三道庄矿微震信号辨识应用研究

谢九敬（洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南洛阳471500）



三道庄矿微震信号辨识应用研究

谢九敬
（洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南洛阳471500）

摘要：针对三道庄矿生产作业环境复杂，从大量掺杂着的干扰信号中提取有效信号，有效地应用微震信号对岩石稳定性进行评价，对可能产生的破坏灾害进行预测具有重要意义。文章对该矿山各种微震信号源按实际监测需要进行了大致分类，分为岩体破裂信号、噪音信号和爆破信号三大类。在大量现场微震监测基础上，总结出了微震信号经验辨识法和频谱分析辨识法。利用经验辨识方法从波形振幅值、持续时间、上升时间、信号间隔等方面对各种震源波形的直观特征进行了辨识；利用频谱分析法对各种微震震源频率成分进行分析，总结出了三道庄矿各种微震震源信号特征。研究成果给矿山现场快速准确提取有用微震信号提供了依据。

关键词：微震监测；信号辨识；经验辨识法；频谱分析法

0引言

微震监测技术是基于信息化高技术的矿山安全监测技术，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，对可能产生的各种破坏灾害等地压现象进行预测。由于实际监测环境往往比较复杂，在监测到有用信号的同时，往往会获得大量掺杂在一起的干扰信号，即噪音信号。因此，如何区分有用信号和噪音信号，从大量的监测信号中快速准确地提取出有用信号是微震监测技术应用研究的基础。国内外专家在信号辨识和提取方面做了大量的研究工作[1-4]，比如利用FFT谱分析、小波分析方法进行信号辨识，这些研究主要是围绕信号分析方法和理论研究。笔者在这些研究的基础上，利用大量现场监测经验，总结出了经验辨识法和频谱分析辨识法相结合的方法，利用该方法可以快速有效地进行现场信号辨识应用，对现场工程具有应用和推广价值。

三道庄矿为中国特大型钨钼生产基地，矿山开采前期采用地下开采，为了合理利用资源，从20世纪90年代初开始露天开采，经过30多年的前期地下开采，在露天台阶下方形成了面积约120万m2，体积约1 800万m3的复杂地下采空区，严重影响了矿山的正常生产，空区处理与露天生产危险程度高。例如2007年汛期时“6·14”塌陷事故造成1台351潜孔钻机被埋；2007年9月8日，在露天台阶1402水平南部发生塌陷事故，一台挖掘机陷入地下采空区内；2012年5月，一台潜孔钻机在采场作业期间因台阶塌陷被埋等。针对露天台阶和采空区稳定性问题，矿山于2012年建立了一套48通道微震监测系统，实现了对地下采空区和露天台阶的全天候、实时和立体监测[5-8]。

1微震监测技术原理

微震是岩体或其他材料介质在受力作用影响下，以弹性波的形式释放能量的过程。微震监测技术就是指利用专门的微震监测设备来采集和记录岩体或其他材料在受力作用下释放的弹性波，以此来分析微震震源特征，进而分析评价震源稳定性和安全状况的一种技术，图1为微震监测技术原理示意图。

图1微震监测技术原理示意Fig.1 Schematicdiagramofmicro-seismicmonitoringtechnology

在实际工程应用过程中，微震监测的目标信号往往只是一种或者几种需要的信号，我们称为有用信号，但是在实际工程应用中，由于作业环境复杂，在监测过程中通常会采集到大量有用信号以外的其他信号。因此，如何快速准确的区分各种微震信号，从中提取出有用信号是实际微震监测应用的第一步，也是下一步微震监测分析的基础[9-11]。

2矿山震源种类

三道庄矿生产作业复杂，产生的震源种类也很多，按实际监测需要来分类，大致可以分为三大类：一是岩体破裂信号，这类信号是实际监测需要分析的有用信号；二是干扰信号，也称为噪音信号，这类信号往往在提取有用信号过程中产生最大干扰。三是爆破信号，这类信号是介于前面两种信号之间的，通常在不对爆破和爆破余震进行监测时，这类信号属于噪音信号，反之，则属于有用信号。

2.1岩体破裂信号

岩体破裂信号是指岩体在受到拉力、压力或者剪切力等作用下产生破坏或微破裂过程而产生的弹性波。这类信号是实际监测所需要的，通常利用获取的岩体破裂信号对震源岩体的稳定性进行分析。

2.2噪音信号

由于实际工程作业环境复杂，往往会产生大量的噪音信号，根据三道庄矿噪音震源的不同，大致分为三类：

（1）电磁噪声。在微震监测系统周围存在大量的电磁信号，这些电磁信号有时会影响微震监测信号，造成微震信号畸化，从而成为噪音信号。系统自身运行过程也会受一些电磁冲击影响，产生噪声信号。

（2）机械作业噪音。三道庄矿生产过程存在大量的机械作业，比如凿岩设备、铲装设备、运输设备等。这些机械设备作业时会触发周围的微震传感器，从而被监测系统采集到，成为信号提取过程中的噪音信号。

（3）人为作业噪音。实际微震监测区域存在人员活动作业，比如行走、说话、人为敲击、其他生产作业等，这个过程都会产生噪音信号。

2.3爆破信号

矿山实际产生过程中存在大量爆破作业，会产生爆破信号，爆破信号有时可以成为有用信号。在对爆破和爆破余震进行监测分析时，爆破信号就成为研究过程中的有用信号；当不对爆破进行专门研究时，它则被列入噪音信号中。

