礦山微震震源定位精度分析

摘要：定量研究初至拾取精度和速度模型對(duì)礦山微震震源定位精度的影響直接關(guān)系到礦山開(kāi)采質(zhì)量評(píng)估和礦山風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。由于礦山微地震監(jiān)測(cè)主要接收巖石破裂激發(fā)的P波，故往往采用基于P波到時(shí)的同型波時(shí)差法進(jìn)行震源定位，基于數(shù)值模擬方法研究了速度模型和初至拾取精度對(duì)同型波時(shí)差法礦山微震震源定位精度的影響。結(jié)果表明：反演速度模型偏離準(zhǔn)確速度模型的誤差逐漸增大時(shí)，震源定位精度表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；初至拾取精度降低時(shí)，震源定位的精度隨之降低；當(dāng)速度模型誤差和初至拾取誤差分別控制在200 m/s和10 ms以內(nèi)時(shí)，同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的誤差整體控制在20 m以內(nèi)，可以滿足礦山微震質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的要求。

關(guān)鍵詞：礦山微地震 震源定位 同型波時(shí)差法 速度模型 初至拾取精度

中圖分類號(hào)：TD326" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-8755（2024）02-0062-06

Analysis on Localization Accuracy of Mine Microseismic Source

HAN Fusheng， YIN Chen， YANG Ning， LI Mingwei， XIONG Caifu

（School of Environment and Resource， Southwest University of Science and Technology，" Mianyang" 621010， Sichuan， China）

Abstract：" The quantitative study of the impact of first-arrival picking accuracy and velocity model on the accuracy of the homologous wave time difference method for source localization in mine microseismic is directly related to the quality assessment of mine mining and risk warning. Since mine microseismic monitoring mainly receives P-wave excited by rock rupture， the homologous wave time difference method based on the arrival time of P-wave is often used for source localization. In this paper， based on numerical simulation， the influence of the velocity model and first-arrival picking accuracy on the source localization accuracy of the homologous wave time difference method in mine microseismic monitoring is investigated. The results show that the source localization accuracy shows a decreasing tendency when the inversion velocity model deviates from the accurate velocity model. The source localization accuracy decreases when the first-arrival picking accuracy decreases. When the velocity model error and the first-arrival picking error are controlled within 200 m/s and 10 ms， respectively， the overall error of the homologous wave time difference method in mine microseismic source localization is controlled within 20 m， the requirements of mine microseismic quality control and risk early warning can be met.

Keywords：" Mine microseismic; Source localization; The homologous wave time difference method; Velocity model; First-arrival picking accuracy

近年來(lái)，由于淺地表礦產(chǎn)資源日益減少，礦山開(kāi)采的深度不斷加深，與近地礦產(chǎn)開(kāi)采相比，深部開(kāi)采面臨著高初始地應(yīng)力、高穿透壓力和開(kāi)采擾動(dòng)等挑戰(zhàn)，造成了嚴(yán)重的開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害，如：巖爆、煤爆、瓦斯爆炸、突水等，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)［1-6］。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)微震事件的時(shí)空定位刻畫出礦山開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)力災(zāi)害的孕育過(guò)程，可為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)和施工提供參考，同時(shí)便于學(xué)者分析礦山動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)制［7］。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為動(dòng)力災(zāi)害智能預(yù)警體系建設(shè)的基礎(chǔ)保障技術(shù)已在礦山開(kāi)采中廣泛應(yīng)用。

