阅读说明：本技术 一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法 (Method for screening rock burst early warning micro-seismic events of deep-buried tunnel ) 是由 牛文静 冯夏庭 姚志宾 张伟 肖亚勋 丰光亮 胡磊 李鹏翔 张宇 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法,涉及深埋硬岩隧道岩爆预警技术领域。首先收集各岩爆案例从孕育到发生所对应的微震监测信息,提取各等级岩爆案例中各微震事件的释放能对数和震级；绘制不同等级岩爆案例的微震能量级配曲线,进而计算不同等级岩爆的能量级配曲线各粒径所对应的释放能对数值；将不同等级岩爆的各粒径值变化情况绘制在同一能量粒径曲线图中,分析并求取各等级岩爆能量粒径曲线开始出现互无交叉,且后续趋势一致时的能量粒径所对应的释放能对数值的均值；将该值作为微震目录的最小完整性能量阈值,其对应的震级即为最小完整性震级值,进而实现对岩爆预警的微震事件进行筛选。(The invention provides a method for screening a deep-buried tunnel rock burst early warning micro-seismic event, and relates to the technical field of deep-buried hard rock tunnel rock burst early warning. Firstly, collecting microseismic monitoring information corresponding to each rock burst case from inoculation to occurrence, and extracting the release energy logarithm and the magnitude of each microseismic event in each rock burst case; drawing microseismic energy grading curves of different grades of rock burst cases, and further calculating release energy logarithm values corresponding to each particle size of the energy grading curves of different grades of rock bursts; drawing the variation conditions of the particle size values of different grades of rock burst in the same energy particle size curve chart, analyzing and obtaining the mean value of the logarithmic values of the released energy corresponding to the energy particle sizes when the energy particle size curves of the rock bursts of the different grades begin to have no cross and the subsequent trends are consistent; and taking the value as the minimum integrity energy threshold of the microseismic catalog, wherein the corresponding seismic magnitude is the minimum integrity seismic magnitude value, and further screening the microseismic event of rock burst early warning is realized.)

一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法

技术领域

本发明涉及深埋硬岩隧道岩爆预警技术领域，尤其涉及一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法。

背景技术

岩爆是在高应力条件下，受开挖或其它外界扰动影响，聚积在岩体中的弹性变形势能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的一种动力灾害现象。随着我国深埋硬岩隧道工程的不断建设与发展，面临的岩爆灾害愈加突出。突如其来的岩爆灾害，不仅严重威胁施工人员与设备安全，也很大程度迟滞工程进度。因此，对于有岩爆倾向的深埋隧道工程，施工过程中常采用微震监测手段对岩爆进行预测预警。线性隧道工程开展微震监测时，随着掌子面向前推进，受传感器阵列、与掌子面距离、传感器监测质量、施工环境等因素影响，监测系统可记录到的微震事件的能力会有所变化。该不良影响将可能导致部分岩爆案例的微震活动参数变得离散和无规律性，对岩爆预警产生不良影响。因此，为在一定程度的减少和消除不良因素对岩爆预警的影响，确保在一个标准统一、相对公平的基础上利用微震特征参数值对岩爆进行有效预警，需合理确立可以有效监测且无遗漏微震事件的最小完整性能量或震级，以此为下限阈值对用于岩爆预警的微震事件进行筛选。

确立最小完整性能量或震级的过程，在地震学中称之为地震目录完备性分析。地震目录完备性分析是地震活动性分析、地震预测与地震危险性评估的重要基础。因此，深埋硬岩隧道工程开展微震监测与岩爆预警时，也很有必要开展微震目录完备性分析，以确立用于岩爆预警的微震事件筛选下限阈值，减小或避免部分不良因素对岩爆预警的干扰。地震学中分析地震目录完备性时，常选取最大频度微震事件所对应的震级作为完备性阈值Mc。与地震学中有区别的是，隧道开挖过程中产生的不同能量微震事件近似服从正态分布，较小能量和较大能量的微震事件均相对较少。若采用地震学中的微震目录分析标准时，将导致大多数微震事件不能用于岩爆预警。因此，建立用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的微震目录完备性分析方法具有重要的意义。

目前，国内外用于岩爆预警的微震事件筛选时，大多采用技术人员的经验进行确立，具有一定的主观性。仅在煤矿方面，中国发明专利“一种冲击矿压的微震多维信息综合时序预警方法”，提出以Gurtenberg-Richter幂率曲线的高能量端和低能量端偏离幂率的拐点分布作为能量的上下限分界线，以此对用于冲击矿压预警的微震事件进行筛选。但对同一工程不同等级的岩爆，缺乏统一、固定的筛选下限阈值，此外，对于传感器随掌子面动态移动的线性深埋隧道工程领域，该方法的使用可能具有一定限制性。但除此之外，目前国外深埋硬岩隧道工程建设中尚未建立合理、有效的用于岩爆预警微震事件筛选的微震目录完备性分析方法，国内也未见有相关文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法，以提高岩爆预警(特别是低等级岩爆预警)的准确性，确保隧道施工安全和进度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法，包括以下步骤：

