張達(dá) 戴銳 曾志毅 冀虎 石雅倩 ?,?韓鵬
1)礦冶科技集團(tuán)有限公司礦山工程研究設(shè)計(jì)所,北京 102628 2)中國-南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心,北京 102628 3)中國-南非礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)利用“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 102628 4)南方科技大學(xué),深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518055 5)南方科技大學(xué),地球與空間科學(xué)系,廣東深圳 518055
我國礦產(chǎn)資源正逐步進(jìn)入深井開采階段,深部高應(yīng)力、高巖壓誘發(fā)的冒頂、片幫、塌方、巖爆等地壓災(zāi)害嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)(Liu et al,2016;Salvoni et al,2016)。根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局最新公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2020年全國共發(fā)生礦山事故434起、死亡573人。因此,礦山安全監(jiān)測(cè)具有重大社會(huì)需求和實(shí)用價(jià)值。
隨著高精度、高采樣率傳感器的研發(fā)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,礦山微震高精度定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為可能。隨著微震定位技術(shù)的不斷完善,微震監(jiān)測(cè)已能夠?qū)崿F(xiàn)礦山危險(xiǎn)源的時(shí)空定位及穩(wěn)定性評(píng)估,近年來廣泛應(yīng)用于深井礦山安全監(jiān)測(cè),已成為當(dāng)前行業(yè)高度認(rèn)可的地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警手段(Gibowicz et al,1998;田玥等,2001;李庶林等,2005;姜福興等,2006;唐禮忠等,2006;馮夏庭等,2013;王璐琛等2016;Palgunadi et al,2020)。在礦山微震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,國外起步較早,南非礦震技術(shù)研究院(Institute of Mine Seismology)和加拿大工程地震組織ESG(Engineering Seismology Group)作為該領(lǐng)域研究的先行者,積累了豐富的地壓災(zāi)害防控經(jīng)驗(yàn),其開發(fā)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)占據(jù)了絕大多數(shù)礦山市場(chǎng)。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,成熟的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)較少。針對(duì)這一現(xiàn)狀,礦冶科技集團(tuán)有限公司自2014年開始逐步研發(fā)了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BSN(BGRIMM Seismic Network)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多通道時(shí)鐘同步、噪聲壓制、到時(shí)自動(dòng)拾取、震源定位等功能。并結(jié)合統(tǒng)計(jì)地震學(xué)相關(guān)方法,初步實(shí)現(xiàn)了基于微震活動(dòng)性分析的巖體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。本文主要從礦山微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、定位、活動(dòng)性分析等模塊介紹BSN微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全流程,并對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在廣西某礦的實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行分析。
