肖亞勛，馮夏庭，陳炳瑞，豐光亮

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071）

1 引言

獲取、分析和總結巖爆發(fā)生的前兆微震活動特征，是建立基于微震監(jiān)測的巖爆預警方法的基礎。

已有的巖爆前兆微震活動特征研究主要集中于巖爆發(fā)生前的微震事件震源參數的演化規(guī)律分析，包括事件數、視體積、能量指數、b 值等。Mendecki[1]提出了一個可靠的震源參數視體積，發(fā)現沖擊地壓前通常伴有累積視體積突增和能量指數突降的前兆特征；Xie等[2]對礦山開挖過程中巖爆發(fā)生前微震活動的空間特征開展了分形分析；Urbancic等[3]分析了巖爆前低震級的b 值和各種應力參數的關系；李元輝等[4]則通過單軸受壓巖石破裂的聲發(fā)射試驗發(fā)現，分形維值和b 值開始較快速下降，可作為巖石失穩(wěn)破壞的前兆；Tang等[5]分析了巖爆發(fā)生前微震活動成核區(qū)內巖體剛度的變化趨勢；而針對深埋隧洞，馮夏庭和陳炳瑞揭示了即時型巖爆和時滯型巖爆孕育過程中的微震事件數、視體積及能量指數等微震參數的演化特征[6－9]；于洋等[10]發(fā)現能量分形維度在即時型巖爆的孕育過程不斷增加，巖爆臨近前會增加到某個臨界值以上。

實際上，巖爆孕育過程中所記錄的微震波波形的頻譜特征本身就包含著較為豐富的前兆信息，但針對巖爆孕育過程的頻譜特征研究則甚少。Frid等[11]在澳大利亞Moonee煤礦監(jiān)測頂板的垮落過程發(fā)現，頂板宏觀破斷之前微震信號主頻由高頻向低頻發(fā)展；陸菜平等[12－13]開展了煤巖沖擊前兆微震頻譜演變規(guī)律的試驗與實證研究，隨后進一步又分析了頂板巖層破斷誘發(fā)礦震的頻譜特征，研究表明，微震信號的頻譜向低頻段移動，且振幅逐漸增加可以作為沖擊礦壓發(fā)生的一個前兆信息；Xiao等[14]發(fā)現，深埋隧洞不同開挖方式誘發(fā)的即時型巖爆孕育過程具有不同的微震事件主頻分形特征，但整體而言，巖爆孕育過程中主頻分形維數不斷降低。

對于深埋隧洞而言，其巖爆實時微震監(jiān)測采用緊跟掌子面移動的傳感器布置方法，傳感器與巖石微破裂集中區(qū)（即掌子面附近）的距離通常不超過200 m。同時較寬的傳感器響應頻率，一般達到5～2 000 Hz，可監(jiān)測到的巖石微破裂震級分布廣泛，可有效監(jiān)測到巖爆孕育過程中豐富的微震信息[5，15]，這一點是已往礦山巖爆監(jiān)測中不可比擬的。因此，探究深埋隧洞巖爆孕育過程的前兆頻譜特征，為其高強度巖爆風險估計及預警提供依據和參考，對現場施工安全具有非常重要的意義。

本文以目前世界埋深最大的錦屏二級水電站引水隧洞及排水隧洞頻發(fā)的即時型巖爆作為研究對象。首先給出了深埋隧洞頻譜特征參數的計算方法，在此基礎上，探究了不同開挖方式下不同強度即時型巖爆孕育過程的頻譜演化特征，以期為即時型巖爆發(fā)生時間及強度預警提供依據和參考。

2 微震波頻譜特征參數計算方法

2.1 巖爆微震實時監(jiān)測方案

TBM巖爆微震實時監(jiān)測的傳感器布置如圖1所示。采用6個微震傳感器分2個監(jiān)測斷面進行布置，監(jiān)測斷面上傳感器安裝位置如圖1(b)所示，孔深為2 m。傳感器斷面布置與移動如圖1(a)所示：首先于離掌子面約70 m處L2區(qū)平臺布置監(jiān)測斷面I；TBM向前掘進30～40 m后，同樣在L2區(qū)平臺布置監(jiān)測斷面II；當TBM再向前掘進30～40 m時，監(jiān)測斷面I位于L3區(qū)平臺與L區(qū)平臺之間時，回收監(jiān)測斷面I處傳感器并重新布置于L2區(qū)平臺，依次循環(huán)，實現實時微震監(jiān)測。鉆爆法監(jiān)測方案與此類似，僅傳感器安裝高度和角度有所差異。為了便于敘述，臺站名稱記為Ri-x，其中Ri 表示安裝的第i 排傳感器，隨著掌子面的推進，不斷累計；x 則表示傳感器安裝位置，L、C和R分別代表位于面向掌子面的左側邊墻、拱頂及右側邊墻。如R6-C表示第6排安裝于拱頂的傳感器。

