鶴崗礦震臺網(wǎng)背景噪聲分析

姜博 趙 誼 歐陽兆國 胡寶慧 常金龍

1）中國黑龍江154101 鶴崗地震臺

2）中國哈爾濱150090 黑龍江省地震局

0 引言

礦震是由采礦引起地殼淺部巖體失穩(wěn)而誘發(fā)的礦山震動(dòng)，是伴隨礦山開采始終的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害。礦震與天然地震相比，震源較淺，更接近地表。天然地震和礦震都可以引發(fā)各種瓦斯災(zāi)害。統(tǒng)計(jì)資料顯示，國內(nèi)外有很多“先震后災(zāi)”的事例，即在發(fā)生礦震后的數(shù)分鐘至數(shù)日之后發(fā)生煤與瓦斯突出、煤礦突水等煤礦災(zāi)害，其中，煤與瓦斯突出事故占大多數(shù)（孟上九等，2020）。

近年來，由于受煤礦的開采強(qiáng)度、開采方式及地下采空面積、深度增加等因素的影響，礦震的規(guī)模和強(qiáng)度呈明顯上升趨勢。本文通過對4 個(gè)礦震測點(diǎn)進(jìn)行背景噪聲計(jì)算，分析了礦震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)。對于臺址勘選、評估臺站觀測環(huán)境變遷、評估臺站記錄質(zhì)量等工作，臺基噪聲資料都是較重要的依據(jù)（王學(xué)成等，2009），相關(guān)研究可為有關(guān)鶴崗地區(qū)的礦震研究提供參考。

1 礦震臺網(wǎng)介紹

鶴崗是一座因煤而立、由煤而興的城市。煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42 km，東西走向6 km，面積252 km2。自民國時(shí)期開始開采，有將近百年的開采史。煤炭開采帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也對環(huán)境產(chǎn)生了影響，這其中最具破壞力的為煤礦瓦斯爆炸（張永剛等，2018）。

近年來，隨著黑龍江省龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)公司在鶴崗礦區(qū)各煤礦逐步進(jìn)人深部開采，礦震等煤巖動(dòng)力災(zāi)害在峻德、南山等煤礦陸續(xù)顯現(xiàn)，對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅?，F(xiàn)今對礦震孕育過程了解較少，礦震震級雖不大，但有破壞性，直接危及煤礦的安全生產(chǎn)，給煤礦的深部開采帶來很大困難。礦震研究對于保障采煤工人生命安全及煤炭工業(yè)發(fā)展有著較重要的現(xiàn)實(shí)意義（張萍等，2001）。為確保礦工的生命安全和礦井的高效安全開采，黑龍江省地震局與鶴崗市礦務(wù)局合作，針對礦震進(jìn)行觀測研究，于2017 年在鶴崗市周邊建設(shè)礦震觀測臺網(wǎng)（圖1），該臺網(wǎng)包括4 個(gè)測點(diǎn)（礦務(wù)局、鳥山礦、救援隊(duì)、大陸礦），2018 年開始進(jìn)行測試觀測，礦震臺網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，積累了大量礦震數(shù)據(jù)。

圖1 鶴崗礦震臺網(wǎng)測點(diǎn)位置Fig.1 Map of Hegang Mine Seismic Network

2 數(shù)據(jù)分析原理

臺基噪聲測試中通常利用臺站記錄的噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算自功率譜密度，并按特定帶寬計(jì)算噪聲（速度或加速度）有效值RMS（萬永革，2012）。噪聲功率譜密度計(jì)算公式為

其中，f為頻率；τ為時(shí)間；Rχ(τ)為噪聲記錄x(t)的自相關(guān)函數(shù)；Sχ(f)為噪聲記錄自相關(guān)函數(shù)Rχ(τ)的傅里葉變換，可被看成噪聲記錄信號x(t)的平均功率相對頻率的分布函數(shù)。臺基噪聲RMS 值計(jì)算公式為

式中，P為加速度或速度功率譜密度；f0為分度倍程中心頻率；RBW 為相對帶寬。RBW 計(jì)算公式為

式中，fu為相對帶寬的上限頻率；fι為相對帶寬的下限頻率；n、m分別為二進(jìn)制、十進(jìn)制倍頻程分度值。值得注意的是，按式（3）計(jì)算所得的是帶寬為[fu，fι]的RMS 值，不是全帶寬RMS 值。

臺站觀測動(dòng)態(tài)范圍，反映了觀測儀器本身的性能和臺基環(huán)境干擾背景水平；有效觀測動(dòng)態(tài)范圍則反映記錄地震信號的最大能力（何彥等，2006），其計(jì)算公式為

式中，D為有效觀測動(dòng)態(tài)范圍；RMS 值為脈動(dòng)噪聲的均方根值；U為輸入峰值電壓（單位為V）；K為數(shù)據(jù)采集器實(shí)際工作時(shí)的增益；S為地震計(jì)工作靈敏度（單位為V·s/m） ；為儀器有效因子。研究中使用了童汪練研制開發(fā)的基于PWelch 方法的軟件來計(jì)算數(shù)字地震計(jì)地動(dòng)噪聲功率譜密度。

