基于波速反演微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

安 賽，鄧 楠，秦 凱，舒龍勇

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

煤巖體是一種存在各種微裂隙、空隙的非均質(zhì)體，在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而發(fā)生破裂，其中積聚的能量釋放并以彈性波的形式向外傳播。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤巖體破裂后產(chǎn)生的微震動(dòng)信號(hào)，并分析出破裂發(fā)生的位置及釋放的能量，為可能出現(xiàn)的動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行分析與預(yù)警。近年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在預(yù)測(cè)沖擊地壓[1]、煤與瓦斯突出[2]、巖爆[3]等煤巖動(dòng)力災(zāi)害中得到廣泛應(yīng)用。

其中，震源的定位精度是評(píng)價(jià)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)劣最重要的指標(biāo)。圍繞如何提高震源的定位精度相關(guān)學(xué)者分別從傳感器空間布置、波形初至拾取[4]、背景噪聲濾波[5]、定位優(yōu)化算法[6]、信號(hào)采集精度[7]、分站間時(shí)鐘同步精度等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。唐禮忠等[8]通過(guò)優(yōu)化傳感器的空間坐標(biāo)位置或者采用優(yōu)化的定位算法來(lái)提高微震系統(tǒng)的定位精度。張輝等[9]提出了一種微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站間高精度時(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)PTP精密時(shí)鐘協(xié)議實(shí)現(xiàn)了同一局域網(wǎng)內(nèi)部分站間±1 μs的時(shí)間同步精度，進(jìn)而提高了微震定位精度。但是，上述文獻(xiàn)在致力于提高微震定位精度的同時(shí)，沒(méi)有考慮煤巖體的非均質(zhì)性，波速隨非連續(xù)、非均質(zhì)性的變化而動(dòng)態(tài)變化的影響，使用單一恒定的速度計(jì)算震源的位置，從而導(dǎo)致系統(tǒng)最終的定位精度誤差較大，如波蘭ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為此，本文提出并設(shè)計(jì)了一款基于波速反演的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)高精度傳統(tǒng)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)添加頻率可調(diào)、激振力可控的自激震源及對(duì)應(yīng)的波速反演算法，實(shí)現(xiàn)微震定位前待測(cè)區(qū)域波速場(chǎng)的反演與校正，之后用校正后的波速場(chǎng)定位煤巖體破裂產(chǎn)生的微震事件，可以大幅提高系統(tǒng)定位的精度。

1 系統(tǒng)方案

基于波速反演的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)井下部分主要由動(dòng)圈式振動(dòng)傳感器、多通道分布式微震采集分站、自激震源電控箱、震動(dòng)電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成。井上部分由工業(yè)交換機(jī)、PTP授時(shí)服務(wù)器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、采集控制軟件、波形分析軟件等組成。PTP授時(shí)服務(wù)器通過(guò)環(huán)網(wǎng)對(duì)井下各采集分站進(jìn)行時(shí)鐘同步；振動(dòng)傳感器拾取煤巖體或震動(dòng)電機(jī)的震動(dòng)信號(hào)后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，微震采集分站對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理、AD采集，與同步時(shí)間戳打包成數(shù)據(jù)單元通過(guò)環(huán)網(wǎng)上傳至采集控制軟件；采集控制軟件同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各分站、震源電控箱的管理、控制，震動(dòng)事件的判斷，定位能量計(jì)算等；波形分析軟件實(shí)現(xiàn)震源的2D、3D展示，統(tǒng)計(jì)分析等功能。

圖1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of microseismic monitoring system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器檢測(cè)震動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，從工作原理分有電磁式、壓阻式、壓容式和MEMS檢波器等。電磁式振動(dòng)傳感器(也稱動(dòng)圈式傳感器)由于其價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好等特性在地震勘探領(lǐng)域應(yīng)用較多?；诂F(xiàn)場(chǎng)安裝、成本、采集信號(hào)頻率等因素，選用ACT-4.5型動(dòng)圈式速度傳感器，其靈敏度為100 V/m/s，頻率響應(yīng)為0.5～200 Hz。

2.2 微震采集分站

分布式微震采集分站負(fù)責(zé)最大8路振動(dòng)傳感器信號(hào)的采集、濾波、放大、AD采集。之后通過(guò)以太網(wǎng)光纖接口接入井下環(huán)網(wǎng)，上傳至采集控制軟件；同時(shí)PTP授時(shí)服務(wù)器對(duì)各分站進(jìn)行時(shí)鐘同步。其內(nèi)部功能框圖如圖2所示。為了提供系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍及適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，在采集開(kāi)始前設(shè)置放大電路的放大倍數(shù)，PGA放大器的核心器件使用PGA204，可實(shí)現(xiàn)×1 V/V、×10 V/V、×100 V/V、×1 000 V/V四種放大倍數(shù)，其等效噪聲低，總諧波失真?。籄D采集電路使用TI公司生產(chǎn)的專用震動(dòng)采集芯片ADS1278，ADS1278具有高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)最大8路24位同步采樣。液晶電路實(shí)時(shí)顯示各通道的運(yùn)行狀態(tài)、IP地址等信息。

