基于微震监测的岩爆预警方法研究

吴海源，于 群，杜志远，郭 晋，廖志毅，唐春安

(1.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110870；2.深圳大学 广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，深地科学与绿色能源研究院，土木与交通工程学院， 广东 深圳 518060；3.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

岩爆是在外界扰动影响下，存储于岩体中的弹性应变能突然释放，导致围岩爆裂弹射的动力失稳现象，是地下工程尤其是深部地下工程常见的动力地质灾害。岩爆的危险性主要在于发生过程短促，具有很强的突发性、随机性和危害性[1-3]，常常使人猝不及防造成严重伤亡，甚至摧垮整个工作面，对工程建设威胁巨大。2009年11月28日，四川雅砻江锦屏Ⅱ级水电站施工排水洞突发极强岩爆，塌方总量达400余m3，并造成价值1.2亿TBM(Tunnel Boring Machine,TBM)永久性长埋和7死1伤的惨痛局面。由此可见，岩爆对于地下工程建设和人员安全危害巨大，如何有效预测及控制岩爆灾害的发生已成为我国地下工程安全建设亟待解决的问题。

对岩爆监测而言，传统监测手段仅能测得局部岩体的应力或应变，却无法评价整体岩体的稳定性。近年来，微震监测技术(Microseismic Monitoring Technology,MMT)作为先进的空间岩体微破裂监测技术，基于对岩体微破裂事件的捕获和定位算法，从而对潜在危险区和岩爆区进行圈定和识别。该监测技术已在采矿工程[4-6]、地下工程[7]、隧道工程[8]、水利水电工程[9-11]等领域得到广泛应用并取得了丰富的研究成果，使得对岩体的稳定性评价及岩爆的预测预警成为可能。但上述研究内容及成果仍存在以下不足：

(1) 岩爆预警指标单一。岩体微破裂的每个信号都包含了岩体状态变化的丰富信息，而如何面对先进系统获取大量的监测数据，基于对数据的挖掘进行合理的解释，从中得到预测岩爆的多元信息，则是岩爆预警工作中的重点。

(2) 岩爆预测预警判别标准和评判体系不够健全。现有关于微震信息在岩爆预警中应用的报道主要体现在成功个案上，由此建立的预警判据和方法缺乏普适性。

全长超过17 km的雅砻江锦屏水电工程交通隧洞穿越不同地层单元，全面贯通后岩爆累计长度达3.31 km，发生烈度大频度高，造成严重的人员伤亡和设备损失。因此，本文以锦屏水电工程引水洞发生的多次中等至强烈岩爆为例，通过微震监测技术，基于微震事件“时空强”演化特征，对岩爆发生前的微破裂前兆特征开展研究，揭示微震预警指标，包括微震累积事件数、微震能量密度、累积视体积及能量指数的时空变化规律与岩爆内在联系，提出深埋隧道岩爆监测预警方法。

1 工程地质概况及微震监测系统的构建

1.1 工程概况

锦屏水电工程坐落于四川凉山州雅砻江上，是我国西电东送的重要标志性工程。水电工程隧洞群是由平均长度超过16.7 km，走向N58°W的相互平行的7条隧洞组成，分别由交通洞、引水洞及排水洞组成。施工过程分别采用TBM法和钻爆法掘进。各条隧洞开挖形状、截面尺寸及剖面布置详图如图1所示。

图1 锦屏水电工程隧洞群总体布置及施工详图

1.2 地质概况

锦屏二级水电站工程地质平面图详见图2，工程所处地层总体走向以NNE向为主，隧洞群由西往东依次穿过的主要岩层有三迭系下统绿泥石片岩和变质中细砂岩等地层T1、杂古脑组大理岩T2Z、三迭系上统板砂岩T3、白山组大理岩T2b及盐塘组大理岩T2y。围岩新鲜性脆硬质岩，岩体完整性较好，围岩抗压强度在55 MPa～114 MPa，隧洞群埋深深度从1 500 m至2 200 m不等，最大埋深为2 525 m，该隧洞具有埋深大、洞线长、施工难度大及地质条件多样复杂等特点，是我国现有的特大型地下水电工程。

