謝九敬（洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南洛陽(yáng)471500）

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三道莊礦微震信號(hào)辨識(shí)應(yīng)用研究

謝九敬
（洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南洛陽(yáng)471500）

摘要：針對(duì)三道莊礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，從大量摻雜著的干擾信號(hào)中提取有效信號(hào)，有效地應(yīng)用微震信號(hào)對(duì)巖石穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)可能產(chǎn)生的破壞災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)具有重要意義。文章對(duì)該礦山各種微震信號(hào)源按實(shí)際監(jiān)測(cè)需要進(jìn)行了大致分類，分為巖體破裂信號(hào)、噪音信號(hào)和爆破信號(hào)三大類。在大量現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，總結(jié)出了微震信號(hào)經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法和頻譜分析辨識(shí)法。利用經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)方法從波形振幅值、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、信號(hào)間隔等方面對(duì)各種震源波形的直觀特征進(jìn)行了辨識(shí)；利用頻譜分析法對(duì)各種微震震源頻率成分進(jìn)行分析，總結(jié)出了三道莊礦各種微震震源信號(hào)特征。研究成果給礦山現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確提取有用微震信號(hào)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測(cè)；信號(hào)辨識(shí)；經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法；頻譜分析法

0引言

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是基于信息化高技術(shù)的礦山安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，目的是監(jiān)測(cè)巖石在應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂時(shí)的彈性波信號(hào)，并應(yīng)用這些信號(hào)對(duì)巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)可能產(chǎn)生的各種破壞災(zāi)害等地壓現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境往往比較復(fù)雜，在監(jiān)測(cè)到有用信號(hào)的同時(shí)，往往會(huì)獲得大量摻雜在一起的干擾信號(hào)，即噪音信號(hào)。因此，如何區(qū)分有用信號(hào)和噪音信號(hào)，從大量的監(jiān)測(cè)信號(hào)中快速準(zhǔn)確地提取出有用信號(hào)是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外專家在信號(hào)辨識(shí)和提取方面做了大量的研究工作[1-4]，比如利用FFT譜分析、小波分析方法進(jìn)行信號(hào)辨識(shí)，這些研究主要是圍繞信號(hào)分析方法和理論研究。筆者在這些研究的基礎(chǔ)上，利用大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法和頻譜分析辨識(shí)法相結(jié)合的方法，利用該方法可以快速有效地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)辨識(shí)應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程具有應(yīng)用和推廣價(jià)值。

三道莊礦為中國(guó)特大型鎢鉬生產(chǎn)基地，礦山開(kāi)采前期采用地下開(kāi)采，為了合理利用資源，從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始露天開(kāi)采，經(jīng)過(guò)30多年的前期地下開(kāi)采，在露天臺(tái)階下方形成了面積約120萬(wàn)m2，體積約1 800萬(wàn)m3的復(fù)雜地下采空區(qū)，嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)，空區(qū)處理與露天生產(chǎn)危險(xiǎn)程度高。例如2007年汛期時(shí)“6·14”塌陷事故造成1臺(tái)351潛孔鉆機(jī)被埋；2007年9月8日，在露天臺(tái)階1402水平南部發(fā)生塌陷事故，一臺(tái)挖掘機(jī)陷入地下采空區(qū)內(nèi)；2012年5月，一臺(tái)潛孔鉆機(jī)在采場(chǎng)作業(yè)期間因臺(tái)階塌陷被埋等。針對(duì)露天臺(tái)階和采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題，礦山于2012年建立了一套48通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下采空區(qū)和露天臺(tái)階的全天候、實(shí)時(shí)和立體監(jiān)測(cè)[5-8]。

1微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

微震是巖體或其他材料介質(zhì)在受力作用影響下，以彈性波的形式釋放能量的過(guò)程。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)就是指利用專門的微震監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)采集和記錄巖體或其他材料在受力作用下釋放的彈性波，以此來(lái)分析微震震源特征，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)震源穩(wěn)定性和安全狀況的一種技術(shù)，圖1為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理示意圖。