微震傳感器作為采集微震波形信號(hào)的換能單元,將被測(cè)信號(hào)由震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào)。由于爆破震動(dòng)信號(hào)能量在頻帶375~500Hz表現(xiàn)較強(qiáng),而礦山巖體破裂信號(hào)(微震)能量主要集中于低頻帶0~250Hz(朱權(quán)潔等,2012),低頻成分的監(jiān)測(cè)能夠更好地記錄到礦山微震信號(hào),了解礦區(qū)內(nèi)巖石破裂的區(qū)域,有利于礦山的安全開采。因此,礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了具有較好低頻響應(yīng)特性、可實(shí)現(xiàn)硬/軟巖下微震信號(hào)高保真拾取的礦山單軸微震監(jiān)測(cè)檢波器(圖1(a)),其幅頻響應(yīng)曲線如圖2(b)所示,可以看到頻響曲線在8~1000Hz頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定,具有良好的響應(yīng)特征。儀器在10Hz頻點(diǎn)的自噪音小于6×10-7m/s·Hz-1/2。檢波器支持安裝姿態(tài)的一體化自測(cè)量、檢波器編號(hào)自辨識(shí)等功能。安裝姿態(tài)一體化自測(cè)量具有傳感器標(biāo)識(shí)、指標(biāo)、屬性、類別等關(guān)鍵參數(shù)的在線識(shí)別功能,同時(shí),為減少人工測(cè)量檢波器姿態(tài)的繁雜工作及測(cè)量誤差,在傳感器內(nèi)部集成姿態(tài)測(cè)量單元,可實(shí)現(xiàn)傾角等姿態(tài)的動(dòng)態(tài)獲取和上傳。
圖 1 BSN微震檢波器外觀(a)及其幅頻響應(yīng)曲線(歸算到輸入振幅為1m/s)(b)
BSN微震數(shù)據(jù)采集站(圖2)作為硬件平臺(tái)的核心數(shù)據(jù)管控裝置,主要由數(shù)采裝置、時(shí)間同步裝置、不間斷供電裝置等構(gòu)成,可以分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度、高同步、不間斷的并行采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸?shù)裙δ?,同時(shí)也支持有效數(shù)據(jù)預(yù)觸發(fā)、可靠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)管型程控管理等功能。圖3 為安裝在實(shí)際礦山中的BSN微震數(shù)據(jù)采集站,具體參數(shù)如表1 所示。
圖 2 BSN微震數(shù)據(jù)采集站
圖 3 BSN微震數(shù)據(jù)采集站現(xiàn)場(chǎng)安裝
表1檢波器與數(shù)據(jù)采集站主要性能參數(shù)
BSN-Trigger微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的配置、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示等功能。該軟件由多個(gè)管理邏輯通訊協(xié)同運(yùn)行的軟件模塊組成,整體通訊由連接到數(shù)據(jù)采集控制器的通訊子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率。綜合數(shù)據(jù)管理工具支持微震事件數(shù)據(jù)查詢,數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)于任何一臺(tái)具有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫配置的本地或網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī),以便進(jìn)行微震數(shù)據(jù)的本地及遠(yuǎn)程處理和分析。
礦山微震信號(hào)的特點(diǎn)是頻率范圍廣、信噪比弱,這使得對(duì)信號(hào)的處理變得比較困難,采礦現(xiàn)場(chǎng)的背景噪聲、工頻干擾、人工活動(dòng)等信號(hào)會(huì)嚴(yán)重干擾有效的微震事件波形信息,極大地降低微震波形的信噪比,導(dǎo)致P波到時(shí)拾取難度增大、可靠性降低。礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天監(jiān)測(cè)到海量的微震事件,雖然可以通過數(shù)據(jù)處理員人工操作直觀地拾取P波到時(shí),但人工手動(dòng)拾取波形到時(shí)易受數(shù)據(jù)處理員的經(jīng)驗(yàn)和主觀性影響,且耗時(shí)耗力。因此,礦山微震弱信號(hào)降噪與到時(shí)自動(dòng)拾取對(duì)微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有重要意義。
