姜博 趙 誼 歐陽(yáng)兆國(guó) 胡寶慧 常金龍

1）中國(guó)黑龍江154101 鶴崗地震臺(tái)

2）中國(guó)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(guó)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(lái)，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(shì)。本文通過(guò)對(duì)4 個(gè)礦震測(cè)點(diǎn)進(jìn)行背景噪聲計(jì)算，分析了礦震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)。對(duì)于臺(tái)址勘選、評(píng)估臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境變遷、評(píng)估臺(tái)站記錄質(zhì)量等工作，臺(tái)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(tái)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(guó)時(shí)期開始開采，有將近百年的開采史。煤炭開采帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也對(duì)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(lái)，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(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。現(xiàn)今對(duì)礦震孕育過(guò)程了解較少，礦震震級(jí)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(lái)很大困難。礦震研究對(duì)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(duì)礦震進(jìn)行觀測(cè)研究，于2017 年在鶴崗市周邊建設(shè)礦震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)（圖1），該臺(tái)網(wǎng)包括4 個(gè)測(cè)點(diǎn)（礦務(wù)局、鳥山礦、救援隊(duì)、大陸礦），2018 年開始進(jìn)行測(cè)試觀測(cè)，礦震臺(tái)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(tái)網(wǎng)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Map of Hegang Mine Seismic Network

2 數(shù)據(jù)分析原理

臺(tái)基噪聲測(cè)試中通常利用臺(tái)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(wàn)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(hào)x(t)的平均功率相對(duì)頻率的分布函數(shù)。臺(tái)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(duì)帶寬。RBW 計(jì)算公式為

式中，fu為相對(duì)帶寬的上限頻率；fι為相對(duì)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(tái)站觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，反映了觀測(cè)儀器本身的性能和臺(tái)基環(huán)境干擾背景水平；有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍則反映記錄地震信號(hào)的最大能力（何彥等，2006），其計(jì)算公式為

式中，D為有效觀測(cè)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(lái)計(jì)算數(shù)字地震計(jì)地動(dòng)噪聲功率譜密度。

3 礦震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析

3.1 功率譜密度

鶴崗礦震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)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(guò)計(jì)算確定各分向平均RMS 值、動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍及平均地動(dòng)噪聲。研究中4 個(gè)臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)時(shí)段詳見(jiàn)表1。

表1 鶴崗礦震臺(tái)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(tái)網(wǎng)包括4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，救援隊(duì)（JYD）測(cè)點(diǎn)建在鶴崗礦山救援隊(duì)院內(nèi)西南角，臺(tái)基為混凝土墩，與基巖一體；大陸礦（DLK）測(cè)點(diǎn)與鶴崗煤礦辦公樓相鄰，臺(tái)基為混凝土墩；礦務(wù)局（KWJ）測(cè)點(diǎn)位于礦務(wù)局辦公樓南側(cè)，臺(tái)基為混泥土墩；鳥山礦（NSK）測(cè)點(diǎn)位于礦場(chǎng)院外，臺(tái)基為混泥土墩。圖2 為4 個(gè)測(cè)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(jiàn)：①大陸礦、救援隊(duì)測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)在白天嘈雜時(shí)段背景噪聲較大，由于測(cè)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(cè)點(diǎn)（a）、礦務(wù)局測(cè)點(diǎn)（b）、救援隊(duì)測(cè)點(diǎn)（c）、鳥山礦測(cè)點(diǎn)（d）地脈動(dòng)噪聲波形Fig.2 Microseisms at different stations

圖3 為4 個(gè)測(cè)點(diǎn)三分向臺(tái)基噪聲功率譜密度。由圖3 可見(jiàn)：①4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的功率譜密度曲線均介于NLNM 和NHNM 之間，說(shuō)明礦震臺(tái)網(wǎng)整體背景噪聲較小，觀測(cè)狀態(tài)良好，觀測(cè)一致性較好；②4 個(gè)測(cè)點(diǎn)在0.01—0.10 Hz 頻率區(qū)間內(nèi)觀測(cè)狀態(tài)最好，說(shuō)明儀器對(duì)低頻振動(dòng)記錄較好，大陸礦、鳥山礦測(cè)點(diǎn)三分向觀測(cè)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(cè)點(diǎn)在1—100 Hz 頻率區(qū)間內(nèi)對(duì)高頻振動(dòng)記錄較好，由于2 個(gè)測(cè)點(diǎn)都在市區(qū)內(nèi)，低頻干擾較多，所以對(duì)遠(yuǎn)距離的礦震記錄較好；④影響礦震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)質(zhì)量的主要因素為環(huán)境因素。