3微震信号辨识法

3.1经验辨识法

经验辨识方法是在长期监测分析基础上总结出来的一种经验方法，也是一种综合分析方法。这种方法建立在监测人员对各种微震波形特征熟悉的基础上，同时还需要熟悉监测作业环境。通常需要从波形振幅值、持续时间、上升时间、信号间隔等方面对波形的直观特征进行辨识，同时还需要通过震源信号发生时间和空间位置，并结合现场作业环境来对微震信号进行辨识。经验辨识方法是一种非常有效的方法，是实际监测中最为常用的方法。以下为典型的利用经验辨识方法来进行信号辨识案例。

图2和图3是岩体变形破裂产生的微震信号波形，是重点监测对象。从波形直观特征来看，波形信号持续时间很短，一般为10～30 ms，波形尖锐；剪切破裂波形有明显的P波和S波震相，P波传播速度快，S波速度慢，P波在前S波在后，且S波携带能量大，即振幅值大；张拉破坏波形只有P波震相。

图4是典型电磁噪音波形，这类波形振荡简单，振幅值较大，上升时间很短，一般很容易辨识。

图5是典型机车行驶波形，这类信号的特点是波形持续时间较长，一般为2～3 s。

图2岩体剪切破坏产生的波形Fig.2 Waveform generated by rock shear failure

图3岩体张拉破坏产生的波形Fig.3 Waveform generated by rock tensile failure

图4电磁噪音波形Fig.4 Waveform of electromagnetic noise

图5机车行驶产生的波形Fig.5 Waveform generated by engine running

图6是典型凿岩过程产生的波形，这类波形一般很好辨识，单个事件的时间间隔均匀，且单个事件的振幅也基本一致。

图7是典型的人为敲击岩体产生的波形，这类波形的最大特点是信号往往以多个单个事件组成，且间隔时间和人为敲击间隔一致，单个事件和岩石破裂波形很相似。

图8为典型爆破波形，这类波形的最大特点是触发传感器数量较多，振幅值较大，由于露天大爆破采用分段延时爆破，所以信号持续时间较长，一般在100～300 ms。

图6凿岩波形Fig.6 Waveform generated by drilling

图7人为敲击岩体产生的波形Fig.7 Waveform generated by man-made percussion rock

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

3.2频谱分析辨识法

经验辨识法具有较快的识别速度和较高的准确率，但是，对于波形形态特征比较相似的信号，经验识别还是十分困难的。此时就需要考虑从信号的频率特征进行辨识，因为不同震源产生的机理不同，所产生的波形频率成分也不相同。目前通常采用傅里叶变换理论来对信号频率成分进行分析，傅里叶变换的原理是将一个信号从振幅随时间变换信息转换成为振幅或者相位随频率变换信息，从而求解出信号的频率成分。

利用经验辨识法可以判断图9波形为典型的岩体破裂波形，但仅仅根据波形表观特征无法判别该波形是岩体剪切破坏时产生的波形还是岩体拉伸破坏时产生的波形。

对波形进行频谱分析，图10为岩体破裂波形频谱分析结果，可以看出该波形具有两个明显的频率范围段，分别为主频段和次主频段，主频和次主频分别为3000 Hz和2 600 Hz，由此可以判断波形具有P波和S波，为典型的岩体剪切破坏时产生的波形。

图11是露天台阶生产爆破波形频谱分析结果，图中显示该波形频率范围为0～200 Hz，主频为68 Hz左右。

图12是井下爆破波形频谱分析结果，结果显示该波形频率范围为0～500 Hz，主频为126 Hz左右。

利用上述经验辨识法和频谱分析法对矿山各种微震震源特征进行分析，表1为三道庄矿各种震源信号特征分析结果。

图10岩体破裂波形频谱分析结果Fig.10 Spectrum analysis of rock fractured wave

图11露天台阶爆破波形频谱分析结果Fig.11 Spectrum analysis of waveform generated by blasting in the open bench

图12井下生产爆破波形频谱分析结果Fig.12 Spectrum analysis of underground blasting wave

表1三道庄矿各种震源微震信号特征Tab.1 Micro-seismic signal characteristics of various vibration sources of Sandaozhuang mine

4结语

微震监测技术已成为岩土工程地质灾害监测的有效手段之一，由于工程现场生产作业环境复杂，导致混入大量噪音信号，监测过程信号辨识工作量大且难度也较大。在大量监测基础上，提出了经验辨识法和频谱分析辨识法，并对三道庄矿微震信号特征进行了分析，结果表明，岩体破裂微震信号持续时间为15～30 ms，频率在1 000～3 000 Hz，岩体剪切破坏波形具有明显的P波和S波，岩体拉伸破坏只有P波；机车运行信号持续时间长，一般为2～3 s；电磁噪音信号一般振幅值较大，且上升时间很短，振荡简单；人为敲击岩体信号间隔时间明显；电磁干扰信号频率为50 Hz；机械凿岩信号间隔时间规律，且整体连续；露天台阶爆破信号持续时间200～500 ms，振幅一般大于500 mV，频率在0～200 Hz；井下生产爆破信号持续时间100～300 ms，振幅一般小于500 mV，频率范围0～500 Hz。利用该研究成果不仅可以大大减轻工作量，而且还有效地提高了信号辨识的准确性，具有较好的工程应用价值。

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《中国钨业》编辑部

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

作者简介：谢九敬（1970-），男，河南栾川人，工程师，主要从事矿山安全管理和采空区处理工作。

收稿日期：2015-11-12

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2016.01.009

中图分类号：TD76

文献标识码：A