BSN-Processor微震數(shù)據(jù)處理軟件由礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā),運(yùn)行在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端,主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的濾波、震相到時(shí)識(shí)取、震相分類、波速校準(zhǔn)、震源定位、震源參數(shù)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理功能,并將處理及分析結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)推送至安全監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái),為礦山安全監(jiān)管員提供可靠的實(shí)時(shí)礦山安全開采信息,輔助其準(zhǔn)確做出礦山安全開采決策。
1.2.1 微震信號(hào)降噪
在地震數(shù)據(jù)處理中,帶通濾波是一種常用方法,但當(dāng)信號(hào)頻帶和噪音頻帶有重合時(shí)去噪效果不佳。此外,帶通濾波方法須預(yù)先知道有效的濾波頻帶,易產(chǎn)生波形失真,影響到時(shí)拾取的精度。為了提升去噪效果,一些學(xué)者開發(fā)出了一系列去噪方法,如主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)(Hagen,1982;Bekara et al,2009;朱鶴文等,2020)、奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)(Ursin et al,1985;劉志鵬等,2012)等濾波方法,這些濾波方法均在時(shí)間域(一維)進(jìn)行。也有學(xué)者使用時(shí)頻變換(Time Frequency Transform,TFT),將一維時(shí)間域的地震波信號(hào)變換到二維時(shí)間-頻率域內(nèi),在時(shí)-頻圖譜上較為清楚地識(shí)別出微震信號(hào)位置,進(jìn)而進(jìn)行信號(hào)處理和去噪。時(shí)頻域小波系數(shù)閾值去噪方法因原理簡(jiǎn)單(Donoho et al,1994、1995),去噪效果顯著而受到廣泛關(guān)注(Chang et al,2000;Mousavi et al,2016、2017;程浩等,2018)。閾值法利用數(shù)據(jù)本身來決定哪些系數(shù)是重要的,具有較好的自適應(yīng)性和穩(wěn)健性。Donoho等(1994)研究表明,對(duì)于方差為σ2的高斯白噪聲來說,小波系數(shù)的通用閾值可表達(dá)為
(1)
其中,N為信號(hào)長(zhǎng)度。通用閾值方法假設(shè)小波系數(shù)大部分是由噪聲造成的,而信號(hào)主要體現(xiàn)在能量較大的小波系數(shù)中。因此,硬、軟閾值去噪函數(shù)可分別表示為(曹靜杰等,2015)
(2)
(3)
式中,W表示小波系數(shù),W′H和W′S表示經(jīng)過硬、軟閾值函數(shù)處理后的小波系數(shù),sgn(W)表示符號(hào)函數(shù)。當(dāng)小波系數(shù)小于閾值λ時(shí),則去除該小波系數(shù),否則將其保留。其中硬閾值函數(shù)是直接保留大于閾值λ的小波系數(shù),而軟閾值是對(duì)大于閾值λ的小波系數(shù)進(jìn)行平滑減弱,使濾波后的信號(hào)更加平滑。
本微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了帶通濾波方法和基于同步擠壓小波變換(Daubechies et al,1996、2011)的小波系數(shù)硬、軟閾值濾波技術(shù),濾波效果如圖4 所示,由圖可見原始微震信號(hào)信噪比較弱,初至信息被噪音嚴(yán)重干擾。利用不同濾波方法去除背景噪音后,小波系數(shù)軟閾值去噪方法的效果最好,信噪比由原始波形的3.4837提升到最高的11.5499(信噪比為以初至?xí)r刻為中心向前、向后各延拓一個(gè)短時(shí)窗內(nèi)波形的振幅均方根之比),并且能夠較好地去除與信號(hào)同頻帶內(nèi)的背景噪音,有利于初至波識(shí)別和精確拾取。
圖 4 不同濾波方法的微震信號(hào)去噪效果對(duì)比(a)原始微震信號(hào)記錄及其時(shí)頻圖;(b)帶通濾波后微震信號(hào)記錄及其時(shí)頻圖;(c)硬閾值濾波后微震信號(hào)記錄及其時(shí)頻圖;(d)軟閾值濾波后微震信號(hào)記錄及其時(shí)頻圖
1.2.2 微震到時(shí)自動(dòng)拾取
