基于TRIZ理論的礦井水害微震監測精度研究

盧 鋼

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

1 概 況

煤礦突水造成人員傷亡、經濟損失，破壞礦區水資源。常規水位、水量、應力等接觸式監測范圍小，一孔之見，無法實現突水的提前預警。突水監測預警是防治水工作的一大難題。雖然礦井突水是突發事件，但導水通道的形成是一個漸變過程，通過微震技術捕捉導水通道前端破裂信號，從而對突水進行監測預警，具有可行性。河北煤炭科學研究院將微震技術應用于礦井突水監測預警，研發形成KJ1073礦井水害微震系統，形成了完整的技術體系。為進一步提高礦井水害微震處理解釋精度，需要不斷進行創新，而創新方法（TRIZ理論）是自主創新的根源，通過總結大量的創新成果，發現創新過程中普遍性的要素和規律，形成一套發明問題解決理論。借鑒該方法，可為創造性的解決問題提供啟發和新思路，實現發明的實用化。本文通過TRIZ理論方法，對提高礦井水害微震監測處理解釋精度進行分析，研究創造性的解決方案并最終形成成果，有效提高水害監測科學性。

2 問題分析

礦井水害微震監測工作一般模式是在井下布置檢波器及分站，形成觀測系統，采集到震動信號后以光信號形式傳輸到地面服務器，通過自動處理及人工質控，定位微震事件，經過反演及人工解釋，形成監測報告。整個流程的任何一環，都與處理解釋精度相關聯。提高礦井水害微震處理解釋精度，需要構建功能模型，進行系統分析。

構建的礦井水害微震監測系統功能模型如圖1所示。

圖1 功能模型Fig.1 Functional model

圖1所示功能模型描述了系統元件之間的相互關系。通過分析可以得出導致微震處理解釋精度低的功能因素，歸納如下：①觀測系統精度（檢波器）影響微震監測效果；②監測環境存在大量采掘震動干擾；③系統背景噪音大，影響有效波形拾取；④定位計算結果不唯一；⑤單一校正炮波速模型影響定位精度；⑥常規監測難以探測隱伏裂隙；⑦處理結果中海量微震事件混沌分布；⑧有效波形拾取不精確。

基于功能分析得出的8個問題，應用因果鏈分析法確定產生問題的原因，如圖2所示。

圖2 因果鏈分析Fig.2 Causal chain analysis

識別并確認問題產生過程中存在的沖突區域。基于問題1，得到沖突區域1：監測陣列中監測單元性能提升與系統成本的技術沖突。基于問題5，得到沖突區域2：校正炮數量不足與工程量及施工條件有限的技術沖突。基于問題7，得到沖突區域3：微震反演過程中，為分析導水通道路徑，需微震數量大；為捕捉通道擴展位置，需微震數量小，即需要事件數量既多又少的物理沖突。

分析該問題的技術系統內外部資源，針對每種資源形成初步的解決方案，如圖3所示。

圖3 資源分析Fig.3 Resource analysis

基于8個目標問題及3個沖突區域，依據TRIZ理論分別進行求解，得出提高礦井水害微震處理解釋精度的解決方案：提高微震事件定位精度、提高隱伏裂隙探測識別精度、處理結果反演分析、監測網絡優化。

3 提高礦井水害微震處理解釋精度

3.1 事件定位精度

3.1.1 監測陣列研究

為了使系統能監測到更多的有效波形，需要采用濾波性能更好的檢波器，但同時會導致檢波器的成本升高。將該技術沖突帶入“Altshuler”矛盾矩陣，得到發明原理——局部質量。據此形成解決思路，即提高局部檢波器性能，優化觀測系統。

經現場試驗，觀測系統線性布置時，P波到時偏差小不易定位，算法原因導致處理結果出現鏡像效應；非線性布置時才會還原團簇事件，定位準確性得到提高（圖4）。

圖4 陣列布置效果對比Fig.4 The comparison of array arrangement effects

具體解決方案是使高性能檢波器處于不同的平面，調整間距，對監測區域形成非線性、環繞全包圍布置。

3.1.2 地層速度模型

為了使系統設定的巖層波速模型更貼合實際，需要從地面到煤層各個巖層多放校正炮，但同時會導致工程量提升及實施難度變大。將該技術沖突帶入“Altshuler”矛盾矩陣，得到發明原理——多用性。據此形成解決思路，即結合三維地震數據及鉆孔資料，建立分層速度模型。

具體解決方案是在保證工程布置后，針對導水通道形成過程中微震事件跨越多個巖層、高分散特點，綜合鉆孔、校正炮、三維地震數據，以煤層頂底板大范圍內多個巖層為目標體，建立空間立體分層速度模型，實現速度模型精細化，確保微震事件定位準確（圖5）。提高煤層遠端空間大范圍、多層、各向異性介質中導水通道形成過程中微震事件定位精度。

