基于光纖微震傳感的煤礦防越界開采監測系統

郭書全，胡賓鑫，張永利，全 霓，朱 峰，張 華，宋廣東

(1.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 神木 719314；2.齊魯工業大學(山東省科學院)激光研究所，山東 濟南 250014；3.陜西領睿電子科技有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，一些煤礦企業法制觀念淡薄，受利益驅動，越層越界開采行為時有發生，非法越界開采既破壞和浪費了寶貴的礦產資源，又擾亂了正常的礦產資源開發秩序，同時還會造成礦井相互連通的重大安全隱患，是煤礦冒頂、透水、瓦斯爆炸等惡性事故的重要原因[1-2]。井下越界開采具有隱蔽性強、不易發現的特點，目前國內對煤礦越界開采的監測主要采取專人定期現場巡查、臨時抽查的方式，但由于沒有明確的方位性，效率低下，耗費大量人力、物力資源；不能實時監測越界行為，出現越界開采事件難以及時發現，大多是等越界開采規模較大甚至是發生礦難的時候才察覺，但所發生的巨大損失已無法彌補；有時抓到了不法分子，由于證據不足，不能對其進行應有的懲罰。因此，對越界開采活動進行實時在線監測，確保科學執法已成為亟待解決的問題。

煤礦井下開采活動會引起巖石破裂和應變能釋放卸載，產生微地震波信號，利用微震監測和定位技術，通過對接收到的微震信號進行處理、分析，確定微震事件發生的位置、大小、數量及能量釋放等信息，可作為評價煤礦越界開采活動的依據[3]。目前，傳統礦用微震監測系統仍普遍使用電磁式或壓電式微震傳感器，在信號拾取和傳輸過程中易受電磁場干擾，難以實現微震信號保真拾取；由于供電限制，對諸如煤礦采空區等危險源或密閉區域難以布設，造成監測盲區[4]。此外，傳統基于迭代求解的時差定位算法，如Geiger法、最小二乘法、牛頓迭代法等，一般要求震源位于傳感器陣列范圍之內，而對于煤礦井田邊界防越界開采位微震監測，震源位置通常位于傳感器陣列之外，傳統定位算法的定位精度將大大降低甚至無法定位，這在很大程度上限制了防越界開采微震監測預警的準確性與及時性[5-8]。

針對上述問題，設計了一種具有無源本質安全、抗電磁干擾、定位精度高等特點的全光纖煤礦防越界開采在線監測系統，基于光纖微震傳感網絡，構建煤礦防越界開采實時在線監測系統，并在陜西檸條塔煤礦進行示范應用。

1 光纖微震監測系統

1.1 光纖微震傳感器

光纖微震傳感器基于懸臂梁結構和光纖光柵技術設計，結構模型如圖1所示。傳感器內部主要由彈性膜片、帶有質量塊的L型懸臂梁和光纖布拉格光柵組成。光纖光柵一端連接在懸臂梁上，另一端連接在外殼上。地震波傳至質量塊產生加速度，進而引起彈性膜片和光纖光柵的應變變化。利用光纖光柵的布拉格波長漂移來檢測光纖光柵的應變變化，從而得到加速度值[9]。

圖1 光纖加速度傳感器模型Fig.1 Model of fiber-optical acceleration sensor

如圖1所示，k1為光纖的彈性系數，k2為結構的彈性系數，c為介質阻尼系數，m為質量塊的質量。系統總的彈性系數k為

(1)

傳感器的固有頻率可以定義為

(2)

假定外部加速度B=Aejωt，相對阻尼系數為δ，則在光纖光柵上產生的應變可表示為

(3)

當阻尼比ξ=δ/ω0=0.7，則應變加速度靈敏系數為

(4)

光纖光柵波長變化與應變成比例。典型的光纖光柵應變靈敏度為1.2 pm/με，因此加速度靈敏度定義為

(5)

從式(2)和(5)可以看出，傳感器的固有頻率和加速度靈敏度主要由a、b、k1、k2和m等5個參數決定。優化的參數見表1。經計算，傳感器的固有頻率約為280 Hz，加速度靈敏度約為220 pm/g。

表1 傳感器優化參數Table 1 Optimized sensor parameters

1.2 光纖微震解調系統

光纖微震解調原理如圖2所示，采用窄線寬分布反饋激光器(distributed feedback laser diodes，DFB-LD)作為光源，將其波長置于光纖光柵微震傳感器反射譜上-3 dB處，當傳感器受外界震動，光纖光柵受到拉伸或壓縮，使得折射率發生變化，光柵的波長就會左右移動，導致反射激光光強變化，通過檢測該光強變化，就能得到加速度的大小[10]。

