硬巖開采誘發(fā)微地震信號頻率特征分析

張曉樸，張 勇，許 前，蔣治超，張?jiān)?/p>

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.北京北礦智能科技有限公司，北京 102628；3.金屬礦山智能開采級數(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；4.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442)

礦山開采導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力失去平衡再到逐漸形成新的平衡，區(qū)域應(yīng)力重新分布過程中會誘發(fā)某些區(qū)域的巖體壓應(yīng)力或剪應(yīng)力增大，使其巖體內(nèi)部微裂隙被壓裂或擴(kuò)展或閉合。隨著裂紋增加一定的尺寸，當(dāng)巖體受到的荷載強(qiáng)度大于其承受的強(qiáng)度時(shí)，巖體就會發(fā)生大范圍裂隙貫通形成巖體破裂、滑動，至達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，該過程產(chǎn)生地震波呈球形向四周傳播。由此可知，誘發(fā)的微震活動與地震類似，都是以熱、巖體的破裂及產(chǎn)生的地震波形式釋放能量[1]。微地震活動產(chǎn)生的熱和巖體的破裂不易被探測，傳播的微地震波則被事先埋設(shè)的傳感器監(jiān)測到，通對微地震波信號的分析，獲知巖體從破裂處到被感知過程中豐富的信息，從而可以很好地了解巖體內(nèi)部狀態(tài)，不但可以提高微地震反演分析的準(zhǔn)確度，同時(shí)增加對采礦活動產(chǎn)生危險(xiǎn)的預(yù)判能力。目前對地震波信號中包含的相關(guān)信息進(jìn)行了許多研究。李洪濤等[2-3]對爆破誘發(fā)的振動信號進(jìn)行分析，研究了爆破地震波不同頻道能量的分布。蔡峰等[4]對爆破地震波能量進(jìn)行分析，獲取了最佳的爆破增透半徑、增透效果及能量最強(qiáng)的頻段。方兵等[5]通過分析影響信號的震源破裂尺度、傳播介質(zhì)及儀器相應(yīng)頻帶等三要素，獲取了信號頻率與傳播距離的定性關(guān)系及主頻與介質(zhì)的關(guān)系。李智敏等[6]對微地震脈沖段的頻率特征分析，獲取了頻率的衰減趨勢及頻率與振幅的關(guān)系。陸菜平等[7]采用時(shí)頻分析方法，從頻譜獲取了對微震信號的辨識，得出了煤巖體發(fā)生沖擊前的微震信號頻段。曹安業(yè)等[8]通過對煤柱高應(yīng)力誘發(fā)微地震信號進(jìn)行分析，推動了煤礦沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報(bào)工作。付曉強(qiáng)等[9]對爆破振動信號進(jìn)行精細(xì)化提取，獲取了能量的主要分布區(qū)域。

本文依托某硬巖金屬礦山，利用微震監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程安全監(jiān)測為背景，采用頻譜分析法，對開采過程誘發(fā)產(chǎn)生微地震活動的振動信號進(jìn)行了分析，獲取了距微地震震源不同距離的振動信號的能量集中頻段及不同頻段能量分布隨距離變化的特征，提高了硬巖開采條件下誘發(fā)微地震的識別能力，同時(shí)也為微地震震源反演計(jì)算提供了濾波參考依據(jù)。

1 頻譜分析法

礦山開采誘發(fā)的微地震活動產(chǎn)生的振動信號是非周期和非穩(wěn)態(tài)信號，是持續(xù)過程非常短暫且突然的能量有限信號。根據(jù)監(jiān)測的微地震波形信號獲知巖體內(nèi)部變化狀態(tài)，即需要對獲取的時(shí)間域波形信號進(jìn)行處理和分析[10-13]。目前常用的分析方法有傅里葉變換、小波變換、短時(shí)傅里葉變換及希爾伯特-黃變換等方法，都可以使微地震信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)換到頻域。除傅里葉變換方法，其他三種方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也保留了時(shí)間域的信息，即知道不同頻率發(fā)生的時(shí)間，它們是主要的時(shí)頻分析方法。本文目的是獲取微地震信號的能量集中頻帶及不同頻段能量分布隨距離變化的特征，對頻率發(fā)生時(shí)刻沒有特別要求，另外上述三種時(shí)頻分析技術(shù)也分別存在對小波基選擇、窗函數(shù)長度確定及端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊現(xiàn)象消除等問題，使得實(shí)現(xiàn)集成到系統(tǒng)中存在困難，為此選擇傅里葉變換方法。

借鑒周期信號采用傅里葉級數(shù)進(jìn)行頻譜分析的方法，非周期的微地震信號看成一個(gè)周期趨向無窮大的周期振動，采用傅里葉積分法對微地震信號進(jìn)行頻譜分析，實(shí)現(xiàn)微地震信號時(shí)間域到頻率域的變換。傅里葉積分的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