圖5 速度建模Fig.5 Velocity modeling

3.2 隱伏裂隙成像

在提高定位精度之后，天然條件下地下水流場處于動平衡狀態，隱伏裂隙難以擴張閉合，很少微震事件發生。

為了實現隱伏裂隙微震成像，查找效應知識庫，基于“生物效應”，受蝙蝠“回聲定位”探測原理啟發，據此形成問題解決思路——主動擾動技術。

具體解決方案是針對目標流場主動放水、注液，打破天然應力平衡，加劇對導水通道的沖擴，變“被動等震”為“主動誘震”探測，實現隱伏裂隙微震成像，提高裂隙處理解釋精度，如圖6所示。

圖6 主動擾動示意Fig.6 The active disturbance diagram

在華北型煤田邢東礦現場試驗過程中，從主動注漿開始，奧陶系灰巖新發育大量微震事件，分布范圍指示了隱伏裂隙的位置，有效指導了后期區域治理工作，如圖7所示。

圖7 隱伏裂隙主動擾動效果Fig.7 The active disturbance effect of concealed fracture

3.3 處理結果反演

在解決了隱伏裂隙探測問題之后，還存在處理結果中海量微震事件混沌分布的情況，很難進行有效分析。

為了分析導水通道擴展路徑，需要微震事件數量大，但又為了捕捉導水通道發育確切位置，需要微震事件數量小，即微震事件數量既要大又要小。針對該物理沖突，考慮微震事件數量在不同的系統層次上具有不同的特性，選用“整體與部分分離”原理，形成問題解決思路，即將整體混沌微震事件從時間、空間角度分離，反演確定各個時空階段導水通道擴展確切位置，描述發育過程，做出預警。

具體解決方案是將本來處于混沌狀態的全部微震事件分層、分時段提取、分析，追蹤其時空演變規律，實現導水通道形成過程和位置的準確描述，對其未來發展趨勢做出預測預報。

如圖8所示，在華北型煤田井陘三礦實際監測過程中，針對混沌分布的微震事件（圖8a），進行時空分離反演分析（圖8b），描述放水期、注漿初期、注漿中期、注漿末期、注漿結束期等5個階段漿液精確范圍，據此識別垂向導水通道1處，探查得到注漿結束期奧陶系灰巖頂面涌水突破口。

圖8 漿液擴散路徑及范圍微震反演Fig.8 The inversion of slurry diffusion path and range by microseismic monitoring

3.4 集束化監測網絡

針對有效波形拾取不精確問題，根據因果鏈分析，在礦井水害微震監測系統一礦一系統工作模式下，礦方地測人員對微震數據的人工質控不夠專業，浪費系統設備性能，同時也會導致礦井水害事件處理解釋精度低。

通過對現有技術系統的進化過程進行分析，選擇技術進化定律“向復雜系統進化”。依據現有技術系統的進化發展過程，選擇技術進化路線“單系統-多系統”（圖9）。按照選定的技術進化路線，判斷現有技術系統在進化路線上的位置。據此形成問題解決思路，即進行工作模式創新，建設數據中心，形成預警網絡。

圖9 進化路線Fig.9 Evolution route

具體解決方案是改變原有“一礦一系統”模式，建立數據中心，通過物聯網與各礦井下監測分站相連，實時傳輸微震信號，數據中心進行數據集中處理，解釋，如圖10所示。一方面提高了資源復用率，建成多地監測，實時傳輸；另一方面也提高了數據處理解釋專業化水平。在此基礎上建設大數據平臺，運用互聯網+、大數據等技術，將傳統產業與現代技術接軌，加快傳統行業的信息化進程。

圖10 礦井水害微震監測網絡拓撲圖Fig.10 Mine water admage microseismic monitoring network topology diagram

4 解的評價

通過以上5種解決方案綜合運用，可以有效提高了微震事件定位精度；提高了隱伏裂隙探測識別精度；實現處理結果科學反演分析；形成了礦井水害微震專業化技術服務新模式；實現礦井水害微震處理解釋科學化、規范化。

最終解決方案在華北型煤田九龍礦進行實際應用，連續半個月時間內，工作面下巷拐彎處，巷道底板淺部連續出現微震事件。經與礦方結合，為水倉施工放炮引起。做到了微震處理解釋精細化，其精度達到8 m，如圖11所示。

圖11 解的評價Fig.11 The appraisal of solution

5 結 論

（1）本文針對礦井水害微震處理解釋精度提高的問題，構建功能模型，發現目標問題，進行因果鏈分析，找到沖突區域，統計可用資源。共得到8個目標問題及3個沖突區域，在解決此發明問題過程中，TRIZ理論提供了多條思維路徑。

（2）結合“Altshuler”矛盾矩陣、生物效應、進化定律等方法，形成創造性的解決方案并付諸實施。結果表明，礦井水害微震處理解釋精度得到有效提高。TRIZ理論對于該領域創新問題的解決具有指導作用。