微震信號(hào)到時(shí)拾取的準(zhǔn)確性直接影響震源定位的精度(劉翰林等,2017)。到時(shí)拾取主要分為以下幾類:第一類是長(zhǎng)短時(shí)窗比法(STA/LTA)(Allen,1978;劉晗等,2014),以長(zhǎng)、短2個(gè)時(shí)窗內(nèi)波形振幅、能量或者波形包絡(luò)函數(shù)等特征函數(shù)的比值作為初至波拾取的判斷準(zhǔn)則;第二類是假設(shè)噪聲分量和微地震信號(hào)分量具有不同的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),利用高階統(tǒng)計(jì)量(峰度與偏度)、熵等特征函數(shù)實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別和拾取(Saragiotis et al,2002;郭鐵龍等,2017);第三類運(yùn)用互相關(guān)理論對(duì)目標(biāo)波形與模版波形進(jìn)行匹配,得到相對(duì)初至到時(shí)差(Senkaya et al,2014),然后與模板波形的絕對(duì)到時(shí)相加,得到目標(biāo)波形的初至到時(shí)。上述方法雖然已經(jīng)有效地實(shí)現(xiàn)了到時(shí)自動(dòng)拾取,但拾取精度仍不能滿足微地震/聲發(fā)射震源定位需要。因此,一些學(xué)者綜合利用微震信號(hào)與環(huán)境噪音的多種特征差異,提高微震信號(hào)識(shí)別和拾取效果。例如,宋維琪等(2011)利用小波分解與Akaike信息準(zhǔn)則相結(jié)合,提高了微震信號(hào)的拾取精度;譚玉陽等(2016)綜合利用地震信號(hào)與噪音在能量、偏振和統(tǒng)計(jì)方面存在的差異,有效地提高了初至波拾取方法的抗噪能力和拾取精度。
在本微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,已實(shí)現(xiàn)了基于STA/LTA-AIC和基于峰度、偏度(K-S)兩種自動(dòng)初至波拾取方法。其中,STA/LTA算法公式為
(4)
CF(j)=Y2(j)
(5)
式中,i為采樣時(shí)刻;WS與WL分別為短時(shí)窗和長(zhǎng)時(shí)窗的長(zhǎng)度;Y為波形振幅值;CF(j)為在j時(shí)刻的微震信號(hào)的特征函數(shù)值,表征微震數(shù)據(jù)振幅、能量及頻率的變化。該算法的主要影響因素包括STA和LTA的時(shí)窗長(zhǎng)度、觸發(fā)閾值及特征函數(shù)的選取。在本微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,選擇振幅平方作為對(duì)微震事件自動(dòng)檢測(cè)和拾取的特征函數(shù)。通常,短時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)置為微震信號(hào)主周期的2~3倍,長(zhǎng)時(shí)窗為短時(shí)窗長(zhǎng)度的5~10倍(劉晗等,2014)。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試對(duì)比分析,本微震系統(tǒng)的短時(shí)窗長(zhǎng)度為100個(gè)采樣點(diǎn),長(zhǎng)時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)置為8倍的短時(shí)窗長(zhǎng)度。
AIC是建立在熵概念的基礎(chǔ)上,從信息論和極大似然原理推導(dǎo)出來,用來估計(jì)模型的復(fù)雜度和衡量此模型擬合優(yōu)良性的一種標(biāo)準(zhǔn)。由于噪聲分量和微地震信號(hào)分量的統(tǒng)計(jì)特性差別較大,導(dǎo)致在微震信號(hào)和噪聲交界點(diǎn)處,兩種信號(hào)的擬合度最差,此交界點(diǎn)的AIC值最小,即為微地震事件的初至?xí)r刻。給定一個(gè)長(zhǎng)度為N的微震數(shù)據(jù)Y,假設(shè)第i點(diǎn)為噪聲分量和微地震信號(hào)分量的最佳分界處,則信號(hào)在第i點(diǎn)被分成兩段,對(duì)應(yīng)的AIC值可近似表示為(張喚蘭等,2013)
AIC(i)=ilg(var(Y[1,i]))+(N-i-1)lg(var(Y[i+1,N]))+C
(6)
其中,var表示數(shù)據(jù)的方差,Y[i+1,N]為信號(hào)在窗長(zhǎng)為N-(i+1)內(nèi)的振幅,C為常數(shù)。
偏度、峰度是度量微震記錄高斯性特征的重要方法之一,基于微震信號(hào)為非高斯分布、背景噪音記錄為高斯分布的假設(shè)(Saragiotis et al,2002),采用信號(hào)振幅的偏度(Skewness)與峰度(Kurtosis)特征作為微震信號(hào)初至波拾取的特征函數(shù),利用偏度、峰度極值點(diǎn)位置信息拾取初至波。其計(jì)算公式如下