圖1微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理示意Fig.1 Schematicdiagramofmicro-seismicmonitoringtechnology

在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，微震監(jiān)測(cè)的目標(biāo)信號(hào)往往只是一種或者幾種需要的信號(hào)，我們稱為有用信號(hào)，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中通常會(huì)采集到大量有用信號(hào)以外的其他信號(hào)。因此，如何快速準(zhǔn)確的區(qū)分各種微震信號(hào)，從中提取出有用信號(hào)是實(shí)際微震監(jiān)測(cè)應(yīng)用的第一步，也是下一步微震監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)[9-11]。

2礦山震源種類

三道莊礦生產(chǎn)作業(yè)復(fù)雜，產(chǎn)生的震源種類也很多，按實(shí)際監(jiān)測(cè)需要來(lái)分類，大致可以分為三大類：一是巖體破裂信號(hào)，這類信號(hào)是實(shí)際監(jiān)測(cè)需要分析的有用信號(hào)；二是干擾信號(hào)，也稱為噪音信號(hào)，這類信號(hào)往往在提取有用信號(hào)過(guò)程中產(chǎn)生最大干擾。三是爆破信號(hào)，這類信號(hào)是介于前面兩種信號(hào)之間的，通常在不對(duì)爆破和爆破余震進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，這類信號(hào)屬于噪音信號(hào)，反之，則屬于有用信號(hào)。

2.1巖體破裂信號(hào)

巖體破裂信號(hào)是指巖體在受到拉力、壓力或者剪切力等作用下產(chǎn)生破壞或微破裂過(guò)程而產(chǎn)生的彈性波。這類信號(hào)是實(shí)際監(jiān)測(cè)所需要的，通常利用獲取的巖體破裂信號(hào)對(duì)震源巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2噪音信號(hào)

由于實(shí)際工程作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，往往會(huì)產(chǎn)生大量的噪音信號(hào)，根據(jù)三道莊礦噪音震源的不同，大致分為三類：

（1）電磁噪聲。在微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)周圍存在大量的電磁信號(hào)，這些電磁信號(hào)有時(shí)會(huì)影響微震監(jiān)測(cè)信號(hào)，造成微震信號(hào)畸化，從而成為噪音信號(hào)。系統(tǒng)自身運(yùn)行過(guò)程也會(huì)受一些電磁沖擊影響，產(chǎn)生噪聲信號(hào)。

（2）機(jī)械作業(yè)噪音。三道莊礦生產(chǎn)過(guò)程存在大量的機(jī)械作業(yè)，比如鑿巖設(shè)備、鏟裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等。這些機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí)會(huì)觸發(fā)周圍的微震傳感器，從而被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到，成為信號(hào)提取過(guò)程中的噪音信號(hào)。

（3）人為作業(yè)噪音。實(shí)際微震監(jiān)測(cè)區(qū)域存在人員活動(dòng)作業(yè)，比如行走、說(shuō)話、人為敲擊、其他生產(chǎn)作業(yè)等，這個(gè)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生噪音信號(hào)。

2.3爆破信號(hào)

礦山實(shí)際產(chǎn)生過(guò)程中存在大量爆破作業(yè)，會(huì)產(chǎn)生爆破信號(hào)，爆破信號(hào)有時(shí)可以成為有用信號(hào)。在對(duì)爆破和爆破余震進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析時(shí)，爆破信號(hào)就成為研究過(guò)程中的有用信號(hào)；當(dāng)不對(duì)爆破進(jìn)行專門研究時(shí)，它則被列入噪音信號(hào)中。

