《1　前言》

1　前言

根据微震监测系统多个传感器拾取某一地震事件 P 波和 S 波到达的时刻，可以计算并确定该事件发生的位置；通过对多个地震波形的分析，可以求解该事件的震源参数；借助可视化软件，可以对某个区域的应力、应变状态的时空变化规律进行定量分析，实现对研究区域内不稳定岩体的预测，掌握岩爆活动规律和评估矿区潜在岩爆的危险性。

冬瓜山铜矿矿体赋存于 -690 ~ -1 007 m，最大主应力值范围为 30~38 MPa，是目前国内开采最深的金属矿山之一，多组岩石具有岩爆倾向，矿山在基建期间已经发生过多次弱岩爆事件[1]。为了掌握岩爆发生规律，评估其危险性，2005 年 8 月冬瓜山矿安装了南非 ISS 国际公司生产的微震监测系统，对首采区（50#~58#勘探线）采矿活动进行实时监测。到目前每天记录的各类事件约 300 个，其中首采区内岩体活动的事件几十个。对地震事件波形的分析与聚类研究，直接影响着对岩体应力、应变状态的时空变化规律定量分析的准确性和可靠性[2~4]。笔者结合国家“十五”科技攻关课题“复杂难采深部铜矿床安全高效开采关键技术研究”子课题“冬瓜山深井岩爆与地压监测及控制技术研究”的研究成果，比较系统地阐释了微震波形的分析方法，并对各种事件进行了聚类研究，从而为探索岩爆等地质灾害活动规律与控制理论，改善深部高应力区采矿技术，保证矿山安全生产奠定了基础。

《2　冬瓜山铜矿微震监测系统的构成》

2　冬瓜山铜矿微震监测系统的构成

冬瓜山铜矿首采区微震监测系统共设 16 个传感器、4 个微震仪（QS）、1 个转发器（QS Repeater）、1 个井下控制室、1 个地面主控制室及光缆等，（见图1）所示。软件部分包括时间运行系统（RTS）、地震波形分析处理系统（JMTS）和地震事件活动性可视化分析系统（JDI）。

《图1》

图1　冬瓜山铜矿微震监测网络的构成

Fig.1　Seismic monitoring system layout in Dongguashan Copper Mine

《3　地震波形分析与聚类研究》

3　地震波形分析与聚类研究

《3.1　地震波形分析》

3.1　地震波形分析

微震事件发生后，传感器接收到地震波，微震仪将地震波的模拟信号转换为数字信号，并通过传输线路传输到地表主控计算机，利用系统的 JMTS 软件对各种事件的波形进行自动处理。对于震源机理简单的波形，自动处理的误差比较小；而对于震源机理复杂的事件而言，系统自动拾取地震波的到达时刻可能产生较大误差，有时事件的自动定位甚至超出了矿区范围，经过人工分析和处理后，事件的定位误差明显变小。图 2 是 2006 年 12 月 17 日系统检测到的一次掘进爆破的波形，自动定位结果是：y = 86 572 m，x = 21 639 m ，z = 2 575 m ，误差为 59 m（1.4 %）。系统自动计算的震级 ML = 4.5。从波形窗口看到，9 号传感器拾取的 S 波首波是第三个冲击波，而其他传感器拾取的 P 波都是第一个爆破冲击波。实际上为了定位，每个传感器都应取第一个冲击波。手工重新对 S 波进行处理后，定位结果：y = 84 476 m，x = 22 545 m ，z = -730 m，误差为 6 m（2.5%），震级 ML = -1.1。对照矿山实际，手工处理后的定位相当准确，而系统自动处理对事件的定位却得到了明显奇异的结果。矿山微震事件的震源机理一般比较复杂，为了精确定位就必须在系统自动波形处理的基础上，对各个事件的波形重新进行手工分析和处理，并总结出了如下波形分析处理方法。

《图2》

图2　系统自动处理的波形

Fig.2　Automatically processed waveforms

3.1.1　整体观察事件波形窗口，删除异类波形，正确确定 P 波到达时刻

一个事件产生的地震波可能被多个传感器接收，各个窗口的波形大体的形状应该一致。如果大多传感器接收的都是单一的波形（尤其是第一个距离震源最近的传感器），个别传感器记录的波形异常可能是受噪声的影响。在事件定位时可剔除异常波形，避免其对整个事件定位的影响。井下作业环境复杂，事件的产生常伴随其他活动的噪声（如图3），这时确定 P 波的起始位置就要格外仔细。图 3的前一段为噪声，其振幅值几乎没有太大变化。首先，确定第一个波形上 P 波的起始位置，也就是振幅明显增大的地方；随后依次（按照距震源距离由小到大）确定窗口中其它波形的 P 波起始位置。确定的原则是保证每个 P 波起始位置波形的相似性；在确定每个波形的 P 波到达时刻时，可以借助系统工具将窗口的时间轴拉长或将表示振幅的纵轴放大，以便调节 P 波到达位置。在振幅突然增大区域附近进行微调，使 W 值尽可能的大，而误差值尽可能小，以便准确确定 P 波的位置。

《图3》

图3　伴有噪声的事件的三维波形

Fig.3　Three - dimensional waveforms of an event with background noise

3.1.2　加上 S 波，对事件进行更加精确的波形处理与计算

确定了 P 波位置后，利用振幅平方根曲线窗口（如图 4 所示）和能量曲线窗口（如图 5 所示），将振幅和能量曲线突然增大的位置定为 S 波出现的时刻。小范围调节 S 波的位置，一是使按 P - S 波确定的震源距离尽可能与单独用 S 波确定的距离一致；二是观察权重 W，尽可能使其取得最大值，使误差值尽可能小。

