深埋隧洞即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征

肖亚勋，冯夏庭，陈炳瑞，丰光亮

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071）

1 引言

获取、分析和总结岩爆发生的前兆微震活动特征，是建立基于微震监测的岩爆预警方法的基础。

已有的岩爆前兆微震活动特征研究主要集中于岩爆发生前的微震事件震源参数的演化规律分析，包括事件数、视体积、能量指数、b 值等。Mendecki[1]提出了一个可靠的震源参数视体积，发现冲击地压前通常伴有累积视体积突增和能量指数突降的前兆特征；Xie等[2]对矿山开挖过程中岩爆发生前微震活动的空间特征开展了分形分析；Urbancic等[3]分析了岩爆前低震级的b 值和各种应力参数的关系；李元辉等[4]则通过单轴受压岩石破裂的声发射试验发现，分形维值和b 值开始较快速下降，可作为岩石失稳破坏的前兆；Tang等[5]分析了岩爆发生前微震活动成核区内岩体刚度的变化趋势；而针对深埋隧洞，冯夏庭和陈炳瑞揭示了即时型岩爆和时滞型岩爆孕育过程中的微震事件数、视体积及能量指数等微震参数的演化特征[6－9]；于洋等[10]发现能量分形维度在即时型岩爆的孕育过程不断增加，岩爆临近前会增加到某个临界值以上。

实际上，岩爆孕育过程中所记录的微震波波形的频谱特征本身就包含着较为丰富的前兆信息，但针对岩爆孕育过程的频谱特征研究则甚少。Frid等[11]在澳大利亚Moonee煤矿监测顶板的垮落过程发现，顶板宏观破断之前微震信号主频由高频向低频发展；陆菜平等[12－13]开展了煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究，随后进一步又分析了顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征，研究表明，微震信号的频谱向低频段移动，且振幅逐渐增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息；Xiao等[14]发现，深埋隧洞不同开挖方式诱发的即时型岩爆孕育过程具有不同的微震事件主频分形特征，但整体而言，岩爆孕育过程中主频分形维数不断降低。

对于深埋隧洞而言，其岩爆实时微震监测采用紧跟掌子面移动的传感器布置方法，传感器与岩石微破裂集中区（即掌子面附近）的距离通常不超过200 m。同时较宽的传感器响应频率，一般达到5～2 000 Hz，可监测到的岩石微破裂震级分布广泛，可有效监测到岩爆孕育过程中丰富的微震信息[5，15]，这一点是已往矿山岩爆监测中不可比拟的。因此，探究深埋隧洞岩爆孕育过程的前兆频谱特征，为其高强度岩爆风险估计及预警提供依据和参考，对现场施工安全具有非常重要的意义。

本文以目前世界埋深最大的锦屏二级水电站引水隧洞及排水隧洞频发的即时型岩爆作为研究对象。首先给出了深埋隧洞频谱特征参数的计算方法，在此基础上，探究了不同开挖方式下不同强度即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征，以期为即时型岩爆发生时间及强度预警提供依据和参考。

2 微震波频谱特征参数计算方法

2.1 岩爆微震实时监测方案

TBM岩爆微震实时监测的传感器布置如图1所示。采用6个微震传感器分2个监测断面进行布置，监测断面上传感器安装位置如图1(b)所示，孔深为2 m。传感器断面布置与移动如图1(a)所示：首先于离掌子面约70 m处L2区平台布置监测断面I；TBM向前掘进30～40 m后，同样在L2区平台布置监测断面II；当TBM再向前掘进30～40 m时，监测断面I位于L3区平台与L区平台之间时，回收监测断面I处传感器并重新布置于L2区平台，依次循环，实现实时微震监测。钻爆法监测方案与此类似，仅传感器安装高度和角度有所差异。为了便于叙述，台站名称记为Ri-x，其中Ri 表示安装的第i 排传感器，随着掌子面的推进，不断累计；x 则表示传感器安装位置，L、C和R分别代表位于面向掌子面的左侧边墙、拱顶及右侧边墙。如R6-C表示第6排安装于拱顶的传感器。

