鶴崗礦震臺網背景噪聲分析

姜博 趙 誼 歐陽兆國 胡寶慧 常金龍

1）中國黑龍江154101 鶴崗地震臺

2）中國哈爾濱150090 黑龍江省地震局

0 引言

礦震是由采礦引起地殼淺部巖體失穩而誘發的礦山震動，是伴隨礦山開采始終的動力地質災害。礦震與天然地震相比，震源較淺，更接近地表。天然地震和礦震都可以引發各種瓦斯災害。統計資料顯示，國內外有很多“先震后災”的事例，即在發生礦震后的數分鐘至數日之后發生煤與瓦斯突出、煤礦突水等煤礦災害，其中，煤與瓦斯突出事故占大多數（孟上九等，2020）。

近年來，由于受煤礦的開采強度、開采方式及地下采空面積、深度增加等因素的影響，礦震的規模和強度呈明顯上升趨勢。本文通過對4 個礦震測點進行背景噪聲計算，分析了礦震臺網數據。對于臺址勘選、評估臺站觀測環境變遷、評估臺站記錄質量等工作，臺基噪聲資料都是較重要的依據（王學成等，2009），相關研究可為有關鶴崗地區的礦震研究提供參考。

1 礦震臺網介紹

鶴崗是一座因煤而立、由煤而興的城市。煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42 km，東西走向6 km，面積252 km2。自民國時期開始開采，有將近百年的開采史。煤炭開采帶來經濟效益的同時也對環境產生了影響，這其中最具破壞力的為煤礦瓦斯爆炸（張永剛等，2018）。

近年來，隨著黑龍江省龍煤集團鶴崗礦業公司在鶴崗礦區各煤礦逐步進人深部開采，礦震等煤巖動力災害在峻德、南山等煤礦陸續顯現，對煤礦安全生產構成重大威脅?，F今對礦震孕育過程了解較少，礦震震級雖不大，但有破壞性，直接危及煤礦的安全生產，給煤礦的深部開采帶來很大困難。礦震研究對于保障采煤工人生命安全及煤炭工業發展有著較重要的現實意義（張萍等，2001）。為確保礦工的生命安全和礦井的高效安全開采，黑龍江省地震局與鶴崗市礦務局合作，針對礦震進行觀測研究，于2017 年在鶴崗市周邊建設礦震觀測臺網（圖1），該臺網包括4 個測點（礦務局、鳥山礦、救援隊、大陸礦），2018 年開始進行測試觀測，礦震臺網運行穩定，狀態良好，積累了大量礦震數據。

圖1 鶴崗礦震臺網測點位置Fig.1 Map of Hegang Mine Seismic Network

2 數據分析原理

臺基噪聲測試中通常利用臺站記錄的噪聲數據計算自功率譜密度，并按特定帶寬計算噪聲（速度或加速度）有效值RMS（萬永革，2012）。噪聲功率譜密度計算公式為

其中，f為頻率；τ為時間；Rχ(τ)為噪聲記錄x(t)的自相關函數；Sχ(f)為噪聲記錄自相關函數Rχ(τ)的傅里葉變換，可被看成噪聲記錄信號x(t)的平均功率相對頻率的分布函數。臺基噪聲RMS 值計算公式為

式中，P為加速度或速度功率譜密度；f0為分度倍程中心頻率；RBW 為相對帶寬。RBW 計算公式為

式中，fu為相對帶寬的上限頻率；fι為相對帶寬的下限頻率；n、m分別為二進制、十進制倍頻程分度值。值得注意的是，按式（3）計算所得的是帶寬為[fu，fι]的RMS 值，不是全帶寬RMS 值。

臺站觀測動態范圍，反映了觀測儀器本身的性能和臺基環境干擾背景水平；有效觀測動態范圍則反映記錄地震信號的最大能力（何彥等，2006），其計算公式為

式中，D為有效觀測動態范圍；RMS 值為脈動噪聲的均方根值；U為輸入峰值電壓（單位為V）；K為數據采集器實際工作時的增益；S為地震計工作靈敏度（單位為V·s/m） ；為儀器有效因子。研究中使用了童汪練研制開發的基于PWelch 方法的軟件來計算數字地震計地動噪聲功率譜密度。

3 礦震臺網數據分析

3.1 功率譜密度

鶴崗礦震臺網觀測使用的儀器為BBVS-120 型寬頻帶地震計及REFTEK-130 s 型數據采集器，地震計頻帶寬度為50 Hz—120 s，地震計動態范圍大于140 dB。通過計算確定各分向平均RMS 值、動態觀測范圍及平均地動噪聲。研究中4 個臺站記錄數據時段詳見表1。

表1 鶴崗礦震臺網記錄數據時段Table 1 List of stations of mine seismic network

鶴崗礦震臺網包括4個測點，其中，救援隊（JYD）測點建在鶴崗礦山救援隊院內西南角，臺基為混凝土墩，與基巖一體；大陸礦（DLK）測點與鶴崗煤礦辦公樓相鄰，臺基為混凝土墩；礦務局（KWJ）測點位于礦務局辦公樓南側，臺基為混泥土墩；鳥山礦（NSK）測點位于礦場院外，臺基為混泥土墩。圖2 為4 個測點2021 年5 月2 日、4 日00 點和2021 年5 月8 日、10 日12 點的地脈動噪聲波形。由圖2 可見：①大陸礦、救援隊測點在夜間平靜時段受到的高頻干擾較多，受大風、降雨等自然環境的影響較大。由于測點周邊為住宅區，白天受車輛和人為活動的影響較大；②礦務局、鳥山礦測點在白天嘈雜時段背景噪聲較大，由于測點處于工廠內，受車輛行駛、機器振動等人為活動干擾較大。

