密集臺(tái)網(wǎng)微震定位技術(shù)在礦山開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

密集臺(tái)網(wǎng)微震定位技術(shù)在礦山開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

徐順強(qiáng)， 劉巧霞， 李怡青， 謝汝一， 楊利普

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州，450002)

摘要：利用河南新密超化鎮(zhèn)某礦區(qū)布設(shè)的密集臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料，通過(guò)微震震源精確定位手段，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾背景下該地區(qū)某煤礦地下開采面的定位追蹤試驗(yàn)研究。微震定位后，爆破點(diǎn)位置的水平精度為±70 m，垂直精度為±500 m。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，利用高密度數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)資料，可較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)礦山地下開采面的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)資源越界開采和小礦非法開采的有效制約和監(jiān)督。同時(shí)，本次試驗(yàn)結(jié)果顯示地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)控制范圍受爆炸源能量、地下開采面的深度、監(jiān)測(cè)區(qū)背景噪聲、監(jiān)測(cè)儀器的靈敏度和抗干擾能力等因素影響，試驗(yàn)結(jié)果可對(duì)今后礦區(qū)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的合理布設(shè)提供有效指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地震臺(tái)陣； 地震定位； 煤礦； 開采面

收稿日期：*2014-06-25

基金項(xiàng)目：中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)——鄂爾多斯周緣地區(qū)(201208009)；地震科技星火計(jì)劃(XH2067Y)

作者簡(jiǎn)介：徐順強(qiáng)(1982-)，男(漢族)，云南祿勸人，工程師，主要從事重磁電方法研究、工程物探、礦產(chǎn)資源勘查等工作.E-mail：sq_xu@126.com

通訊作者：劉巧霞(1983-)，女(漢族)，河南鄭州人，工程師，主要從事地震震源研究.E-mail：llqqxx@126.com

中圖分類號(hào):P315.73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0266

ApplicationoftheDenseNetworkMicro-seismicLocation

MethodtoDynamicMiningMonitoring

XUShun-qiang，LIUQiao-xia，LIYi-qing，XIERu-yi，YANGLi-pu

( Geophysical Exploration Center，CEA，Zhengzhou，Henan450002，China)

Abstract：The purpose of this study was to use micro-seismic source location to locate，track，and observe the underground coal mining surface (shot point) near one coal mine in Xinmi city，Chaohua county，Henan province.Following the micro-seismic location，the horizontal precision of the shot point was 70 m while the vertical precision was 500 m.The experimental results showed that we could accurately monitor dynamic changes of the underground coal mining surface through high-density digital seismic network materials.This technique contributes to the effective restriction and supervision of the cross-border exploitation of mineral resources and illegal exploitation of small coal mines.Results of the study also showed that the scope of monitoring was affected by a number of elements，such as energy exploration，depth of the underground coal mining surface，background noise in the monitoring area，instrument sensitivity，and anti-disturbance.The results provide reasonable guides for an optimized layout of the seismic network in the mining area.In the use of seismic networks，microseism localization has made certain progress and the resulting error in localization is controllable.Increases in the pointing accuracy will make it possible for this technique to have the practical application in the mining area.

Keywords：seismicarray；earthquakelocation；coalmine；miningarea

0引言

隨著近年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源需求的急劇增加，礦山企業(yè)在開采過(guò)程中存在嚴(yán)重的破壞和浪費(fèi)礦產(chǎn)資源的現(xiàn)象。開采工藝落后，開采時(shí)采富棄貧、采易棄難、采厚棄薄等現(xiàn)象造成了礦產(chǎn)儲(chǔ)量耗竭過(guò)快，礦山壽命大幅縮短，從而嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，由于對(duì)企業(yè)開采情況缺乏有效監(jiān)控，礦山企業(yè)隱瞞產(chǎn)量、收入，漏繳、少繳礦產(chǎn)資源補(bǔ)償費(fèi)及其他稅費(fèi)的現(xiàn)象普遍存在，因而查清礦井采空區(qū)及礦權(quán)邊界等問(wèn)題就顯得尤為迫切。但井下越界開采具有隱蔽性強(qiáng)，不易發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)礦山開采的監(jiān)測(cè)大多數(shù)仍處于人員下井實(shí)施監(jiān)督檢查的階段，這不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力資源且效果不佳。因而如何借助現(xiàn)代地震監(jiān)測(cè)技術(shù)及地震信號(hào)數(shù)據(jù)處理手段對(duì)礦山井下炮采的位置進(jìn)行準(zhǔn)確追蹤測(cè)定，成為礦山開采過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