《图4》

图4　振幅平方根曲线

Fig.4　SQRT amplitude curve

《图5》

图5　能量曲线

Fig.5　Energy curve

3.1.3　利用 P 波和 S 波计算、调整定位及计算参数的准确性

根据 P 波和 S 波到达时刻、传输时间与震源和传感器之间距离的关系，可以对 P 波和 S 波到达时刻做进一步调整，以提高定位精度。图 6 是冬瓜山矿某一地震事件多个传感器记录的 P 波和 S 波到达时刻与距离的关系曲线。从图中可以清楚看出各个传感器对于事件波形处理的误差。如果代表某个波形的点偏离了直线，就调整相应传感器拾取到的波形，使 P 波、S 波计算的误差尽可能的接近 0。图 6右下角给出了根据当前定位结果计算的 P 波、S 波的传播速度。根据声发射试验和系统标定，冬瓜山矿岩 P 波和 S 波的平均波速分别为 vp = 5 500 m/s，vs = 3 300 m/s。如果发现图中计算值与标定值偏差太大，则需要调解至可接受的范围内，同时确保计算的传感器与震源间距离依次增大（如图 7 所示）。如果无法将所有点都调整到直线上，则去掉偏离直线很远的传感器，使其不参与事件的定位，但参与震源参数的计算。

《图6》

图6　到达时间与传感器至震源之间距离关系曲线

Fig.6　The curve of arrival time vs. distance from source to stations

《图7》

图7　距离与 P 波和 S 波传输时间关系曲线

Fig.7　The curve of distance vs.arrival time

《3.2　事件的聚类研究》

3.2　事件的聚类研究

冬瓜山铜矿微震监测系统已运行两年多时间，存储了大量数据。通过观察和研究，笔者将深井矿山微震监测系统检测到的事件分为掘进和生产爆破、机械震动和噪声、岩体活动事件共 3 类。掘进爆破波形的特点是在一个窗口内有多个波形，波形的形状相同且衰减快。机械震动和噪声波形在图形上表现为沿着时间轴的重复震动，振幅没有明显的上下波动，沿着时间轴形成条带状。

为了实现对矿区局部不稳定岩体的预测、掌握岩爆活动规律、评估矿区潜在岩爆的危险性，最值得关注的是第 3 类，即岩体活动（采矿活动产生的新破裂或岩体沿地质构造面的滑动）。对这类事件的震源参数（震级 ML 、地震矩 M、释放出的能量 E、拐角频率 fo 、P 波和 S 波的能量比 Es/p 等）进行分析和比较，就可以分离出对生产安全有重要意义的岩体变形活动事件。下面针对冬瓜山铜矿井下生产过程中实际发生的 2 个岩体活动事件进行详细分析。

3.2.1　实例 1

图 8 表示的是发生在 2006 年 5 月 1 日 16 点 46分 6 秒 9# 传感器检测到的一个地震事件的波形。这次事件发生在 52# 勘探线 2# 采场束状孔爆破之后（爆破位置：y = 84 372 m，x = 22 400 m，z = -712 m，药量 6 100 kg），地表有明显的震感。经过分析处理确定这次事件的位置为：y = 84 373 m，x = 22 408 m，z = -684 m，震级 ML = 1.9，拐角频率 f0 为 16.5 Hz。震源内岩体最大的滑动速度达到 5.6 × 10-2 m/s。根据震源参数判断，这样一次大的事件几乎肯定会导致较大的破坏。但现场调查的结果却表明，在爆破采场附近的岩体并没有发生明显破坏。事件发生的时间和定位结果表明，本次事件是由于采场爆破引起的，位置恰好在采场内，所以未发现岩体的大规模破坏（冬瓜山铜矿井下采用大孔采矿嗣后充填，生产期间人员无法进入采场察看）。

《图8》

图8　岩体活动事件的三维波形

Fig.8　Three - dimensional waveform of a seismic event

3.2.2　实例 2

图 9 为 54# 勘探线隔离矿柱在 9、10 月份的地震事件活动情况。选定分析区域多边形的中心点坐标为：y = 84 320 m，x = 22 575 m，z = -760 m，走向 143°，倾向 90°，走向长 550 m，倾向长 300 m，顶底板高均为 40 m。从图中曲线明显可以看出，在 10 月末，地震事件的数目明显增多，而从实际矿山的开采来看，10 月份 54# 勘探线隔离矿柱地压活动频繁，在 10 月 24 日 54# 勘探线 6# 采场爆破之后，-775 m 水平隔离矿柱底部多处发生了破裂、片落和跨塌，局部跨塌厚度可达到 0.5 m 以上，部分的锚喷支护被破坏。

《图9》

图9　地震事件活动率与时间关系曲线

Fig.9　Curve of activity rate vs.time

《4　结语》

4　结语

通过对冬瓜山微震系统检测到事件波形的分析研究，制订出了快速、准确处理深井矿山微震波形的方法和步骤。这不仅明显提高了事件定位精度，而且加快了手工处理数据的速度，实现对当天井下事件的统计分析。这为今后深入研究岩爆的发生机理、快速确定岩体潜在危险区域、掌握岩体稳定性变化趋势、制定合理的回采顺序和采矿强度、实现有岩爆危险的深井矿山的安全生产奠定了坚实的基础。