牛佳勝，吳學(xué)松，田文輝，安紅霞

（華亭煤業(yè)有限公司東峽煤礦 甘肅 平?jīng)?744100）

0 引言

隨著地球物理探測技術(shù)的發(fā)展[1]，微震監(jiān)測技術(shù)逐漸應(yīng)用到礦山領(lǐng)域，通過監(jiān)測煤巖體中的應(yīng)力波震動(dòng)，可以在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)震源定位，是沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警的有效手段[2]。微震監(jiān)測技術(shù)利用巖體受力變形和破壞后產(chǎn)生的地震波，通過安裝在井下拾震儀接收的直達(dá)P 波起始點(diǎn)的時(shí)間差，在特定條件的波速場條件下進(jìn)行三維定位，確定震動(dòng)發(fā)生的位置和煤巖破裂的層位，分析震動(dòng)的方向，確定破壞位置[3]。同時(shí)，利用震動(dòng)相持續(xù)時(shí)間計(jì)算煤巖變形失穩(wěn)過程中釋放的能量和震級，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，挖掘礦井上覆巖層的斷裂信息，描述空間巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力場的遷移演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)震動(dòng)危險(xiǎn)的監(jiān)測預(yù)警工作，對礦井沖擊礦壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行評價(jià)，為煤礦的安全生產(chǎn)服務(wù)[4]。精準(zhǔn)定位震源是準(zhǔn)確捕捉礦震信號的基礎(chǔ)[5]，是為分析沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)等級和危險(xiǎn)狀態(tài)提供科學(xué)的判斷依據(jù)。

1 工程概況

甘肅華亭煤電股份有限公司硯北煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6 Mt/年，井田南北長8 km，東西寬0.6 km～3.5 km，面積12.014 km2。井田位于華亭復(fù)式向斜的中東部，井田的基本構(gòu)造形態(tài)，從北到南為單斜、背斜和向斜等,煤層傾角6°～30°，礦井開采有二個(gè)水平，三個(gè)采區(qū)交替生產(chǎn)，回采工作面兩個(gè)，掘進(jìn)工作面4～6 個(gè)。其中2502 采區(qū)為緩傾斜煤層傾斜分層開采，1502 及1504 采區(qū)為急傾斜煤層水平分層開采。礦井經(jīng)煤巖沖擊傾向性鑒定為強(qiáng)沖擊礦井，沖擊類型為構(gòu)造頂板型沖擊地壓。2007 年從波蘭礦山研究總院引進(jìn)16 通道SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)，升級為24 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)拾震器布置如圖1。

圖1 硯北煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)布置及標(biāo)定炮位置圖

由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著井下采掘工作面不斷推進(jìn)，微震探頭不斷挪動(dòng)，工作面地質(zhì)條件也在不斷地變化，導(dǎo)致震動(dòng)波的波速也在發(fā)生變化，因此，要對微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度經(jīng)常地進(jìn)行校驗(yàn)，通常采用標(biāo)定炮的方法進(jìn)行校驗(yàn)。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)震源定位精度分析

針對不同礦井，特別是多水平、多煤層、多采區(qū)，多個(gè)采掘工作面的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦井，要實(shí)現(xiàn)多層位連續(xù)監(jiān)測，同時(shí)要求對震源定位坐標(biāo)要準(zhǔn)確,能量計(jì)算要精確,接收到的震動(dòng)波形能夠清晰地記錄小能量的震動(dòng)，反映原巖變化的整個(gè)過程和趨勢，因此對定位準(zhǔn)確性的要求更高。

2.1 微震震源定位精度影響因素

影響微震震源定位準(zhǔn)確性的因素主要有：

（1）微震臺網(wǎng)布置的合理性：應(yīng)根據(jù)綜合指數(shù)法確定的礦井危險(xiǎn)區(qū)域選擇拾震器在巷道安裝的侯選點(diǎn)。

（2）臺站P波到時(shí)讀入的準(zhǔn)確性；應(yīng)選擇比較容易辨認(rèn)的縱波（P 波）進(jìn)行定位，與其他波相比，P 波首次到達(dá)時(shí)間的確定誤差較小，定位精度較高。

（3）背景噪音的特點(diǎn)和儀器的采樣頻率要求：在設(shè)備監(jiān)測過程中，既有礦震信號，又有背景噪音，從采集到的震動(dòng)信號中剔除或減弱噪聲信號可保證縱波到時(shí)標(biāo)記和震源定位計(jì)算精確性。

