鹤岗矿震台网背景噪声分析

姜博 赵 谊 欧阳兆国 胡宝慧 常金龙

1）中国黑龙江154101 鹤岗地震台

2）中国哈尔滨150090 黑龙江省地震局

0 引言

矿震是由采矿引起地壳浅部岩体失稳而诱发的矿山震动，是伴随矿山开采始终的动力地质灾害。矿震与天然地震相比，震源较浅，更接近地表。天然地震和矿震都可以引发各种瓦斯灾害。统计资料显示，国内外有很多“先震后灾”的事例，即在发生矿震后的数分钟至数日之后发生煤与瓦斯突出、煤矿突水等煤矿灾害，其中，煤与瓦斯突出事故占大多数（孟上九等，2020）。

近年来，由于受煤矿的开采强度、开采方式及地下采空面积、深度增加等因素的影响，矿震的规模和强度呈明显上升趋势。本文通过对4 个矿震测点进行背景噪声计算，分析了矿震台网数据。对于台址勘选、评估台站观测环境变迁、评估台站记录质量等工作，台基噪声资料都是较重要的依据（王学成等，2009），相关研究可为有关鹤岗地区的矿震研究提供参考。

1 矿震台网介绍

鹤岗是一座因煤而立、由煤而兴的城市。煤田南起峻德，北抵梧桐河，南北走向42 km，东西走向6 km，面积252 km2。自民国时期开始开采，有将近百年的开采史。煤炭开采带来经济效益的同时也对环境产生了影响，这其中最具破坏力的为煤矿瓦斯爆炸（张永刚等，2018）。

近年来，随着黑龙江省龙煤集团鹤岗矿业公司在鹤岗矿区各煤矿逐步进人深部开采，矿震等煤岩动力灾害在峻德、南山等煤矿陆续显现，对煤矿安全生产构成重大威胁。现今对矿震孕育过程了解较少，矿震震级虽不大，但有破坏性，直接危及煤矿的安全生产，给煤矿的深部开采带来很大困难。矿震研究对于保障采煤工人生命安全及煤炭工业发展有着较重要的现实意义（张萍等，2001）。为确保矿工的生命安全和矿井的高效安全开采，黑龙江省地震局与鹤岗市矿务局合作，针对矿震进行观测研究，于2017 年在鹤岗市周边建设矿震观测台网（图1），该台网包括4 个测点（矿务局、鸟山矿、救援队、大陆矿），2018 年开始进行测试观测，矿震台网运行稳定，状态良好，积累了大量矿震数据。

图1 鹤岗矿震台网测点位置Fig.1 Map of Hegang Mine Seismic Network

2 数据分析原理

台基噪声测试中通常利用台站记录的噪声数据计算自功率谱密度，并按特定带宽计算噪声（速度或加速度）有效值RMS（万永革，2012）。噪声功率谱密度计算公式为

其中，f为频率；τ为时间；Rχ(τ)为噪声记录x(t)的自相关函数；Sχ(f)为噪声记录自相关函数Rχ(τ)的傅里叶变换，可被看成噪声记录信号x(t)的平均功率相对频率的分布函数。台基噪声RMS 值计算公式为

式中，P为加速度或速度功率谱密度；f0为分度倍程中心频率；RBW 为相对带宽。RBW 计算公式为

式中，fu为相对带宽的上限频率；fι为相对带宽的下限频率；n、m分别为二进制、十进制倍频程分度值。值得注意的是，按式（3）计算所得的是带宽为[fu，fι]的RMS 值，不是全带宽RMS 值。

台站观测动态范围，反映了观测仪器本身的性能和台基环境干扰背景水平；有效观测动态范围则反映记录地震信号的最大能力（何彦等，2006），其计算公式为

式中，D为有效观测动态范围；RMS 值为脉动噪声的均方根值；U为输入峰值电压（单位为V）；K为数据采集器实际工作时的增益；S为地震计工作灵敏度（单位为V·s/m） ；为仪器有效因子。研究中使用了童汪练研制开发的基于PWelch 方法的软件来计算数字地震计地动噪声功率谱密度。

3 矿震台网数据分析

3.1 功率谱密度

鹤岗矿震台网观测使用的仪器为BBVS-120 型宽频带地震计及REFTEK-130 s 型数据采集器，地震计频带宽度为50 Hz—120 s，地震计动态范围大于140 dB。通过计算确定各分向平均RMS 值、动态观测范围及平均地动噪声。研究中4 个台站记录数据时段详见表1。

表1 鹤岗矿震台网记录数据时段Table 1 List of stations of mine seismic network

鹤岗矿震台网包括4个测点，其中，救援队（JYD）测点建在鹤岗矿山救援队院内西南角，台基为混凝土墩，与基岩一体；大陆矿（DLK）测点与鹤岗煤矿办公楼相邻，台基为混凝土墩；矿务局（KWJ）测点位于矿务局办公楼南侧，台基为混泥土墩；鸟山矿（NSK）测点位于矿场院外，台基为混泥土墩。图2 为4 个测点2021 年5 月2 日、4 日00 点和2021 年5 月8 日、10 日12 点的地脉动噪声波形。由图2 可见：①大陆矿、救援队测点在夜间平静时段受到的高频干扰较多，受大风、降雨等自然环境的影响较大。由于测点周边为住宅区，白天受车辆和人为活动的影响较大；②矿务局、鸟山矿测点在白天嘈杂时段背景噪声较大，由于测点处于工厂内，受车辆行驶、机器振动等人为活动干扰较大。