同型波時(shí)差法作為一種經(jīng)典定位方法常被應(yīng)用于礦山微震震源定位中，其定位的準(zhǔn)確性和可靠度直接決定了微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山中的應(yīng)用效果。由于礦山微震震源定位通常應(yīng)用在非常復(fù)雜的環(huán)境中，同型波時(shí)差法的定位精度受臺(tái)站布置、速度模型和初至拾取精度等因素影響［8］。在礦山微震監(jiān)測(cè)過(guò)程中，臺(tái)站和震源的間距較小，往往只能識(shí)別P波，而S波大多不明顯，加之礦山開(kāi)采過(guò)程中機(jī)器震動(dòng)、人員車輛走動(dòng)等環(huán)境的影響［9］，導(dǎo)致在微地震波監(jiān)測(cè)方面臺(tái)站接收到的地震波初至起跳極不穩(wěn)定，造成明顯的初至拾取誤差。同時(shí)，由于礦山地下的巖層分布的不可預(yù)知性、地下巖石之間存在各向異性及地震波穿過(guò)巖層時(shí)波速突變等因素導(dǎo)致建立精確的速度模型十分困難，使得同型波時(shí)差法在應(yīng)用于礦山微震震源定位時(shí)會(huì)出現(xiàn)定位精度低的問(wèn)題。

為了提高礦山微震震源的定位精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。Geiger［10］提出的Geiger迭代定位法用震源位置坐標(biāo)和發(fā)震時(shí)刻建立線性方程組，對(duì)方程組使用一階泰勒展開(kāi)，最后以最小二乘法求解參數(shù)方程得到震源坐標(biāo)；林峰等［11］提出用線性定位法進(jìn)行初步定位，再以Geiger定位方法進(jìn)行迭代求解震源位置的方法；康玉梅等［12］利用最小二乘法提供初始迭代點(diǎn)，然后用Geiger算法迭代計(jì)算震源位置；董隴軍［13］提出了3種只需要臺(tái)站坐標(biāo)和時(shí)間差而無(wú)需預(yù)先測(cè)量速度的震源定位方法；李月等［14］在基于無(wú)需測(cè)速的震源定位模型中，先利用遺傳算法的全局優(yōu)化能力縮小搜索范圍，再通過(guò)擬牛頓法實(shí)現(xiàn)局部精確尋優(yōu)；龐聰?shù)龋?5］基于到時(shí)差模型和P波到時(shí)方程組建立了到時(shí)差比值法反演數(shù)學(xué)模型，提高了微震震源的定位精度；李明虎等［16］研究了基于同型波時(shí)差法的定位算法的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建和時(shí)空區(qū)域信息使用，可明顯降低震源定位誤差；趙揚(yáng)峰等［17］對(duì)長(zhǎng)短時(shí)窗能量比法（STA/LTA）進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于質(zhì)量尋優(yōu)與歸一化STA/LTA 方法的微震 P 波初至到時(shí)拾取方法，提高了初至拾取精度；賈寶鑫等［18］基于時(shí)頻分析原理和到時(shí)拾取原理，提出了一種基于時(shí)頻分析的下山比較法，利用模型試驗(yàn)與長(zhǎng)短時(shí)窗法（STA/LTA）的初至拾取精度進(jìn)行比較，結(jié)果顯示下山比較法的拾取精度更高；郭一楠等［19］基于到時(shí)震源定位模型提出了一種基于多目標(biāo)粒子群-模擬退火的礦山微震震源混合定位方法，試驗(yàn)結(jié)果表明所提算法能夠有效求解多目標(biāo)震源定位模型，且具有較高的定位精度。

上述方法采用聯(lián)合、參數(shù)優(yōu)化或者舍棄某一項(xiàng)參數(shù)等技術(shù)對(duì)同型波時(shí)差法進(jìn)行了改進(jìn)，在一定程度上提高了同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中應(yīng)用時(shí)的定位精度，但速度模型和初至拾取精度對(duì)上述各種方法都會(huì)產(chǎn)生影響。為了探究速度模型和初至拾取精度對(duì)同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的影響程度，明確速度模型和初至拾取精度可允許的誤差范圍，確保同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的精度，本文采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型定量分析速度模型和初至拾取精度對(duì)同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中定位精度的影響，為同型波時(shí)差法應(yīng)用于礦山微震震源定位時(shí)減小定位誤差、提高定位結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度提供參考，進(jìn)而減少工作人員傷亡事故的發(fā)生，保障礦山安全生產(chǎn)。

1 同型波時(shí)差法

同型波時(shí)差法是一種基于微震P波或S波初至走時(shí)趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)震源定位的方法，在S波大多不明顯的礦山微震震源定位中的適用性較好［20］，其定位原理如下：

