礦山微震定位計算與應(yīng)用研究

吳建星，劉 佳

（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081）

在采礦工程實踐中，由于大量人為采掘，以致造成巖土體變形、地面沉降、井巷塌陷以及泥石流等地質(zhì)現(xiàn)象而引發(fā)微震。微震不僅破壞采礦工程設(shè)備和礦區(qū)資源環(huán)境，危及人類生命和財產(chǎn)安全，而且還嚴(yán)重地影響采礦生產(chǎn)。微震以震動波的形式突然釋放，其量度為1～3級。這一類地震人們無法感覺，僅靠儀器測出。在礦山微震實時監(jiān)測和震源定位研究方面，邴紹丹等［1］采用小波分析濾波過的信號來確定礦震震源位置，發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與實際礦震相吻合；趙龍［2］采用模擬微震試驗方法采集礦震波信號，得到微震理論位置、發(fā)生時間及其系統(tǒng)定位、定時的誤差；朱超等［3］研發(fā)了一套用于礦山微震實時監(jiān)測系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的功能和用途。為了預(yù)防和控制礦山微震事件的發(fā)生，本文在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上研制一套礦山微震多通道監(jiān)測定位系統(tǒng)，并根據(jù)牛頓迭代目標(biāo)定位原理，應(yīng)用該系統(tǒng)對礦山微震定位進(jìn)行研究，以期為預(yù)報和控制礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的描述

根據(jù)某鐵礦的實際地質(zhì)情況，本文研制的礦山微震監(jiān)測定位系統(tǒng)由傳感器、轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心等部分組成，如圖1所示。該系統(tǒng)能實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，可作出三維圖形，且成本低廉。

1.1 硬件組成

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Monitoring system diagram

微震監(jiān)測系統(tǒng)硬件由防爆計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡電源、前置放大器、傳感器、光纖收發(fā)機(jī)和光纜等部分所組成。微震傳感器共設(shè)置了16個采集通道，所采集的微震信號由前置放大器進(jìn)行前置放大，再通過電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過光纜后傳至防爆計算機(jī)對微震信號進(jìn)行處理分析，從而實現(xiàn)對礦山微震的監(jiān)測和定位。

1.2 軟件組成

本研究微震監(jiān)測定位系統(tǒng)采用LabVIEW軟件，該軟件由NI有限公司開發(fā)。它使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，其程序為框圖形式。在微震監(jiān)測定位過程中，由于LabVIEW軟件可充分發(fā)揮計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲等。LabVIEW軟件程序框圖使編程更加直觀，處理數(shù)據(jù)更加便捷，并在一個硬件的情況下，通過改變其軟件可實現(xiàn)不同儀器儀表的功能，而且Lab－VIEW的擴(kuò)展性使它能夠?qū)崿F(xiàn)與其他軟件如Matlab的聯(lián)合使用。

1.3 定位原理［4］

如果在礦區(qū)某一區(qū)域發(fā)生微震現(xiàn)象，則只象征著有潛在的巖體破壞危險，并存在著較大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。設(shè)微震源的空間坐標(biāo)為x、y、z，微震事件的起始時間為t，P波在巖體中傳播的平均速度為c，則第i個傳感器與微震源之間的非線性到時方程為

式中：xi、yi、zi分別為第i個傳感器的空間坐標(biāo)；ti為微震源到第i個傳感器的到時，ms；n為接受信號的傳感器個數(shù)；x、y、z、t分別為所要求的微震源時空參數(shù)。

取i個傳感器中的4個，與微震源組成的方程組為

圖2為微震定位示意圖。將已知傳感器坐標(biāo)和到時信息代入式（2）進(jìn)行迭代計算，計算結(jié)果為微震源的一次定位坐標(biāo)。經(jīng)過多次定位計算后取其平均值，就可得到更為精準(zhǔn)的微震源坐標(biāo)。

圖2 微震定位示意圖Fig.2 Microseismic positioning schematic diagram

2 實例應(yīng)用

某鐵礦礦體賦存條件復(fù)雜，礦巖受構(gòu)造與蝕變的影響，其巖性差異較大。礦區(qū)內(nèi)有許多巖種具有強(qiáng)烈的水理特性，如矽卡巖、角頁巖、泥質(zhì)角巖以及粉礦，當(dāng)?shù)V巖經(jīng)過水的作用后，會發(fā)生崩解、膨脹、軟化等變化，使其穩(wěn)定性大大降低。為此，應(yīng)用一套多通道微震監(jiān)測定位系統(tǒng)，通過合理布置傳感器以及對所采集的信號波形進(jìn)行震源定位計算，就可達(dá)到精準(zhǔn)定位微震源的目的。