圖2 光纖微震解調原理示意Fig.2 Principle of fiber-optical microseismic demodulation

假設激光器輸出光功率為I0，光纖光柵微震傳感器波長變化為Δλ，反射率變化為Δs，則光強變化為I0Δs。在測量范圍內，Δλ相對較小，根據小信號模型原理，Δs和Δλ具有線性關系。此外，由于光電探測器輸出電流和入射光強也具有線性關系。因此，輸出信號可以表示為[11]

Is=k1I0(R+βΔλ)mA

(6)

式中，R為當DFB-LD在光柵的-3 dB時的反射率；m為光學耦合造成的系統噪聲。參考信號可以表示為

Ir=k2nAI0

(7)

式中，n為光學耦合造成的系統噪聲。將式(6)和式(7)相除，即可得到

(8)

實際應用中，由于光纖連接、彎折、耦合等原因，返回到探測器的光信號不同程度存在衰減現象。因此本設計使用具有大動態范圍特性的對數放大器進行光電流信號的檢測。利用其轉換函數，可得到傳感器檢測光信號Is與激光器參考光信號Ir的歸一化信號In為

Vn=k(Is-Ir)=klog10(R+βΔλ)

(9)

根據上述原理，得到光纖微震解調系統框圖，如圖3所示。系統由DFB-LD、恒流源、光電探測器、光環形器、對數放大器、儀表放大器、溫控模塊、模數轉換器、數據采集單元、時鐘同步單元等部分組成。

圖3 光纖微震解調系統框Fig.3 Block diagram of fiber-optical microseismic demodulation system

精密恒流源驅動DFB-LD發光，并通過微處理器掃描和控制模數轉換器輸出一個控制電壓給溫控模塊，用于調節激光器的溫度，從而改變激光器輸出波長。激光器發出的光，通過內部光電探測器和對數放大器后變為電壓Vr，作為參考信號；經過環形器進入光纖光柵微震傳感器，反射回來的光由光電探測器和對數放大器變為電壓Vs，作為傳感器檢測信號；Vr和Vs經過儀表放大器進行差分運算，得到歸一化信號Vn；歸一化信號被數據采集單元采樣，再經過反對數運算處理后，一方面，作為反饋信號進入自動控制單元，把激光器的工作點自動跟蹤和穩定在光柵的其中一個斜邊的-3 dB處，消除了溫度等低頻信號對系統的影響；另一方面，經過數字濾波處理后得到微震信號，并通過局域網傳輸到主站進行處理和顯示。此外，時鐘同步單元PTP主時鐘基于硬件IEEE-1588網絡對時協議設計，可為數據采集單元提供亞微秒精度的時鐘基準，實現分布式微震信號高精度同步數據采集。

1.3 系統測試

本系統經過校準測試，校準器采用B&K-4808標準振動臺，測試結果如圖4所示。可以看出，當測試加速度為0.5 m/s2，系統的-3 dB帶寬約為1～200 Hz，當測試頻率為30 Hz，在10-3～10 m/s2范圍內，線性度較好，動態范圍達到80 dB。

圖4 光纖微震系統測試結果Fig.4 Test results of fiber-optical microseismic system

2 震源定位算法

2.1 網格搜索算法

當巖體中發生微震事件時，檢波器相繼探測到微震波。初至波到達時間方程如下

ri=ti-ts-Ti

(10)

式中，ri為殘差值；ti為初至時刻；ts為震源發生時間；Ti為初至波到檢波器的旅行時間。假定微震波傳播路徑是直的，并且介質是均勻的和各向同性的，則傳播時間可以定義為

(11)

式中，xi,yi,zi為傳感器坐標；xs,ys,zs為震源坐標；v為波速。

求解方程(11)的經典方法是線性化反演，通常采用最小二乘法，即L2范數統計，通常假設殘差分布具有高斯性質?？紤]到檢波器的安裝一般局限于井下巷道周圍，時間殘差往往不服從高斯分布，偶爾出現較大的殘差會嚴重影響事件定位精度[12]。因此，將觀測到的和計算的到達時間之間的絕對差的和最小化，即L1范數統計作為殘差計算公式，因為它對異常值不太敏感，即有

(12)

方程(12)可以用網格搜索法求出，其具有穩健、高效以及無需求導等優點[13-14]。該方法通過對震源位置的三維矩形網格進行全局搜索來確定震源位置。如果需要更高的空間分辨率，則可以使用足夠小的網格間隔進行搜索，同時在搜索過程中對震源位置坐標和原點時間施加一定邊界。通過減去2個獨立檢波器的觀測和計算的差分走時，可以消除震源時間。因此，方程(12)可以寫成

(13)

這種方法更容易找到不匹配函數的絕對最小值，而不是相對最小值。避免了到達時間導數的計算，大大降低了對未知參數初始估計的敏感性。此外，采用L1范數統計標準，并從誤差空間中剔除起始時間，保持了計算的簡單性和速度。