圖1 傳感器布置[8]Fig.1 Layouts of sensors[8]

2.2 微震波衰減特征研究

選取能真實反映微震源特征的波形參數是開展基于波形特征的巖爆孕育規(guī)律研究的首要任務。

基于信號波形特征開展巖爆孕育規(guī)律研究前，通過小波-神經網絡進行巖石微破裂信號識別及小波變換的降噪處理，相關方法與降噪流程參見文獻[6]，確保巖石微破裂信號波形特征參數的可靠性。

頻譜是指對時間-振幅的波形時域圖進行FFT變換后繪制的頻率-振幅的波形頻域圖。通常采用最大有效頻率feff和最大有效振幅Aeff兩個參數來描述微震波的頻譜特征。微震振動振幅通常是震源強度的最直接體現，而微震振動的頻率特性在很大程度上由其輻射波形的最大振幅所對應的頻率，即最大有效頻率所決定。因此，頻譜的最大有效振幅和最大有效頻率分別作為波形時域和頻域上最重要的兩項參數，常常被作為研究地震或礦震孕育規(guī)律研究的重要技術指標。但開展深埋隧洞巖爆微震監(jiān)測時，上述兩個頻譜特征參數是否可作為真實體現微震源特性的指標仍有待考證。因此，首先開展了微震波振幅及頻率的衰減特征分析。

文獻[14]分別提取并分析了lgE≈1、2、3、4的微震事件對應微震波波形信息的時域及頻譜特征，通過繪制不同強度震源輻射波形的最大振幅及最大有效頻率隨距離的衰減曲線，給出了深埋隧洞微震波最大振幅和最大有效頻率的衰減特征，如圖2所示?？梢钥闯觯孩僬鹪磸姸仍酱?，即微震釋放能越大，微震波振幅越大且最大有效頻率越低，反之亦然；②震源強度越小，即微震釋放能越小，振幅及頻率的衰減越明顯，反之亦然；③振幅及最大有效頻率隨距離的增大均成負指數衰減，振幅衰減指數約為-2，而頻率的衰減程度遠不如振幅，衰減并不明顯。

圖2 微震波衰減特征[14]Fig.2 Attenuation of microseismic wave

必須指出的是，上述微震波衰減特征適用于傳感器與微破裂源距離為70～200 m的情況，這與深埋隧洞微震監(jiān)測傳感器與微破裂源距離是一致的，并不表征微震波在0～70 m范圍內的衰減特征，已往的研究表明，微震波振幅和高頻段在近場的衰減速度遠遠高于遠場。

2.3 頻譜特征參數計算

上述微震波波形的衰減特征表明：對于同一微震源，與其不同距離的傳感器所記錄的微震波波形最大振幅可能相差甚遠；換言之，對于不同的微震源，其觸發(fā)的傳感器記錄的微震波波形最大振幅相仿時，因微震源與傳感器距離的不同，其微震釋放能可能相差較大。而最大有效頻率這一參數則受傳感器與微震源距離的影響較小，即對于同一微震源，與其不同距離的傳感器所記錄的微震波波形最大有效頻率相差較小，而最大有效頻率相仿的波形對應微震源的微震釋放能則大致相當。如2010年6月9日16時25分57秒監(jiān)測系統記錄到的一微震事件。該事件的局部震級為-1.6，微震輻射能為509.339 8 J，共觸發(fā)了離掌子面由近及遠的R7和R5二個監(jiān)測斷面共6個臺站的傳感器。其所在R7和R5斷面的波形最大振幅之比為4.79×10-4:1.24×10-4=3.86:1，而其對應臺站與微震源距離的平方之比則為：(61)2:(119)2=1:3.81。這與上述波形振幅隨距離呈指數為-2的冪指數衰減特征一致。該事件對應微震波波 形的最大有效頻率多為390～430 Hz。僅R5-R臺站對應波形的最大有效頻率與其他偏差較大，約為282 Hz。這表明，最大有效頻率隨距離的衰減并不明顯，與上述微震波頻率衰減特征基本一致。