(7)
(8)
圖 5 基于STA/LTA-AIC和K-S特征函數(shù)的自動(dòng)拾取方法
圖 6 不同拾取方法的初至波拾取結(jié)果
圖 7 兩種自動(dòng)拾取方法的初至波拾取結(jié)果與人工拾取結(jié)果的誤差統(tǒng)計(jì)分布
1.2.3 微震事件定位
礦山微震具有頻帶寬、發(fā)生頻次高等特點(diǎn)。利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以分析巖體損傷破裂過程中產(chǎn)生的微震信號(hào),并對(duì)微震事件實(shí)現(xiàn)定位。目前,微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍采用單事件絕對(duì)定位方法來高效率地進(jìn)行定位,其原理和方法可以借鑒傳統(tǒng)地震學(xué)的研究(田玥等,2002)。雙差定位方法可以提高地震事件相對(duì)位置的定位精度(Waldhauser et al,2000),前人在此基礎(chǔ)上陸續(xù)開發(fā)出了精度更高的震源定位方法及能夠同時(shí)反演精細(xì)速度結(jié)構(gòu)和地震位置的雙差層析成像方法(Zhang et al,2003;Guo et al,2017)。
本微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的定位模塊基于Geiger(1912)的定位方法,該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微震監(jiān)測(cè)中(林峰等,2010;毛慶輝等,2015)。假定微震事件發(fā)生在空間位置(x,y,z)和時(shí)間t0,地震波經(jīng)過礦山介質(zhì)的傳播,被空間位置為(xi,yi,zi)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器i記錄下到達(dá)時(shí)刻ti,定義走時(shí)殘差為ζi=ti-(Ti+t0)。其中,Ti為地震波從發(fā)震位置到傳感器i的旅行時(shí)間,是關(guān)于發(fā)震位置(x,y,z)的函數(shù)。
對(duì)于單一速度模型,假定地震波傳播速度為v,則
(9)
實(shí)際觀測(cè)區(qū)域的介質(zhì)模型并非單一速度模型,傳感器記錄到的地震波到達(dá)時(shí)刻也存在誤差,因此存在地震波走時(shí)殘差,利用觀測(cè)到時(shí)與計(jì)算到時(shí)的殘差(ri=(Ti+t0)-ti)最小的方法來估計(jì)發(fā)震位置(x,y,z)和發(fā)震時(shí)刻t0。
對(duì)殘差ri進(jìn)行一階泰勒展開
(10)
AΔX=r
(11)
其中,系數(shù)矩陣A為N×4矩陣,r為N×1矩陣,震源校正量ΔX為4×1矩陣,則
(12)
(13)
(14)
以最早接收到地震波信號(hào)的傳感器坐標(biāo)和觀測(cè)時(shí)刻作為發(fā)震參數(shù)的起始值,帶入式(11)進(jìn)行迭代計(jì)算,直至殘差r小于閾值或達(dá)到最大迭代次數(shù)則停止迭代,得到震源定位結(jié)果。
1.2.4 地震活動(dòng)性分析
微震活動(dòng)性分析是微震監(jiān)測(cè)研究的重要環(huán)節(jié),其可以更快速地核定礦區(qū)地震危險(xiǎn)性,方便礦山管理者選擇相應(yīng)的對(duì)策措施,在保證礦山正常生產(chǎn)的情況下,確保采礦工人的安全。地震活動(dòng)性分析方法包括地震活動(dòng)的時(shí)間和空間分析,較為簡(jiǎn)單的分析方法是利用震源位置的空間分布了解礦區(qū)內(nèi)巖石破裂的區(qū)域,以及用微地震事件位置表示裂縫的空間形態(tài)。為了進(jìn)一步利用微震事件位置信息,許多學(xué)者通過聚類方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震事件的劃分(Wang et al,2019;劉德彪等,2019),減少了人工主觀劃分微震事件的不確定性,發(fā)現(xiàn)潛在的微震集群,從而有效地分析微震事件分布特征和活動(dòng)規(guī)律。震級(jí)-頻度關(guān)系(lgN=a-bM)是統(tǒng)計(jì)地震學(xué)研究中最基礎(chǔ)的規(guī)律之一(Gutenberg et al,1994),其中a值表征地震活動(dòng)水平,b值表征地震頻次在不同震級(jí)上分配的比例。b值是判定地震危險(xiǎn)性區(qū)域的重要指標(biāo),其可以為地震危險(xiǎn)性方面的研究提供依據(jù)(史海霞等,2018;Xie et al,2019),目前被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)和地震危險(xiǎn)性研究中。