大地测量与地球动力学

基于背景噪声研究东滩矿区地下介质波速变化特征

戴宗辉 ¹ , 曲均浩 ¹^,*

大地测量与地球动力学 | 地震地质 2025,45(1): 55-59

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大地测量与地球动力学 |地震地质 2025 , 45 (1) : 55 -59

基于背景噪声研究东滩矿区地下介质波速变化特征

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戴宗辉¹, 曲均浩¹^,*

作者信息

1 山东省地震局, 济南市文化东路20号, 250014

通讯作者:

曲均浩, 正研级高级工程师, 主要从事数字地震学研究, E-main: gisqjh@126.com

QU Junhao, professor, majors in digital seismology, E-mail: gisqjh@126.com

作者简介:

戴宗辉, 工程师, 主要从事数字地震学研究, E-mail: daizonghui001@163.com

Seismic Velocity Changes in Dongtan Mining Area Based on Ambient Noise

Zonghui DAI¹, Junhao QU¹^,*

Affiliations

1 Shandong Earthquake Agency, 20 East-Wenhua Road, Jinan 250014, China

DAI Zonghui, engineer, majors in digital seismology, E-mail: daizonghui001@163.com

出版时间: 2025-01-15 doi: 10.14075/j.jgg.2024.03.089

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摘要

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基于地震背景噪声互相关方法, 利用东滩煤矿CCH和BDS台2022-02-08 02:00-2023-03-08 07:00连续波形数据计算地下介质波速变化, 并分析其与63^上06工作面回采作业和矿震活动的相关性。研究结果表明, 63^上06工作面回采作业对地下介质波速影响明显; 波速转折变化与矿震发生也具有较为明显的相关性, 反映出地下应力水平变化与矿震发生的关系; 矿震对地下应力的释放也可导致波速出现小幅度波动变化。

关键词

背景噪声 / 波速变化 / 东滩煤矿 / 矿震

Abstract

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Based on the seismic ambient noise cross-correlation method, we calculate the relative velocity variation within the underground medium. We utilize continuous waveform data from the CCH and BDS stations at Dongtan mine, spanning from 2 a.m. on February 8, 2022, to 7 a.m. on March 8, 2023. The analysis focuses on the correlation between these velocity changes and both the mining operation and seismic activity at the 63^up06 working face. The findings reveal a notable impact of the mining operation at the 63^up06 working face on the wave velocity within the underground medium. Additionally, a clear correlation exists between the changes in wave velocity and the incidence of mine earthquakes, highlighting the interplay between variations in underground stress levels and seismic events. Furthermore, the release of underground stress during mine earthquakes can lead to slight fluctuations in wave velocity.

Key words

ambient noise / velocity change / Dongtan mining / mine-induced seismicity

引用本文

戴宗辉, 曲均浩. 基于背景噪声研究东滩矿区地下介质波速变化特征. 大地测量与地球动力学, 2025 , 45 (1) : 55 -59 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.03.089

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正文

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为最大限度地回收煤炭资源，我国部分煤矿开始转入对600 m及更深煤层的开采^[1]。由于深部地质条件复杂，在高应力条件下，煤矿开采难度增加，强矿震灾害也更加频繁。为保证煤矿回采过程中工作面的安全，除了采取多方面技术及安全措施外，合理的矿震监测预警方法同样可有效指导煤矿的安全生产^[2]。目前，常见的矿震监测预警方法有微震监测法^[3]、钻屑监测法^[4]、应力监测法^[5]和地音监测法^[6]等，其中应力监测法和地音监测法本质上都利用了地下岩层的物性变化，反映的是地下岩层的应力变化，而岩层应力变化同样可以通过地震波速变化来反映^[7]。因此，理论上，通过监测地下介质波速变化，同样可对矿震的发生进行预警。地震背景噪声方法是近年来地震学领域快速发展的研究方法，其利用不同台站连续噪声数据的互相关来提取经验格林函数，用于监测地下介质波速变化^[8]。目前该方法被成功应用于监测火山内部介质波速变化，并在火山喷发预测研究中取得了较为理想的效果^[7]。

位于兖州煤田中部的东滩煤矿属于典型的深部煤矿，平均开采深度超过600 m，东滩煤矿南翼六采区63^上06工作面回采过程中已发生数十起M_W≥1.0矿震事件^[9]。本文以东滩煤矿为研究区，基于地震背景噪声方法提取地下介质波速变化，并分析矿区介质波速变化与矿震发生的关系，为矿震预警提供新的思路。

1 数据与方法

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1.1 东滩矿区与观测台站

东滩煤矿位于山东省邹城市境内，区域构造属于华北地台聚煤盆地。矿区地质构造以宽缓的褶皱为主，并伴有一定数量的断裂构造，主要发育高角度正断层，较大断层分布在矿区东部和北部边缘。六采区位于矿区南翼，地质构造以一号井东断层为界，分为东、西两个不同的地质构造单元区，其中西构造单元区以NE向宽缓褶皱为主，伴有一定数量与褶曲轴平行的逆断层和正断层，断层落差较小，地质构造复杂程度中等；东构造单元区以一组近NS向和NNE向断裂构造为主，落差较大，将东构造单元区切割成地堑、地垒相间排列的NS向断块带条，地质构造复杂。

