復雜地質條件下沖擊地壓礦井微震監測系統震源定位精度分析及標校方法

牛佳勝，吳學松，田文輝，安紅霞

（華亭煤業有限公司東峽煤礦 甘肅 平涼 744100）

0 引言

隨著地球物理探測技術的發展[1]，微震監測技術逐漸應用到礦山領域，通過監測煤巖體中的應力波震動，可以在復雜地質條件下實現震源定位，是沖擊地壓監測預警的有效手段[2]。微震監測技術利用巖體受力變形和破壞后產生的地震波，通過安裝在井下拾震儀接收的直達P 波起始點的時間差，在特定條件的波速場條件下進行三維定位，確定震動發生的位置和煤巖破裂的層位，分析震動的方向，確定破壞位置[3]。同時，利用震動相持續時間計算煤巖變形失穩過程中釋放的能量和震級，通過數據統計分析，挖掘礦井上覆巖層的斷裂信息，描述空間巖層結構運動和應力場的遷移演化規律，實現震動危險的監測預警工作，對礦井沖擊礦壓危險程度進行評價，為煤礦的安全生產服務[4]。精準定位震源是準確捕捉礦震信號的基礎[5]，是為分析沖擊危險區域的危險等級和危險狀態提供科學的判斷依據。

1 工程概況

甘肅華亭煤電股份有限公司硯北煤礦設計生產能力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。井田位于華亭復式向斜的中東部，井田的基本構造形態，從北到南為單斜、背斜和向斜等,煤層傾角6°～30°，礦井開采有二個水平，三個采區交替生產，回采工作面兩個，掘進工作面4～6 個。其中2502 采區為緩傾斜煤層傾斜分層開采，1502 及1504 采區為急傾斜煤層水平分層開采。礦井經煤巖沖擊傾向性鑒定為強沖擊礦井，沖擊類型為構造頂板型沖擊地壓。2007 年從波蘭礦山研究總院引進16 通道SOS 微震監測系統，升級為24 通道微震監測系統，礦井微震監測系統拾震器布置如圖1。

圖1 硯北煤礦微震監測系統布置及標定炮位置圖

由于煤礦地質條件復雜，隨著井下采掘工作面不斷推進，微震探頭不斷挪動，工作面地質條件也在不斷地變化，導致震動波的波速也在發生變化，因此，要對微震監測系統的定位精度經常地進行校驗，通常采用標定炮的方法進行校驗。

2 微震監測系統震源定位精度分析

針對不同礦井，特別是多水平、多煤層、多采區，多個采掘工作面的地質構造復雜的礦井，要實現多層位連續監測，同時要求對震源定位坐標要準確,能量計算要精確,接收到的震動波形能夠清晰地記錄小能量的震動，反映原巖變化的整個過程和趨勢，因此對定位準確性的要求更高。

2.1 微震震源定位精度影響因素

影響微震震源定位準確性的因素主要有：

（1）微震臺網布置的合理性：應根據綜合指數法確定的礦井危險區域選擇拾震器在巷道安裝的侯選點。

（2）臺站P波到時讀入的準確性；應選擇比較容易辨認的縱波（P 波）進行定位，與其他波相比，P 波首次到達時間的確定誤差較小，定位精度較高。

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

（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。

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

2.2 震源定位精度計算方法

為分析震動集中的區域，預測震動趨勢，如圖2所示，給出了震源精準定位的原理。

圖2 礦震定位示意圖

通常選擇比較容易辨認的縱波（P 波）進行定位（圖3），與其它波相比，P 波首次到達時間的確定誤差較小，定位精度較高。由于采用任意傳播速度來確定傳播時間是非產困難的，實際應用中，多假設處于均質、各向同性介質，即P波在各個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間可由下式描述：

圖3 礦震產生的P波和S波

式中：x0,y0,z0——震源坐標，

t0——震源發震時間，

xi,yi,zi——第i個觀測站的坐標,

ti——P波到達第i個觀測站的時間，

v(x0,y0,z0)——P波在介質中的傳播速度，

方程（1）中有(x0,y0,z0,t0）四個未知數，要解這個方程至少需要4 個觀測站的數據，目前在各個礦區使用的SOS 微震系統和ARAMIS 監測系統，一般采用16 個臺站的布置形式，所以最多可以列出16個類似于上式的方程，為進行震源定位，目標函數可寫成如下形式：

