礦山微震監測的傳感器優化布置研究

劉俊 呂順 呂壘

摘 要：微震監測臺網的布置是提高微震定位精度的重要方法之一。文章通過分析礦山微震監測的特點，提出影響微震記錄分辨率的三個主要因素：巖層結構、系統的寬頻帶特征以及到時的不規律性。并通過對主頻和傳播速度的分析，建立了傳感器間距計算模型。以河南某礦某工作面為例，通過多次校驗炮獲得工作面的波速及有效波形主頻，確立傳感器布置間距約為30 m。該方法為微震拾震傳感器的布置提供了理論依據。

關鍵詞：觀測系統；微地震；地震波頻率；傳感器布置；主頻

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0001-02

微震監測技術作為目前礦山安全監控最有效的監測手段之一，在礦山安全中的應用愈來愈受到人們的重視。隨著微震技術應用領域的不斷拓寬，對定位精度的要求也越來越高。微震臺網的布置是提高微震定位精度的重要方法之一。

1 影響微震記錄分辨率的因素

在微地震監測巖層破裂運動的實踐中，為了提高震源的定位精度，除了定位算法外，如何準確拾取地震波的初始到時同樣是影響定位精度的重要因素。根據地震原理和地震波傳播理論，影響原始微地震記錄分辨率的因素主要有以下幾個方面：

①巖性不同，地震波的折射、反射造成信號疊加，影響信號的質量。

②傳播介質的差異，造成信號頻率及振幅衰減的差異。

③到時的不規律性。不同道間接收到的地震波到時是不同的。檢波器布置的間距，影響了初始到時拾取的可靠性。

2 微震波的主頻與傳播速度分析

同一類型的地震波在除了傳播距離不同而高頻成分吸收不同外，在不同的傳播介質中由于吸收系數的不同，地震波的高頻成分吸收程度也不盡相同。當產生微地震事件處的巖層巖性及其地震波傳播介質的巖性變化相對較小時，地震波的頻率就相對穩定，此時，地震波的傳播速度也相對穩定。反之，則傳播的速度變化起伏。

將礦山微地震監測的全空間劃分成三層，上覆巖層和底板、基底巖層以及煤層。地震波在本層傳播時，為順層傳播，穩定性較好；跨層傳播時，為穿層傳播，介質不一，穩定性較差。通過前期分析監測區域地震波傳播的穩定性，可以為選擇監測目標區域與檢波器埋置的提供依據。

現場校驗時，可利用標定炮進行參數標定。通過不同激發環境和接收環境的組合，對接收到的地震波記錄進行速度分析和頻譜分析，求出對應組合的地震波傳播速度v和主頻f，為微震系統的現場布置提供依據。

3 檢波器間距的確定

假設S點是微地震震源位，xi和xi+1是相鄰兩個檢波器的位置，如圖1所示。根據地震波傳播的運動學理論，震源S點到相鄰兩個檢波器Ri和Ri+1組成的線段RiRi+1及其延長線組成一個三維空間內的平面SRiRi+1。

假設在該平面SRiRi+1內，震源S點到線段RiRi+1及其延長線的垂足為Pi點，法向距離為hi。因此，地震波從震源位置S到達兩個檢波器Ri和Ri+1的時距關系為：

假設該地質體邊緣上有一點S距離兩個相鄰檢波器連線RiRi+1及其延長線的最小法向距離為himin，在觀測系統參數xmi和Δxi不變的情況下，由公式（3）可知，監測目標區域內任何一點發生的微地震事件，地震波傳播到兩個檢波器之間的時差Δtis不大于點Sp發生的地震波傳播到兩個檢波器之間的時差Δtip，即：

根據地震波傳播原理，地震記錄分辨率取決于地震有效波到達相鄰檢波器的時差Δts和干擾波的干擾程度。假設有效波在地震記錄上的視周期為T，當地震有效波到達相鄰檢波器的時差Δti不大于視周期T的一半時，便能可靠地辨認同一有效波的相同相位，反之，就不能可靠地分辨出同一有效波的相同相位。由于有效波的視周期T與有效波的主頻f互為倒數，因此便有：

4 工程應用

基于上述研究，對河南某礦某工作面的微震監測方案進行設計。

①為了獲得該工作面的波速及主頻，在工作面底板進行數次標定炮作業（爆破用藥量約為0.3 kg），求取合理的微震波速。通過現場監測標定求得，平均波速約為4.93 m/ms。

②對埋在頂板巖層中的1#檢波器和埋在底板巖層中2#檢波器分別做主頻f為基準的帶通濾波，求得有效波形的主頻約為75.2 Hz。

③利用上式求解可得，Δxi為32.8 m。考慮到兩傳感器過近，則到時時差較小，定位計算時誤差較大。因此，最終選擇35 m間距。

5 結 論

本文針對煤礦微震系統的布設，提出了基于微震波主頻與傳播速度的傳感器間距計算方法。主要進行了如下研究：

①通過分析礦山微震監測的特點，提出影響微震記錄分辨率的三要素。

②建立了基于標定炮檢驗方法的傳感器間距計算模型。

③通過河南某礦的現場驗證，確立該礦某工作面的傳感器布置間距約為30 m。

參考文獻：

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