高b值對(duì)應(yīng)低應(yīng)力,低b值則對(duì)應(yīng)高應(yīng)力,因此b值可以間接判斷地下應(yīng)力的狀態(tài)和變化,進(jìn)而分析礦區(qū)地震活動(dòng)性(張楚旋等,2016)。傳染性余震序列(ETAS)模型(Ogata et al,1988、1989、2001;余娜等,2018)也是分析地震活動(dòng)性的重要方法之一,該模型通過分析余震的衰減速率和背景地震活動(dòng)性變化來研究地震風(fēng)險(xiǎn)程度,其中背景地震活動(dòng)性與地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力加載速率相關(guān)。通過ETAS模型可以客觀、定量地分析礦區(qū)地震活動(dòng)性,提升礦山安全監(jiān)測(cè)水平。
微震震級(jí)受輻射花樣的方位性、傳播路徑衰減、傳感器響應(yīng)等影響,會(huì)存在一定誤差。而BSN微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是單軸傳感器,近場(chǎng)的輻射花樣方向性響應(yīng)引起的誤差不能校正,所以目前微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的震級(jí)計(jì)算誤差較大,而統(tǒng)計(jì)地震學(xué)中的G-R關(guān)系和ETAS模型兩種地震活動(dòng)性分析模型建立在地震目錄完備的前提下,對(duì)震級(jí)準(zhǔn)確性要求較高,故G-R關(guān)系和ETAS模型還未應(yīng)用于本微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。因此,目前BSN微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中僅開發(fā)了利用震源位置時(shí)空分布對(duì)地震活動(dòng)性進(jìn)行分析的功能模塊。
BSN-3D Analysis微震數(shù)據(jù)分析軟件運(yùn)行于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端,其主要在微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上,通過采用二維圖表或三維圖形,完成震級(jí)/數(shù)量-時(shí)間統(tǒng)計(jì)、時(shí)空分布、震級(jí)分布、能量-地震矩、累積視體積-能量指數(shù)等專業(yè)分析,從而結(jié)合礦山采礦作業(yè),進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)深入分析及可視化。
基于礦山安全監(jiān)測(cè)分析云服務(wù)平臺(tái),建立數(shù)據(jù)報(bào)表、分析報(bào)告、預(yù)警信息等模板庫,實(shí)現(xiàn)異地?cái)?shù)據(jù)同步與前臺(tái)應(yīng)用開發(fā),最終達(dá)到分析—統(tǒng)計(jì)—報(bào)表—報(bào)告—預(yù)警過程的在線發(fā)布,使用戶能夠快速獲得有關(guān)事件的參數(shù)及其位置信息。該服務(wù)平臺(tái)提供便捷的縮放、平移和旋轉(zhuǎn)的功能,實(shí)現(xiàn)微震數(shù)據(jù)三維發(fā)布和交互,微震監(jiān)測(cè)安全分析結(jié)果的綜合展示如圖8 所示。通過云服務(wù)平臺(tái),用戶可遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山的開采情況。
圖 8 礦山安全監(jiān)測(cè)分析云服務(wù)平臺(tái)
目前,礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的BSN微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成功在廣西某礦山實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用,該礦礦體分布廣、礦體薄,且屬急傾斜礦體,巖石結(jié)構(gòu)性差,礦石開采過后留下了大量的采空區(qū),存在重大安全隱患。雖然前期礦山也采用了鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù),但現(xiàn)場(chǎng)觀察到這些支護(hù)結(jié)構(gòu)大部分均有變形,最大的裂縫寬度已超過4cm,并有錯(cuò)位情況出現(xiàn),地壓?jiǎn)栴}突出,如圖9 所示。故對(duì)該礦山安裝了BSN微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山微震情況。
圖 9 礦山地壓安全隱患點(diǎn)
