錦屏二級(jí)水電站微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)與巖爆特征分析＊

于 群 唐春安 李 宏 李連崇

（大連理工大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心 大連 116024）

由于西部地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境，“三高一深”（高壩、高邊坡、高地應(yīng)力和深卸載裂隙）的地質(zhì)條件成為各種地質(zhì)災(zāi)害的溫床，尤其是高地應(yīng)力條件下常出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象，往往使得工程機(jī)械受損、工作面嚴(yán)重?fù)p壞，甚至造成人員傷亡［1］．現(xiàn)今，世界各國(guó)逐漸把聲發(fā)射與微震技術(shù)作為一種監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，確保地下工程及礦井生產(chǎn)安全．微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已在加拿大［2－3］，南非［4－6］，澳大利亞［7］等國(guó)的礦山和地下工程中得到了廣泛應(yīng)用［8－11］．本文以錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞為研究對(duì)象，引進(jìn)加拿大ESG公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究引水隧洞鉆爆法在開(kāi)挖卸荷過(guò)程中對(duì)圍巖的影響，對(duì)有可能發(fā)生巖爆的洞段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，以期作出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并圈定潛在的危險(xiǎn)區(qū)域，為深埋隧洞后期安全開(kāi)挖和支護(hù)提供一定的參考意見(jiàn)，同時(shí)也為礦山地下開(kāi)采和隧洞深埋的建設(shè)提供技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)．

1 工程背景

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級(jí)電站．水電站穿越錦屏山長(zhǎng)隧洞由平行的4條引水隧洞和2條輔助洞組成，并在4＃引水隧洞與輔助B洞之間增設(shè)一條排水洞，見(jiàn)圖1．輔助洞洞線(xiàn)長(zhǎng)約17．50 km，引水隧洞洞線(xiàn)長(zhǎng)約16．67km，施工排水洞長(zhǎng)約16．73km．引水隧洞一般埋深為1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525m，具有洞線(xiàn)長(zhǎng)、埋深大、洞徑大、隧洞多的特點(diǎn)．

圖1 錦屏二級(jí)水電站引（排）水隧洞平面圖

2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

2．1 微震監(jiān)測(cè)原理

在外界應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生局部彈性能集

中現(xiàn)象．當(dāng)能量達(dá)到一定程度，就會(huì)引起巖體微裂紋的萌生和擴(kuò)展，同時(shí)會(huì)伴隨著彈性波的釋放并在巖體內(nèi)部快速傳播．這種彈性波的地質(zhì)現(xiàn)象稱(chēng)為微震（MS）信號(hào)．微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用巖體開(kāi)挖擾動(dòng)后自身發(fā)射出的彈性波來(lái)監(jiān)測(cè)工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法．這些微破裂以彈性能釋放的形式產(chǎn)生彈性波，并可被安裝在有效范圍內(nèi)的傳感器接收，而利用多個(gè)傳感器接收這種彈性波信息，通過(guò)反演方法就可以得到巖體微破裂（微震）發(fā)生的時(shí)間、位置和強(qiáng)度．根據(jù)微破裂的大小、集中程度及破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢(shì)．

2．2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用加拿大ESG（Engineering Seismology Group）公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2．（1）Hyperion數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理設(shè)備，用于儲(chǔ)存Paladin轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號(hào)，并配有相關(guān)的軟件，兼有數(shù)據(jù)處理功能；（2）Paladin數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于將傳感器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；（3）加速度傳感器，信號(hào)接收設(shè)備，安裝在巖體內(nèi)，用于接收巖體內(nèi)微震活動(dòng)所產(chǎn)生的彈性波，其有效監(jiān)測(cè)范圍在200m以?xún)?nèi)．

圖2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖

監(jiān)測(cè)設(shè)備可對(duì)巖體產(chǎn)生的微破裂事件實(shí)行全天候24h連續(xù)監(jiān)測(cè)．獲得大量微震事件的時(shí)空數(shù)據(jù)、誤差、震級(jí)和能量等多項(xiàng)震源信息，并對(duì)已采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，提供用戶(hù)震源信息的完整波形和波普分析圖，可自動(dòng)識(shí)別微震事件類(lèi)型，通過(guò)濾波處理、設(shè)定閥值及寬帶檢波等技術(shù)手段排除噪聲事件．