礦山開采過(guò)程中采用爆破的方式進(jìn)行，而爆破會(huì)在地殼產(chǎn)生一定的震動(dòng)。鑒于此，本文利用河南新密超化鎮(zhèn)地區(qū)密集臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料，對(duì)該區(qū)正在開采的煤礦工作面的爆破源進(jìn)行微震追蹤定位，從而得到地下開采面的空間位置形態(tài)。該方法是一種動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、不間斷的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可用于監(jiān)測(cè)和追蹤一些地方小礦的無(wú)計(jì)劃、隨意開采等行為，進(jìn)而對(duì)礦山企業(yè)實(shí)施監(jiān)督管理，維護(hù)國(guó)家和企業(yè)的利益、遏制重特大事故發(fā)生、減少環(huán)境污染、提高礦產(chǎn)資源開發(fā)利用率等具有重要研究意義。

1爆破源微震定位方法概述

煤礦爆破源微震定位是在地震監(jiān)測(cè)科學(xué)的形成和發(fā)展基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。首先是通過(guò)合理布設(shè)觀測(cè)臺(tái)站記錄煤礦開采過(guò)程中的爆破和由爆破引起的異常震動(dòng)，然后通過(guò)軟件對(duì)所記錄的信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別，最后利用地震定位算法，對(duì)爆破源追蹤定位。在此過(guò)程中定位算法是定位系統(tǒng)的核心。本文利用的微震定位系統(tǒng)中涉及到的地震定位算法主要是基于Geiger定位原理的Hypo定位法和雙重殘差相對(duì)定位方法(HypoDD)。

Hypoinverse定位方法是FredW.Klein在Geiger定位法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種單事件絕對(duì)定位方法。1981年Klein對(duì)線性定位法做了一些修改，使其適用于135km之內(nèi)的近場(chǎng)定位問(wèn)題。

雙差地震定位法(HypoDD)是由哥倫比亞大學(xué)的FelixWaldhauser博士等在2000年提出的，并編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序。2001年FelixWaldhaus-er博士等運(yùn)用該方法重新給加州北海沃德斷層1984—1998年發(fā)生的地震定位，其平面定位精度可達(dá)到幾十米，深度可達(dá)到幾百米。作為相對(duì)地震定位方法的雙差地震定位法消除了地震傳播到臺(tái)站時(shí)共同路徑的影響，因而提高了地震定位的精度。

2定位數(shù)據(jù)資料

2.1觀測(cè)數(shù)據(jù)

本研究布設(shè)地震臺(tái)陣采用的儀器是中國(guó)地震局地球物理勘探中心自行研制的PDS-1型便攜式數(shù)字地震儀，設(shè)3個(gè)測(cè)量通道，采樣率為100、200、400SPS，對(duì)應(yīng)的頻帶寬度為0～40、80、160Hz。此次布設(shè)的流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣共由9個(gè)地震臺(tái)站組成，分布如圖1所示。臺(tái)陣布設(shè)時(shí)需要考慮煤礦地下開采面有限的爆炸震源、深度、能量等因素，盡可能控制開采面的移動(dòng)范圍和距離，所布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)陣均勻分布新密市超化鎮(zhèn)某煤礦周圍。為了最大可能地提高地震記錄的信噪比，臺(tái)站盡可能地遠(yuǎn)離鐵路、干線公路和其他強(qiáng)振動(dòng)源，同時(shí)儀器盡量放置在地窖等地方。