2.2 定位誤差測試

為了測試定位誤差，在某深部煤礦13230工作面安裝了5個單分量光纖微震傳感器。在現場選取了10個放炮事件作為參考震源。傳感器布置和事件分布如圖5所示，所有事件均位于傳感器陣列之外，最遠距離達到300 m。

圖5 定位誤差測試傳感器布置Fig.5 Sensor arrangement for positioning error test

定位誤差測試結果見表2。可以看出，X、Y方向的平面定位誤差范圍為5.8～21.5 m，Z方向的垂直定位誤差為9～34 m，各自的平均定位誤差分別為14.8 m和18.9 m?？梢姡?00 m監測范圍內，系統平面定位誤差小于15 m。由于傳感器陣列高程差較小(最大僅為50 m)，導致垂直定位誤差相對較大[15]。

表2 定位誤差測試結果Table 2 Test results of positioning error

3 現場試驗與分析

3.1 試驗方案

在陜西檸條塔煤礦南翼2-2煤東大巷輔運大巷和回風大巷以及北翼井田邊界附近，分別安裝了一套礦用光纖微震監測系統，主要包括光纖微震傳感器、監測分站和監測主機。南翼監測分站放置在井下機頭硐室，北翼監測分站放置在地面配電站，用于解調傳輸光纖微震信號；監測主機放置在井上調度室放置服務器用于遠程監測、存儲、數據分析及網頁發布；16支光纖微震傳感器和18支光纖微震傳感器分別布置在南翼回風大巷及輔助運輸大巷側幫，以及北翼地表深孔，可實現南翼東大巷附近和北翼井田邊界煤礦越界開采活動的實時在線監測。

南翼和北翼光纖微震傳感器布置如圖6所示。其中南翼相鄰傳感器距離平均約為100 m，構成了長約1 700 m，寬約320 m的傳感器網絡；北翼相鄰傳感器距離平均約為300 m，構成了長約2 800 m，寬約1 000 m的傳感器網絡。

圖6 檸條塔煤礦南翼和北翼微震傳感器布置Fig.6 Layout of microseismic sensors in south and north wings of Ningtiaota Coal Mine

光纖微震傳感器帶有深孔安裝的錨爪裝置，如圖7所示，使用灌漿固定，保證了傳感器與巖體的充分耦合，降低了背景噪聲，有效提高了微震波記錄質量。

圖7 礦用光纖微震傳感器深孔安裝Fig.7 Deep-hole installation of mine fiber-optical microseismic sensor

3.2 數據分析

對某段時間的微震事件進行統計分析，研究了井田邊界井下開采活動的變化趨勢。2019年10月18日至2020年2月29日微震事件的分布情況，如圖8所示。

圖8 2019年10月至2020年2月間微震事件分布Fig.8 Distribution of microseismic events from October 2019 to February 2020

經統計分析，此期間共有509個有效事件，震級分布在-2.14～0.98之間。這些事件大多位于井田邊界之外，相對集中在一個長約400 m、寬約300 m的區域。據了解，河西煤礦正在向深部開采，受開采影響，上覆巖層發生崩塌，導致微震事件頻繁發生，且分布較分散。此外，只有少量震級為-1.0或更小的事件位于井田邊界內，相對集中在一個長約100 m、寬約50 m的區域，其中某個典型事件微震波形及頻譜圖如圖9所示。

圖9 機械作業微震波形及頻譜圖Fig.9 Microseismic waveform of and spectrum mechanical operation

經頻譜分析，該信號主頻約為50 Hz，持續時間可達幾分鐘。據了解，當時此區域井下有一些機械作業，如井下鉆探、鑿巖、安裝錨桿等。由此可見，在監測期間，鄰近煤礦在其區域內開采煤炭，而在邊界內發生的機械作業與采礦無關，從而實現了對煤礦井田邊界井下開采活動的有效監測和識別。

4 結論

(1)基于懸臂梁結構和光纖光柵技術，研發了新型實用高靈敏度光纖微震傳感器，利用窄線寬分布反饋激光器波長自動跟蹤解調技術，結合基于L1范數統計的網格搜索定位算法，創建了大范圍高精度煤礦防越界開采光纖微震監測系統。

(2)充分發揮了光纖傳感技術本質安全、抗電磁干擾、靈敏度高等技術優勢，實現了對煤礦井下開采活動微震事件的實時在線監測和精確定位，特別適用于煤礦井下易燃易爆、強電磁干擾惡劣環境。

(3)系統在陜西檸條塔煤礦的示范應用表明，系統能夠準確判斷是否有越界開采情況發生，有效運行并實現了預期目標，為煤礦防越界開采監測預警提供了有力的技術支持。