采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)及開采區(qū)域巖體破裂發(fā)生的微震事件,研究微震事件在時(shí)間、空間上的分布特征,分析監(jiān)測(cè)區(qū)域地壓活動(dòng)規(guī)律,為礦山安全、合理生產(chǎn)提供參考。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在75m中段、35m中段與-5m中段各穿脈采空區(qū)或采場(chǎng)周邊共布置了40個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中75m中段共布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別布設(shè)在0#穿脈、2#穿脈、3#穿脈、4#穿脈、5#穿脈、7#穿脈;35m中段共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別布設(shè)在0#穿脈、1#穿脈、3#穿脈;-5m中段共布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別布設(shè)在0#穿脈、2#穿脈、3#穿脈、4#穿脈、5#穿脈、7#穿脈,具體位置如圖10 所示。
圖 10 各中段微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖三角形為檢波器;灰色線段為采掘巷道
該礦2020年11月的微震事件定位結(jié)果如圖11 所示,其中X為EW向,Y為SN向,Z為垂向。從XZ和YZ面可以看出微震事件主要集中在-5m中段,與該時(shí)間段內(nèi)的礦山開采深度一致。本系統(tǒng)采用蓋格定位方法,對(duì)定位結(jié)果的誤差估計(jì)由地震波到時(shí)的觀測(cè)值與計(jì)算值之間的差,即時(shí)間殘差來表示;而定位結(jié)果在空間坐標(biāo)XYZ上的誤差由時(shí)間殘差和走時(shí)方程系數(shù)矩陣的協(xié)方差矩陣來估計(jì)。微震事件定位誤差統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖12 所示,可以看到X、Y和Z方向的定位誤差均值大致為2.5m,均方根誤差在2.5~3.8m之間,總體誤差分布較小,表明定位結(jié)果較為精確。通過XY面的微震事件空間分布特征可以看到微震活動(dòng)大致分布在3個(gè)區(qū)域(圖11 中紅色虛線橢圓所示),微震事件較為集中,由此可初步判斷這3個(gè)區(qū)域的地震活動(dòng)性較高。
圖 11 微震事件時(shí)空分布
對(duì)圖 11 中的微震事件位置信息進(jìn)行進(jìn)一步的地震活動(dòng)性分析,將礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域離散為10m×10m×5m的空間網(wǎng)格(水平向?yàn)?0m,垂向?yàn)?m),求取每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的地震累計(jì)數(shù)目,結(jié)果如圖13 所示。從圖中可以看出礦區(qū)內(nèi)大致有3處地震活動(dòng)性較為活躍的區(qū)域(圖13 中紅色虛線橢圓),微震事件較為集中,表明這3個(gè)區(qū)域的地震危險(xiǎn)程度較高。圖14 為礦山安全員在11月28日巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)的3處圍巖破壞及支護(hù)明顯變形區(qū)域(圖13 中五角星所示位置),與定位結(jié)果主要集中在-5m中段的情況一致,其中2處地壓變化區(qū)域與微震事件聚集性分布區(qū)域較為接近(圖13 中A和B所示的五角星),驗(yàn)證了地震活動(dòng)性分析結(jié)果的正確性。圖15 展示了礦區(qū)微震事件空間累積數(shù)目隨時(shí)間(周)的變化,顏色越深,代表該區(qū)域的微震事件數(shù)目越多,呈集中現(xiàn)象。研究表明礦山地震的可能機(jī)制可分為兩類,一類與開采活動(dòng)直接相關(guān),由高應(yīng)力巖石突然破裂失穩(wěn)造成的較小震級(jí)礦震;另一類與開采活動(dòng)間接相關(guān),由較大尺度采掘空間或整個(gè)礦區(qū)尺度引起的區(qū)域應(yīng)力重分布所致的較大震級(jí)礦震(李鐵等,2006;王澤偉等,2017)。礦山開采過程中地壓是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的,隨著礦山開采時(shí)間的推移,微震活動(dòng)性較為活躍的區(qū)域逐漸凸顯出來,微震事件空間累積數(shù)目的時(shí)空變化較好地反映了礦山潛在危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)空演化特征。