圖2 大陸礦測點（a）、礦務局測點（b）、救援隊測點（c）、鳥山礦測點（d）地脈動噪聲波形Fig.2 Microseisms at different stations

圖3 為4 個測點三分向臺基噪聲功率譜密度。由圖3 可見：①4 個測點的功率譜密度曲線均介于NLNM 和NHNM 之間，說明礦震臺網整體背景噪聲較小，觀測狀態良好，觀測一致性較好；②4 個測點在0.01—0.10 Hz 頻率區間內觀測狀態最好，說明儀器對低頻振動記錄較好，大陸礦、鳥山礦測點三分向觀測曲線一致性較好，記錄到的低頻振動更多；③礦務局、救援隊測點在1—100 Hz 頻率區間內對高頻振動記錄較好，由于2 個測點都在市區內，低頻干擾較多，所以對遠距離的礦震記錄較好；④影響礦震臺網觀測質量的主要因素為環境因素。

圖3 4 個測點臺基噪聲功率譜密度（a）2021 年5 月2 日0 時大陸礦測點；（b）2021 年5 月4 日0 時救援隊測點；（c）2021 年5 月8 日12 時礦務局測點；（d）2021 年5 月10 日12 時鳥山礦測點Fig.3 Noise power spectral density curves of 4 stations

3.2 地脈動噪聲

臺站有效觀測動態范圍的定義為臺基噪聲功率譜密度圖中臺基噪聲水平與觀測上限之間的范圍，其反映了臺站記錄地震信號的能力。一般情況下，臺址的背景干擾與時間及周邊觀測環境有關，白天噪聲大，夜間較平靜。分析計算了大陸礦、救援隊測點0 時及礦務局、鳥山礦測點12 時的平均RMS 值、地震計的觀測動態范圍、平均地脈動噪聲，對4 個測點的各分向數值進行分析對比（表2）。

表2 4 個測點的地脈動噪聲及觀測動態范圍Table 2 Average values and observational dynamic ranges of microseisms for 4 stations

（1）比較大陸礦、救援隊測點0 時的地脈動噪聲RMS 值發現，救援隊測點整體RMS值較高，這主要是因為救援隊測點在居民區附近，夜間人為干擾較多。大陸礦測點動態范圍較寬，說明大陸礦測點臺基較好，平均地脈動噪聲較一致。說明2 個測點受到的干擾主要為人為干擾。

（2）比較礦務局、鳥山礦測點12 時的地脈動噪聲RMS 值發現，礦務局測點RMS 值較大，鳥山礦測點觀測動態范圍更廣。礦務局測點UD 向平均地脈動噪聲較大，其他測向較一致，說明礦務局測點主要受大風、降雨等氣象條件的影響。

（3）從4 個測點的平均地脈動噪聲可以看出，大陸礦測點地脈動噪聲最大，其中，其EW 向最大，這是由于大陸礦測點在工廠中，白天周邊干擾較嚴重。救援隊、礦務局測點地脈動噪聲較小，觀測環境較好，其中，救援隊測點白天平均地脈動噪聲變化較小，說明該測點白天周邊人為活動較少。通過對4 個測點的實地考察發現，實際情況與計算結果相符，說明對這3 個測點的計算是正確的。

（4）對測點12 時的地脈動噪聲及RMS 值進行分析發現，白天較夜晚各測點數值變化較大。由于大陸礦在工廠中，白天干擾更嚴重，但是在分析礦震時，通過濾波程序可以把大部分干擾濾掉，干擾對近震觀測影響較小。通過對4 個測點礦震的觀測及定位發現，定位精度較單臺高很多，可以準確定位出鶴崗礦區內發生的礦震。

圖4 為4 個測點的有效觀測動態范圍。由圖4 可見，4 個測點都在有效范圍內，其中，礦務局測點最接近標準下限，其他3 個測點的有效觀測動態范圍與標準值符合較好。4 個測點夜間的觀測動態范圍穩定，都在有效值之內；而白天的觀測動態范圍較大，這主要是白天車輛及工廠運行產生的影響。

圖4 4 個測點功率譜密度有效觀測動態范圍（a）大陸礦測點0 時；（b）救援隊測點0 時；（c）礦務局測點12 時；（d）鳥山礦測點12 時Fig.4 Effective observational dynamic range of power spectrum density

4 結論與討論

鶴崗礦震臺網共有礦務局、救援隊、大陸礦、鳥山礦等4 個測點，通過背景噪聲分析，得到以下結論。

（1）通過對4 個測點的數據進行分析可見，大陸礦、鳥山礦測點三分向背景噪聲較一致，4 個測點的背景噪聲均較小，都在有效范圍內；救援隊測點整體背景噪聲最小，其他3 個測點由于附近干擾源較多，因此相對背景噪聲較大，其中，大陸礦測點在辦公區內，距離人員活動場所較近，背景噪聲最大。

（2）通過對每個測點進行分析可以看出，白天大陸礦、鳥山礦測點干擾較小，救援隊、礦務局測點干擾較大。

（3）通過觀測動態范圍可以看出，救援隊測點觀測動態范圍較大，效果較好，礦務局測點觀測動態范圍最小，4 個測點的有效觀測動態范圍都在標準值以內。因此，鶴崗礦震臺網整體觀測良好，對礦震監測記錄完整，波形清晰，礦震臺網定位比單臺定位更準確。