步骤1、在深埋隧道开挖过程中开展微震监测，获取隧道开挖过程中围岩破裂的微震信息；

步骤2、针对已发生的不同等级岩爆，分别选取具有前兆微震特征的岩爆案例，利用步骤1获取的围岩破裂的微震信息，收集各岩爆案例从孕育到发生所对应的微震监测信息；

所述岩爆等级为无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆；

步骤3、将选取的所有无岩爆案例的微震事件合并，提取无岩爆案例中各微震事件的释放能对数和震级；

步骤4、重复步骤3，分别提取轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆案例的所有微震事件的释放能对数和震级；

步骤5、分别绘制不同等级岩爆案例的微震能量级配曲线；

步骤5.1、将无岩爆案例的所有微震事件按释放能对数值的大小进行升序排序，分别为E₁、E₂、E₃、…、E_n，其中n为无岩爆案例的微震事件个数，且E₁＜E₂＜E₃＜…＜E_n；

步骤5.2、从E₁开始，按E₁～E_n的顺序，分别统计无岩爆案例的所有微震事件中不大于E_i对应的微震释放能对数值的微震事件个数N_i，i＝1，2，…，n；

步骤5.3、分别计算不大于某释放能对数值E_i的微震事件数N_i占无岩爆案例微震事件总数N的百分比(N_i/N)％，即将该百分比作为该释放能对数值E_i所对应的微震事件累积百分比；

步骤5.4、以微震事件的释放能对数为横轴，某释放能对数E_i的微震事件累积百分比为纵轴，绘制无岩爆案例的微震能量级配曲线；

步骤5.5、重复步骤5.1～5.4，分别绘制轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆案例的微震能量级配曲线；

步骤6、依据微震能量级配曲线，分别计算不同等级岩爆的能量级配曲线d10、d20、d30、…、d100粒径所对应的释放能对数值；

步骤7、以微震能量级配曲线的不同粒径为横轴，以粒径对应的释放能对数值为纵轴，分别将各等级岩爆的d10、d20、d30、…、d100粒径值变化情况绘制在同一能量粒径曲线图中；

步骤8、观察不同等级岩爆能量粒径曲线的空间分布情况，分析各等级岩爆能量粒径曲线开始出现互无交叉，且后续趋势一致时所对应的能量粒径d_c；

步骤9、求取不同等级岩爆的粒径d_c对应的释放能对数值的均值，并将其作为微震目录的最小完整性能量阈值E_c，其对应的震级即为最小完整性震级值M_c；

步骤10、根据确立的E_c值或M_c值，对用于岩爆预警的微震事件进行筛选，将微震事件的释放能对数值E＞E_c或震级值M＞M_c的微震事件作为可用于岩爆预警的微震事件。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法，通过分析微震目录完备性，合理确立可以有效监测且无遗漏微震事件的最小完整性能量及震级，并依据确立的Ec值或Mc值，可对用于岩爆预警的微震事件进行筛选，将E＞E_c或M＞M_c的微震事件作为可用于岩爆预警的微震事件。消除或降低不良因素干扰对岩爆预警的影响，有效提高岩爆预警的准确性，确保隧道施工安全和加快施工进度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的某深埋隧道不同等级岩爆的微震能量级配曲线图，其中，(a)为无岩爆的能量级配曲线图，(b)为轻微岩爆能量级配曲线图，(c)为中等及以上岩爆能量级配曲线图；

图3为本发明实施例提供的不同等级岩爆的能量粒径曲线图；

图4为本发明实施例提供的微震事件筛选前的部分岩爆案例的微震事件数和b值计算结果，其中，(a)为微震事件筛选前的部分岩爆案例的微震事件数，(b)为微震事件筛选前的b值计算结果；

图5为本发明实施例提供的微震事件筛选后部分岩爆案例的微震事件数和b值计算结果，其中，(a)为微震事件筛选后部分岩爆案例的微震事件数，(b)为微震事件筛选后b值计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以某岩爆频发的深埋硬岩隧道为例，采用本发明的方法进行微震事件筛选。

一种用于深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的微震目录完备性分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、在深埋隧道开挖过程中开展微震监测，获取隧道开挖过程中围岩破裂的微震信息；

步骤2、针对已发生的不同等级岩爆，分别选取具有前兆微震特征的岩爆案例，利用步骤1获取的围岩破裂的微震信息，收集各岩爆案例从孕育到发生所对应的微震监测信息；

所述岩爆等级为无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆；

本实施例中，该隧道已发生的岩爆等级有：强烈岩爆、中等岩爆、轻微岩爆和无岩爆，未发生极强岩爆，因而分别选取3个强烈岩爆、10个中等岩爆案例、15个轻微岩爆案例、20个无岩爆案例，收集各岩爆案例从孕育到发生所对应的微震监测信息；

