微震监测信号辨识方法研究*

曹华锋，林 峰

(1．湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南郴州市 423037;2．长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

微震监测信号辨识方法研究*

曹华锋1，林 峰2

(1．湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南郴州市 423037;2．长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

地下作业环境中产生噪声的震源很多，包括人工噪声、爆破和机械设备噪声等。采用微震监测技术进行地压监测时，对各种震源的辨识是一个工作量大和复杂的分析过程。总结了矿山地下作业环境中的各种震源，提出了对各种震源的经验和理论辨识方法。在现场监测的基础上，对地下矿山爆破、机械作业设备、人员作业、岩体破裂等产生的震源信号进行了波形分析、辨识，给出了各种震源波形的基本特点。所提出的分析方法对于现场岩体破裂微震信号的提取和分析有较好的指导作用。

微震监测;噪声;信号辨识

0 引言

微震监测技术是深部矿山和高应力矿山地压监测的重要监测手段。微震监测技术在矿山地压和安全监测方面的应用主要涉及到对高地应力分布监测、岩爆监测、岩移监测、岩层动态参数监测、崩落范围监测、矿震监测、爆破及其余震监测、大冒顶片帮监测、矿山灾害安全救助、矿山安全预警等多个方面，可以说微震监测技术在矿山地压和安全监测方面的应用是全方位的［1］。微震监测的目的是监测岩石在应力作用下产生破裂时的弹性波信号，并应用这些信号对岩石的稳定性进行评价，对可能产生的岩体的各种破坏灾害等地压现象进行预测。微震监测系统监测一定频率范围的弹性波信号，包括有用信号和噪声。由于地下监测环境较复杂，各种震源产生大量的弹性波信号，混杂在一起，如地震波、爆轰波、人为敲击、开采设备等产生的波等，都是监测的对象。因此，掌握监测区内的震源类型，合理分析各种震源信号的特点、区分各种震源、剔除人为噪音、提取有效信息，就成为微震监测技术应用研究的第一步，也是微震监测应用技术研究的基础［2］。

由于微震监测技术在我国应用得不多，只有很少的有关微震信号辨识的相关报道［3］。本文是在对柿竹园多金属矿采场多通道微震监测基础上［4］，通过总结矿山地下作业环境中的各种震源，提出对各种震源的经验和理论辨识方法，对地下各种信号进行波形分析和辨识，为实际监测技术人员提供一些辨识微震信号的基本方法。

1 地下作业环境中的震源［5］

矿山地下开采作业环境较为复杂，产生震源的因素较多，有直接人为活动产生的震源，如人工敲击、凿岩、出矿、通风、爆破等，也有采矿活动诱发的岩体破坏、断层错动等产生的震源。概括起来，井下环境的主要震源包括6类。

(1)岩石破裂时发出的弹性波。岩石或不连续面在拉、压和压剪力的作用下，产生弹性波或称应力波，引起岩层的震动。这种波是监测的目标，也是分析的主要对象，是有用信号。

(2)爆轰波。地下采矿作业，要进行大量的爆破，因爆破产生弹性波亦称爆轰波。矿山爆破作业频繁，点多面广。根据监测的目的不同，这种震源有时是噪音，有时是要监测的对象，如在监测岩石破坏时，它就是噪音，而在监测爆破产生的地震以及评价因爆破产生的余震时，它则成为要监测的对象。

(3)人员作业活动。地下采区也是采矿人员的工作和活动区，人的基本活动，如行走、讲话、不经意的敲击矿岩体、人工撬顶、设备设施安装等等，都会产生震源信号。

(4)采矿作业设备。各种凿岩设备作业时，会产生大量的震源;各种铲运设备作业时，会产生大量的震源;各种通风设备作业时，会产生大量的震源;各种井下抽排水设备在运行时，会产生震源。

