提高深部開采微震事件定位精度的研究

王元杰 鄧志剛 王傳朋

（1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013）

提高深部開采微震事件定位精度的研究

王元杰1，2鄧志剛1，2王傳朋1，2

（1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013）

分析了影響微震事件定位精度的因素，認為在給定速度模型的條件下，定位精度則主要依賴于事件波形到時讀數(shù)的準確性和震源與拾震器之間的幾何形狀。結(jié)合現(xiàn)場的實際工程條件，進行了拾震器的優(yōu)化布置，通過對事件波形的降噪處理，提高了P波、S波初至標定的準確性，進而提高了礦山微震事件定位的精度。

微震事件 定位精度 震波初至 優(yōu)化布置 降噪

微震監(jiān)測技術(shù)是利用煤巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出的震動波來進行監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法。

微震事件的定位是進行礦山微震活動性研究的首要任務(wù)。通過對震源的確定，可以進一步分析震動特性，確定震動集中區(qū)域，預(yù)測震動趨勢，評價沖擊危險。因此，微震事件定位的準確性至關(guān)重要，有必要對提高礦山微震定位精度的技術(shù)進行研究，以有效地指導(dǎo)礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。本文基于ARAMIS M／E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)場實際工程條件，對拾震器的空間分布形狀和事件波形到時讀數(shù)的準確性等進行了綜合分析，實現(xiàn)了對礦井微震事件定位精度的提高。

1 ARAMIS M／E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)

由波蘭EMAG礦業(yè)電氣自動化中心研制開發(fā)的ARAMIS M／E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)目前已經(jīng)被波蘭國內(nèi)及世界各地的礦井廣泛應(yīng)用。我國于2006年開始著手引進該套設(shè)備，已在華豐煤礦和老虎臺煤礦等許多礦井得到應(yīng)用。

該系統(tǒng)通過24位σ－δ轉(zhuǎn)換器提供震動信號的轉(zhuǎn)換和記錄，實現(xiàn)了信號的數(shù)字傳輸模式，并對震動頻率在0～100Hz、能量在102～1010J之間的微震事件進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)主要由井下拾震器、地面中心站及地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3部分組成。井下拾震器對采煤工作面、掘進工作面上覆巖層、底板巖層等煤巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，記錄實時發(fā)生的微震事件的震動信號，并將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)降孛嬷行恼?；地面中心站為井下拾震器供電并接收由拾震器傳輸至地面的微震信號，后由地面?shù)據(jù)處理系統(tǒng)對震動波形圖進行分析和計算后，確定微震事件的發(fā)生位置，計算出事件釋放的能量。系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域達幾百平方公里，經(jīng)過長時間監(jiān)測后，可將礦區(qū)內(nèi)全部微震事件繪制到礦井平面圖上，對整個礦區(qū)的震動情況進行分析，劃分危險區(qū)域，以便于提前采取解危措施，降低事故發(fā)生率。

2 事件定位精度的影響因素

礦山微震定位的準確程度依賴于微震監(jiān)測臺網(wǎng)的空間分布形狀、事件波形到時讀數(shù)的準確性以及適當?shù)乃俣饶Ｐ图僭O(shè)等因素。事實上，由于煤巖體介質(zhì)是復(fù)雜的，非均質(zhì)的，含有大量裂隙、節(jié)理和不連續(xù)面，使得微震信號即使在同一類性質(zhì)的巖石中傳播，其在不同方向、不同區(qū)域的傳播速度都是不同的。因此在進行定位計算時，需要對速度模型進行假設(shè)，假定P波（縱波）在煤巖體介質(zhì)中各個傳播方向上保持速度不變，為某一定值。對于給定的速度模型條件下，隨機誤差則主要依賴于事件波形到時讀數(shù)的準確性和震源與拾震器之間的幾何形狀。

2.1 拾震器的空間布置

拾震器布置是微震事件定位的基礎(chǔ)，微震監(jiān)測需要的所有信息都來自于拾震器，它決定初始誤差對最終定位結(jié)果的影響程度。布設(shè)好的拾震器陣列可使初始誤差的影響減至最小，相反可使初始誤差達到最大，因此，拾震器的布置是微震事件定位技術(shù)的一個重要部分。