2.3 自激震源

自激震源電控箱通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)接收采集控制軟件的信號(hào)，控制震動(dòng)電機(jī)按照一定的頻率震動(dòng)。主要包括隔爆外殼、AC-DC電路、主控板、光電轉(zhuǎn)換電路、變頻器等電路。主控板與變頻器采用RS485接口MODBUS RTU協(xié)議進(jìn)行通信。變頻器額定功率為2 kW，可實(shí)現(xiàn)0～60 Hz無(wú)級(jí)控制。震動(dòng)電機(jī)采用具有安標(biāo)認(rèn)證的礦用防爆電機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 分站嵌入式軟件

微震監(jiān)測(cè)分站嵌入式軟件架構(gòu)如圖3所示。硬件層(HW)使用STM32F4控制器為軟件層提供硬件支持，操作系統(tǒng)層(RTOS)使用RTX-V4.73實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度處理，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用LWIP-1.4.1提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理，精密時(shí)鐘同步協(xié)議使用ptpd-2.0.0實(shí)現(xiàn)分站與PTP服務(wù)器之間的精密時(shí)鐘同步。其中，STM32F4硬件支持符合IEEE 1588-2002定義的以太網(wǎng)時(shí)間戳，在運(yùn)行PTP協(xié)議后，即可根據(jù)算法自動(dòng)調(diào)整其64位時(shí)鐘寄存器，使各系統(tǒng)分站時(shí)間保持同步，APP層負(fù)責(zé)應(yīng)用任務(wù)實(shí)時(shí)處理。

圖2 微震監(jiān)測(cè)分站結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microseismic monitoring substation structure diagram

圖3 微震監(jiān)測(cè)分站軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of microseismicmonitoring substation

3.2 波速場(chǎng)反演

波速場(chǎng)反演是指利用大量觀測(cè)數(shù)據(jù)反演監(jiān)測(cè)區(qū)域波速的一種方法，首先將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的區(qū)域離散化為m×n個(gè)相同網(wǎng)格，然后進(jìn)行正演計(jì)算，使用最短路徑射線追蹤算法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的射線路徑；最后使用SIRT算法進(jìn)行反演求解，修正速度模型[10]。其簡(jiǎn)要流程概述如下所述。

3.2.1 正演計(jì)算

從自激震源點(diǎn)P開(kāi)始，求從自激震源P到與各節(jié)點(diǎn)的旅行時(shí)，并將旅行時(shí)最小的L1節(jié)點(diǎn)作為次級(jí)波源，繼續(xù)計(jì)算與L1相連的所有節(jié)點(diǎn)(除P點(diǎn))的旅行時(shí)，取最小的旅行時(shí)L18替換為該節(jié)點(diǎn)的旅行時(shí)，如圖4所示。至所有節(jié)點(diǎn)均做為次級(jí)波源并計(jì)算出最小旅行時(shí)為止。

圖4 波源追蹤至次級(jí)波源Fig.4 Tracing the wave source to the secondarywave source

3.2.2 反演方程組

反演方程組見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：m為路徑的條數(shù)；n為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Lij為第i條射線在第j個(gè)網(wǎng)格內(nèi)射線長(zhǎng)度；vj為第j列節(jié)點(diǎn)的慢度(速度的倒數(shù))；tj為波傳播至j節(jié)點(diǎn)所需的旅行時(shí)。

3.2.3 SIRT算法反演

(2)

式中，i=1,2,…,m。

3) 計(jì)算估計(jì)值、實(shí)測(cè)值之間的誤差Δti，計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

4) 計(jì)算每個(gè)方程節(jié)點(diǎn)的修正值，見(jiàn)式(4)。

(4)

5) 計(jì)算修正后的值，見(jiàn)式(5)。

(5)

6) 用修正后的值替換假定值，得到新的射線路徑、矩陣，重復(fù)上述步驟同時(shí)配合自激震源在不同已知位置震動(dòng)，直到相鄰慢度差滿足精度要求為止，一般滿足XY軸方向?yàn)椤? m，Z軸方向?yàn)椤? m即可。

7) 獲得待測(cè)區(qū)域的波速場(chǎng)后，采用Geiger定位方法對(duì)微震事件進(jìn)行定位；而傳統(tǒng)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如波蘭ARAMIS與加拿大ESG，沒(méi)有波速反演的功能，而是采用單一恒定的波速進(jìn)行定位分析，相較于后者，增加了獲得波速場(chǎng)相應(yīng)的軟件、硬件及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試復(fù)雜性，但能獲得更高的定位精度。