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

3.2 地脈動(dòng)噪聲

臺(tái)站有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的定義為臺(tái)基噪聲功率譜密度圖中臺(tái)基噪聲水平與觀測(cè)上限之間的范圍，其反映了臺(tái)站記錄地震信號(hào)的能力。一般情況下，臺(tái)址的背景干擾與時(shí)間及周邊觀測(cè)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(cè)點(diǎn)0 時(shí)及礦務(wù)局、鳥山礦測(cè)點(diǎn)12 時(shí)的平均RMS 值、地震計(jì)的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍、平均地脈動(dòng)噪聲，對(duì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的各分向數(shù)值進(jìn)行分析對(duì)比（表2）。

表2 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的地脈動(dòng)噪聲及觀測(cè)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(cè)點(diǎn)0 時(shí)的地脈動(dòng)噪聲RMS 值發(fā)現(xiàn)，救援隊(duì)測(cè)點(diǎn)整體RMS值較高，這主要是因?yàn)榫仍?duì)測(cè)點(diǎn)在居民區(qū)附近，夜間人為干擾較多。大陸礦測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍較寬，說(shuō)明大陸礦測(cè)點(diǎn)臺(tái)基較好，平均地脈動(dòng)噪聲較一致。說(shuō)明2 個(gè)測(cè)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(cè)點(diǎn)12 時(shí)的地脈動(dòng)噪聲RMS 值發(fā)現(xiàn)，礦務(wù)局測(cè)點(diǎn)RMS 值較大，鳥山礦測(cè)點(diǎn)觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍更廣。礦務(wù)局測(cè)點(diǎn)UD 向平均地脈動(dòng)噪聲較大，其他測(cè)向較一致，說(shuō)明礦務(wù)局測(cè)點(diǎn)主要受大風(fēng)、降雨等氣象條件的影響。

（3）從4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均地脈動(dòng)噪聲可以看出，大陸礦測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)地脈動(dòng)噪聲較小，觀測(cè)環(huán)境較好，其中，救援隊(duì)測(cè)點(diǎn)白天平均地脈動(dòng)噪聲變化較小，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)白天周邊人為活動(dòng)較少。通過(guò)對(duì)4 個(gè)測(cè)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(shuō)明對(duì)這3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算是正確的。

（4）對(duì)測(cè)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(cè)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(guò)濾波程序可以把大部分干擾濾掉，干擾對(duì)近震觀測(cè)影響較小。通過(guò)對(duì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)礦震的觀測(cè)及定位發(fā)現(xiàn)，定位精度較單臺(tái)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(cè)點(diǎn)的有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。由圖4 可見(jiàn)，4 個(gè)測(cè)點(diǎn)都在有效范圍內(nèi)，其中，礦務(wù)局測(cè)點(diǎn)最接近標(biāo)準(zhǔn)下限，其他3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍與標(biāo)準(zhǔn)值符合較好。4 個(gè)測(cè)點(diǎn)夜間的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍穩(wěn)定，都在有效值之內(nèi)；而白天的觀測(cè)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(cè)點(diǎn)功率譜密度有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍（a）大陸礦測(cè)點(diǎn)0 時(shí)；（b）救援隊(duì)測(cè)點(diǎn)0 時(shí)；（c）礦務(wù)局測(cè)點(diǎn)12 時(shí)；（d）鳥山礦測(cè)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(tái)網(wǎng)共有礦務(wù)局、救援隊(duì)、大陸礦、鳥山礦等4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)背景噪聲分析，得到以下結(jié)論。

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

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

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