图1 传感器布置[8]Fig.1 Layouts of sensors[8]

2.2 微震波衰减特征研究

选取能真实反映微震源特征的波形参数是开展基于波形特征的岩爆孕育规律研究的首要任务。

基于信号波形特征开展岩爆孕育规律研究前，通过小波-神经网络进行岩石微破裂信号识别及小波变换的降噪处理，相关方法与降噪流程参见文献[6]，确保岩石微破裂信号波形特征参数的可靠性。

频谱是指对时间-振幅的波形时域图进行FFT变换后绘制的频率-振幅的波形频域图。通常采用最大有效频率feff和最大有效振幅Aeff两个参数来描述微震波的频谱特征。微震振动振幅通常是震源强度的最直接体现，而微震振动的频率特性在很大程度上由其辐射波形的最大振幅所对应的频率，即最大有效频率所决定。因此，频谱的最大有效振幅和最大有效频率分别作为波形时域和频域上最重要的两项参数，常常被作为研究地震或矿震孕育规律研究的重要技术指标。但开展深埋隧洞岩爆微震监测时，上述两个频谱特征参数是否可作为真实体现微震源特性的指标仍有待考证。因此，首先开展了微震波振幅及频率的衰减特征分析。

文献[14]分别提取并分析了lgE≈1、2、3、4的微震事件对应微震波波形信息的时域及频谱特征，通过绘制不同强度震源辐射波形的最大振幅及最大有效频率随距离的衰减曲线，给出了深埋隧洞微震波最大振幅和最大有效频率的衰减特征，如图2所示。可以看出：①震源强度越大，即微震释放能越大，微震波振幅越大且最大有效频率越低，反之亦然；②震源强度越小，即微震释放能越小，振幅及频率的衰减越明显，反之亦然；③振幅及最大有效频率随距离的增大均成负指数衰减，振幅衰减指数约为-2，而频率的衰减程度远不如振幅，衰减并不明显。

图2 微震波衰减特征[14]Fig.2 Attenuation of microseismic wave

必须指出的是，上述微震波衰减特征适用于传感器与微破裂源距离为70～200 m的情况，这与深埋隧洞微震监测传感器与微破裂源距离是一致的，并不表征微震波在0～70 m范围内的衰减特征，已往的研究表明，微震波振幅和高频段在近场的衰减速度远远高于远场。

2.3 频谱特征参数计算

上述微震波波形的衰减特征表明：对于同一微震源，与其不同距离的传感器所记录的微震波波形最大振幅可能相差甚远；换言之，对于不同的微震源，其触发的传感器记录的微震波波形最大振幅相仿时，因微震源与传感器距离的不同，其微震释放能可能相差较大。而最大有效频率这一参数则受传感器与微震源距离的影响较小，即对于同一微震源，与其不同距离的传感器所记录的微震波波形最大有效频率相差较小，而最大有效频率相仿的波形对应微震源的微震释放能则大致相当。如2010年6月9日16时25分57秒监测系统记录到的一微震事件。该事件的局部震级为-1.6，微震辐射能为509.339 8 J，共触发了离掌子面由近及远的R7和R5二个监测断面共6个台站的传感器。其所在R7和R5断面的波形最大振幅之比为4.79×10-4:1.24×10-4=3.86:1，而其对应台站与微震源距离的平方之比则为：(61)2:(119)2=1:3.81。这与上述波形振幅随距离呈指数为-2的幂指数衰减特征一致。该事件对应微震波波 形的最大有效频率多为390～430 Hz。仅R5-R台站对应波形的最大有效频率与其他偏差较大，约为282 Hz。这表明，最大有效频率随距离的衰减并不明显，与上述微震波频率衰减特征基本一致。