(5)溜井放矿。采区内的溜井在出放矿时，矿石之间的运动、摩擦和震动可形成震源。

(6)电源信号。井下分布有大量的电源信号，如动力和照明电源、通讯设施等，这些电源信号在系统屏蔽失效时，也会进入监测系统的监测范围，成为一种典型的干扰噪音。

2 微震信号的辨识方法［5］

微震监测主要是监测采区岩体(石)在开挖时围岩体内应力集中导致岩体(石)破裂而产生的震动信号，利用这些监测到的前兆信号来评价岩体的稳定性。因此，必须掌握微震监测到的信号的辨识，针对监测的目标，剔除噪音，提取有信号，为进一步的岩体稳定性和地压灾害评价提供基础数据。

微震信号的辨识，可以根据监测操作人员的经验、设备的性能和分析软件的功能来分析。首先应充分利用操作人员的经验，如根据对不同信号发生时间、地点、波形特征等来辨识一些能够容易区别的信号，这样可以快速、有效地实现一些信号的辨识;其次，充分利用设备的性能，如设备有声监听、波形显示等直观的分辨性能，利用这些性能，可以达到对一部分信号的辨识;再次，在前述2种方法难以辨识的情况下，可以根据信号处理软件的功能，通过较复杂的理论分析，对信号进行辨识;最后，可以采用前述3种方法的组合分析方法进行信号辨识，有时，综合分析方法可以起到较好的效果。由于理论分析所需的时间较长，方法比较复杂，因此，尽可能采用前2种方法或前2种方法的综合分析方法进行分析，以达到便捷、快速辨识的目的。

2．1 经验方法

经验方法是监测人员根据自己在长期监测分析中积累的经验，来辨识微震监测信号。这种经验既包括对微震信号自身的认识，也包括对特定矿山开采环境、震源环境的认识。实际上经验方法是1种综合方法，也是1种非常有效的方法。经验法是在监测的同时，及时对监测事件进行的分析。经验分析方法包括:根据微震监测所获得的微震发震时间和空间位置，结合采矿生产作业位置进行辨识;通过对微声的放大监听，辨识一些机械噪音，如凿岩机、铲运机、井下汽车、鼓风机等生产设备作业时产生的微震信号，都具有连续性、稳定性和频率不变的特点。

2．2 理论分析法

理论分析是借助于对岩石破裂性质、震源机理、不同震源的波动特性，对微震信号的波形等进行波形或频谱分析，确定震源的类型。一般而言，理论分析在时间上都滞后于实际监测，是在经验法难以区分时采用的方法。

(1)波形辨识法。不同的发震机制对应的震源所产生的地震波，一般具有不同的波动特性，监测所获得的波形也不同。在波动理论中，涉及到许多性质的波，如体波、面波等。微震监测系统可以监测岩体介质中的体波，即可以监测到纵波和横波，这为波形辨识提供了良好的技术条件。体波由P波(纵波)和S波(横波)组成，纵波又称压缩波，横波又称剪切波。纵波振幅小、周期短、传播快，约以1．7倍于横波的速度首先到达接收传感器，故也称初始波;横波振幅大、周期长、传播慢，晚于P波到达接收传感器，故也称次达波。

(2)频率分析。对于不同的人工震源，都有其自身的固有频率，如凿岩产生的震源，铲运机产生的震源等。根据波形图，可直接分析震源的频率值的大小，通过频率分析，可以帮助识别微震类型。

(3)能量(震级)分析。微震事件有大小，衡量其大小的重要指标就是微震的能量值。通过能量分析，掌握各种震源的能量值的特点，如对应一定量炸药的微震能量、凿岩事件的微震能量等都可以总结分析出来，这对于区分微震类型是非常有利的。

(4)波谱分析。波谱分析包括对各种微震波形进行频率、振幅和相位谱分析，是信号处理中的有利手段。波谱分析的方法是通过富氏变换，从理论上掌握各种震源波的特点，从而达到区分各种震源的目的。

2．3 综合分析方法

在实际应用中，单纯采用上述的某一种方法有时不易对信号进行区分，而采用综合分析方法有助于对信号进行有效的辨识。综合分析方法就是采用经验与理论相结合的方法，两者之间相互弥补，达到区分信号的目的。