（4）求解震源算法的選擇：合理的求解算法是保證震源求解的重要依據(jù)。

（5）速度模型和區(qū)域異常所導(dǎo)致的傳播路徑的變化：系統(tǒng)在使用過程中需要具備修改每個(gè)臺站的波速的功能，根據(jù)井下標(biāo)定炮測定的區(qū)域波速設(shè)置該區(qū)域的波速參數(shù)，才能確保礦震在復(fù)雜條件下的不同介質(zhì)傳播途徑下的傳播速度，從而確定震源的準(zhǔn)確位置。

2.2 震源定位精度計(jì)算方法

為分析震動(dòng)集中的區(qū)域，預(yù)測震動(dòng)趨勢，如圖2所示，給出了震源精準(zhǔn)定位的原理。

圖2 礦震定位示意圖

通常選擇比較容易辨認(rèn)的縱波（P 波）進(jìn)行定位（圖3），與其它波相比，P 波首次到達(dá)時(shí)間的確定誤差較小，定位精度較高。由于采用任意傳播速度來確定傳播時(shí)間是非產(chǎn)困難的，實(shí)際應(yīng)用中，多假設(shè)處于均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，即P波在各個(gè)傳播方向上保持速度不變，為一定值。從震源傳播到臺站的最短時(shí)間可由下式描述：

圖3 礦震產(chǎn)生的P波和S波

式中：x0,y0,z0——震源坐標(biāo)，

t0——震源發(fā)震時(shí)間，

xi,yi,zi——第i個(gè)觀測站的坐標(biāo),

ti——P波到達(dá)第i個(gè)觀測站的時(shí)間，

v(x0,y0,z0)——P波在介質(zhì)中的傳播速度，

方程（1）中有(x0,y0,z0,t0）四個(gè)未知數(shù)，要解這個(gè)方程至少需要4 個(gè)觀測站的數(shù)據(jù)，目前在各個(gè)礦區(qū)使用的SOS 微震系統(tǒng)和ARAMIS 監(jiān)測系統(tǒng)，一般采用16 個(gè)臺站的布置形式，所以最多可以列出16個(gè)類似于上式的方程，為進(jìn)行震源定位，目標(biāo)函數(shù)可寫成如下形式：

式中：wi——各臺站觀測值的權(quán)重度函數(shù)，

n——P波標(biāo)記的臺站數(shù)目,

p——參數(shù)，取值1或2。

當(dāng)p=2 時(shí)，目標(biāo)函數(shù)（2）為L2 標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)p=1 時(shí)，為L1 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)在部分臺站上標(biāo)記的時(shí)間誤差較大時(shí)，L1標(biāo)準(zhǔn)在定位上要優(yōu)于L2標(biāo)準(zhǔn)，但這需要在P波標(biāo)記時(shí)選取更多的通道，否則將產(chǎn)生很多局部極值。

針對不同的目標(biāo)函數(shù)形式，根據(jù)Pp標(biāo)記結(jié)果（P波首次到達(dá)時(shí)間），震源的定位實(shí)際上就是求目標(biāo)函數(shù)的最小值，（如SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)中），“MTAW”軟件中主要采用了修正POWELL 算法、CMEAS 算法求解，它們都具有極強(qiáng)的搜索能力，運(yùn)算速度快，精度高。

震源定位過程中，在震動(dòng)波形的選擇上，首先要選擇比較清晰的波形；另外，在震源點(diǎn)附近選擇6個(gè)全部或幾乎全部包圍震源點(diǎn)的通道傳輸?shù)牟ㄐ?；再次，避免選擇三個(gè)或以上的拾震器在布設(shè)上由于客觀條件限制在一條直線或接近一條直線的。

3 震源定位精度校驗(yàn)效果

礦井經(jīng)過多年的微震監(jiān)測，總結(jié)出臺網(wǎng)布置變化后，解決定位精度偏差的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)就不同條件下的臺網(wǎng)布置方案，利用爆破定位技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)定位精度校核，方案及結(jié)果如表1所示：