综上所述，将振幅作为分析参数时，需考虑微震源与其对应触发传感器的距离的影响。而最大有效频率则为较为稳定的波形特征分析参数。

基于上述微震波波形衰减特征的分析，仍采用最大有效频率来描述频谱的频率特性；修正了最大有效振幅，以采用相对有效振幅Arel来表征频谱的振幅特性。对于同一微震波，波形最大振幅以一定比例增大或缩小时，其频谱最大有效振幅将以相同的比例增大或缩小。因此，参考振幅的衰减特征，相对有效振幅的计算方式为

式中：Arel为微震波频谱的相对有效振幅（m/s）；Aeff为微震波的最大有效振幅（m/s）；R为触发传感器至微震源的距离（m）。

3 典型岩爆案例分析

所谓即时型岩爆，是指开挖卸荷效应影响范围内，完整、坚硬围岩中发生的岩爆。在深埋隧洞内，即时型岩爆发生在施工过程中的隧洞掌子面0～30 m范围内，多在开挖后几小时或1～3 d内发生[7]。

一方面，即时型岩爆发生于掌子面附近；另一方面，即时型岩爆孕育过程中所记录的微震事件通常分布于当前掌子面后方30 m到前方10 m区域内。因此，通常选取当前掌子面后方30 m到前方10 m区域内的微震信息用于开展即时型岩爆风险的预警[6]。

以简化研究问题以及减少微震信号衰减为原则，重点研究每日位于掌子面后面30 m到前方10 m区域内且能量最大的岩石微破裂微震事件[16]。同时，为了避免因传感器频繁移动造成的影响，某一岩爆孕育过程尽量选择参与了其整个过程的同一传感器的微震波信息开展分析。对其记录的微震波时域波形进行FFT变化，从而获得其频谱信息，继而分析不同等级即时型岩爆孕育过程中的频谱演化规律。

3.1 TBM诱发即时型岩爆案例分析

2010年6月11日，3#TBM掌子面后方南侧边墙至拱肩发生了强烈岩爆。2010年6月6日凌晨至该次岩爆发生期间，微震监测系统共记录到了局部震级为[-2.5，1.2]的90个微震事件，基本上涵盖了整个微震监测期间记录到的各种强度的岩石破裂微震源。图3为此次即时型强烈岩爆造成的宏观破坏。

图3 TBM6月11日即时型强烈岩爆宏观破坏特征(2010)Fig.3 Damage of an immediate intense rockburst occurred on 11 June 2010 induced by TBM excavation

该次即时型岩爆频谱信息演化如表1所列。图4则为5月28日到6月11日期间单日能量释放最大的岩石破裂微震事件对应频谱特征图。从表中可以看出，6月7日与8日所记录的能量释放最大的微震事件对应微震辐射能分别为5.5×103J与8.9×104J，两者相差近10倍。但因8日微震源距监测台站R6-C的距离约为7日的3.2倍，致使两日微震事件对应记录波形的最大有效振幅基本相同。这与波形最大振幅与距离的平方成反比的振幅衰减吻合。同时，也说明相对有效振幅较最大有效振幅能更好地体现震源的强度特征，可更好地表征微震事件的频谱特征。

图4 TBM开挖6月11日强烈岩爆频谱演化（2010）Fig.4 Evolution of spectrum during intense rockburst occurred on 11 June induced by TBM(2010)

表1 TBM开挖6月11日强烈岩爆频谱参数（2010）Table 1 Spectrum parameters during intense TBM-induced rockburst occurring in June 11，2010

图5为TBM开挖诱发6月11日即时型强烈岩爆的频谱特征演化图。从图中可以看出：①整体而言，强烈岩爆孕育过程中，最大有效频率向低频移动，同时，相对有效振幅则逐渐增加，强烈岩爆发生时，相对有效振幅达到最大值，最大有效频率则降至最低；②无岩爆发生时，每日能量释放最大的微震事件对应的相对有效振幅较小，量级约为10-6m/s，最大有效频率则多大于300 Hz；③轻微岩爆时有发生或中等岩爆发生前，相对有效振幅的量级增长至10-5m/s，最大有效频率则多介于200～300 Hz；④强烈岩爆发生前，轻微岩爆频发且伴随少量的中等岩爆。此时，微震事件对应相对有效振幅较大，量级保持在10-4m/s，最大有效频率则均在200 Hz以下。

