锦屏二级水电站微震监测预报与岩爆特征分析＊

于 群 唐春安 李 宏 李连崇

（大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心 大连 116024）

由于西部地区特殊的地质环境，“三高一深”（高坝、高边坡、高地应力和深卸载裂隙）的地质条件成为各种地质灾害的温床，尤其是高地应力条件下常出现的岩爆现象，往往使得工程机械受损、工作面严重损坏，甚至造成人员伤亡［1］．现今，世界各国逐渐把声发射与微震技术作为一种监测预警手段，确保地下工程及矿井生产安全．微震监测技术已在加拿大［2－3］，南非［4－6］，澳大利亚［7］等国的矿山和地下工程中得到了广泛应用［8－11］．本文以锦屏二级水电站深埋引水隧洞为研究对象，引进加拿大ESG公司生产的微震监测系统，研究引水隧洞钻爆法在开挖卸荷过程中对围岩的影响，对有可能发生岩爆的洞段进行实时监测和分析，以期作出预测预报，并圈定潜在的危险区域，为深埋隧洞后期安全开挖和支护提供一定的参考意见，同时也为矿山地下开采和隧洞深埋的建设提供技术支持和经验．

1 工程背景

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁3县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上的重要梯级电站．水电站穿越锦屏山长隧洞由平行的4条引水隧洞和2条辅助洞组成，并在4＃引水隧洞与辅助B洞之间增设一条排水洞，见图1．辅助洞洞线长约17．50 km，引水隧洞洞线长约16．67km，施工排水洞长约16．73km．引水隧洞一般埋深为1 500～2 000 m，最大埋深约为2 525m，具有洞线长、埋深大、洞径大、隧洞多的特点．

图1 锦屏二级水电站引（排）水隧洞平面图

2 微震监测技术

2．1 微震监测原理

在外界应力作用下，岩体内部将会产生局部弹性能集

中现象．当能量达到一定程度，就会引起岩体微裂纹的萌生和扩展，同时会伴随着弹性波的释放并在岩体内部快速传播．这种弹性波的地质现象称为微震（MS）信号．微震监测技术是利用岩体开挖扰动后自身发射出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法．这些微破裂以弹性能释放的形式产生弹性波，并可被安装在有效范围内的传感器接收，而利用多个传感器接收这种弹性波信息，通过反演方法就可以得到岩体微破裂（微震）发生的时间、位置和强度．根据微破裂的大小、集中程度及破裂密度，则有可能推断岩石宏观破裂的发展趋势．

2．2 微震监测系统组成

该监测项目采用加拿大ESG（Engineering Seismology Group）公司生产的微震监测系统．系统组成见图2．（1）Hyperion数字信号处理系统，数据储存和处理设备，用于储存Paladin转换完成的数字信号，并配有相关的软件，兼有数据处理功能；（2）Paladin数字信号采集系统，数据采集设备，用于将传感器接收到的信号转换成数字信号；（3）加速度传感器，信号接收设备，安装在岩体内，用于接收岩体内微震活动所产生的弹性波，其有效监测范围在200m以内．

图2 微震监测系统组成图

监测设备可对岩体产生的微破裂事件实行全天候24h连续监测．获得大量微震事件的时空数据、误差、震级和能量等多项震源信息，并对已采集的数据进行滤波处理，提供用户震源信息的完整波形和波普分析图，可自动识别微震事件类型，通过滤波处理、设定阀值及宽带检波等技术手段排除噪声事件．

3 TBM掘进3＃引水隧洞过程中微震活动规律及演化特征

微震事件的时空分布规律和动态迁移特征是用来研究岩石破裂过程的重要参考依据．总体说来声发射的空间分布主要受岩体局部构造如节理、断层、褶皱等天然缺陷的影响，这些因素都会对声发射的空间分布特征起到决定性的控制作用．为及时准确地预测预报岩爆灾害，每天要对微震事件的发生时间、具体位置及强度大小等参数进行分析．通过研究不同微震事件的时空分布特点，找出同类型事件的衍生发展规律，预测出潜在的危险区域，以便管理层及时作出相应的支护方案和应对措施．

岩爆发生前，受到隧洞开挖卸荷的影响，微震事件的发生无论从时间还是空间的角度上讲，一般都具有明显的规律和特征．以2011年2月11日发生的强烈岩爆事件为例（见图3），来解释岩爆发生前微震活动的演化规律及特征．其中圆球代表微震事件，球的大小代表能量，灰度代表震级．发生强烈岩爆的前6d，如图3a）所示，2月5日TBM进尺6m，在此期间发生的微震事件较少，事件集中程度不高，围岩属正常的应力调整状态；2月6日～7日（见图3b）），TBM进入全断面开挖阶段，共计进尺11m，随着TBM的向前推进，微震数量有突增的趋势，且分布较为密集，说明围岩内部破裂程度较大，在掌子面附近北侧拱肩处有局部塌方发生．2月8日～9日（见图3c）），TBM共计进尺14m，掌子面北侧边墙附近产生的微震事件数量较多，集中程度较高且事件震级较大，局部塌方持续发生，位置由拱肩处逐步扩展到边墙处．2月10日（见图3d）），TBM进尺13m，在掌子面后方约25m处北侧边墙产生的微震事件数量持续增多，集中程度持续增高，有个别事件震级较大且能量较高，北侧边墙偶尔发出清脆的破裂声．11日凌晨03：00，在桩号为引（3）9＋637～675（此时掌子面的位置为引（3）9＋637）的范围内发生强裂岩爆，主要以北侧拱肩至边墙为主，岩爆沿洞轴线长度约40m．爆坑最大深度达到1m（见图4a）），有明显的结构面痕迹，主要以拉－剪混合破坏为主，有大量片帮和碎石垮落，TBM刀盘卡住，北侧拱肩处钢筋网被拉断，且支护锚杆遭到破坏（见图4b））．在接下来的10d内，桩号为引（3）9＋652～603范围内发生8起岩爆事件，岩爆等级从轻微至强烈不等，其中发生轻微岩爆1次、中等和较强岩爆各3次、强烈岩爆1次．

图3 3＃引水隧洞强烈岩爆孕育过程中的微震事件时空分布图

图4 发生岩爆时的现场情况

从以上分析可以看出，随着TBM的向前掘进，每次发生岩爆前，岩石内部的微震事件都具有一定的规律和特征．而通过这些事件活动的特征，就有可能提前判断出发生岩爆的具体位置和等级．在第一时间为施工和设计人员提供相关资料，以采取有效的应对措施，确保人员和设备的安全．

4 结 论

1）锦屏二级水电站3＃引水隧洞的监测结果表明，微震监测系统可监测到岩石微破裂的前兆信息：如震源位置、强度、能量和震级等参数，对发生岩爆初期的预测预报具有重要的参考依据．

2）在TBM掘进过程中，微震事件在空间上的分布程度，由随机离散状态转变为局部相对集中状态，产生微震事件的数量有逐渐增多的趋势，或有能量和震级均较大的微震事件产生．这是岩爆临近的特征．

3）从发生的距离上讲，岩爆位置紧随掌子面的变化而变化，一般发生在距离掌子面40m的范围内．

4）从发生的时间上看，发生岩爆主要在开挖后几小时或几天内不等，虽然发生的位置有可能被提前判定，但是准确的发生时间仍然难以预测．

虽然某些类型岩爆具有明显的前兆特征，某种程度上具有可预测性；但由于受到工程地质、施工条件、支护措施等多方面复杂因素的影响，并不是所有岩爆都具有规律可循，提高岩爆预测的准确程度有待于提高．

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