式中：X(ω)—角頻率ω的復(fù)變函數(shù)，x(t)—連續(xù)的非周期振動信號，e-jwt—傅里葉變換的基函數(shù)。由式(1)可知，任何時(shí)間信號的突變都會影響到整個(gè)函數(shù)頻率域上。本文采用快速傅里葉變換分析方法實(shí)現(xiàn)對微地震采集信號的頻譜分析，獲取信號在頻率域的幅頻曲線。非周期微地震信號的傅里葉頻譜是其譜密度函數(shù)，是單位頻率上的振動量大小，再對獲取的頻譜進(jìn)行平方即可得到微地震信號的能量譜，即能量譜密度，它表征了一定頻率分量的能量的相對大小?？梢岳盟鼘ξ⒌卣鹦盘栐诟鱾€(gè)頻帶范圍內(nèi)的能量分布進(jìn)行分析。為此根據(jù)頻譜分析獲取的離散化頻率值及對應(yīng)的能量譜密度值，采用如下公式(2)，從而得到指定頻帶范圍內(nèi)不同頻段能量占微地震輻射總能量的百分比。

(2)

式中：Ef—指定頻帶范圍內(nèi)能量百分比，%；f1、f2—指定頻帶范圍的起始和終止；∑E(fi)—對應(yīng)所有頻率的能量總和，J。

2 工程概況

某金屬礦山礦體賦存在主斷裂面以下35 m范圍內(nèi)黃鐵絹英巖化碎裂巖帶中，礦體傾斜且有節(jié)理裂隙發(fā)育。主斷裂面處有10 cm左右斷層泥，靠近斷層處的巖石十分破碎，揭露后極易垮落。開采方法采用點(diǎn)柱式向上分層嗣后充填法，采場沿走向布置，采場寬為礦體寬，中段高度為40 m。采場頂板的巖石屬堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬巖石，穩(wěn)固性較好，在靠近主斷裂附近處頂板強(qiáng)度有所降低，特別是斷層泥及其上下部分巖石強(qiáng)度較低，穩(wěn)固性較差。采場底板巖石強(qiáng)度高，屬堅(jiān)硬巖石，巖石中小結(jié)構(gòu)面和裂隙均不發(fā)育，穩(wěn)定性良好。總體上礦巖硬度系數(shù)f為6～14，在靠近主斷裂面的礦巖硬度系數(shù)f為4～6。由于向上分層開采過程中，越靠近主斷裂面，礦巖穩(wěn)固性越差，上盤圍巖極不穩(wěn)固，開采暴露后即上盤巖體有冒落風(fēng)險(xiǎn)，造成較大貧化與損失，不利于礦床的開采。另外，點(diǎn)柱開采過程中礦柱受的應(yīng)力隨著頂板暴露面積和時(shí)間增加而存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。為加強(qiáng)生產(chǎn)過程中失穩(wěn)的安全管理和風(fēng)險(xiǎn)識別，在主要生產(chǎn)區(qū)域的兩個(gè)中段布置了12個(gè)微震監(jiān)測傳感器，對區(qū)域開采過程進(jìn)行安全監(jiān)測。

選取監(jiān)測過程中2個(gè)微震事件，針對事件中參與定位計(jì)算的有效傳感器的波形數(shù)據(jù)展開分析，研究微地震波傳播過程中信號頻率隨波傳播距離的變化，定量分析微地震波在硬巖條件下頻率隨距離的變化特征。表1是兩個(gè)微地震事件有效傳感器的基本情況。圖1、圖2是生產(chǎn)區(qū)域布置的12個(gè)位置傳感器及選取的2個(gè)微地震事件位置的俯視圖和側(cè)視圖。圖3、圖4分別是兩個(gè)微地震事件8、10個(gè)有效傳感器獲取的波形圖。