式中：wi——各臺站觀測值的權重度函數，

n——P波標記的臺站數目,

p——參數，取值1或2。

當p=2 時，目標函數（2）為L2 標準。當p=1 時，為L1 標準，當在部分臺站上標記的時間誤差較大時，L1標準在定位上要優于L2標準，但這需要在P波標記時選取更多的通道，否則將產生很多局部極值。

針對不同的目標函數形式，根據Pp標記結果（P波首次到達時間），震源的定位實際上就是求目標函數的最小值，（如SOS微震監測系統中），“MTAW”軟件中主要采用了修正POWELL 算法、CMEAS 算法求解，它們都具有極強的搜索能力，運算速度快，精度高。

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

3 震源定位精度校驗效果

礦井經過多年的微震監測，總結出臺網布置變化后，解決定位精度偏差的經驗，現就不同條件下的臺網布置方案，利用爆破定位技術進行系統定位精度校核，方案及結果如表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

設置定位放炮位置三個，分別為:1#、2#和3#標定炮，1#標定炮在250208 上綜采工作面運輸順槽Y18 點以外27.1 m 處，距離始采線870.0 m，距離當前工作采止線378.7 m；2#標定炮在250208上綜采工作面材料順槽C08-18點以外19.6 m，距離始采線901.0 m。3#標定炮在150214工作面施工爆破孔后，每孔裝藥量5 kg,實施放炮進行校準，標定炮定位誤差如圖4所示。

圖4 1#、2#和3#標定炮定位誤差折線圖

列舉其中一個標定炮定位方法：

SOS微震監測系統在2020年05月06日13：55：02接收到一個震動信號。1#、3#、6#、7#、8#、9#、12#、13#、16#、20#通道接收到了清晰震動信號。根據SOS 微震監測系統定位原理對其中6個清晰的波形通道進行P波首次到時標記，標記情況如圖5 所示，7 個通道在震動波形圖上標記結果為750 ms、582 ms、456 ms、440 ms、764 ms、828 ms。

圖5 Seisgram軟件中標定炮的P波首次到時標記結果圖

P波首次到時標記結束后，用Multilok軟件調整波速參數進行震源定位。通過不同波速計算的震源位置與真實放炮位置進行對比從而確定最接近真實震源的波速作為最優波速參數。定位效果對比詳見上表1。

通過對標定炮放炮驗證，定位精度能夠控制在30 m 之內，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，震源無法形成臺網包圍監測所造成。

通過對標定炮能量的計算，如圖6所示，從三個震動的能量計算結果可知，雖然裝藥量相同，但由于裝藥工藝、爆破點的條件、炮孔的封孔質量等原因，大小會具有一定的偏差。

圖6 標定炮震源計算能量

4 結論

（1）根據SOS 微震監測系統臺網對監測精度的影響分析結合這三次標定炮驗證結果表明：1#、2#標定炮波速設定在3 600 m/s 定位精度最高，3#標定炮波速設定在3 700 m/s 定位精度較高。震源定位誤差能控制在30 m以內。受復雜地質條件影響，礦井實際條件限制臺網的布置各不相同，250208上綜采工作面的標定炮驗證結果更為準確，150214定位驗證的精度相對較低。驗證了臺網布置對震源定位精度的影響十分關鍵，布置在不同開采布局條件下的微震臺網對相同設備的定位精度存在一定影響。

（2）綜合以上三種標定炮測試結果，根據SOS微震監測系統定位原則及整個臺網對礦井采場范圍內的強礦震定位精度要求，硯北煤礦微震監測系統波速取3 650 m/s，定位礦震較為合理，對礦井范圍內發生的震動，定位結果準確。表明了在復雜地質條件下，通過定位精度分析及標定炮效驗，確定了監測系統合理的波速，能夠實現礦震精準定位，可為礦井沖擊地壓的防治工作提供可靠信息。

（3）從三個標定炮震動的能量來看，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、爆破點的條件、炮孔的封孔質量有一定的關系，但能量誤差能控制在一個能級范圍，符合系統要求。