图5 TBM开挖6月11日强烈岩爆频谱参数演化（2010）Fig.5 Evolution of spectrum parameters during intense TBM-induced rockburst occurring in June 11，2010

需要说明的是，6月2日微震释放能最大的微震事件对应的波形频谱出现了两个尖点，分别是157.2 Hz和281 Hz，如图4(b)所示，对应的振幅相差仅3×10-6，是一个较为特殊的微震信号，但为保证研究的真实性，分析中仍将该事件的最大有效频率记为了157.2 Hz，从而造成了图5中6月2日最大有效频率突降的现象。

同年7月21日3#引水隧洞TBM洞段发生了另一次即时型强烈岩爆，该次岩爆孕育过程与6月11日相似，发生过程中伴有少量的轻微及中等岩爆。经分析表明，该次岩爆与TBM诱发6月11日的即时型强烈岩爆的频谱演化特征基本一致。限于篇幅，不再展开叙述。

3.2 钻爆法诱发即时型岩爆案例分析

2011年1月5日00:30左右，当1#引水隧洞工作面开挖至桩号SK8+682时，现场扒渣过程中于SK8+678南侧边墙至拱肩处发生了中等岩爆，岩爆发生时有较大声响，最大坑深达0.9 m。随后在1月11日15:30，当开挖至SK8+711时，在掌子面随机支护的过程中于SK8+709南侧边墙至拱肩发生了强烈岩爆，岩爆发生时声响巨大，坑深为0.8～1.6 m。该次岩爆造成了现场支护设备的损坏，但所幸无人员损伤。上述两次岩爆发生位置及时间均在开挖卸荷效应范围内，均为典型的即时型岩爆。

微震系统实时连续监测并记录了1月1日至11日期间TBM开挖诱发围岩破裂的微震响应信息，基本完整记录到了上述岩爆的孕育及发生过程。依然采用上述TBM所用的分析方法，研究钻爆法开挖诱发即时型中等及强烈岩爆孕育过程的频谱演化规律。

表2所列为上述即时型中等及强烈岩爆过程的频谱信息。图6则为上述钻爆法诱发即时型岩爆孕育过程中每日能量释放最大微震事件的频谱图。其中1月5日此次岩爆所在工作面监测设备因供电故障未正常作业，但岩爆发生时间对应的微震事件仍触发了布置于其他隧洞工作面的远端传感器，这表明整体协同、局部最优的微震监测方法[5]有效保障了微震活动信息的获取。但1月5日远端传感器所记录的最大有效振幅为2.7×10-6m/s，远远低于其他几日，通过修正后的相对有效振幅则为5.3×10-5m/s，显然相对有效振幅比最大有效振幅能更好体现震源的强度特征，可更好地表征微震事件的频谱特征。

表2 钻爆法开挖1月11日强烈岩爆频谱参数（2011年）Table 2 Spectrum parameters during intense D&B-induced rockburst occurring in January 11，2011

图6 钻爆法开挖1月11日强烈岩爆频谱演化（2011）Fig.6 Evolution of spectrum during intense D&B-induced rockburst occurring in January 11，2011

图7为此次即时型中等及强烈岩爆孕育过程的频谱演化特征。可以看出：①中等岩爆发生前，相对有效振幅的量级维持在10-5m/s，最大有效频率则多介于200～300 Hz；②强烈岩爆发生前，微震事件对应相对有效振幅的量级增长并保持在10-4m/s，最大有效频率则均在200 Hz以下；③对于一个完整的岩爆孕育过程，当岩爆发生时，相对有效振幅增至最大，同时最大有效频率降至最低。

图7 钻爆法开挖1月11日强烈岩爆频谱参数演化(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日期间，相同洞段内1#引水隧洞内无岩爆发生，该期间每日最大释放能量微震事件的频谱演化特征如图8所示。从图中可以看出，无岩爆发生时，每日最大释放能量微震事件频谱对应的相对有效振幅的量级为10-6m/s及以下；而最大有效频率则均大于300 Hz，甚至部分达到了450 Hz以上。这表明，无岩爆发生时围岩较为稳定，仅有较小尺度的岩石破裂发生。