圖1　臺(tái)站分布圖 Fig.1　Distribution of seismostations

由于該煤礦已經(jīng)開采多年，地下不少地方已成為采空區(qū)和塌陷區(qū)，這些干擾因素加大了獲得高質(zhì)量微震觀測(cè)記錄的難度。根據(jù)研究需求分兩個(gè)階段分別進(jìn)行觀測(cè)：第一階段(2007年6月7—17日)，臺(tái)站間距離為300～1 000m；第二階段(2007年9月20—27日)，臺(tái)站間距離為500～2 000m。用9臺(tái)地震儀器進(jìn)行觀測(cè)，儀器設(shè)定為連續(xù)記錄方式。為提高觀測(cè)精度，每天對(duì)GPS校鐘一次，經(jīng)過(guò)兩次近一個(gè)多月的連續(xù)記錄，獲得了大量的資料。在回放時(shí)，將四個(gè)以上的地震臺(tái)同時(shí)記錄到地動(dòng)信號(hào)定為有用事件，在近一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)共記錄到38個(gè)事件。

2.2觀測(cè)數(shù)據(jù)初步處理

為了快速?gòu)暮Ａ康臄?shù)據(jù)中判斷和選取爆破事件，首先對(duì)原始資料進(jìn)行了如下步驟的預(yù)處理：

(1) 通過(guò)試驗(yàn)確定合適的長(zhǎng)向平均、短向平均和比值參數(shù)，以此作為地動(dòng)信號(hào)的閥值，對(duì)所有原始資料進(jìn)行回放，從中提取出各個(gè)地震臺(tái)站接收到的地動(dòng)信號(hào)。

(2) 將四個(gè)以上地震臺(tái)站同時(shí)記錄到的地動(dòng)信號(hào)確定為有用事件，在近一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)記錄到了38個(gè)事件。

(3) 為了保證資料的可靠性和定位的精度，對(duì)上述38事件又進(jìn)行進(jìn)一步地辨識(shí)和篩選，最終選取了近20個(gè)震相較清晰的事件用于后續(xù)微震定位計(jì)算，圖2給出的是其中兩次地下開采面的爆破記錄。

(4) 針對(duì)記錄到的爆破事件，進(jìn)行了震相識(shí)別和讀取工作。為了保證震相識(shí)別的正確性和地震波到時(shí)的可靠性，對(duì)事件的地震波到時(shí)做了和達(dá)曲線圖，剔除了偏離和達(dá)曲線臺(tái)站的到時(shí)，保證了到時(shí)信息的質(zhì)量。

圖2　地下開采面爆破記錄 Fig.2　Several blast records on underground coal mining surface

3爆破面微震定位處理

3.1絕對(duì)定位

由于爆破振動(dòng)源位置是未知的，需要對(duì)爆破源進(jìn)行初始絕對(duì)定位，本文采用一維層狀速度模型的Hypo定位程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法直接利用每個(gè)臺(tái)的地震波到時(shí)確定震源的絕對(duì)位置，主要原理是將走時(shí)方程線性化，然后利用阻尼最小二乘法求解線性化后的走時(shí)方程，求得震源參數(shù)(震源位置、發(fā)震時(shí)刻等)的改變量。

3.2相對(duì)定位

Hypo定位法雖能給出爆破事件的具體位置，但速度模型的非均勻性會(huì)對(duì)定位結(jié)果造成一定的偏差。而Hypodd定位法作為相對(duì)定位法的一種，利用的是兩個(gè)事件到同一臺(tái)站的走時(shí)差，該走時(shí)差只由兩個(gè)事件的相對(duì)位置以及它們之間小范圍內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)所決定，因而能有效地減少由于對(duì)地殼結(jié)構(gòu)了解不夠精細(xì)而引起的誤差，提高定位精度。

