微震法岩爆监测及其在荒沟电站地下厂房区的应用分析

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(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010； 2.中国地质大学(武汉) 工程学院, 武汉 430074)

1 研究背景

岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中，围岩因开挖卸荷，使得岩体中原先储存的弹性应变能突然释放，从而产生岩体破裂、剥落、弹射甚至抛掷等动力失稳现象。这种岩爆地质灾害常发生在硬脆性岩体中，且发生时伴随着不同程度的噼啪声响[1-3]。随着地下工程不断地向深部发展，岩爆现象呈频发趋势。深部岩体地下洞室开挖过程中频发的岩爆灾害直接威胁施工人员和设备的安全，影响施工进度，严重时造成巨大的人员伤亡和财产损失。例如，2009年11月28日，雅砻江锦屏Ⅱ级水电站排水洞在施工过程中发生极强岩爆，支护系统受到严重破坏，共造成7人遇难，1人受伤，救援清理工作历时1个多月，事故直接和间接造成的经济损失不可估量[3]。

目前，国内外应用于工程实践的岩爆预测预报方法主要有：微震法、微重力法、煤(岩)体电磁辐射监测预报法、地震学预测法、钻屑法、水分法、光弹法、流变法、回弹法等[4]。其中，微震法能对岩体渐近破坏的全过程进行实时动态监测，可以有效圈定监测区内的岩爆潜在风险区，并能够及时对围岩稳定性作出评估和预测，较其他现场岩爆监测方法具有明显的优势，近年来在工程实践中得到了广泛的推广应用。

国外如加拿大、南非、美国、澳大利亚等发达国家的深部地下工程现今大多都安装布置先进的微震活动监测系统，在分析确定洞室围岩的破裂分布、损伤状态及岩爆风险预测预报等方面已有了成功的应用[5]。1986年，北京门头沟煤矿利用由波兰引进的8通道微震监测系统对采煤区的微震活动进行监测研究，这是微震监测系统在我国应用的开端[6]。李庶林等[7]在凡口铅锌矿构建了16通道微震监测系统，对深部采区的大爆破微震活动进行了初步分析。近年来，冯夏庭等[8]、张伯虎等[9]、李彪等[10]、揭秉辉等[11]将微震系统引入锦屏、大岗山、猴子岩等水电工程地下洞室的岩爆监测预警。马克等[12]、徐奴文等[13]将微震监测系统应用于边坡工程，以圈定边坡可能存在的岩体破裂区和潜在滑移面，为边坡工程的支护提供依据。实践证明，微震监测技术为深部地下工程岩爆灾害的预测预报和防护奠定了良好的基础。

本文通过构建荒沟抽水蓄能水电站地下厂房微震监测系统，基于前期两个月的监测数据，对厂房洞室群爆破开挖中诱发的微震活动进行分析。

2 荒沟电站地下厂房区概况

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省牡丹江市海林市三道河子镇，电站装机容量为4×30万kW，主要建筑物由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站、下水库等组成。主副厂房洞室开挖尺寸为163.20 m×25.00 m×53.80 m(长×宽×高)，顶拱高程178.60 m。主变室开挖尺寸为127.10 m×21.20 m×22.40 m(长×宽×高)，顶拱高程为175.10 m。尾闸室开挖尺寸为94.90 m×11.40 m×20.30 m(长×宽×高)，顶拱高程为159.20 m。厂房轴向N49°W，主变室和尾闸室与厂房平行布置，主厂房与主变室的中心距为61.30 m，主变室与尾闸室的中心距为44.35 m。