實(shí)際應(yīng)用案例表明,微震事件整體時(shí)空特征及演化趨勢(shì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采礦及安全生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用,便于一線采礦作業(yè)部門及時(shí)調(diào)整工作計(jì)劃?;贐SN微震監(jiān)測(cè)結(jié)果及危險(xiǎn)性分析,已建議礦山技術(shù)人員加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)和微震事件聚集區(qū)域開展現(xiàn)場(chǎng)巡查,嚴(yán)格要求現(xiàn)場(chǎng)工作人員注意施工安全,及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)等保護(hù)措施。
圖 12 定位結(jié)果在X、Y、Z方向上的誤差統(tǒng)計(jì)分布
圖 13 礦區(qū)微震事件的空間累積數(shù)目黑色三角形為檢波器;紅色虛線橢圓為地震活動(dòng)性強(qiáng)的區(qū)域;實(shí)心五角星為礦山安全員實(shí)地巡查發(fā)現(xiàn)地壓顯現(xiàn)較為明顯的區(qū)域
圖 14 實(shí)際礦山圍巖變形破壞情況(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)圖13 中實(shí)心五角星A、B、C所標(biāo)注的礦區(qū)位置
圖 15 礦區(qū)微震事件的空間累積數(shù)目隨時(shí)間的變化(a)2020年11月1日—2020年11月07日;(b)2020年11月1日—2020年11月14日;(c)2020年11月1日—2020年11月21日;(d)2020年11月1日—2020年11月30日; 黑色三角形為檢波器
BSN微震監(jiān)測(cè)技術(shù)及產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)數(shù)據(jù)采集、多通道時(shí)間同步、信號(hào)噪聲壓制、到時(shí)自動(dòng)拾取、震源定位、地震活動(dòng)性分析等功能,并在實(shí)際礦山安全監(jiān)測(cè)中得到了良好的應(yīng)用。本系統(tǒng)在礦山穩(wěn)定運(yùn)行,在復(fù)雜工況環(huán)境下具備良好的抗干擾能力,且具備可拓展的功能以及可持續(xù)的后處理分析服務(wù)能力?;谠品?wù)模式,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、地壓管控的一體化,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)-遠(yuǎn)程的聯(lián)合分析,強(qiáng)化對(duì)礦山安全生產(chǎn)的指導(dǎo)作用,形成高效監(jiān)測(cè)、自動(dòng)處理、深入分析、智能預(yù)警及災(zāi)害防控等綜合性地壓監(jiān)測(cè)解決方案,具備較高的自動(dòng)化分析處理能力。
基于小波系數(shù)閾值的去噪方法雖然具有較好的去噪效果,但是去噪后的波形仍存在干擾初至波拾取的少量背景噪音,因此需要研發(fā)去噪效果更好的信號(hào)濾波方法。本微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位方法對(duì)初至波拾取精度和速度模型準(zhǔn)確度敏感性較高,而礦山巖體存在各向異性、傳播介質(zhì)波速不均勻等,會(huì)帶來基于均勻波速模型的微震定位誤差。目前,已有學(xué)者發(fā)展了震源位置與速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演策略,并在礦山監(jiān)測(cè)中取得了良好的應(yīng)用效果(Zhang et al,2015;Qian et al,2018;Wang et al,2018)。因此,后續(xù)需要對(duì)BSN系統(tǒng)升級(jí),將目前較為先進(jìn)的定位方法進(jìn)行集成,以提高礦山微地震事件的定位精度和礦山的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)。此外,目前系統(tǒng)采用的是基于到時(shí)拾取的定位方法,今后擬將無需初至波拾取的基于偏移成像的定位方法植入BSN系統(tǒng),進(jìn)一步提升定位精度和穩(wěn)定性(Kao et al,2004;Li et al,2020;曾志毅等,2020)。同時(shí),還需要在礦山布設(shè)更多三軸微震傳感器,并對(duì)微震震級(jí)進(jìn)行計(jì)算和標(biāo)定,為地震活動(dòng)性的進(jìn)一步分析提供依據(jù)。