danilova T I.1966.Characteristics of the seismic effect of underground explosions［J］.Combustion，Explosion，and Shock Waves，2（4）：69－－77.

Lu W B，Hustrulid W.2003.The Lu－Hustrulid approach for calculating the peak particle velocity caused by blasting［C］∥Proceedings of the 2nd World Conference on Explosive and Blasting Technique.Praque，Czech：486－－488.

Mccreary R，Mcgaughey J，Potvin Y，Ecobichon D，Hudyma M，Kanduth H，Coulombe A.1992.Results from microseismic monitoring，conventional instrumentation，and tomography surveys in the creation and thinning of a burstprone sill pillar［J］.Pure Appl Geophys，139（3/4）：349－－373.

Preece D S，Evans R，Richards A B.1993.Coupled explosive gas flow and rock motion modeling with comparison to bench blast field data［C］∥Proceedings of the 4th International Symposium on Rock Fragmentation by Blasting.Vienna，Austria：239－－246.

Solecki R，Conant R J.2003.Advanced Mechanics of Materials［M］.London：Oxford University Press：137－－140.

Mechanism and identification of triggered microseism by transient release of in－situ stress in deep rock mass

Yang Jianhua1，2）Lu Wenbo1，2），Chen Ming1，2）Yan Peng1，2）Zhou Chuangbing1，2）
1）State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China
2）Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structure of Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China

10.3969/j.issn.0253－3782.2012.05.001

P315.3

A

國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目（51125037）、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展規(guī)劃計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2010CB732003）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179138）和武漢大學(xué)博士研究生學(xué)術(shù)新人提名獎(jiǎng)項(xiàng)目（T2011206009）共同資助.

2011－08－08收到初稿，2012－03－01決定采用修改稿.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2021.P.20120830.1420.005.html

楊建華，盧文波，陳明，嚴(yán)鵬，周創(chuàng)兵.2012.深部巖體應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震機(jī)制與識(shí)別.地震學(xué)報(bào)，34（5）：581－－592.

Yang Jianhua，Lu Wenbo，Chen Ming，Yan Peng，Zhou Chuangbing.2012.Mechanism and identification of triggered microseism by transient release of in－situ stress in deep rock mass.Acta Seismologica Sinica，34（5）：581－－592.