荒沟电站工程区属构造侵蚀中低山地及河流山谷间的小型构造盆地地形。地下厂房区为切割不深的低山地形，山体高程为470～530 m，地表地形坡度20°～40°。地下厂房埋深350～400 m，围岩主要为白岗花岗岩,岩质坚硬，岩体完整。构造不甚发育，地下厂房发现有f33、f34两条陡倾角裂隙状小断层，宽仅3～5 mm，延伸不长。有f31、f32两条陡倾角断层通过主变室，f31断层宽0.3～1.10 m，f32断层宽0.05 m，其充填物主要为碎裂岩及岩屑夹泥。岩体中主要发育有3组陡倾角节理(NWW、NE、NEE向)和一组NEE向缓倾角节理，节理间距一般为0.5～2.5 m，多呈闭合状态。厂房系统围岩多为Ⅱ类围岩，岩体完整性总体为较完整—完整(见图1)。据地应力实测资料及应力场回归反演结果分析，厂房区最大主应力值在11.0～15.0 MPa，属于中等应力水平。

图1 地下厂房区高程172.60 m平切图

图2 下层排水廊道与1#尾水支洞交汇处岩爆现象

荒沟抽水蓄能水电站地下厂房开挖初期个别工程部位围岩已发生不同程度的片帮、岩爆现象(见图2)，为了在后续施工开挖过程了解洞室围岩的稳定性，引进微震监测系统对地下厂房进行实时监测，以期识别和圈定影响围岩稳定性的潜在失稳危险区，为安全施工提供参考。

3 地下厂房区微震监测系统

3.1 微震监测系统构建

采用加拿大地震工程集团 (Engineering Seismology Group,ESG)生产的高精度微震监测系统对地下厂房区微震活动进行全天侯监测，该系统主要包括加速度传感器、电缆、Paladin信号采集系统、HANS数据处理系统等。荒沟电站地下厂房共分7层开挖，自上而下逐层开挖厚度分别为10,8,8.1,6.6,7.4,7.5,6.2 m[14]。微震系统构建时，主厂房第Ⅲ层已开挖完成，尾闸室和母线洞已开挖过半，主变室、上/中/下层排水廊道、通风洞和交通洞均已开挖完成。根据地下厂房的开挖状态，利用已开挖完成的上/中层排水廊道，共布设18个传感器，形成空间阵列，重点监测分析因厂房进一步开挖扰动对厂房顶拱及上游侧边墙的围岩稳定性影响。图3为地下厂房分层开挖及传感器位置示意图。

图3 地下厂房分层开挖及传感器位置示意图

图4 地下厂房区传感器空间布置示意图

图4为传感器空间布置示意图。在地下厂房系统的上层排水廊道和中层排水廊道分别布设6个和8个单轴传感器，主变室内布设3个单轴传感器，厂房和主变室之间的交通洞内布设1个单轴传感器，监测中心放置于交通洞内。传感器安装孔孔径为50 mm、孔深4 m左右，安装时，传感器前端用锚杆树脂固定在孔底。传感器与岩体为点接触，可以接收各方向传来的弹性波信号。微震系统构建完毕后，用人工敲击试验验证了传感器的运行状态。

3.2 速度模型的选定

速度模型的有效选定对震源事件的定位精度至关重要，定位误差受其影响显著。系统安装完成后，在上层和中层排水廊道累计进行了10次人工敲击试验来进行速度模型的选择。根据资料，地下厂房区岩体内的平均P波波速为4 700～5 500 m/s。将系统波速设定为4 700～5 500 m/s之间17个不同波速值，参考文献[15]中事件的定位捕捉原理及波形处理方法，对10个人工敲击试验点进行系统定位，求得定位结果的平均误差，并对波速及事件定位误差进行相关性分析，结果如图5所示。最后得到监测区内岩体的最优P波波速为5 150 m/s，此时定位误差5.4 m最小，系统定位精度满足工程监测需求[11]。

图5 波速与定位误差关系曲线

图6 典型微震和爆破事件信号波形

4 微震监测结果分析

荒沟微震监测系统自2017年9月30日正常运行以来至2017年11月30日2个月时间，共监测到微震事件123个，日均2个；爆破事件54个，日均约1个。图6为荒沟微震监测系统监测到的典型微震和爆破事件信号波形图。微震信号波成分单一，持续时间短，振幅多集中在几十至几百mV之间，震级较大的个别微震事件可达上千mV，频率主要分布在500 Hz以内中低频段；爆破波形在一个窗口内有多个波形互相叠加，持续时间较长，振幅大、频率高。