綜上所述，將振幅作為分析參數時，需考慮微震源與其對應觸發(fā)傳感器的距離的影響。而最大有效頻率則為較為穩(wěn)定的波形特征分析參數。

基于上述微震波波形衰減特征的分析，仍采用最大有效頻率來描述頻譜的頻率特性；修正了最大有效振幅，以采用相對有效振幅Arel來表征頻譜的振幅特性。對于同一微震波，波形最大振幅以一定比例增大或縮小時，其頻譜最大有效振幅將以相同的比例增大或縮小。因此，參考振幅的衰減特征，相對有效振幅的計算方式為

式中：Arel為微震波頻譜的相對有效振幅（m/s）；Aeff為微震波的最大有效振幅（m/s）；R為觸發(fā)傳感器至微震源的距離（m）。

3 典型巖爆案例分析

所謂即時型巖爆，是指開挖卸荷效應影響范圍內，完整、堅硬圍巖中發(fā)生的巖爆。在深埋隧洞內，即時型巖爆發(fā)生在施工過程中的隧洞掌子面0～30 m范圍內，多在開挖后幾小時或1～3 d內發(fā)生[7]。

一方面，即時型巖爆發(fā)生于掌子面附近；另一方面，即時型巖爆孕育過程中所記錄的微震事件通常分布于當前掌子面后方30 m到前方10 m區(qū)域內。因此，通常選取當前掌子面后方30 m到前方10 m區(qū)域內的微震信息用于開展即時型巖爆風險的預警[6]。

以簡化研究問題以及減少微震信號衰減為原則，重點研究每日位于掌子面后面30 m到前方10 m區(qū)域內且能量最大的巖石微破裂微震事件[16]。同時，為了避免因傳感器頻繁移動造成的影響，某一巖爆孕育過程盡量選擇參與了其整個過程的同一傳感器的微震波信息開展分析。對其記錄的微震波時域波形進行FFT變化，從而獲得其頻譜信息，繼而分析不同等級即時型巖爆孕育過程中的頻譜演化規(guī)律。

3.1 TBM誘發(fā)即時型巖爆案例分析

2010年6月11日，3#TBM掌子面后方南側邊墻至拱肩發(fā)生了強烈?guī)r爆。2010年6月6日凌晨至該次巖爆發(fā)生期間，微震監(jiān)測系統共記錄到了局部震級為[-2.5，1.2]的90個微震事件，基本上涵蓋了整個微震監(jiān)測期間記錄到的各種強度的巖石破裂微震源。圖3為此次即時型強烈?guī)r爆造成的宏觀破壞。

圖3 TBM6月11日即時型強烈?guī)r爆宏觀破壞特征(2010)Fig.3 Damage of an immediate intense rockburst occurred on 11 June 2010 induced by TBM excavation

該次即時型巖爆頻譜信息演化如表1所列。圖4則為5月28日到6月11日期間單日能量釋放最大的巖石破裂微震事件對應頻譜特征圖。從表中可以看出，6月7日與8日所記錄的能量釋放最大的微震事件對應微震輻射能分別為5.5×103J與8.9×104J，兩者相差近10倍。但因8日微震源距監(jiān)測臺站R6-C的距離約為7日的3.2倍，致使兩日微震事件對應記錄波形的最大有效振幅基本相同。這與波形最大振幅與距離的平方成反比的振幅衰減吻合。同時，也說明相對有效振幅較最大有效振幅能更好地體現震源的強度特征，可更好地表征微震事件的頻譜特征。

圖4 TBM開挖6月11日強烈?guī)r爆頻譜演化（2010）Fig.4 Evolution of spectrum during intense rockburst occurred on 11 June induced by TBM(2010)

表1 TBM開挖6月11日強烈?guī)r爆頻譜參數（2010）Table 1 Spectrum parameters during intense TBM-induced rockburst occurring in June 11，2010