辨識震源位置和速度模型的適應(yīng)值函數(shù)描述為：

式中：ΔWk——第k＋1和第k個拾震器監(jiān)測到時之差；

ΔLk——第k＋1和第k個拾震器與震源的距離之差；

n——拾震器個數(shù)。

當Q等于或趨于0時，可求得最佳的速度模型和震源位置。為避免特殊情況發(fā)生，即震源到所有拾震器的距離相等（ΔLk＝0），和所有拾震器監(jiān)測到時都相同（ΔWk＝0），因此在布置拾震器時應(yīng)避免可能發(fā)生微震的區(qū)域到所有拾震器的距離相等。

另外，拾震器的布置還應(yīng)考慮下面因素：與定位算法結(jié)合，拾震器的定位參數(shù)必須使得計算過程收斂；監(jiān)測范圍要在監(jiān)測系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)；拾震器布置過程中，拾震器和信號電纜應(yīng)盡可能避免其他信號的干擾，如電信號、機械震動等。

2.2 微震事件波形分析

煤巖體在外界應(yīng)力作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當能量積聚到某一臨界值之后，會引起微裂隙的產(chǎn)生與擴展，微裂隙的產(chǎn)生與擴展會伴隨著兩類彈性波或應(yīng)力波的釋放并在周圍巖體內(nèi)快速傳播。一種是P波，它是首先到達的波。P波在傳播過程中使其顆粒在波的傳播方向上向前和向后運動，交替地擠壓和拉張它們穿過的煤巖體，產(chǎn)生張拉型破壞。另一種是S波（橫波），S波涉及剪切而不是擠壓，因此對煤巖體產(chǎn)生壓剪型破壞。

在微震定位計算里，P波和S波初至的標定是一項重要的工作，其標定的準確性對定位結(jié)果的計算影響重大。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，拾震器接受到的信號難免會受到其它信號的干擾，如電信號、機械震動等。在對微震信號進行處理時，就需要工作人員從大量的信號中選取真正的微震事件，并對其進行降噪處理，在此基礎(chǔ)上對P波和S波的初至進行準確的標定。

3 應(yīng)用實例

山東唐口煤業(yè)有限公司位于山東省濟寧市西部約10km，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t／a，服務(wù)年限為51a。煤層埋藏深，平均井深1044m，目前礦井最深的巷道為430采區(qū)水倉泵房，垂直深度達1111m。開采的3上煤層具有強沖擊傾向性，煤層頂板具有弱沖擊傾向性。所以為了保證深井開采的安全，該礦于2009年9月安裝運行ARAMIS M／E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)，以對深井地壓災(zāi)害進行研究。

表1為2009年9月25日至2009年11月25日期間，系統(tǒng)記錄到的位于各個工作面不同能量級別的微震事件次數(shù)。對這兩個月的數(shù)據(jù)分析得知，多數(shù)微震事件的能量低于103J，占微震事件總數(shù)的88.6%；微震事件主要分布在2304工作面和西部帶式輸送機大巷兩個區(qū)域，分別占微震事件總數(shù)的31.4%和19%；2306工作面為礦井的主采工作面之一，監(jiān)測到微震事件較少，僅占微震事件總數(shù)的9.5%。

表1 微震系統(tǒng)運行前期各工作面不同能量級別微震事件次數(shù)統(tǒng)計

為了提高系統(tǒng)對微震事件監(jiān)測的精度，尤其是對發(fā)生于2306工作面的微震事件，從拾震器的優(yōu)化布置和地震波到時讀數(shù)的準確性出發(fā)，對提高微震系統(tǒng)的監(jiān)測精度進行了研究。

3.1 拾震器的優(yōu)化布置

為了提高系統(tǒng)對2306工作面這個主采區(qū)域監(jiān)測精度，于2009年11月26日，在原先的拾震器布置的基礎(chǔ)上，主要做了以下工作。

（1）在2308運輸巷距離切眼933m處安裝1＃拾震器。

（2）原安裝在西部軌道大巷并聯(lián)巷的6＃拾震器，由于周邊環(huán)境變形嚴重，需要重新選取安裝地點，地點選在2306運輸巷距離切眼949m處。

（3）在330軌道大巷安裝10＃拾震器。調(diào)整后的拾震器布置平面圖見圖1。

圖1 拾震器布置平面圖

3.2 微震波形的處理

2306工作面的ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)采用快速傅立葉功能對記錄的信號進行過濾處理，經(jīng)處理可以排除電信號、機械震動等信號的干擾，其濾波方式主要有低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波和尖峰濾波。要熟練地應(yīng)用這些功能還需要操作人員長時間的積累經(jīng)驗。