4.1 微震事件时间分布规律

通过分析微震事件的时间分布规律，能够了解岩体内部岩石微破裂萌生、发育、聚集的时间演化特征，并能获得岩体微破裂与地下洞室开挖等施工扰动之间的关系[10]。2017年9月30日—11月30日地下厂房监测区累积微震事件和爆破事件随时间演化规律如图7所示。由图7可见，9月30日—10月26日，累积微震事件随时间演化曲线平缓，递增幅度小，表明岩体内部微破裂事件少，岩爆风险低；爆破累积事件无增长。此段时间因故停工，现场全面停止爆破施工，岩体受外力作用扰动的影响小，微震活动平静。复工后，累积微震事件和爆破事件随时间呈明显的递增趋势，且两者基本呈正相关关系。这段时间岩体内部微破裂事件相对活跃，岩爆风险相对较高，受现场开挖爆破施工影响明显。可见，施工扰动等外界作用力是诱发微震事件的主要因素。

图7 累积微震事件和爆破事件随时间演化规律

4.2 微震事件空间分布规律

通过微震事件的空间分布规律，可以有效地识别圈定岩体微破裂区，从而预测判断地下厂房区的潜在岩爆风险区。图8为监测区域2017年9月30日—11月30日两个月的微震事件空间分布(图中圆球代表微震事件，大小代表能量，圆球越大能量越大，不同颜色表示矩震级)，U,N,E分别为竖直向，正北向、正东向。微震事件主要集中在高程150～180 m范围的厂房上游侧拱肩(记为Ⅰ区)和高程110～140 m范围的下层排水廊道与厂房安装间交汇部(记为Ⅱ区)。结合地下厂房的现场施工情况和现场踏勘分析，这2处聚集区的微震事件沿着断层f31和f34分布。微震事件之所以聚集在上述区域，主要是上述区域受厂房开挖时的机械振动和爆破振动等动力扰动所导致。断层构造处应力集中，加之现在洞室开挖后交叉分布，应力重分布，洞室交汇处及断层附近均有应力集中现象，岩石微破裂事件亦在此集中。

图8 微震事件空间分布

4.3 微震事件初步成果分析

通过对前期两个月微震数据的处理，并结合地下厂房洞室群的现场施工情况分析，微震事件聚集区主要是由于施工机械振动和爆破振动等动力作用扰动所致。Ⅰ区微震事件的震级、能量和震源半径都小，而Ⅱ区的震级、能量和震源半径较Ⅰ区大。目前，监测区内没有大规模岩爆发生，但微震事件聚集区的相关工程部位时有岩体崩落现象(见图9)，岩体内部不断发生微破裂，是岩爆发生的潜在危险区，后续应重点关注此区域的微震活动性；所产生的微震事件也都被监测系统准确捕捉到，印证了此微震系统进行岩爆预测预警及围岩稳定性评价的可靠性。

图9 微震聚集区岩体崩落现象

5 结 论

以荒沟电站地下厂房区为例，引入微震监测系统，对岩爆进行监测预警预测。前期两个月的监测结果表明：

(1)微震系统可以有效地捕捉高频的爆破事件和低频的微震事件。

(2)荒沟地下厂房区的微震事件活动频度与现场爆破开挖的施工频度呈正相关关系

(3)微震事件主要集中在厂房上游侧拱肩和下层排水廊道与厂房安装间交汇部，沿断层呈条带状分布。

(4)目前，监测区内未有大规模岩爆现象发生，但后续应根据监测结果密切关注微震聚集区围岩稳定性受施工强度的影响状况，监测结果可为厂房的稳定性评价提供参考。