3 TBM掘進(jìn)3＃引水隧洞過(guò)程中微震活動(dòng)規(guī)律及演化特征

微震事件的時(shí)空分布規(guī)律和動(dòng)態(tài)遷移特征是用來(lái)研究巖石破裂過(guò)程的重要參考依據(jù)．總體說(shuō)來(lái)聲發(fā)射的空間分布主要受巖體局部構(gòu)造如節(jié)理、斷層、褶皺等天然缺陷的影響，這些因素都會(huì)對(duì)聲發(fā)射的空間分布特征起到?jīng)Q定性的控制作用．為及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆災(zāi)害，每天要對(duì)微震事件的發(fā)生時(shí)間、具體位置及強(qiáng)度大小等參數(shù)進(jìn)行分析．通過(guò)研究不同微震事件的時(shí)空分布特點(diǎn)，找出同類(lèi)型事件的衍生發(fā)展規(guī)律，預(yù)測(cè)出潛在的危險(xiǎn)區(qū)域，以便管理層及時(shí)作出相應(yīng)的支護(hù)方案和應(yīng)對(duì)措施．

巖爆發(fā)生前，受到隧洞開(kāi)挖卸荷的影響，微震事件的發(fā)生無(wú)論從時(shí)間還是空間的角度上講，一般都具有明顯的規(guī)律和特征．以2011年2月11日發(fā)生的強(qiáng)烈?guī)r爆事件為例（見(jiàn)圖3），來(lái)解釋巖爆發(fā)生前微震活動(dòng)的演化規(guī)律及特征．其中圓球代表微震事件，球的大小代表能量，灰度代表震級(jí)．發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的前6d，如圖3a）所示，2月5日TBM進(jìn)尺6m，在此期間發(fā)生的微震事件較少，事件集中程度不高，圍巖屬正常的應(yīng)力調(diào)整狀態(tài)；2月6日～7日（見(jiàn)圖3b）），TBM進(jìn)入全斷面開(kāi)挖階段，共計(jì)進(jìn)尺11m，隨著TBM的向前推進(jìn)，微震數(shù)量有突增的趨勢(shì)，且分布較為密集，說(shuō)明圍巖內(nèi)部破裂程度較大，在掌子面附近北側(cè)拱肩處有局部塌方發(fā)生．2月8日～9日（見(jiàn)圖3c）），TBM共計(jì)進(jìn)尺14m，掌子面北側(cè)邊墻附近產(chǎn)生的微震事件數(shù)量較多，集中程度較高且事件震級(jí)較大，局部塌方持續(xù)發(fā)生，位置由拱肩處逐步擴(kuò)展到邊墻處．2月10日（見(jiàn)圖3d）），TBM進(jìn)尺13m，在掌子面后方約25m處北側(cè)邊墻產(chǎn)生的微震事件數(shù)量持續(xù)增多，集中程度持續(xù)增高，有個(gè)別事件震級(jí)較大且能量較高，北側(cè)邊墻偶爾發(fā)出清脆的破裂聲．11日凌晨03：00，在樁號(hào)為引（3）9＋637～675（此時(shí)掌子面的位置為引（3）9＋637）的范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)裂巖爆，主要以北側(cè)拱肩至邊墻為主，巖爆沿洞軸線(xiàn)長(zhǎng)度約40m．爆坑最大深度達(dá)到1m（見(jiàn)圖4a）），有明顯的結(jié)構(gòu)面痕跡，主要以拉－剪混合破壞為主，有大量片幫和碎石垮落，TBM刀盤(pán)卡住，北側(cè)拱肩處鋼筋網(wǎng)被拉斷，且支護(hù)錨桿遭到破壞（見(jiàn)圖4b））．在接下來(lái)的10d內(nèi)，樁號(hào)為引（3）9＋652～603范圍內(nèi)發(fā)生8起巖爆事件，巖爆等級(jí)從輕微至強(qiáng)烈不等，其中發(fā)生輕微巖爆1次、中等和較強(qiáng)巖爆各3次、強(qiáng)烈?guī)r爆1次．