圖5為TBM開挖誘發(fā)6月11日即時型強烈?guī)r爆的頻譜特征演化圖。從圖中可以看出：①整體而言，強烈?guī)r爆孕育過程中，最大有效頻率向低頻移動，同時，相對有效振幅則逐漸增加，強烈?guī)r爆發(fā)生時，相對有效振幅達到最大值，最大有效頻率則降至最低；②無巖爆發(fā)生時，每日能量釋放最大的微震事件對應的相對有效振幅較小，量級約為10-6m/s，最大有效頻率則多大于300 Hz；③輕微巖爆時有發(fā)生或中等巖爆發(fā)生前，相對有效振幅的量級增長至10-5m/s，最大有效頻率則多介于200～300 Hz；④強烈?guī)r爆發(fā)生前，輕微巖爆頻發(fā)且伴隨少量的中等巖爆。此時，微震事件對應相對有效振幅較大，量級保持在10-4m/s，最大有效頻率則均在200 Hz以下。

圖5 TBM開挖6月11日強烈?guī)r爆頻譜參數演化（2010）Fig.5 Evolution of spectrum parameters during intense TBM-induced rockburst occurring in June 11，2010

需要說明的是，6月2日微震釋放能最大的微震事件對應的波形頻譜出現了兩個尖點，分別是157.2 Hz和281 Hz，如圖4(b)所示，對應的振幅相差僅3×10-6，是一個較為特殊的微震信號，但為保證研究的真實性，分析中仍將該事件的最大有效頻率記為了157.2 Hz，從而造成了圖5中6月2日最大有效頻率突降的現象。

同年7月21日3#引水隧洞TBM洞段發(fā)生了另一次即時型強烈?guī)r爆，該次巖爆孕育過程與6月11日相似，發(fā)生過程中伴有少量的輕微及中等巖爆。經分析表明，該次巖爆與TBM誘發(fā)6月11日的即時型強烈?guī)r爆的頻譜演化特征基本一致。限于篇幅，不再展開敘述。

3.2 鉆爆法誘發(fā)即時型巖爆案例分析

2011年1月5日00:30左右，當1#引水隧洞工作面開挖至樁號SK8+682時，現場扒渣過程中于SK8+678南側邊墻至拱肩處發(fā)生了中等巖爆，巖爆發(fā)生時有較大聲響，最大坑深達0.9 m。隨后在1月11日15:30，當開挖至SK8+711時，在掌子面隨機支護的過程中于SK8+709南側邊墻至拱肩發(fā)生了強烈?guī)r爆，巖爆發(fā)生時聲響巨大，坑深為0.8～1.6 m。該次巖爆造成了現場支護設備的損壞，但所幸無人員損傷。上述兩次巖爆發(fā)生位置及時間均在開挖卸荷效應范圍內，均為典型的即時型巖爆。

微震系統實時連續(xù)監(jiān)測并記錄了1月1日至11日期間TBM開挖誘發(fā)圍巖破裂的微震響應信息，基本完整記錄到了上述巖爆的孕育及發(fā)生過程。依然采用上述TBM所用的分析方法，研究鉆爆法開挖誘發(fā)即時型中等及強烈?guī)r爆孕育過程的頻譜演化規(guī)律。

表2所列為上述即時型中等及強烈?guī)r爆過程的頻譜信息。圖6則為上述鉆爆法誘發(fā)即時型巖爆孕育過程中每日能量釋放最大微震事件的頻譜圖。其中1月5日此次巖爆所在工作面監(jiān)測設備因供電故障未正常作業(yè)，但巖爆發(fā)生時間對應的微震事件仍觸發(fā)了布置于其他隧洞工作面的遠端傳感器，這表明整體協同、局部最優(yōu)的微震監(jiān)測方法[5]有效保障了微震活動信息的獲取。但1月5日遠端傳感器所記錄的最大有效振幅為2.7×10-6m/s，遠遠低于其他幾日，通過修正后的相對有效振幅則為5.3×10-5m/s，顯然相對有效振幅比最大有效振幅能更好體現震源的強度特征，可更好地表征微震事件的頻譜特征。

表2 鉆爆法開挖1月11日強烈?guī)r爆頻譜參數（2011年）Table 2 Spectrum parameters during intense D&B-induced rockburst occurring in January 11，2011

圖6 鉆爆法開挖1月11日強烈?guī)r爆頻譜演化（2011）Fig.6 Evolution of spectrum during intense D&B-induced rockburst occurring in January 11，2011