表1 1#、2#和3#爆破信號在遞增波速下震源定位位置及誤差表

設(shè)置定位放炮位置三個(gè)，分別為:1#、2#和3#標(biāo)定炮，1#標(biāo)定炮在250208 上綜采工作面運(yùn)輸順槽Y18 點(diǎn)以外27.1 m 處，距離始采線870.0 m，距離當(dāng)前工作采止線378.7 m；2#標(biāo)定炮在250208上綜采工作面材料順槽C08-18點(diǎn)以外19.6 m，距離始采線901.0 m。3#標(biāo)定炮在150214工作面施工爆破孔后，每孔裝藥量5 kg,實(shí)施放炮進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)定炮定位誤差如圖4所示。

圖4 1#、2#和3#標(biāo)定炮定位誤差折線圖

列舉其中一個(gè)標(biāo)定炮定位方法：

SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)在2020年05月06日13：55：02接收到一個(gè)震動(dòng)信號。1#、3#、6#、7#、8#、9#、12#、13#、16#、20#通道接收到了清晰震動(dòng)信號。根據(jù)SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)定位原理對其中6個(gè)清晰的波形通道進(jìn)行P波首次到時(shí)標(biāo)記，標(biāo)記情況如圖5 所示，7 個(gè)通道在震動(dòng)波形圖上標(biāo)記結(jié)果為750 ms、582 ms、456 ms、440 ms、764 ms、828 ms。

圖5 Seisgram軟件中標(biāo)定炮的P波首次到時(shí)標(biāo)記結(jié)果圖

P波首次到時(shí)標(biāo)記結(jié)束后，用Multilok軟件調(diào)整波速參數(shù)進(jìn)行震源定位。通過不同波速計(jì)算的震源位置與真實(shí)放炮位置進(jìn)行對比從而確定最接近真實(shí)震源的波速作為最優(yōu)波速參數(shù)。定位效果對比詳見上表1。

通過對標(biāo)定炮放炮驗(yàn)證，定位精度能夠控制在30 m 之內(nèi)，但波速增加對定位精度影響較為明顯，主要受附近巷道布置條件影響，震源無法形成臺網(wǎng)包圍監(jiān)測所造成。

通過對標(biāo)定炮能量的計(jì)算，如圖6所示，從三個(gè)震動(dòng)的能量計(jì)算結(jié)果可知，雖然裝藥量相同，但由于裝藥工藝、爆破點(diǎn)的條件、炮孔的封孔質(zhì)量等原因，大小會具有一定的偏差。

圖6 標(biāo)定炮震源計(jì)算能量

4 結(jié)論

（1）根據(jù)SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)對監(jiān)測精度的影響分析結(jié)合這三次標(biāo)定炮驗(yàn)證結(jié)果表明：1#、2#標(biāo)定炮波速設(shè)定在3 600 m/s 定位精度最高，3#標(biāo)定炮波速設(shè)定在3 700 m/s 定位精度較高。震源定位誤差能控制在30 m以內(nèi)。受復(fù)雜地質(zhì)條件影響，礦井實(shí)際條件限制臺網(wǎng)的布置各不相同，250208上綜采工作面的標(biāo)定炮驗(yàn)證結(jié)果更為準(zhǔn)確，150214定位驗(yàn)證的精度相對較低。驗(yàn)證了臺網(wǎng)布置對震源定位精度的影響十分關(guān)鍵，布置在不同開采布局條件下的微震臺網(wǎng)對相同設(shè)備的定位精度存在一定影響。

（2）綜合以上三種標(biāo)定炮測試結(jié)果，根據(jù)SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)定位原則及整個(gè)臺網(wǎng)對礦井采場范圍內(nèi)的強(qiáng)礦震定位精度要求，硯北煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)波速取3 650 m/s，定位礦震較為合理，對礦井范圍內(nèi)發(fā)生的震動(dòng)，定位結(jié)果準(zhǔn)確。表明了在復(fù)雜地質(zhì)條件下，通過定位精度分析及標(biāo)定炮效驗(yàn)，確定了監(jiān)測系統(tǒng)合理的波速，能夠?qū)崿F(xiàn)礦震精準(zhǔn)定位，可為礦井沖擊地壓的防治工作提供可靠信息。

（3）從三個(gè)標(biāo)定炮震動(dòng)的能量來看，雖然裝藥量相同，但大小有一定的偏差，造成的原因，與裝藥工藝、爆破點(diǎn)的條件、炮孔的封孔質(zhì)量有一定的關(guān)系，但能量誤差能控制在一個(gè)能級范圍，符合系統(tǒng)要求。