3微震信號(hào)辨識(shí)法

3.1經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法

經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)方法是在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的一種經(jīng)驗(yàn)方法，也是一種綜合分析方法。這種方法建立在監(jiān)測(cè)人員對(duì)各種微震波形特征熟悉的基礎(chǔ)上，同時(shí)還需要熟悉監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境。通常需要從波形振幅值、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、信號(hào)間隔等方面對(duì)波形的直觀特征進(jìn)行辨識(shí)，同時(shí)還需要通過(guò)震源信號(hào)發(fā)生時(shí)間和空間位置，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境來(lái)對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)。經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)方法是一種非常有效的方法，是實(shí)際監(jiān)測(cè)中最為常用的方法。以下為典型的利用經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)方法來(lái)進(jìn)行信號(hào)辨識(shí)案例。

圖2和圖3是巖體變形破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)波形，是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。從波形直觀特征來(lái)看，波形信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，一般為10～30 ms，波形尖銳；剪切破裂波形有明顯的P波和S波震相，P波傳播速度快，S波速度慢，P波在前S波在后，且S波攜帶能量大，即振幅值大；張拉破壞波形只有P波震相。

圖4是典型電磁噪音波形，這類波形振蕩簡(jiǎn)單，振幅值較大，上升時(shí)間很短，一般很容易辨識(shí)。

圖5是典型機(jī)車行駛波形，這類信號(hào)的特點(diǎn)是波形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為2～3 s。

圖2巖體剪切破壞產(chǎn)生的波形Fig.2 Waveform generated by rock shear failure

圖3巖體張拉破壞產(chǎn)生的波形Fig.3 Waveform generated by rock tensile failure

圖4電磁噪音波形Fig.4 Waveform of electromagnetic noise

圖5機(jī)車行駛產(chǎn)生的波形Fig.5 Waveform generated by engine running

圖6是典型鑿巖過(guò)程產(chǎn)生的波形，這類波形一般很好辨識(shí)，單個(gè)事件的時(shí)間間隔均勻，且單個(gè)事件的振幅也基本一致。

圖7是典型的人為敲擊巖體產(chǎn)生的波形，這類波形的最大特點(diǎn)是信號(hào)往往以多個(gè)單個(gè)事件組成，且間隔時(shí)間和人為敲擊間隔一致，單個(gè)事件和巖石破裂波形很相似。

圖8為典型爆破波形，這類波形的最大特點(diǎn)是觸發(fā)傳感器數(shù)量較多，振幅值較大，由于露天大爆破采用分段延時(shí)爆破，所以信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在100～300 ms。

圖6鑿巖波形Fig.6 Waveform generated by drilling

圖7人為敲擊巖體產(chǎn)生的波形Fig.7 Waveform generated by man-made percussion rock

圖8爆破波形Fig.8 Waveform generated by blasting

3.2頻譜分析辨識(shí)法

經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法具有較快的識(shí)別速度和較高的準(zhǔn)確率，但是，對(duì)于波形形態(tài)特征比較相似的信號(hào)，經(jīng)驗(yàn)識(shí)別還是十分困難的。此時(shí)就需要考慮從信號(hào)的頻率特征進(jìn)行辨識(shí)，因?yàn)椴煌鹪串a(chǎn)生的機(jī)理不同，所產(chǎn)生的波形頻率成分也不相同。目前通常采用傅里葉變換理論來(lái)對(duì)信號(hào)頻率成分進(jìn)行分析，傅里葉變換的原理是將一個(gè)信號(hào)從振幅隨時(shí)間變換信息轉(zhuǎn)換成為振幅或者相位隨頻率變換信息，從而求解出信號(hào)的頻率成分。

利用經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法可以判斷圖9波形為典型的巖體破裂波形，但僅僅根據(jù)波形表觀特征無(wú)法判別該波形是巖體剪切破壞時(shí)產(chǎn)生的波形還是巖體拉伸破壞時(shí)產(chǎn)生的波形。

對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析，圖10為巖體破裂波形頻譜分析結(jié)果，可以看出該波形具有兩個(gè)明顯的頻率范圍段，分別為主頻段和次主頻段，主頻和次主頻分別為3000 Hz和2 600 Hz，由此可以判斷波形具有P波和S波，為典型的巖體剪切破壞時(shí)產(chǎn)生的波形。

