锦屏电站微地震监测仪故障分析与探讨

锦屏电站微地震监测仪故障分析与探讨
摘要：锦屏电站为监测预报左岸高陡边坡及隧洞围岩稳定性，在施工中采用微地震技术监测。

在监测过程中，微地震仪器出现了频繁停止工作的现象。

从锦屏电站微地震监测系统的布置情况入手，介绍并分析导致仪器故障的可能原因。

通过现场监测和实验，证实了微地震仪器故障是由于外界强烈干扰信号造成。

根据情况采取对应措施，从而解决了仪器故障问题。

最后对微地震监测作了总结与建议。

关键词：微地震监测；系统故障；信号干扰；参数调试
1引言
锦屏电站位于四川省盐源县与木里县交界的雅砻江干流，总装机容量360万千瓦，是国家西部大开发的标志性工程，也是国家“十五”计划的重点工程之一。

锦屏电站坝区山高坡陡，两岸山体地应力高，左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌斑岩脉及f2、f5、f8断层等复杂地质条件。

在地下硐室开挖施工过程中，其围岩将发生卸荷松弛，可能导致硐室变形、开裂，甚至发生崩塌。

因此，为了在开挖过程中对左岸岩体进行有效地监测与预报，现场采用了当前最新的围岩监测法--微地震监测。

微地震监测是通过观测、分析生产活动中岩体破裂所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术，其基础是声发射学和地震学。

在岩土工程中围岩结构破坏以及由此导致的某些地质缺陷活动时产生的声发射能量等级较大，接收到的信号频带较低(一般在200-1500Hz之间，高频分量在地层的传播过程中都被衰减)，故一般称为微地震(Microseismic,MS)[1][2]。

由于任何岩体形变（微破裂、相对错位及体积变化等）都会产生弹性波（即微地震信号），这些波在岩体中传播时可以被安装在远处的传感器接收到；然后利用多个传感器接收到的微地震波形，通过反演方法就可以得到岩体形变发生时刻、位置和性质；再根据破裂的大小和集中程度，可以确定岩体在空间的破裂密度，以此推断岩体的破坏程度，实时分析变形和错动的发展趋势，从而为围岩稳定性预测提供依据[3]-[5]。

2微地震监测系统的安装布置
根据左岸岩体地质情况、现场工程监测条件，确定出部分导流洞、平洞、交通洞、施工洞作为微地震监测安装传感器地点。

W1、W2、W3台站位于左岸导流洞右壁；W4台站位于左岸导流洞右壁（因施工未安装）；W5、W6、W7台站位于28号平洞；W8、W9台站位于14号平洞；W10、W11台站位于22号平洞；W12、W14台站位于交通洞左壁；W13台站位于施工洞左壁；W15、W16台站位于4号平洞（因施工未安装）。

微地震监测布置如图1所示。

为安全、及时、方便取得微地震监测数据，根据现场施工、运输等条件，微地震监测仪器安放在W13台站附近，并将微地震监测仪器、微地震监测专用电脑、不间断电源UPS以及交流电源稳压器一同放进一大铁柜中。

微地震监测系统连接情况如图2所示。

3微地震仪器故障
微地震监测系统于2006年1月底开始正常监测。

系统运行几个月后仪器发生停止正常工作现象，到了2006年9月该现象频繁发生，尤其是当微地震事件较多时，仪器会在几个小时内停止运行。

4故障现象分析与探讨
针对此种情况，笔者根据经验和现场情况进行分析后，得出以下几种原因可能导致微地震仪器停止工作：
（1）微地震仪器硬件或者监测软件出现某种损坏导致仪器不能正常工作；（2）微地震信号传输线缆破坏而接收到外界干扰信号促使仪器停止工作；（3）传感器长时间接收到外界强烈的干扰信号导致仪器停止工作。