3 礦震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)分析

3.1 功率譜密度

鶴崗礦震臺網(wǎng)觀測使用的儀器為BBVS-120 型寬頻帶地震計(jì)及REFTEK-130 s 型數(shù)據(jù)采集器，地震計(jì)頻帶寬度為50 Hz—120 s，地震計(jì)動(dòng)態(tài)范圍大于140 dB。通過計(jì)算確定各分向平均RMS 值、動(dòng)態(tài)觀測范圍及平均地動(dòng)噪聲。研究中4 個(gè)臺站記錄數(shù)據(jù)時(shí)段詳見表1。

表1 鶴崗礦震臺網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)時(shí)段Table 1 List of stations of mine seismic network

鶴崗礦震臺網(wǎng)包括4個(gè)測點(diǎn)，其中，救援隊(duì)（JYD）測點(diǎn)建在鶴崗礦山救援隊(duì)院內(nèi)西南角，臺基為混凝土墩，與基巖一體；大陸礦（DLK）測點(diǎn)與鶴崗煤礦辦公樓相鄰，臺基為混凝土墩；礦務(wù)局（KWJ）測點(diǎn)位于礦務(wù)局辦公樓南側(cè)，臺基為混泥土墩；鳥山礦（NSK）測點(diǎn)位于礦場院外，臺基為混泥土墩。圖2 為4 個(gè)測點(diǎn)2021 年5 月2 日、4 日00 點(diǎn)和2021 年5 月8 日、10 日12 點(diǎn)的地脈動(dòng)噪聲波形。由圖2 可見：①大陸礦、救援隊(duì)測點(diǎn)在夜間平靜時(shí)段受到的高頻干擾較多，受大風(fēng)、降雨等自然環(huán)境的影響較大。由于測點(diǎn)周邊為住宅區(qū)，白天受車輛和人為活動(dòng)的影響較大；②礦務(wù)局、鳥山礦測點(diǎn)在白天嘈雜時(shí)段背景噪聲較大，由于測點(diǎn)處于工廠內(nèi)，受車輛行駛、機(jī)器振動(dòng)等人為活動(dòng)干擾較大。

圖2 大陸礦測點(diǎn)（a）、礦務(wù)局測點(diǎn)（b）、救援隊(duì)測點(diǎn)（c）、鳥山礦測點(diǎn)（d）地脈動(dòng)噪聲波形Fig.2 Microseisms at different stations

圖3 為4 個(gè)測點(diǎn)三分向臺基噪聲功率譜密度。由圖3 可見：①4 個(gè)測點(diǎn)的功率譜密度曲線均介于NLNM 和NHNM 之間，說明礦震臺網(wǎng)整體背景噪聲較小，觀測狀態(tài)良好，觀測一致性較好；②4 個(gè)測點(diǎn)在0.01—0.10 Hz 頻率區(qū)間內(nèi)觀測狀態(tài)最好，說明儀器對低頻振動(dòng)記錄較好，大陸礦、鳥山礦測點(diǎn)三分向觀測曲線一致性較好，記錄到的低頻振動(dòng)更多；③礦務(wù)局、救援隊(duì)測點(diǎn)在1—100 Hz 頻率區(qū)間內(nèi)對高頻振動(dòng)記錄較好，由于2 個(gè)測點(diǎn)都在市區(qū)內(nèi)，低頻干擾較多，所以對遠(yuǎn)距離的礦震記錄較好；④影響礦震臺網(wǎng)觀測質(zhì)量的主要因素為環(huán)境因素。

圖3 4 個(gè)測點(diǎn)臺基噪聲功率譜密度（a）2021 年5 月2 日0 時(shí)大陸礦測點(diǎn)；（b）2021 年5 月4 日0 時(shí)救援隊(duì)測點(diǎn)；（c）2021 年5 月8 日12 時(shí)礦務(wù)局測點(diǎn)；（d）2021 年5 月10 日12 時(shí)鳥山礦測點(diǎn)Fig.3 Noise power spectral density curves of 4 stations

3.2 地脈動(dòng)噪聲

臺站有效觀測動(dòng)態(tài)范圍的定義為臺基噪聲功率譜密度圖中臺基噪聲水平與觀測上限之間的范圍，其反映了臺站記錄地震信號的能力。一般情況下，臺址的背景干擾與時(shí)間及周邊觀測環(huán)境有關(guān)，白天噪聲大，夜間較平靜。分析計(jì)算了大陸礦、救援隊(duì)測點(diǎn)0 時(shí)及礦務(wù)局、鳥山礦測點(diǎn)12 時(shí)的平均RMS 值、地震計(jì)的觀測動(dòng)態(tài)范圍、平均地脈動(dòng)噪聲，對4 個(gè)測點(diǎn)的各分向數(shù)值進(jìn)行分析對比（表2）。

表2 4 個(gè)測點(diǎn)的地脈動(dòng)噪聲及觀測動(dòng)態(tài)范圍Table 2 Average values and observational dynamic ranges of microseisms for 4 stations