圖7為此次即時型中等及強烈?guī)r爆孕育過程的頻譜演化特征。可以看出：①中等巖爆發(fā)生前，相對有效振幅的量級維持在10-5m/s，最大有效頻率則多介于200～300 Hz；②強烈?guī)r爆發(fā)生前，微震事件對應相對有效振幅的量級增長并保持在10-4m/s，最大有效頻率則均在200 Hz以下；③對于一個完整的巖爆孕育過程，當巖爆發(fā)生時，相對有效振幅增至最大，同時最大有效頻率降至最低。

圖7 鉆爆法開挖1月11日強烈?guī)r爆頻譜參數演化(2011)Fig.7 Evolution of spectrum parameters during intense D&B-induced rockburst occurring in January 11，2011

2011年1月25日至2月1日期間，相同洞段內1#引水隧洞內無巖爆發(fā)生，該期間每日最大釋放能量微震事件的頻譜演化特征如圖8所示。從圖中可以看出，無巖爆發(fā)生時，每日最大釋放能量微震事件頻譜對應的相對有效振幅的量級為10-6m/s及以下；而最大有效頻率則均大于300 Hz，甚至部分達到了450 Hz以上。這表明，無巖爆發(fā)生時圍巖較為穩(wěn)定，僅有較小尺度的巖石破裂發(fā)生。

圖8 鉆爆法洞段無巖爆時的頻譜特征(2011)Fig.8 Spectrum feature without rockburst in D&B tunnel(2011)

鉆爆法其他洞段內即時型巖爆孕育過程的頻譜特征與上述案例基本一致，不再予以舉例說明。

3.3 即時型巖爆孕育過程的頻譜特征機制分析

巖爆的孕育過程實質是巖石破裂的過程，巖爆發(fā)生前必然伴有一定尺度的微破裂發(fā)生。巖爆發(fā)生等級越大，其孕育過程中伴有的破裂尺度則越大，對應頻譜低頻成分可能增多且振幅增大。這一結論已得到了證實[17－18]。無論對于TBM或鉆爆法洞段，其即時型巖爆孕育的表征形式可能不同，但破壞機制是相同的[6]。頻譜特征分析時僅采用每日能量釋放最大的微震事件，弱化了對表征形式的描述。因此，TBM與鉆爆法洞段內巖爆孕育過程的頻譜特征基本一致。上述實際案例分析也體現了該點。微震信號的頻譜演化特征可作為預警巖爆發(fā)生時間及等級的依據。

4 結論與展望

（1）基于微震波波形衰減特征，修正了最大有效振幅，將相對有效振幅和最大有效頻率作為頻譜分析參數，實際案例分析也表明，相對有效振幅比最大有效振幅能更好體現震源的強度特征，可更好地表征微震事件的頻譜特征。

（2）即時型巖爆孕育過程有如下頻譜特征：①無巖爆發(fā)生時，每日最大釋放能量微震事件頻譜對應的相對有效振幅的量級為10-6m/s及以下，而最大有效頻率則多大于300 Hz；②中等巖爆發(fā)生前，相對有效振幅的量級維持在10-5m/s，最大有效頻率則介于200～300 Hz；③強烈?guī)r爆發(fā)生前，微震事件對應相對有效振幅的量級增長并保持在10-4m/s，最大有效頻率則基本在200 Hz以下；④對于一個完整的巖爆孕育過程，當巖爆發(fā)生時，相對有效振幅增至最大，同時最大有效頻率降至最低。

（3）不同開挖方式下即時型巖爆孕育過程的頻譜特征基本一致，其原因在于不同開挖方式下即時型巖爆孕育機制基本相同，且頻譜特征分析時僅采用每日能量釋放最大的微震事件，弱化了對表征形式的描述。微震信號的頻譜演化特征可作為預警即時型巖爆發(fā)生時間及等級的依據。

必須指出的是，上述規(guī)律是總結基于錦屏二級水電站深埋引水隧洞和排水隧洞所即時型巖爆的微震實時監(jiān)測數據所給出的。不同的工況、傳感器選擇、傳感器布置方法、其所監(jiān)測到的巖爆孕育監(jiān)測信息可能是不同的，這樣將導致不同等級巖爆孕育過程中微震波對應的相對有效振幅的量級及最大有效頻率演化呈現出不同的特征?？山梃b本文的研究思路進行對應的總結，為預警巖爆發(fā)生時間及等級提供參考與可靠的依據。

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