图2 大陆矿测点（a）、矿务局测点（b）、救援队测点（c）、鸟山矿测点（d）地脉动噪声波形Fig.2 Microseisms at different stations

图3 为4 个测点三分向台基噪声功率谱密度。由图3 可见：①4 个测点的功率谱密度曲线均介于NLNM 和NHNM 之间，说明矿震台网整体背景噪声较小，观测状态良好，观测一致性较好；②4 个测点在0.01—0.10 Hz 频率区间内观测状态最好，说明仪器对低频振动记录较好，大陆矿、鸟山矿测点三分向观测曲线一致性较好，记录到的低频振动更多；③矿务局、救援队测点在1—100 Hz 频率区间内对高频振动记录较好，由于2 个测点都在市区内，低频干扰较多，所以对远距离的矿震记录较好；④影响矿震台网观测质量的主要因素为环境因素。

图3 4 个测点台基噪声功率谱密度（a）2021 年5 月2 日0 时大陆矿测点；（b）2021 年5 月4 日0 时救援队测点；（c）2021 年5 月8 日12 时矿务局测点；（d）2021 年5 月10 日12 时鸟山矿测点Fig.3 Noise power spectral density curves of 4 stations

3.2 地脉动噪声

台站有效观测动态范围的定义为台基噪声功率谱密度图中台基噪声水平与观测上限之间的范围，其反映了台站记录地震信号的能力。一般情况下，台址的背景干扰与时间及周边观测环境有关，白天噪声大，夜间较平静。分析计算了大陆矿、救援队测点0 时及矿务局、鸟山矿测点12 时的平均RMS 值、地震计的观测动态范围、平均地脉动噪声，对4 个测点的各分向数值进行分析对比（表2）。

表2 4 个测点的地脉动噪声及观测动态范围Table 2 Average values and observational dynamic ranges of microseisms for 4 stations

（1）比较大陆矿、救援队测点0 时的地脉动噪声RMS 值发现，救援队测点整体RMS值较高，这主要是因为救援队测点在居民区附近，夜间人为干扰较多。大陆矿测点动态范围较宽，说明大陆矿测点台基较好，平均地脉动噪声较一致。说明2 个测点受到的干扰主要为人为干扰。

（2）比较矿务局、鸟山矿测点12 时的地脉动噪声RMS 值发现，矿务局测点RMS 值较大，鸟山矿测点观测动态范围更广。矿务局测点UD 向平均地脉动噪声较大，其他测向较一致，说明矿务局测点主要受大风、降雨等气象条件的影响。

（3）从4 个测点的平均地脉动噪声可以看出，大陆矿测点地脉动噪声最大，其中，其EW 向最大，这是由于大陆矿测点在工厂中，白天周边干扰较严重。救援队、矿务局测点地脉动噪声较小，观测环境较好，其中，救援队测点白天平均地脉动噪声变化较小，说明该测点白天周边人为活动较少。通过对4 个测点的实地考察发现，实际情况与计算结果相符，说明对这3 个测点的计算是正确的。

（4）对测点12 时的地脉动噪声及RMS 值进行分析发现，白天较夜晚各测点数值变化较大。由于大陆矿在工厂中，白天干扰更严重，但是在分析矿震时，通过滤波程序可以把大部分干扰滤掉，干扰对近震观测影响较小。通过对4 个测点矿震的观测及定位发现，定位精度较单台高很多，可以准确定位出鹤岗矿区内发生的矿震。

图4 为4 个测点的有效观测动态范围。由图4 可见，4 个测点都在有效范围内，其中，矿务局测点最接近标准下限，其他3 个测点的有效观测动态范围与标准值符合较好。4 个测点夜间的观测动态范围稳定，都在有效值之内；而白天的观测动态范围较大，这主要是白天车辆及工厂运行产生的影响。

图4 4 个测点功率谱密度有效观测动态范围（a）大陆矿测点0 时；（b）救援队测点0 时；（c）矿务局测点12 时；（d）鸟山矿测点12 时Fig.4 Effective observational dynamic range of power spectrum density

4 结论与讨论

鹤岗矿震台网共有矿务局、救援队、大陆矿、鸟山矿等4 个测点，通过背景噪声分析，得到以下结论。

（1）通过对4 个测点的数据进行分析可见，大陆矿、鸟山矿测点三分向背景噪声较一致，4 个测点的背景噪声均较小，都在有效范围内；救援队测点整体背景噪声最小，其他3 个测点由于附近干扰源较多，因此相对背景噪声较大，其中，大陆矿测点在办公区内，距离人员活动场所较近，背景噪声最大。

（2）通过对每个测点进行分析可以看出，白天大陆矿、鸟山矿测点干扰较小，救援队、矿务局测点干扰较大。

（3）通过观测动态范围可以看出，救援队测点观测动态范围较大，效果较好，矿务局测点观测动态范围最小，4 个测点的有效观测动态范围都在标准值以内。因此，鹤岗矿震台网整体观测良好，对矿震监测记录完整，波形清晰，矿震台网定位比单台定位更准确。