图8 钻爆法洞段无岩爆时的频谱特征(2011)Fig.8 Spectrum feature without rockburst in D&B tunnel(2011)

钻爆法其他洞段内即时型岩爆孕育过程的频谱特征与上述案例基本一致，不再予以举例说明。

3.3 即时型岩爆孕育过程的频谱特征机制分析

岩爆的孕育过程实质是岩石破裂的过程，岩爆发生前必然伴有一定尺度的微破裂发生。岩爆发生等级越大，其孕育过程中伴有的破裂尺度则越大，对应频谱低频成分可能增多且振幅增大。这一结论已得到了证实[17－18]。无论对于TBM或钻爆法洞段，其即时型岩爆孕育的表征形式可能不同，但破坏机制是相同的[6]。频谱特征分析时仅采用每日能量释放最大的微震事件，弱化了对表征形式的描述。因此，TBM与钻爆法洞段内岩爆孕育过程的频谱特征基本一致。上述实际案例分析也体现了该点。微震信号的频谱演化特征可作为预警岩爆发生时间及等级的依据。

4 结论与展望

（1）基于微震波波形衰减特征，修正了最大有效振幅，将相对有效振幅和最大有效频率作为频谱分析参数，实际案例分析也表明，相对有效振幅比最大有效振幅能更好体现震源的强度特征，可更好地表征微震事件的频谱特征。

（2）即时型岩爆孕育过程有如下频谱特征：①无岩爆发生时，每日最大释放能量微震事件频谱对应的相对有效振幅的量级为10-6m/s及以下，而最大有效频率则多大于300 Hz；②中等岩爆发生前，相对有效振幅的量级维持在10-5m/s，最大有效频率则介于200～300 Hz；③强烈岩爆发生前，微震事件对应相对有效振幅的量级增长并保持在10-4m/s，最大有效频率则基本在200 Hz以下；④对于一个完整的岩爆孕育过程，当岩爆发生时，相对有效振幅增至最大，同时最大有效频率降至最低。

（3）不同开挖方式下即时型岩爆孕育过程的频谱特征基本一致，其原因在于不同开挖方式下即时型岩爆孕育机制基本相同，且频谱特征分析时仅采用每日能量释放最大的微震事件，弱化了对表征形式的描述。微震信号的频谱演化特征可作为预警即时型岩爆发生时间及等级的依据。

必须指出的是，上述规律是总结基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水隧洞所即时型岩爆的微震实时监测数据所给出的。不同的工况、传感器选择、传感器布置方法、其所监测到的岩爆孕育监测信息可能是不同的，这样将导致不同等级岩爆孕育过程中微震波对应的相对有效振幅的量级及最大有效频率演化呈现出不同的特征。可借鉴本文的研究思路进行对应的总结，为预警岩爆发生时间及等级提供参考与可靠的依据。

[1]MENDECKI A J.Real-time quantitative seismology in mines[C]//YOUNG R P.Proceedings of the 3rd International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines.Rotterdam:A.A.Balkema，1993:287－295.

[2]XIE H，PARISEAU W G.Fractal Character and Mechanism of Rock Bursts[J].International Journal of Rock MechanicsandMiningSciences&Geomechanics Abstracts，1993，30(4):343－350.

[3]URBANCIC T I，TRIFU C，LONG J M，et al.Space-time correlations of b-values with stress release[J].Pure and Applied Geophysics，1992，139(3):449－462.

[4]李元辉，刘建坡，赵兴东，等.岩石破裂过程中的声发射b 值及分形特征研究[J].岩土力学，2009，30(9):2559－2564.LI Yuan-hui，LIU Jian-po，ZHAO Xing-dong，et al.Study on b-value and fractal dimension of acoustic emission during rock failure process[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(9):2559－2564.