2.1 傳感器布置

為了充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用，必須合理地對傳感器進(jìn)行空間布置和分配，以滿足在微震監(jiān)測工程技術(shù)指標(biāo)的條件下，使傳感器陣列監(jiān)測范圍擴(kuò)大，以充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用。本研究所用傳感器為PS－60B型傳感器，其監(jiān)測靈敏度達(dá)到85%以上，符合實際要求。按照震源定位誤差不大于10m的指標(biāo)要求，建立被測區(qū)域的物理模型，利用被測區(qū)域內(nèi)聲傳波速度的相關(guān)信息，對16個傳感器陣列內(nèi)的監(jiān)測范圍進(jìn)行模擬分析，并在模擬過程中不斷調(diào)整傳感器的位置，使監(jiān)測范圍內(nèi)的微震定位精度滿足技術(shù)要求。圖3為微震傳感器布置圖。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，采用分布法來布置傳感器，使采集到的數(shù)據(jù)精度更高。

圖3 微震傳感器布置圖Fig.3 Microseismic sensor layout drawing

在礦區(qū)內(nèi)，將采集系統(tǒng)放入水平－340m的值班室，24h連續(xù)不斷實時在線采集微震數(shù)據(jù)，并將其數(shù)據(jù)分時段存儲（隔4h存儲1次），以方便數(shù)據(jù)的傳遞與閱讀。16個不同位置的傳感器將微震信號采集后，傳遞到采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光纖信號，使信號傳遞時所受干擾和衰減均較小，以方便遠(yuǎn)程傳輸。采集系統(tǒng)接收信號時，利用光線轉(zhuǎn)換器將光纖信號還原成數(shù)字信號，就能被工控機(jī)識別，并通過相關(guān)軟件顯示出來。

2.2 震源定位計算

通過傳感器的合理布置，現(xiàn)場能采集到大量的實時在線微震信號，應(yīng)用相關(guān)軟件對這些微震信號進(jìn)行識別分析。表1為每個傳感器的坐標(biāo)和到時信息等參數(shù)，圖4為計算震源位置的程序框圖。

表1 傳感器坐標(biāo)和到時參數(shù)Table1 Sensor coordinate and arrival time

在監(jiān)測范圍內(nèi)的不同位置布置了16個傳感器，若選擇每4個組成一個方程組計算震源位置，則有255種不同的組合方法。根據(jù)到時的長短，先把到時較短的組合在一起進(jìn)行定位計算，再把到時較長的組合在一起進(jìn)行定位計算。對全部定位結(jié)果取其空間幾何中心值，計算所有定位結(jié)果到中心點的距離。計算出其平均距離后，再計算各個距離到平均距離的方差。取均方差或取均方差的一個倍數(shù)，舍去方差大于這個系數(shù)的定位結(jié)果。通過取舍，留有10組較精準(zhǔn)的定位結(jié)果如表2所示。把所有計算結(jié)果相加除10得到平均值大小，就是經(jīng)計算得到的震源位置。實踐應(yīng)用表明，震源位置產(chǎn)生的誤差小于8.8m，所得的定位結(jié)果較為精確。

圖4 震源定位程序框圖Fig.4 Positioning block diagram

表2 定位誤差和震源位置Table2 The positioning error and source location

由表2可看出，通過計算得到震源位置x為5044、y為7670、z為－342m，與實際震源位置x為5048、y為7663、z為－340m相比，其計算結(jié)果x、y、z的誤差分別為－4、7、－2m。

由于巖石密度不同，微震波在不同方位的傳播速度也不同，再加上傳感器不靈敏，導(dǎo)致計算精度誤差約為10m，但這個誤差在微震監(jiān)測系統(tǒng)所允許的范圍內(nèi)，表明本監(jiān)測系統(tǒng)仍具有較高的實時監(jiān)測能力和定位精度。

3 結(jié)論

（1）引入牛頓迭代法對礦山微震源進(jìn)行定位計算，在迭代過程中只要迭代幾次就可得到精確的解。

（2）對16個傳感器進(jìn)行選擇性組合，按照到時的長短，將到時較短的組合在一起，到時較長的另組合在一起。通過進(jìn)一步計算、取舍和結(jié)合得到震源位置，其產(chǎn)生的誤差在微震監(jiān)測系統(tǒng)所允許范圍內(nèi)。

（3）本研究研制一套實時在線監(jiān)測定位系統(tǒng)，以爆破地點為微震源，監(jiān)測微震傳播過程，并采集、分析微震信號，確定了精準(zhǔn)的微震源位置，為避免礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生尋求到一條有效途徑。

［1］邴紹丹，潘一山.礦山微震定位方法及應(yīng)用研究［J］.煤礦開采，2007，12（5）：1－4.

［2］趙龍.煤礦微震監(jiān)測定位系統(tǒng)誤差分析［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8（5）：33－34.

［3］朱超 吳建星，趙智，等.基于LabVIEW的微震實時監(jiān)測系統(tǒng)［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37（10）：47－48.

［4］吳治濤，駱循，李仕雄.聯(lián)合小波變換與偏振分析自動拾取微地震P波到時［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（1）：131－136.