首先采用仪器比对法进行校核。

在现场，用两台微地震仪器先后监测一昼夜，结果两台仪器都正常工作，不过新仪器的监测时间比原仪器更长，监测的事件数更多。

将两台仪器带回实验室做敲击实验对比。

通过大量的敲击实验，发现两台仪器不但不会停止工作，而且每次敲击的波形信号都十分清楚。

这证实了两台监测仪器本身并没有问题，没有硬件或软件损坏。

通过室内实验，发现了现场测试时新仪器比原仪器监测时间长的原因。

如图2、图3所示，两台仪器在同样的条件下，通过敲击得到的波形信号。

从两图波形信号可以看出，新微地震仪信号较清晰，振幅明显较大，也就是说原微地震仪器要比新仪器灵敏度要高。

因此，在现场监测时，灵敏度高的仪器也就更容易接收外界信号，从而也更容易、更早导致仪器发生故障。

由于微地震信号传输线缆长期裸露在空气中，而且现场施工情况特别复杂，在监测过程中有可能破坏传输线缆。

另外，在微地震监测过程中，曾经发生因施工爆破作业导致隧道洞壁岩块跨塌而砸断线缆的事故。

因此，由于微地震信号传输线缆破坏而接收到外界干扰信号促使仪器故障具有一定可能性。

用万用表测试了每一个传感器三个通道的电阻，将电阻与2006年1月刚开始监测时的电阻进行比较，发现各个传感器的电阻大致一样。

另外，对每个监测台站逐一敲击，并查看和分析敲击信号，发现所有监测台站均能能够有效接受到的敲击微地震信号。

这足以说明微地震信号传输线缆以及传感器完好，工作正常。

此外，由于微地震台站布置范围很大，很可能接收在施工过程中的人为噪音、机械振动噪音、电磁波等。

但是，要迅速证实存在强烈的干扰信号或者找到干扰信号源头却并不容易。

仪器监测几天后，工作人员取数据时意外发现微地震仪器没有停止工作。

仔细查看仪器监测情况，有以下几点与以往不同：①在24小时内共触发4000多个微地震事件，事件数仅为平时的三分之二；②微地震干扰信号很少，不存在以往的尖脉冲信号、噪声干扰等，整个监测信号清晰明了；③不间断电源UPS电量已快用尽。

根据这几点异常情况，很快找到了微地震仪器故障的原因。

微地震监测系统一直采用不间断电源UPS（如图1所示）供电。

由于现场临时停电，UPS经过长时间运行后电量已快用尽。

而现场停电导致其他机械作业和人员施工活动也就停止，从而减少了大量的机械振动、电磁波等干扰信号，因此微地震事件数较少，监测信号中的尖脉冲信号、噪声干扰很少。

在现场，通过采用外接电源供电与UPS供电进行对比证实，用外接电源供
电时，存在明显的波形干扰信号，而供电时波形信号要清晰得多。

经过分析发现，用外接电源时，外接电源通过交流电源稳压器的线圈（见图1）产生强烈电磁信号，从而干扰了微地震仪器监测。

通过以上分析可以看出，微地震仪器故障是由于传感器长时间接收外界干扰信号造成的，而微地震监测信号中的干扰信号则由传感器台站、交流电源稳压器乃至交流电本身所产生的电磁干扰。

针对此种情况，采取了如下措施：
（1）通过现场监测，找到干扰信号特别明显的监测通道并将其屏蔽，如7、8、9、14等通道，从而减少了无效微地震事件数，同时避免接收外界强烈的干扰信号导致仪器故障。

（2）更改了微地震仪器监测参数。

将原来短周期20、长周期50改成短周期22、长周期50。

通过参数更改，降低了监测灵敏度，使仪器对外界干扰信号不触发、不记录。

（3）将微地震监测仪器连接上带有防止电源干扰功能的转换器，同时使用UPS供电，有效避免交流电源稳压器工作产生的电磁信号干扰。

采取以上措施后，仪器不再频繁发生故障。

5总结及建议
在以后的微地震监测中，无论是在实验室，还是在工程现场监测，要特别注意以下几点：
（1）微地震监测仪器要远离交流变压器、电源稳压器等能产生较强电磁干扰的电器。

（2）为了防止交流电源所产生的电涌、电磁信号等干扰，最好采用带有防止电源干扰功能的转换器，以得到清晰、有效的微地震监测数据，
（3）现场注意观察，若存在较强外界干扰信号的通道要及时屏蔽。

（4）根据现场实际情况，调试并合理设置监测参数，包括监测时的长周期、短周期、波形预触发时间、记录时间、增益等。

参考文献:
[1]张山,刘清林,赵群等. 微地震监测技术在油田开发中的应用[J].石油物探，2002，30(1)：226-231.
[2]赵向东,陈波,姜福兴. 微地震工程应用研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21(增2)：2609-2612.
[3]姜福兴,杨淑华,XUN LUO.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态[J].煤炭学报，2003，28(4)：357-360.
[4]逢焕东,姜福兴,张兴民.微地震监测技术在矿井灾害防治中的应用[J].金属矿山，2004(12)：58-61.
[5]张兴民,于克君,席京德等.微地震技术在煤矿“两带”监测领域的研究与应用[J].煤炭学报，2000，25(6)：566-570.
基金项目：教育部“春辉计划”资助项目：微地震智能监测在长大隧道施工中的应用研究(Z2005-1-51003).
横向科研项目：锦屏水电站左岸岩体稳定性微地震监测.。