根据矿区断层分布，六采区63^上06工作面所处位置断层相对不发育，在回采过程中，完整的上覆岩层容易积累更高的应力，从而导致较强矿震事件发生。为监测矿震活动，矿区内共布设14个测震台站，其中7个位于煤巷，7个位于地表(图1)。由于煤巷内7个台站随掘进面不断变换位置，其不连续的观测数据不适用于背景噪声方法；地表7个台站中，5个台站位于63^上06工作面以北区域的采空区，为排除采空区对介质波速变化的影响，本研究未选择该部分台站。在六采区南部布设有2个短周期测震台站(图1)，为相关介质波速变化研究提供了数据支撑，本文收集2个台站2022-02-08 02:00-2023-03-08 07:00的连续波形数据，数据均未出现长时间间断，采样率均为500 Hz。

1.2 方法和数据处理

参考Bensen等^[10]和Lecocq等^[11]的研究，本文数据处理流程主要包括以下3个步骤：

1) 数据预处理。首先对单台连续波形进行去均值、去线性趋势、去台阶、波形尖灭等处理，之后进行2~20 Hz带通滤波；其次，去仪器响应后分别在时间域和频率域对连续波形进行归一化处理，以排除地震事件、人为干扰等信号，并使噪声信号在不同频率更加均衡。

2) 互相关函数的计算和叠加。在均匀波场中，部分噪声波传播时先后穿过不同台站，通过2个台站连续背景噪声的互相关计算，即可提取出微弱的噪声信号^[12]。A、B两个台站背景噪声的互相关函数对时间的导数与A、B两点间介质的格林函数仅有振幅差异：

(1)

$\begin{gathered}\frac{\mathrm{d} C_{A B}(t)}{\mathrm{d} t}=-\hat{G}_{A B}(t)+\hat{G}_{B A}(-t) \approx \\-G_{A B}(t)+G_{B A}(-t)\end{gathered}$

式中，C_AB(t)为A、B两个台站连续噪声数据在时间域的互相关函数；G_AB(t)和G_BA(－t)分别为由A点传播至B点和由B点传播至A点的格林函数；

$\hat{G}$

_AB(t)和

$\hat{G}$

_BA(－t)为C_AB(t)对时间求导后的2个分量，其与G_AB(t)和G_BA(－t)仅存在振幅差异，为经验格林函数。

在进行互相关计算前，将连续波形划分为10 min长的波形窗口，并设置相邻波形窗口的重叠率为50%，以提高互相关函数的稳定性。计算的互相关函数保存±3 s波形，将每2 h的互相关函数进行叠加，作为当前时间的经验格林函数(图2)。

为进一步提高经验格林函数的稳定性，通常对提取的经验格林函数再次进行滑动叠加。本文选择将前后12 h的经验格林函数进行滑动叠加，作为叠加后当前时刻的经验格林函数(图3)，并将计算得到的所有互相关函数进行叠加，作为参考格林函数。

3) 走时延迟计算。计算波速变化的方法通常包括移动窗口互谱法^[13]和拉伸插值法^[14-15]。Nimiya等^[15]分别采用这2种方法计算了日本九州岛地区的波速变化，结果发现，使用经验格林函数的单侧分支(

$\hat{G}$

_AB(t)或

$\hat{G}$

_BA(－t))时，拉伸插值方法更稳定和可靠。图2和3显示，提取的经验格林函数表现出单侧分支信号强的特征。因此，为保证计算结果的稳定性，本文采用拉伸插值方法计算波速变化。

介质波速发生变化时，其对应的格林函数波形可视为原格林函数拉伸或压缩后的波形。因此，对当前经验格林函数进行某一拉伸系数的拉伸或压缩，当其与参考经验格林函数的相关系数达到最大时，即可认为该拉伸系数为波速的相对变化：

(2)

$C(\varepsilon)=\frac{\int f_t^{\text {cur }}(t) f^{\text {ref }}(t) \mathrm{d} t}{\sqrt{\left[\int\left(f_{\varepsilon}^{\text {cur }}(t)\right)^2 \mathrm{~d} t\right]\left[\int\left(f^{\text {ref }}(t)\right)^2 \mathrm{~d} t\right]}}$

(3)