3.3 采集控制軟件

采集控制軟件使用基于Windows操作系統(tǒng)、VS2015集成開(kāi)發(fā)環(huán)境C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)最大容量為10臺(tái)分站，采樣率設(shè)置為2 Ksps，則每臺(tái)分站的數(shù)據(jù)量為0.4 Mbps。為了能夠快速準(zhǔn)確地獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與獲取時(shí)間戳，主機(jī)采用Wincap技術(shù)解析以太網(wǎng)上傳的數(shù)據(jù)包，Wincap支持直接訪問(wèn)底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。采集軟件接收完成后，采用經(jīng)典STA/LTA算法自動(dòng)拾取波形的到時(shí)與終時(shí)，結(jié)合相關(guān)道數(shù)、長(zhǎng)短時(shí)窗與閥值對(duì)微震事件進(jìn)行識(shí)別與判斷，事件波形信息生成SEG2文件，同時(shí)對(duì)事件采用Geiger定位算法進(jìn)行定位與能量計(jì)算，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，以供波形分析軟件進(jìn)一步顯示與統(tǒng)計(jì)。

4 定位精度現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試

河南能化義煤集團(tuán)躍進(jìn)煤礦是典型的沖擊地壓礦井，已經(jīng)安裝了波蘭ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了驗(yàn)證基于波速反演KJ768微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度，在礦上進(jìn)行定點(diǎn)爆破對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)試前需要對(duì)KJ768微震系統(tǒng)按如下步驟進(jìn)行波速校準(zhǔn)。

1) 在待監(jiān)測(cè)的回采工作面周邊布置振動(dòng)傳感器、激震源電控箱、震動(dòng)電機(jī)，記錄各振動(dòng)傳感器與震動(dòng)電機(jī)的坐標(biāo)位置，同時(shí)將一振動(dòng)傳感器布置在震動(dòng)電機(jī)上作為基準(zhǔn)點(diǎn)。該通道放大倍數(shù)設(shè)置為1，其余通道設(shè)置為100、相關(guān)時(shí)間設(shè)置為10 s。

2) 通過(guò)采集與控制軟件激發(fā)震動(dòng)電機(jī)以最大激振力發(fā)出5 Hz持續(xù)2 s的激勵(lì)波形，初始波速設(shè)置為4 000 m，運(yùn)行波速校正程序，反演波速場(chǎng)。

3) 移動(dòng)震動(dòng)電機(jī)，并記錄新坐標(biāo)位置，持續(xù)步驟2)，直至XY軸方向精度為±1 m，Z軸方向精度為±2 m。

校準(zhǔn)完成后，在測(cè)試區(qū)某一位置打孔裝入炸藥，記錄爆破點(diǎn)位置，爆破后，三套系統(tǒng)分別記錄震動(dòng)波形，KJ768微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析軟件運(yùn)行如圖5所示，計(jì)算得到的震源位置與實(shí)際爆破點(diǎn)的位置對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，2次定點(diǎn)爆破試驗(yàn)顯示，在X方向平均誤差KJ768為2.10 m、ARAMIS為5.20 m、ESG為12.40 m；Y方向定位誤差平均值KJ768為6.70 m、ARAMIS為11.10 m、ESG為13.90 m；Z方向定位誤差平均值KJ768為4.10 m、ARAMIS為4.60 m、ESG為7.20 m。3個(gè)方向KJ768微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位誤差均小于10.00 m，且均優(yōu)于ARAMIS和ESG。

圖5 定點(diǎn)爆破分析軟件波形處理Fig.5 Waveform processing of fixed-point blasting analysis software

表1 三套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位精度定點(diǎn)爆破測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of fixed-point blasting test for positioning accuracy of three sets of microseismic monitoring systems

5 結(jié) 論

1) 考慮到波速隨煤巖介質(zhì)的非連續(xù)非均質(zhì)性而動(dòng)態(tài)變化的影響因素，提出了基于波速反演的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)微震系統(tǒng)如波蘭ARAMIS與加拿大ESG采用單一恒定的波速場(chǎng)進(jìn)行定位。本文通過(guò)增加自激震源及對(duì)應(yīng)的波速反演算法獲得待測(cè)區(qū)域的波速場(chǎng)，之后用校正的波速場(chǎng)對(duì)震源進(jìn)行定位。

2) 通過(guò)煤礦井下定點(diǎn)爆破對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了基于波速反演的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在3個(gè)方向震源定位誤差小于10 m，且均優(yōu)于波蘭ARAMIS與加拿大ESG等采用單一速度模型進(jìn)行震源定位的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有較高的定位精度。

3) 該系統(tǒng)在煤礦運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)在非煤礦山也具有一定的應(yīng)用前景。