2．4 有用信号的自动识别与提取

通过一定时间的监测，就要结合矿山的生产实践、矿岩的物理力学特性，总结一些最能反应岩石破坏特性的微震信号，如什么频率范围的微震信号最能刻画岩石的破坏。若能在这方面总结出一些经验或规律，则有助于通过调整频率范围、触发电平门槛值等，实现对噪音信号的剔除和对有用信号的提取。

(1)选择频率范围。在进行一定时间的监测后，探索和掌握一定的规律，通过选择恰当的监测频率范围，可以达到对一些频率范围的无用信号的剔除。

(2)选择恰当的触发电平门槛值。选择不同的触发电平门槛值，同样可以实现对某些噪声信号的有效的剔除。在掌握了各种震源的正常的振幅大小、能量等特点后，即可选择不同的触发电平门槛值来过滤一些有害的震源信号。

3 实测震源信号分析［5，6］

为便于分析，对各种震源进行测试，监测可能监测到的微震信号，包括岩石破裂产生的微震、爆破、凿岩、通风、铲运机等设备产生的震源的信号，记录并保存所有这些信号的波形图。观察各种类型的震源波形的特征，分析波形的有关参数(频率、振幅、能量等)，必要时进行频谱分析，根据各种震源的特点，进行波形辨识。根据波形辨识，提取岩石破裂产生的有用震源信号，为进一步的研究提供基础数据。

(1)爆破震源。爆破所产生的爆轰波是典型的压缩波。一般来说，当爆轰波不穿过大的不连续面，即只在均匀介质中传播时，只是压缩波，而没有剪切波。但需要指出的是，只有压缩波的震源不一定都是爆轰波。图1(a)是深部采区常规爆破的波形图，它的震动衰减较快;图1(b)是深部采区典型的微差大爆破的波形图，由于采用分段微差爆破，所以形成了振幅延续时间较长。

图1 爆破波形

爆破震源波形衰减迅速，该特点是与凿岩、局扇和其它机械设备连续作业产生的波形的区别点。

(2)凿岩作业震源。在正常作业情况下，冲击频率比较固定，冲击产生的振动波形也基本相似。只要凿岩机不停止作业，凿岩信号的波形就具有连续性，如图2所示。同时，凿岩具有地点已知、作业时间段已知等特点，这些都为辨别凿岩震源提供了依据。从典型的凿岩震源波形中可以分析出，凿岩不仅具有一定的频率，而且对于冲击式凿岩机械有1个明显的冲击特征，其正常工作时，冲击频度一般是比较固定的。

图2 凿岩机凿岩波形

(3)铲运机作业震源。铲运机作业具有连续性的特点，铲运机自身的噪音有比较固定的频率范围。因此，可以通过测定不同型号的铲运机在作业时的波形，分析铲运机的波形参数，达到辨识铲运机震源的目的。

(4)电信号。井下有大量的照明、动力等电缆。如果监测系统对井下的模拟信号的屏蔽不好时，这些电源对系统的模拟信号会产生干扰。对于照明和动力电源，其频率为50 Hz，且波形连续，振幅稳定。典型的电信号干扰波形表明，电信号干扰的波形连续、振幅和频率稳定，频率为50 Hz，无衰减现象。

(5)岩石破裂产生的震源。岩石破裂产生的震源因产生破裂的形式不同而不同。一般来说，对于压剪型破坏，如前所述都会产生P波和S波;对于张拉型破坏，一般只会产生P波。不过，由于S波不能在空气和水等介质中传播，因此即使是1个含有P波和S波的震源，在其传播过程中当遇到水或空气等介质时，S波的传播也会受到阻断;或在通过不连续地质界面时，S波产生不同程度的衰减而变得不易辨识，此时可能出现一些传感器接收的波形包含P波和S波，而另一些传感器的波形则只能辨识出P波。在柿竹园矿监测到的典型的包含P波和S波的剪切破裂的微震波，是大爆破后发生在大爆破采场的余震震源波形。