圖11是露天臺(tái)階生產(chǎn)爆破波形頻譜分析結(jié)果，圖中顯示該波形頻率范圍為0～200 Hz，主頻為68 Hz左右。

圖12是井下爆破波形頻譜分析結(jié)果，結(jié)果顯示該波形頻率范圍為0～500 Hz，主頻為126 Hz左右。

利用上述經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法和頻譜分析法對(duì)礦山各種微震震源特征進(jìn)行分析，表1為三道莊礦各種震源信號(hào)特征分析結(jié)果。

圖10巖體破裂波形頻譜分析結(jié)果Fig.10 Spectrum analysis of rock fractured wave

圖11露天臺(tái)階爆破波形頻譜分析結(jié)果Fig.11 Spectrum analysis of waveform generated by blasting in the open bench

圖12井下生產(chǎn)爆破波形頻譜分析結(jié)果Fig.12 Spectrum analysis of underground blasting wave

表1三道莊礦各種震源微震信號(hào)特征Tab.1 Micro-seismic signal characteristics of various vibration sources of Sandaozhuang mine

4結(jié)語(yǔ)

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為巖土工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的有效手段之一，由于工程現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致混入大量噪音信號(hào)，監(jiān)測(cè)過(guò)程信號(hào)辨識(shí)工作量大且難度也較大。在大量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，提出了經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法和頻譜分析辨識(shí)法，并對(duì)三道莊礦微震信號(hào)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，巖體破裂微震信號(hào)持續(xù)時(shí)間為15～30 ms，頻率在1 000～3 000 Hz，巖體剪切破壞波形具有明顯的P波和S波，巖體拉伸破壞只有P波；機(jī)車運(yùn)行信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一般為2～3 s；電磁噪音信號(hào)一般振幅值較大，且上升時(shí)間很短，振蕩簡(jiǎn)單；人為敲擊巖體信號(hào)間隔時(shí)間明顯；電磁干擾信號(hào)頻率為50 Hz；機(jī)械鑿巖信號(hào)間隔時(shí)間規(guī)律，且整體連續(xù)；露天臺(tái)階爆破信號(hào)持續(xù)時(shí)間200～500 ms，振幅一般大于500 mV，頻率在0～200 Hz；井下生產(chǎn)爆破信號(hào)持續(xù)時(shí)間100～300 ms，振幅一般小于500 mV，頻率范圍0～500 Hz。利用該研究成果不僅可以大大減輕工作量，而且還有效地提高了信號(hào)辨識(shí)的準(zhǔn)確性，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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敬告作者

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《中國(guó)鎢業(yè)》編輯部

CHENG Chao，LAN Xiao -ping，WU Shui -sheng，et al. On the microseismic monitoring technology on the ground pressure in the large gob[J]．China Tungsten Industry，2011，26（5）：10-13.

Micro-seismic signal identification at Sandaozhuang Mine

XIE Jiu-jing
(China Molybdenum Group Co., Ltd., Luoyang 471500, Henan, China)

Abstract:Due to the complex production environment in Sandaozhuang Mine, a large number of noise signals are generated, which renders the assessment of rock stability difficult. This paper classifies the micro-seismic signal sources into rock burst signals, noise signals and blasting signals. The experience identification method and spectrum analysis identification method are summed up based on a large number of field monitoring experiences. The visual features of signals are analyzed by the experience identification method, such as wave amplitude value, signal duration, rise time and signal interval time. The frequency components of signals are calculated by the spectrum analysis.The characteristics of various microseismic signals are analyzed. The research results provide favorable technical support for an effective extraction of the useful signals.

Key words:micro -seismic monitoring; signal recognition; empirical method of signal identification; spectrum analysis

作者簡(jiǎn)介：謝九敬（1970-），男，河南欒川人，工程師，主要從事礦山安全管理和采空區(qū)處理工作。

收稿日期：2015-11-12

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2016.01.009

中圖分類號(hào)：TD76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A