[5]TANG L Z，XIA K W.Seismological method for prediction of areal rockbursts in deep mine with seismic source mechanism and unstable failure theory[J].Journal of Central South University of Technology，2010，(17):947－953.

[6]冯夏庭，陈炳瑞，张传庆，等.岩爆孕育过程的机制、预警与动态调控[M].北京:科学出版社，2013.

[7]冯夏庭，陈炳瑞，明华军，等.深埋隧洞岩爆孕育规律与机制:即时型岩爆[J].岩石力学与工程学报，2012，31(3):433－444.FENG Xia-ting，CHEN Bing-rui，MING Hua-Jun，et al.Evolution law and mechanism of rockbursts in deep tunnels:immediate rockburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(3):432－443.

[8]陈炳瑞，冯夏庭，曾雄辉，等.深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30(2):275－283.CHEN Bing-rui，FENG Xia-ting，ZENG Xiong-hui，et al.Real-time microseismic monitoring and its characteristic analysis during TBM tunneling in deep-buried tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(2):275－283.

[9]陈炳瑞，冯夏庭，明华军，等.深埋隧洞岩爆孕育规律与机制:时滞型岩爆[J].岩石力学与工程学报，2012，31(3):561－569.CHEN Bing-rui，FENG Xia-ting，MING Hua-Jun，et al.Evolution law and mechanism of rockbursts in deep tunnels:time delayed rockburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(3):561－569.

[10]于洋，冯夏庭，陈炳瑞，等.深埋隧洞不同开挖方式下即时型岩爆微震信息特征及能量分形研究[J].岩土力学，2013，34(9):2622－2628.YU Yang，FENG Xia-ting，CHEN Bing-rui，et al.Analysis of energy fractal and microseismic information characteristics about immediate rockbursts in deep tunnels with different excavation methods[J].Rock and Soil Mechanics，2013，34(9):2622－2628.

[11]FRID V，VOZOFF K.Electromagnetic radiation induced by mining rock failure[J].International Journal of Coal and Geology，2005，64(1－2):57－65.

[12]陆菜平，窦林名，吴兴荣，等.煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(3):519－525.LU Cai-ping，DOU Lin-ming，WU Xing-rong，et al.Experimental and empirical research on frequencyspectrum evolvement rule of rockburst precursory microseismic signals of coal-rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(3):519－525.

[13]陆菜平，窦林名，郭晓强，等.顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征[J].岩石力学与工程学报，2010，29(5):1017－1022.LU Cai-ping，DOU Lin-ming，GUO Xiao-qiang，et al.Frequency-spectrum characters of microseismic signals induced by roof stratum fracture[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(5):1017－1022.

[14]XIAO Y X，FENG X T，YU Y.Frequency fractal feature of microseismic events in the process of immediate rockburst in deep tunnel[C]//FENG XIATING.The 3rd ISRM Symposium on Rock Mechanics.London:Taylor&Francis Group，2013:777－780.

[15]肖亚勋，冯夏庭，陈炳瑞.深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究[J].岩土力学，2011，32(10):3111－3119.XIAO Ya-xun，FENG Xia-ting，CHEN Bing-rui，et al.Rockburst risk of tunnel boring machine part-pilot excavation in very strong rockburst section of deep hard tunnel[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(10):3111－3119.

[16]LU C P，DOU L M，WU X R，et al.Case study of blast-induced shock wave propagation in coal and rock[J].International Journal of Rock Mechanics &Mining Sciences，2010，47:1046－1054.

[17]许昭永，王彬，胡毅力，等.试论岩石破裂和破坏的差异对地震模拟及前兆研究的影响[J].地球物理学报，2009，52(3):712－719.XU ZHAO-Rong，WANG Bin，HU Yi-Li，et al.A discussion on the influence of the difference between the rock fracture and failure to the earthquake simulation and the precursor studies[J].Chinese Journal of Geophysics，2009，52(3):712－719.

[18]ZHANG L F，IMAN F，LIAO W L，et al.Source rupture process inversion of the 2013 Lushan earthquake，China[J].Geodesy and Geodynamics，2013，4(2):16－21.