(6)人工敲击。人工敲击产生的震源一般会产生P波和S波，并且此时的波形与微震的波形极为相似。因此，要仔细分辨这种干扰信号。一般来说，人工垂击产生的震源的能量不大，波形的振幅值也比微震事件的小得多;在实际监测时，只有垂击点附近的传感器可以接收得到垂击的信号，远离垂击点的传感器往往不能接收到这种信号。一般情况下，可以根据井下人员的作业地点、震源点、发震时间和能量大小等经验方法来判断，在难以根据经验辨识时，就必须根据谱分析来辨识它们。典型的人工锤击所获得的波形，其震级在－4级以下，且震动衰减相对较快，震动持续时间一般在几十毫秒。

(7)局扇噪音。在采区内，局扇是常用的通风设备，是噪音源。局扇产生的噪音，会对其附近的传感器产生影响。由于局扇有分段连续性的工作特点，通过对其的专门测定和监听后，可掌握其噪音特点，区分之是不难的。典型的局扇通风时的噪音波形连续，比较杂乱。

通过上述分析，总结出常见几种震源和噪音的主要技术特点和技术参数，见表1。

表1中的参数是根据实测事件分析所得的结果，事件参数有一定的变化，有的事件如岩石破裂的参数变化还很大，因此，表中参数仅供参考。以上是对波形一般的直观分析方法，在无明显噪音干扰的情况下无需进行谱分析，且这种方法简单易行，现场技术人员易于掌握。

一些微震监测系统配置了声信号监听装置，可以通过扬声器或耳机等直接监听各种监测得到的信号。实际上，一些机械噪声如凿岩、通风等产生的噪声，对于1个有经验的监测人员来说，甚至无需进行波形分析就可以通过直接监听的方法辨识出来。

目前，微震监测系统大多是全数字型监测系统，实现了对计算机之间的信号传输，配置了较为完善的信号分析处理软件，包括对信号的波谱分析，如振幅谱、频率谱和相位谱等。当采用上述的经验辨识和常规理论辨识方法不能对信号进行分辨时，采用监测系统提供的信号分析软件进行进一步的谱分析是必要的。实时、可视化的分析软件操作方便，技术人员易于掌握。限于篇幅，本文对进一步的信号分析不作介绍。

4 结语

现场监测表明，每天监测数据量较大。因此，微震监测数据处理是一个很繁琐、复杂、费时的工作，而且也是一个必须认真、细致的分析工作。在实际监测中，每天都要处理大量的各种信号，且必须从中辨识出有用信号，这就要求测试分析人员有丰富的经验，对生产安排、生产作业过程还要有充分的了解，在此基础上，充分根据经验、震源位置和波形图等就能将大量的震源信号排除，只有在较为复杂的情况下，才需要有针对性地对一些震源事件进行理论上的波谱分析。本文在现场监测的基础上，给出了几种重要地下震源的波形特征，总结了一些分析方法，所有这些都是最基本和初步的。

［1］ 国家十一五科技攻关项目子项“柿竹园多金属矿地压微震监测技术研究”报告［R］．长沙:长沙矿山研究院，2008．

［2］ Gibowicz S J，Kijko A．矿山地震学引论［M］．修济刚，等．北京:地震出版社，1998．

［3］ 陆菜平，窦林名，吴兴荣，等．岩体微震监测的频谱分析与信号识别［J］．岩土工程学报，2005，27(7):772 －775．

［4］ 李庶林，尹贤刚，郑文达，等．凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(12):2048－2053．

［5］ 柿竹园多金属矿“井下采区特大型爆破地应力变化过程实时监测”报告［R］．长沙:长沙矿山研究院，2010．

［6］ ESG Canada Inc．ESG Solutions［R］．Canada，2007．

国家十一五科技攻关项目(2006BAB02B05)．

201－10－10)

曹华锋(1970－)，男，湖南郴州人，工程师，主要从事矿山生产与管理工作。