表1 微地震事件的有效傳感器

圖1 傳感器位置及事件俯視圖Fig.1 Sensor position and event top view

圖2 傳感器位置及事件側(cè)視圖Fig.2 Sensor position and event side view

圖3 事件Event 01有效傳感器波形圖Fig.3 Waveform of effective sensor for Event 01

圖4 事件Event 02有效傳感器波形圖Fig.4 Waveform of effective sensor for Event 02

3 能量分析

根據(jù)傅里葉變換法，對上述2個(gè)事件共18個(gè)微地震波形信號進(jìn)行頻譜分析。微地震波形信號的采樣頻率為6 000 Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，微地震頻譜分析的截止頻率為采樣頻率的一半，即3 000 Hz。為此把頻率域的頻譜設(shè)置在0～3 000 Hz，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、90～100、100～150、150～200、200～250、250～300、300～400、400～500、500～3 000 Hz的頻率區(qū)間劃分為16階段(分別用1～16表示)。同時(shí)根據(jù)上述公式(2)計(jì)算每個(gè)頻率區(qū)間的能量在總能量中的比值。表2、表3分別是Event 01、Event 02不同頻率區(qū)間能量分布計(jì)算結(jié)果，表中P/D是有效傳感器編號和該傳感器距微地震源的距離。圖5、圖6分別是Event 01、Event 02事件16個(gè)頻率區(qū)間能量的分布曲線圖，每個(gè)事件圖中圖例是按照傳感器據(jù)微地震源的距離進(jìn)行標(biāo)注。

通過對Event 01、Event 02兩個(gè)微震事件各自有效傳感器獲取的微地震波信號的頻譜分析，由表2、表3和圖5、圖6可知：

表2 Event 01 各波形不同頻段能量分布

表3 Event 02 各波形不同頻段能量分布

圖5 事件Event 01不同頻段能量分布曲線圖Fig.5 Energy distribution curves of different frequency bands for Event 01

圖6 事件Event 02不同頻段能量分布曲線圖Fig.6 Energy distribution curves of different frequency bands for Event 02

1)隨著微地震波傳播距離的增加，受巖體阻抗作用，微地震輻射能量逐漸衰減。表現(xiàn)為微地震波高頻諧波分量逐漸衰減被完全吸收，低頻諧波分量相比高頻諧波分量衰減慢，以至于總體輻射能量表現(xiàn)為逐漸向低頻段集中。

2)不同位置傳感器微地震信號的各頻段能量分布比例均不同，能量分布比例與傳感器距離震源位置有很大的關(guān)系。從事件Event 01、Event 02能量分布可知，大部分有效傳感器獲取的輻射能量的90%都集中在0～500 Hz，但也存在500～3 000 Hz頻段的能量達(dá)17%以上。

3)從事件Event 01、Event 02各頻段能量分布可知，隨著微地震波傳播距離的增加，其輻射能量比重逐漸向低頻段增加，高頻段能量比重逐漸減少。在微地震波傳播的200 m范圍內(nèi)，0～100 Hz內(nèi)頻段能量比重相對100～200 Hz頻段小，尤其在100 m范圍內(nèi)該特征更加明顯。隨著波傳播距離的增加，在200 m范圍以外，100 Hz以上的各頻段區(qū)間的能量分布比重都顯著的下降，尤其是100～200 Hz的能量分布比重大幅下降。同時(shí)0～100 Hz，尤其是0～50 Hz的各頻段區(qū)間的能量分布比重都有顯著的增加。但不同低頻段區(qū)間，能量分布比重是有不同，在200～500 m左右，20～30、30～40兩個(gè)頻段區(qū)間的能量占比分布相對非常穩(wěn)定。500 m以上，能量占比在0～20 Hz內(nèi)顯著增加，尤其是0～10 Hz內(nèi)。目前該區(qū)間的樣本數(shù)據(jù)較少，還需增加，才能更加說明能量占比在0～20 Hz內(nèi)的分布情況。

4)從事件Event 01、Event 02各頻段能量分布可知，該硬巖條件下，同一事件距微地震震源的不同位置，能量比重較大頻段是變化的，主頻段是個(gè)相對變化區(qū)間。

4 結(jié)論

1)隨著微地震波傳播距離的增加，微地震波高頻諧波分量逐漸衰減被完全吸收，低頻諧波分量相比高頻諧波分量衰減慢，以至于總體輻射能量表現(xiàn)為逐漸向低頻區(qū)間集中。

2)通過分析硬巖體誘發(fā)微地震信號的能量分布情況，發(fā)現(xiàn)低頻區(qū)間(50 Hz以下)能量比重隨微地震波傳播過程呈增加的趨勢，中高頻區(qū)間(100 Hz以上)能量比重隨著傳播距離增加呈減小的趨勢。

3)微地震波傳播距離在200 m范圍內(nèi)時(shí)，能量比重高的頻率區(qū)間基本在100～200 Hz內(nèi)。當(dāng)傳播距離在200～500 m時(shí)，能量比重高的頻率區(qū)間基本在20～40 Hz，且能量比重變化不大。

4)巖體是天然的濾波器，隨著波傳播距離不同，微地震波主頻段區(qū)間也相對變化。為此，當(dāng)利用不同位置傳感器獲取的波形信號進(jìn)行震源機(jī)制計(jì)算時(shí)，需要考慮不同位置主頻段區(qū)間，以更好利用優(yōu)勢頻率段進(jìn)行反演。