步骤3、将选取的所有无岩爆案例的微震事件合并，提取无岩爆案例中各微震事件的释放能对数和震级；

本实施例中，将所选取的20个无岩爆案例的所有微震事件合并，合并后的微震事件为2469个，分别提取该2469个微震事件的释放能对数和震级；

步骤4、重复步骤3，分别提取轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆案例的所有微震事件的释放能对数和震级；

本实施例中，由于强烈岩爆案例较少，为使分析结果具有可靠性，将强烈岩爆与中等岩爆案例合并，作为“中等以上岩爆”一起共同分析。按照步骤3的方式，15个轻微岩爆案例合并后的微震事件为2404个，13个中等以上岩爆案例的微震事件为3185个，分别提取轻微岩爆案例、中等以上岩爆案例的所有微震事件的释放能对数和震级；

步骤5、分别绘制不同等级岩爆案例的微震能量级配曲线，如图2所示；

步骤5.1、将无岩爆案例的所有微震事件按释放能对数值的大小进行升序排序，分别为E₁、E₂、E₃、…、E_n，其中n为无岩爆案例的微震事件个数，且E₁＜E₂＜E₃＜…＜E_n；

将无岩爆案例的2469个微震事件按释放能对数值的大小进行升序排序，分别为E₁、E₂、E₃、…、E₂₄₆₉，其中，E₁为-3.87、E₂₄₆₉为4.32；

步骤5.2、从E₁开始，按E₁～E_n的顺序，分别统计无岩爆案例的所有微震事件中不大于E_i对应的微震释放能对数值的微震事件个数N_i，i＝1，2，…，n；

步骤5.3、分别计算不大于某释放能对数值E_i的微震事件数N_i占无岩爆案例微震事件总数N的百分比(N_i/N)％，即将该百分比作为该释放能对数值E_i所对应的微震事件累积百分比；

步骤5.4、以微震事件的释放能对数为横轴，某释放能对数E_i的微震事件累积百分比为纵轴，绘制无岩爆案例的微震能量级配曲线；

步骤5.5、重复步骤5.1～5.4，分别绘制轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆案例的微震能量级配曲线；

步骤6、依据微震能量级配曲线，分别计算不同等级岩爆的能量级配曲线d10、d20、d30、…、d100粒径所对应的释放能对数值；

步骤7、以微震能量级配曲线的不同粒径为横轴，以粒径对应的释放能对数值为纵轴，分别将各等级岩爆的d10、d20、d30、…、d100值变化情况绘制在同一能量粒径曲线图中，如图3所示；

步骤8、观察不同等级岩爆能量粒径曲线的空间分布情况，分析各等级岩爆能量粒径曲线开始出现互无交叉，且后续趋势一致时所对应的能量粒径d_c；

本实施例中，观察图3中不同等级岩爆能量粒径曲线的空间分布情况，由附3可知，不同等级岩爆的d30～d80值基本呈线性函数，且岩爆等级越高粒径对应的能量值越大，但当微震能量＜d30时，不同等级岩爆的能量粒径函数为曲线段，特别是轻微岩爆与中等以上岩爆的d10、d20值具有明显的波动和交叉，即当能量粒径为d_c＝d30时，各等级岩爆能量粒径曲线开始出现互无交叉，且后续趋势一致；

步骤9、求取不同等级岩爆的能量粒径d_c对应的释放能对数值的均值，并将其作为微震目录的最小完整性能量阈值E_c，其对应的震级即为最小完整性震级值M_c；

本实施例中，分别求取无岩爆、轻微岩爆、中等以上岩爆的d30值为-0.10、0.43、0.58，其均值为0.30，即微震目录的最小完整性能量阈值E_c＝0.30，其对应的震级即为最小完整性震级值M_c＝-2.6；

步骤10、根据确立的E_c值或M_c值，对用于岩爆预警的微震事件进行筛选，将微震事件的释放能对数值E＞E_c或震级值M＞M_c的微震事件作为可用于岩爆预警的微震事件。

本实施例中，根据确立的E_c值或M_c值，可对用于岩爆预警的微震事件进行筛选，将E＞0.30或M＞-2.6的微震事件作为可用于岩爆预警的微震事件。筛选前后的部分岩爆案例的微震事件数和b值计算结果如图4、图5所示。对比图4和图5可知，通过本发明的深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的微震目录完备性分析方法所确立的最小完整性能量或震级，对部分轻微岩爆和无岩爆案例进行筛选后，轻微岩爆与无岩爆案例大多都能达到其各自等级的预警阈值，从一定程度上降低了对预警结果的干扰。利用E_c(d30)和E₀(d80)筛选后的微震事件绘制G-R图呈线性，拟合度较高，所求取的b值较合理。

因此，通过此实施例和应用表明，本发明建立的深埋隧道岩爆预警微震事件筛选的微震目录完备性分析方法是合理的，具有较好的使用效果和价值，可为提高岩爆(特别是低等级岩爆)的预警准确性做出贡献。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。