图2 锦屏二级水电工程地质平面图

1.3 微震监测原理及监测系统的构建

工程扰动影响下，岩体内部必将产生局部应力积累和集中现象，当积累的应力能超过岩体强度后，就会在其内部产生微破裂事件，并伴随弹性波的快速释放和传播，这种现象在地质上称为微震(MS)。与此同时，该弹性波可被由周围布置的多个传感器所接收，通过对波形的处理分析并基于反演方法就可以得到岩体中微破裂事件发生的时间、空间和强度，即地球物理学中的“时、空、强”三要素[12]。微震事件定位原理如图3所示。根据微裂纹的破裂和损伤程度，就有可能推断岩石宏观破裂的发展趋势。

图3 微震监测原理图

锦屏水电工程微震监测采用ESG(Engineering Solution Group，ESG)监测系统，该系统主要由三部分构成：信号采集系统、信号处理系统及传感器。传感器以阵列形式安装在隧洞壁的两侧(每侧布置三个)，传感器间隔50 m。微震监测系统工作原理及工作流程见图4所示。

图4 锦屏水电工程微震监测系统工作流程图

2 岩爆监测预警方法研究

2.1 岩爆预测预警指标

随着地球物理学的发展及对岩爆问题认识的深入，借助天然地震预测的研究成果，基于微震监测技术手段对岩爆进行预测预警成为可能[12]。通过ESG监测系统，震源参数除包括震源时空位置、里氏震级和应力降外，还包括微震能量密度、地震距、视应力等重要参数。通过对上述震源参数的量化分析及时空变化规律判断岩爆微破裂前兆特征，进而确定岩爆潜在危险区并发出预警警示。预警相关参数描述如下：

(1) 微震累计事件数。岩爆的物理过程可以通过损伤力学来描述[13]。岩体内部产生新损伤的同时一定伴随微震(声发射)的发生，微震累积事件数直接对应着岩体的损伤程度[7,14]。微震累计事件数越多，对应破裂区域的岩体强度弱化程度越严重，由此可作为岩体微破裂损伤和岩爆破坏的依据。

(2) 微震能量密度。微震能量密度表示单位体积内岩体微破裂释放和耗散的能量，它可以综合反映岩体微破裂损伤的程度，并可以表征损伤区域内岩体应变能的释放及演化过程。岩体中的高能量密度分布区对应着岩体微破裂集中区和损伤严重区[15]，其关系式可表示为：

(1)

式中：εi为能量密度；E为地震辐射能量；D为空间维数；a为边长。

(3) 累积视体积和能量指数。地震学中，视体积和能量指数通常是用来研究地震孕育过程的重要参数，它们可以反映出地震发生前围岩的变化特征和演化规律[16-17]。当能量指数随着累积视体积的增加而增加时，说明岩体处于应变硬化阶段，此时岩体趋于稳定；当累计视体积增大而能量指数迅速减小时，说明震源区内的驱动应力也迅速下降，且应力降越快，岩体劣化失稳越严重，此时的岩体将处于严重损伤状态，发生岩爆的概率大大增加。因此，可通上述参数变化特征获取岩爆微破裂前兆信息。视体积和能量指数的关系表达式如下：

(2)

式中：VA为视体积；σA为视应力；M为地震矩。

(3)

式中：EI为能量指数；E为地震辐射能量；P为地震势；c1，c2为常量。

2.2 岩爆预测预警的一般模式

自锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测系统运行以来，获取了大量有效监测数据。基于对上述震源参数的分析结果，建立了锦屏深埋隧洞岩爆预测预警方法及一般模式，详见图5。对施工现场的5条隧洞(包括4条引水洞及1条排水洞)监测结果显示，在现场记录的237次岩爆中，有191次被准确预测预警，包括岩爆发生位置和发生烈度，准确率达到80.6%[18]。该方法可对隧洞施工开挖提供指导依据，并为此类隧洞岩爆的预测预警提供借鉴意义。

图5 深埋隧洞岩爆预测预警流程图

3 典型案例分析

典型岩爆事件发生在3#引水洞9+000 m—9+300 m之间，该洞段开挖过程中经历多次中等—强烈不同烈度的岩爆。其中，在2011年7月1日—7月25日期间内发生中等岩爆4次及强烈岩爆1次，岩爆发生时间、具体位置及发生烈度详见表1。