3.3定位結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)共38個(gè)事件，其中16個(gè)事件從震相上判斷不是臺(tái)站附近的爆破(某些事件只記到了某個(gè)爆破的面波或一部分殘缺的面波)；2個(gè)事件由于都只有4個(gè)臺(tái)記錄而不能計(jì)算(用忽略臺(tái)站高程的算法和給定P波速度的算法對(duì)這2個(gè)事件的計(jì)算結(jié)果都不好)。最后給出計(jì)算結(jié)果共20個(gè)事件(表1、圖3和圖4)。

表 1　20個(gè)爆破事件定位結(jié)果

(注：凡有6個(gè)以上臺(tái)站記錄的事件都給出了誤差值，而僅有5個(gè)臺(tái)站記錄的事件則不能給出誤差值，所以“誤差”欄的數(shù)值是0，并不是說(shuō)它們沒(méi)有誤差。)

根據(jù)數(shù)據(jù)及計(jì)算情況估計(jì)，僅有5個(gè)臺(tái)站記錄的事件，其誤差水平應(yīng)和其他事件在同一量級(jí)。另外，由于9個(gè)臺(tái)站高差不大，基本在一個(gè)平面上，所以在定位結(jié)果中對(duì)震中位置(經(jīng)、緯度)的控制較好，而對(duì)深度的控制較差。因此，根據(jù)定位結(jié)果給出的平面坐標(biāo)位置比較可信，而深度僅供參考。

圖3　定位后的20個(gè)微地震事件分布 Fig.3　Distribution of the 20 micro-seismic events after location

圖4　定位后的20個(gè)地震事件震源深度 Fig.4　Focal depth of the 20 micro-seismic events after location

由于能夠搜集到煤礦開采準(zhǔn)確的放炮時(shí)間，挑選地震事件的時(shí)候根據(jù)放炮時(shí)間追蹤即可。主要的定位深度集中在150m左右，收集到的煤礦巷道開采面與定位結(jié)果吻合較好。說(shuō)明密集臺(tái)網(wǎng)在煤礦開采面(爆破方式)定位中是一種有效的方法，能夠在平面上進(jìn)行快速定位。

4 結(jié)論和討論

經(jīng)過(guò)分析研究，主要在以下幾個(gè)方面取得一定的成果：

(1) 采用高精度數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)(臺(tái)陣)技術(shù)可以較好地控制礦山地下開采面的動(dòng)態(tài)變化。水平定位精度較高約為70m，深度定位較差，最大誤差可達(dá)到500m。若能在不同高程內(nèi)布設(shè)臺(tái)網(wǎng)(如在不同深度的開采井中布設(shè)臺(tái)網(wǎng))能夠提高深度定位精度。

(2) 根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的控制距離主要由以下因素確定：爆炸能量、地下開采面的深度、監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的干擾背景、儀器的靈敏度及其抗干擾能力等。

(3) 根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，震源深度在300m左右地震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)的最大半徑約為1 000m左右為宜。超過(guò)1 000m的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)，其信號(hào)明顯減弱，很難取得理想的定位效果。加大臺(tái)網(wǎng)布設(shè)密度能夠取得更高的定位精度。

(4) 受各種干擾因素、地質(zhì)背景條件的影響，布置在不同地方的數(shù)字地震臺(tái)針對(duì)同一個(gè)地下開采面的爆炸事件會(huì)有不同地反映，所以地震臺(tái)的選擇位置很重要。試驗(yàn)結(jié)果表明，布設(shè)在基巖出露或無(wú)采空區(qū)、塌陷區(qū)的臺(tái)站資料干擾小、信號(hào)強(qiáng)度大。

(5) 為了準(zhǔn)確定位地下開采面的位置，一個(gè)完整的、可以使用的地震定位事件必須保證有5個(gè)以上的地震臺(tái)的記錄。

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技術(shù)應(yīng)用