（1）比較大陸礦、救援隊(duì)測點(diǎn)0 時(shí)的地脈動(dòng)噪聲RMS 值發(fā)現(xiàn)，救援隊(duì)測點(diǎn)整體RMS值較高，這主要是因?yàn)榫仍?duì)測點(diǎn)在居民區(qū)附近，夜間人為干擾較多。大陸礦測點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍較寬，說明大陸礦測點(diǎn)臺基較好，平均地脈動(dòng)噪聲較一致。說明2 個(gè)測點(diǎn)受到的干擾主要為人為干擾。

（2）比較礦務(wù)局、鳥山礦測點(diǎn)12 時(shí)的地脈動(dòng)噪聲RMS 值發(fā)現(xiàn)，礦務(wù)局測點(diǎn)RMS 值較大，鳥山礦測點(diǎn)觀測動(dòng)態(tài)范圍更廣。礦務(wù)局測點(diǎn)UD 向平均地脈動(dòng)噪聲較大，其他測向較一致，說明礦務(wù)局測點(diǎn)主要受大風(fēng)、降雨等氣象條件的影響。

（3）從4 個(gè)測點(diǎn)的平均地脈動(dòng)噪聲可以看出，大陸礦測點(diǎn)地脈動(dòng)噪聲最大，其中，其EW 向最大，這是由于大陸礦測點(diǎn)在工廠中，白天周邊干擾較嚴(yán)重。救援隊(duì)、礦務(wù)局測點(diǎn)地脈動(dòng)噪聲較小，觀測環(huán)境較好，其中，救援隊(duì)測點(diǎn)白天平均地脈動(dòng)噪聲變化較小，說明該測點(diǎn)白天周邊人為活動(dòng)較少。通過對4 個(gè)測點(diǎn)的實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果相符，說明對這3 個(gè)測點(diǎn)的計(jì)算是正確的。

（4）對測點(diǎn)12 時(shí)的地脈動(dòng)噪聲及RMS 值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，白天較夜晚各測點(diǎn)數(shù)值變化較大。由于大陸礦在工廠中，白天干擾更嚴(yán)重，但是在分析礦震時(shí)，通過濾波程序可以把大部分干擾濾掉，干擾對近震觀測影響較小。通過對4 個(gè)測點(diǎn)礦震的觀測及定位發(fā)現(xiàn)，定位精度較單臺高很多，可以準(zhǔn)確定位出鶴崗礦區(qū)內(nèi)發(fā)生的礦震。

圖4 為4 個(gè)測點(diǎn)的有效觀測動(dòng)態(tài)范圍。由圖4 可見，4 個(gè)測點(diǎn)都在有效范圍內(nèi)，其中，礦務(wù)局測點(diǎn)最接近標(biāo)準(zhǔn)下限，其他3 個(gè)測點(diǎn)的有效觀測動(dòng)態(tài)范圍與標(biāo)準(zhǔn)值符合較好。4 個(gè)測點(diǎn)夜間的觀測動(dòng)態(tài)范圍穩(wěn)定，都在有效值之內(nèi)；而白天的觀測動(dòng)態(tài)范圍較大，這主要是白天車輛及工廠運(yùn)行產(chǎn)生的影響。

圖4 4 個(gè)測點(diǎn)功率譜密度有效觀測動(dòng)態(tài)范圍（a）大陸礦測點(diǎn)0 時(shí)；（b）救援隊(duì)測點(diǎn)0 時(shí)；（c）礦務(wù)局測點(diǎn)12 時(shí)；（d）鳥山礦測點(diǎn)12 時(shí)Fig.4 Effective observational dynamic range of power spectrum density

4 結(jié)論與討論

鶴崗礦震臺網(wǎng)共有礦務(wù)局、救援隊(duì)、大陸礦、鳥山礦等4 個(gè)測點(diǎn)，通過背景噪聲分析，得到以下結(jié)論。

（1）通過對4 個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可見，大陸礦、鳥山礦測點(diǎn)三分向背景噪聲較一致，4 個(gè)測點(diǎn)的背景噪聲均較小，都在有效范圍內(nèi)；救援隊(duì)測點(diǎn)整體背景噪聲最小，其他3 個(gè)測點(diǎn)由于附近干擾源較多，因此相對背景噪聲較大，其中，大陸礦測點(diǎn)在辦公區(qū)內(nèi)，距離人員活動(dòng)場所較近，背景噪聲最大。

（2）通過對每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行分析可以看出，白天大陸礦、鳥山礦測點(diǎn)干擾較小，救援隊(duì)、礦務(wù)局測點(diǎn)干擾較大。

（3）通過觀測動(dòng)態(tài)范圍可以看出，救援隊(duì)測點(diǎn)觀測動(dòng)態(tài)范圍較大，效果較好，礦務(wù)局測點(diǎn)觀測動(dòng)態(tài)范圍最小，4 個(gè)測點(diǎn)的有效觀測動(dòng)態(tài)范圍都在標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。因此，鶴崗礦震臺網(wǎng)整體觀測良好，對礦震監(jiān)測記錄完整，波形清晰，礦震臺網(wǎng)定位比單臺定位更準(zhǔn)確。