圖3 3＃引水隧洞強(qiáng)烈?guī)r爆孕育過(guò)程中的微震事件時(shí)空分布圖

圖4 發(fā)生巖爆時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況

從以上分析可以看出，隨著TBM的向前掘進(jìn)，每次發(fā)生巖爆前，巖石內(nèi)部的微震事件都具有一定的規(guī)律和特征．而通過(guò)這些事件活動(dòng)的特征，就有可能提前判斷出發(fā)生巖爆的具體位置和等級(jí)．在第一時(shí)間為施工和設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)資料，以采取有效的應(yīng)對(duì)措施，確保人員和設(shè)備的安全．

4 結(jié) 論

1）錦屏二級(jí)水電站3＃引水隧洞的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到巖石微破裂的前兆信息：如震源位置、強(qiáng)度、能量和震級(jí)等參數(shù)，對(duì)發(fā)生巖爆初期的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要的參考依據(jù)．

2）在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，微震事件在空間上的分布程度，由隨機(jī)離散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植肯鄬?duì)集中狀態(tài)，產(chǎn)生微震事件的數(shù)量有逐漸增多的趨勢(shì)，或有能量和震級(jí)均較大的微震事件產(chǎn)生．這是巖爆臨近的特征．

3）從發(fā)生的距離上講，巖爆位置緊隨掌子面的變化而變化，一般發(fā)生在距離掌子面40m的范圍內(nèi)．

4）從發(fā)生的時(shí)間上看，發(fā)生巖爆主要在開(kāi)挖后幾小時(shí)或幾天內(nèi)不等，雖然發(fā)生的位置有可能被提前判定，但是準(zhǔn)確的發(fā)生時(shí)間仍然難以預(yù)測(cè)．

雖然某些類(lèi)型巖爆具有明顯的前兆特征，某種程度上具有可預(yù)測(cè)性；但由于受到工程地質(zhì)、施工條件、支護(hù)措施等多方面復(fù)雜因素的影響，并不是所有巖爆都具有規(guī)律可循，提高巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度有待于提高．

［1］羅 憶，盧文波，金旭浩，等．時(shí)滯型巖爆的切縫發(fā)防治機(jī)理研究［J］．巖土力學(xué)，2011，32（10）：3125－3130．

［2］ALEXANDER J，TRIFU C I．Monitoring mines seismicity in canada［C］．POTVIN Y，HUDYMA M ed．Controlling Seismic Risk RaSiM6，Nedlands：Australian Center for Geomechanics，2005：353－358．

［3］THEODORE I U，TRIFU C I．Recent advances in seismic monitoring technology at Canadian mines［J］．Journal of Applied Geophysics，2000，45（4）：225－237．

［4］DURRHEIM R J，CICHOWICZ A．Guidelines standards and best practice for seismic hazard assessment and rockburst risk management in South African mines［C］．POTVIN Y ed．Deeping Mining 07－The Fourth International Seminar on Deep and High Stress Mining，Nedlands：Australian Center for Geomechanics，2007：249－259．

［5］MILEV A M，SPOTTISWOODE S M，RORKE A J，et al．Seismic monitoring of a simulated rock burst on a wall of an underground tunnel［J］．Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，2001（5）：253－260．

［6］DURRHEIM R J，HAILE A，ROBERTS M K C，et al．Violent failure a remnant in a deep South African gold mine［J］．Tectonophysics，1998，289：105－116．

［7］BASSON F R P，VAN DER MERWE S．Seismicity management at hill 50gold mine，western australia［C］．POTVIN Y ed．Deeping Mining 07－The Fourth International Seminar on Deep and High Stress Mining．Nedlands：Australian Center for Geomechanics，2007：233－241．

［8］劉建坡，李元輝．微震技術(shù)在深部礦山地壓監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．金屬礦山，2008（5）：125－128．

［9］LUO X，KING A ，ROSS J．Microseismic monitoring at southe colliery for understanding roof fracturing mechanisms［R］．Brisbane，2000．

［10］LUO X，ROSS J，KING A．Microseismic monitoring at Dartbroo Mine for underground gas emission control［R］．Brisbane，2000．

［11］YANG C X，LUO Z Q，HU G B，et al．Application of a microseismic monitoring system in deep mining［J］．Journal of University of Science and Technology Beijing，2007，14（1）：6－8．