$f_{\varepsilon}^{\text {cur }}(t)=f^{\text {cur }}(t(1+\varepsilon))$

式中，

$\varepsilon=\frac{\mathrm{d} t}{t}=-\frac{\mathrm{d} v}{v}$

为波速相对变化的相反数；C(ε)为拉伸后的当前(上标cur)经验格林函数与参考(上标ref)经验格林函数之间的相关系数。

2 结果分析讨论

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2.1 波速变化特征

利用disba程序计算不同频率Rayleigh面波的敏感深度。从图4可见，频率越高，其敏感深度越浅。本文关注的2~20 Hz频段，敏感深度主要介于0~0.6 km之间。东滩煤矿63^上06工作面的深度约为600~700 m，因此本文所得结果主要反映了回采工作面附近至地表的介质波速变化。

基于背景噪声互相关方法，利用CCH和BDS台连续波形数据计算得到2022-02-08-2023-03-08期间介质波速的相对变化。由图5可知，研究时段的介质波速的相对变化范围主要集中在－0.25%~0.5%之间，计算误差小于0.2%。2022年2月到2023年6月底和2022-11-2023-03，波速主要表现出周期性变化，周期约2个月，且变化主要介于－0.2%~0.2%之间。2022年7月初开始，波速出现快速上升变化，至8月上升至最大值，相对变化幅度达到0.4%；9月底波速开始缓慢下降，至11月初波速逐渐恢复至7月之前水平。

2.2 回采作业与波速变化的相关性

根据山东能源集团东滩煤矿提供的《63^上06工作面2022年生产情况》，63^上06工作面2021-08-30临时停采，2022-06-16恢复生产，2022-09-25矿震后临时停采，至2022年底未再生产。63^上06工作面恢复生产期间累计推进进尺约81.7 m，共发生矿震事件5次，图5中红色箭头标注了矿震发生时间。

对比波速变化和63^上06工作面的生产活动发现，恢复生产约半个月后，介质波速开始出现明显上升变化，并于快速上升阶段发生2次M1.0以上地震；09-25停采后介质波速逐渐恢复至之前水平。分析认为，地下介质波速变化与63^上06工作面回采作业的相关性较强。另外，5次矿震均发生在介质波速变化的转折点附近，其中07-08 M1.6和07-20 M1.9矿震发生在介质波速快速上升阶段，09-04 M1.2、09-12 M1.4和09-25 M2.3矿震发生在介质波速由高值转折恢复阶段。地下介质波速变化反映了地下应力的变化，矿震的发生与介质波速变化的对应关系表明，地下应力水平的变化导致了矿震的发生。

由图5可见，除2022-07-11期间介质波速发生大幅变化外，研究周期内该区域介质波速仍有部分短期小幅度变化，且该变化期间63^上06工作面附近未发生相应矿震。由于地下介质波速的影响因素众多，分析认为，该部分变化可能受区域内其他因素的影响。此外，由于本文获得的介质波速变化仅基于24 h数据叠加，考虑到短时间叠加的计算误差相对较大，本文未对该部分变化进行更为详细的分析与讨论。

3 结语

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本文基于地震背景噪声数据，利用背景噪声互相关方法计算得到东滩煤矿六采区63^上06工作面附近至地表介质的波速变化，并结合63^上06工作面回采作业及矿震发生规律，分析回采作业对介质波速的影响，讨论介质波速变化与矿震发生的相关性。结果表明，63^上06工作面停产期间，地下介质波速具有周期性变化；随着63^上06工作面的回采，地下介质波速出现同步升高变化；工作面停产后波速逐渐恢复至正常水平。此外，在波速出现转折变化阶段均发生M1.0以上矿震活动，同时矿震发生后波速均出现小幅度波动变化，反映矿震对应力的释放作用。

由此可知，随着工作面的回采作业，采空区顶板应力平衡状态被打破，应力水平的改变使介质波速出现同步变化；当应力水平达到岩层破裂的临界值时，矿震发生，积累的应力得到部分释放，波速表现为小幅波动变化。波速变化与矿震发生的相关性表明，基于背景噪声的波速变化监测可为矿震预警提供参考，从而指导煤矿的安全生产。

基金

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山东省地震局科技创新团队培育专项(TD202301)

参考文献

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文献

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, Ikeda

, Tsuji

. Spatial and Temporal Seismic Velocity Changes on Kyushu Island during the 2016 Kumamoto Earthquake[J]. Science Advances, 2017, 3 (11) http://advances.sciencemag.org/content/3/11/e1700813.full-text.pdf

2025年第45卷第1期

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doi: 10.14075/j.jgg.2024.03.089

接收时间：2024-03-05
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-01-15

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收稿日期：2024-03-05

基金

Special Project for Cultivating Scientific and Technological Innovation Teams of Shangdong Earthquake Agency(TD202301)

山东省地震局科技创新团队培育专项(TD202301)

作者信息

1 山东省地震局, 济南市文化东路20号, 250014

通讯作者:

曲均浩, 正研级高级工程师, 主要从事数字地震学研究, E-main: gisqjh@126.com

QU Junhao, professor, majors in digital seismology, E-mail: gisqjh@126.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ddcl/CN/10.14075/j.jgg.2024.03.089

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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