表1 3#引水洞岩爆发生基本概况

3.1 微震监测结果

图6为3#引水洞在2011年7月3日—7月20日微震活动“时空强”演化分布图。从空间上看：图6(a)显示在掌子面引(3)9 + 248出现7个高能微震事件，单个微震能量最大值达到2.74×104J。随后几天，微震事件进一步聚集，在引(3)9 +239 m—9 + 259 m形成一个微震事件簇集区A，见图6(b)。由于在该期间产生的高能事件较多且呈群集状态，微震活动由起初的无序分散渐进向有序自组织演化。在接下来的9 d内，随着工作面的推进，微震事件也有一定发展，掌子面后方高能大震事件持续出现，且微震事件簇集区A逐渐扩大至簇集区B，此过程也是应力不断积累的过程。与此同时，围岩强度随时间发展也在不断裂化，最终于2011年7月20日发生强岩爆。

图6 3#引水洞微震活动“时、空、强”分布情况

3.2 微震累计事件数分析

从时间上看：2011年7月3日—7月20日期间内3#引水洞单日微震累计事件数随时间变化关系曲线详见图7。

图7 3#引水洞微震活动事件频率

由图7可知，每次岩爆发生前，微震事件均经历一个迅速上升过程，每日累积事件数均大于25个(日平均事件数为16个)，单日累计事件最大数达38个，岩爆发生在微震活动高峰期的当日或相邻日。因此，微震事件突然剧增可视为岩爆的微破裂前兆特征。

3.3 微震能量密度特征分析

图8为2011年7月3日—7月20日期间内微震能量密度云随时间的演化示意图。在7月6日，即岩爆发生的前一天岩爆核心区开始显现。随后9 d内(见图8(b)和8(c))，由能量密度云显示的成核区十分显著并逐步向四周发展扩大，这说明岩体内部损伤程度开始加剧，微裂纹正经历萌生、发展、合并及贯通进而形成大尺度裂纹的过程。该期间内，岩体累计损伤愈加严重，岩体力学性能严重劣化，导致岩体强度和稳定性大大降低。该演化过程和微震活动时空分布规律基本相一致，且能量损失区和微震聚集区相重叠，这更加映证了该区域内岩体力学性能严重劣化的可能性。最终于2011年7月20日微震能量耗散密度云值达到峰值并发生强岩爆。因此，微震能量密度云可很好的反映出工程扰动影响下，岩体损伤程度随时空演化关系，可在第一时间确定岩爆成核区的位置及发展情况。

图8 3#引水洞微震能量密度演化示意图

3.4 累积视体积与能量指数时序特征分析

图9显示了3#引水洞累积视体积和能量指数的时序变化曲线(2011年7日3日—7月20日)。由图9可知，该曲线可划分为岩爆预警期和危险期。在预警内，能量指数快速下降而累计视体积迅速上升，这是岩爆发生前的显著特征，随后围岩进入岩爆危险期。2011年7月4日—7月9日，能量指数迅速下降而累计视体积持续增长，这说明该时期的围岩经历破坏前的压密和弹性变形阶段后，震源区域内的驱动应力迅速增大，岩体进入峰值强度前的破坏阶段，岩体力学性能裂化，岩爆概率大大增加。随后4天内(7月12日至7月15日)，围岩又重复经历一次上述过程，该时期内的曲线斜率较上一阶段更加陡峭，说明岩爆烈度加剧，最终在7月20日发生强岩爆。

图9 3#引水洞的累积视体积与能量指数随时间的变化曲线

4 结 论

(1) 将微震监测技术应用于锦屏深埋隧道的岩爆监测中，实现了对深埋隧洞岩爆潜在危险区的实时监测、分析和预警。为锦屏水电工程地下洞室开挖及动态支护提供超前预测和技术支持。

(2) 通过提取和分析微震参数，包括微震累计事件数、能量密度、累积视体积及能量指数，揭示了微震事件的时空演化规律与岩爆间内在联系。岩爆发生前，微震事件由空间无序分布逐渐向有序的自组织演化，微震能量密度以成核区逐渐扩大，微震累计事件数和累积视体积∑VA突增，而能量指数lg(EI)骤降，这些参数的异常变化均可为岩爆微破裂前兆信息和预警指标。

(3) 基于上述研究成果，提出高地应力条件下深埋隧洞岩爆预测预警方法及一般模式。通过现场岩爆记录比对，该方法预测准确率达到80.6%，具有较高的准确率和实用性，同时也为同类隧洞工程的岩爆预测及防治提供借鉴。