圖2是系統(tǒng)各通道記錄的事件原始波形圖，圖3是經(jīng)降噪處理后的事件波形圖。可以看出，經(jīng)降噪處理后，排除了其它信號的干擾，這有助于監(jiān)測人員能夠準確地判斷P波初至和S波初至。而P波初至和S波初至的標定，是進行微震事件定位的基礎(chǔ)，因此可以通過提高操作人員對濾波功能的操作來提高系統(tǒng)的定位精度。

3.3 微震事件定位精度分析

拾震器優(yōu)化布置工作于2009年11月26日結(jié)束，表2為微震系統(tǒng)監(jiān)測到的2009年11月27日至2009年12月27日期間系統(tǒng)記錄到的位于各個工作面不同能量級別的微震事件次數(shù)。

表2 各工作面不同能量級別微震事件次數(shù)統(tǒng)計

圖4 2304、2306工作面每天微震事件次數(shù)

通過對表2中數(shù)據(jù)分析得知，多數(shù)微震事件能量低于103J，占微震事件總數(shù)的88.9%，說明雖然礦井埋深比較大，但由于處于初期開采階段，其采動應(yīng)力的集中程度比較低，所發(fā)生的微震事件能級比較低；作為礦井重點監(jiān)測區(qū)域的2304和2306工作面微震事件占多數(shù)，占微震事件總數(shù)的74.4%。圖4為截取的拾震器優(yōu)化布置前后一段時間，2304工作面和2306工作面每天發(fā)生的微震事件次數(shù)變化趨勢。由圖4可知，11月26日完成拾震器的重新布置之后，系統(tǒng)監(jiān)測到的2304和2306工作面事件明顯增多，尤其是2306工作面事件占到微震事件總數(shù)的38.3%。由此可以說明，通過提高事件波形到時讀數(shù)的準確性和改善拾震器布置的幾何形狀，改善了系統(tǒng)對礦井重點監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測精度，從而有效促進了礦井安全管理工作的開展。

4 結(jié)論

山東唐口煤業(yè)有限公司現(xiàn)有開采區(qū)域僅占井田全面積的1／10，要想對全礦井各個位置都達到監(jiān)測，就不能對現(xiàn)有開采區(qū)域進行精確監(jiān)測，最初的拾震器布局滿足了對整個井田區(qū)域的監(jiān)測，而對重點監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測精度還不夠理想。文章結(jié)合現(xiàn)場的實際工程條件，充分考慮了影響微震事件定位精度的因素，通過拾震器的優(yōu)化布置和事件波形的降噪處理，提高了礦山微震事件定位的精度，為礦井安全管理工作提供了保證。

在確定的通道數(shù)和拾震器使用個數(shù)的前提下，為充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用，就要合理地對拾震器進行空間布置與分配，以期在滿足微震監(jiān)測工程技術(shù)指標的條件下，使拾震器陣列的監(jiān)測范圍最大，充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用。建議：隨著開采區(qū)域的變動，重點監(jiān)測區(qū)域位置會隨之而改變，應(yīng)重新考慮拾震器的布局；為測試微震監(jiān)測系統(tǒng)在水平向和垂直向的定位誤差，還需要對拾震器陣列范圍內(nèi)的震源定位誤差進行人工震源測試。

另外，現(xiàn)場微震監(jiān)測是一項依賴經(jīng)驗的工作，不同的工作人員對P波和S波的初至有不同的判斷，因此現(xiàn)場監(jiān)測需要工作人員長時間的積累經(jīng)驗。例如對于監(jiān)測信號初至的識別、信號的降噪處理和定位算法的選擇等都需要監(jiān)測人員具備豐富的經(jīng)驗。

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Research on improving the precision of seismic event location for deep well mining

Wang Yuanjie1，2，Deng Zhigang1，2，Wang Chuanpeng1，2

（1.Mining ＆Designing Branch，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Mining＆Designing Department，Tiandi Science ＆Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

To improve the precision of seismic event location，the standard method，and the influencing factors of location precision are discussed.It believes that the location precision depends mainly on accuracy of reading the event wave＇s first arrival and geometric distribution of seismometers on condition of given velocity model.The seismometers are laid optimally based on site actual conditions，and the P－wave and S－wave travel time are calibrated accurately through the measures of noise reduction，and then the precision of seismic event location is improved.

seismic event，location precision，event wave＇s first arrival，optimal layout，noise reduction measures

TD324

A

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2010CB226806）

王元杰（1983－），男，山東泰安人，碩士研究生。2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，現(xiàn)就職于天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，主要從事煤礦安全及沖擊地壓防治技術(shù)研究。

（責任編輯 張毅玲）