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計研究分院，北京市朝陽區，100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，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計研究分院，北京市朝陽區，100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，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的準確性和震源與拾震器之間的幾何形狀。結合現場的實際工程條件，進行了拾震器的優化布置，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 優化布置 降噪

微震監測技術是利用煤巖體受力變形和破壞后本身發射出的震動波來進行監測工程巖體穩定性的技術方法。

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

1 ARAMIS M／E井下微震監測系統

由波蘭EMAG礦業電氣自動化中心研制開發的ARAMIS M／E井下微震監測系統目前已經被波蘭國內及世界各地的礦井廣泛應用。我國于2006年開始著手引進該套設備，已在華豐煤礦和老虎臺煤礦等許多礦井得到應用。

該系統通過24位σ－δ轉換器提供震動信號的轉換和記錄，實現了信號的數字傳輸模式，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測。系統主要由井下拾震器、地面中心站及地面數據處理系統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的應力狀態進行連續監測，記錄實時發生的微震事件的震動信號，并將信號轉化為數字信號傳輸到地面中心站；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，后由地面數據處理系統對震動波形圖進行分析和計算后，確定微震事件的發生位置，計算出事件釋放的能量。系統監測區域達幾百平方公里，經過長時間監測后，可將礦區內全部微震事件繪制到礦井平面圖上，對整個礦區的震動情況進行分析，劃分危險區域，以便于提前采取解危措施，降低事故發生率。

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測臺網的空間分布形狀、事件波形到時讀數的準確性以及適當的速度模型假設等因素。事實上，由于煤巖體介質是復雜的，非均質的，含有大量裂隙、節理和不連續面，使得微震信號即使在同一類性質的巖石中傳播，其在不同方向、不同區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，假定P波（縱波）在煤巖體介質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，微震監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果的影響程度。布設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的一個重要部分。

辨識震源位置和速度模型的適應值函數描述為：

式中：ΔWk——第k＋1和第k個拾震器監測到時之差；

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。

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

另外，拾震器的布置還應考慮下面因素：與定位算法結合，拾震器的定位參數必須使得計算過程收斂；監測范圍要在監測系統允許的范圍之內；拾震器布置過程中，拾震器和信號電纜應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

煤巖體在外界應力作用下，其內部將產生局部彈塑性能集中現象，當能量積聚到某一臨界值之后，會引起微裂隙的產生與擴展，微裂隙的產生與擴展會伴隨著兩類彈性波或應力波的釋放并在周圍巖體內快速傳播。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果的計算影響重大。由于井下環境的復雜性，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，在此基礎上對P波和S波的初至進行準確的標定。

3 應用實例

山東唐口煤業有限公司位于山東省濟寧市西部約10km，礦井設計生產能力300萬t／a，服務年限為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井下微震監測系統，以對深井地壓災害進行研究。

表1為2009年9月25日至2009年11月25日期間，系統記錄到的位于各個工作面不同能量級別的微震事件次數。對這兩個月的數據分析得知，多數微震事件的能量低于103J，占微震事件總數的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域，分別占微震事件總數的31.4%和19%；2306工作面為礦井的主采工作面之一，監測到微震事件較少，僅占微震事件總數的9.5%。

表1 微震系統運行前期各工作面不同能量級別微震事件次數統計

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

3.1 拾震器的優化布置

為了提高系統對2306工作面這個主采區域監測精度，于2009年11月26日，在原先的拾震器布置的基礎上，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巷的6＃拾震器，由于周邊環境變形嚴重，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微震監測系統采用快速傅立葉功能對記錄的信號進行過濾處理，經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。要熟練地應用這些功能還需要操作人員長時間的積累經驗。

圖2是系統各通道記錄的事件原始波形圖，圖3是經降噪處理后的事件波形圖。可以看出，經降噪處理后，排除了其它信號的干擾，這有助于監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，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的定位精度。

3.3 微震事件定位精度分析

拾震器優化布置工作于2009年11月26日結束，表2為微震系統監測到的2009年11月27日至2009年12月27日期間系統記錄到的位于各個工作面不同能量級別的微震事件次數。

表2 各工作面不同能量級別微震事件次數統計

圖4 2304、2306工作面每天微震事件次數

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

4 結論

山東唐口煤業有限公司現有開采區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測，就不能對現有開采區域進行精確監測，最初的拾震器布局滿足了對整個井田區域的監測，而對重點監測區域的監測精度還不夠理想。文章結合現場的實際工程條件，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。

在確定的通道數和拾震器使用個數的前提下，為充分發揮監測系統的作用，就要合理地對拾震器進行空間布置與分配，以期在滿足微震監測工程技術指標的條件下，使拾震器陣列的監測范圍最大，充分發揮監測系統的作用。建議：隨著開采區域的變動，重點監測區域位置會隨之而改變，應重新考慮拾震器的布局；為測試微震監測系統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的震源定位誤差進行人工震源測試。

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

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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

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2010CB226806）

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

（責任編輯 張毅玲）