假設(shè)S（x0，y0，z0，tn，0）代表礦山微震事件，其中：（x0，y0，z0）代表震源位置；tn，0代表起震時(shí)間，n=P 時(shí)表示收集的是礦山微震的P波信息，n=S時(shí)表示收集的是礦山微震的S波信息。Ti（xi，yi，zi，tn，i）為記錄礦山微震事件的第i個(gè)臺(tái)站，其位置為（xi，yi，zi），臺(tái)站接收到震相為n的礦山微地震波的到達(dá)時(shí)間為tn，i。微地震波在地層中傳播的等效速度為vn。

對(duì)于P波或S波，其傳播方程可表示為：

Rivn+tn，0=tn，i（1）

Ri=（x0-xi）2+（y0-yi）2+（z0-zi）2（2）

式中Ri為震源S到第i個(gè)臺(tái)站的距離。

理論上，如果反演的礦山微地震震源位置與真實(shí)的礦山微地震震源位置相重合，則基于同型波時(shí)差建立的反演公式為：

Rivn-tn，a，m=tn，r，i-tn，r，m（3）

式中：tn，a，m 為計(jì)算礦山微震N個(gè)臺(tái)站到時(shí)的平均值或第m個(gè)臺(tái)站的到時(shí)；tn，r，i 為實(shí)際拾取的第i個(gè)臺(tái)站的到時(shí)；tn，r，m 是實(shí)際拾取的礦山微地震N個(gè)臺(tái)站到時(shí)的平均值或第m個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的到時(shí)。

根據(jù)式（3）建立方程組，利用非線性反演方法求解該方程組，即可獲得震源空間坐標(biāo)［21］。

2 數(shù)值模擬

對(duì)實(shí)際地質(zhì)工程模型設(shè)定震源坐標(biāo)，基于震源坐標(biāo)、地質(zhì)速度模型，利用射線追蹤算法計(jì)算每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)接收到的地震波，通過(guò)對(duì)地震波進(jìn)行初至拾取，利用微地震震源反演算法對(duì)震源進(jìn)行重定位，由于真實(shí)震源位置已知，故可定量分析速度模型及初至拾取精度對(duì)微地震震源定位精度的影響。本文設(shè)計(jì)了12組理論震源和臺(tái)站的布設(shè)方案，它們的位置信息如表1所示，具體布設(shè)方式如圖1所示，模擬過(guò)程中設(shè)定4 000 m/s為準(zhǔn)確速度模型的速度值。該方案以理論震源位置模擬礦山真實(shí)的微震震源位置，當(dāng)理論震源起震后，經(jīng)不同反演速度模型和不同的初至拾取精度處理后的地震波信息，根據(jù)同型波時(shí)差法的定位原理求解出反演的震源坐標(biāo)。比較反演震源與理論震源的位置誤差來(lái)反應(yīng)速度模型和初至拾取精度對(duì)同型波時(shí)差法礦山微震震源定位精度的影響。

3 速度模型的影響

速度模型5%的誤差就會(huì)引起震源定位誤差，在一定程度上速度模型直接決定了震源的定位精度［8］。為了測(cè)試速度模型對(duì)同型波時(shí)差法礦山微震震源定位精度的影響，對(duì)速度值為3 400，3 800，4 000，4 200，4 500 m/s的基于同型波時(shí)差法的反演速度模型進(jìn)行了礦山微震震源定位的數(shù)值模擬。圖2 為同型波時(shí)差法在速度模型不同波速下的震源定位誤差曲線圖。

由圖2可知，反演速度模型的速度值從3 400 m/s增至4 000 m/s時(shí)，震源定位的整體誤差從40 m左右逐漸減小至6 m左右；速度值從4 000 m/s增至4 500 m/s時(shí)，震源定位的整體誤差從6 m逐漸增大至50 m左右；當(dāng)反演速度模型速度值為4 000 m/s和準(zhǔn)確速度模型速度值相同時(shí)，除第7組、第8組、第9組震源定位誤差在20 m左右外，其余9組震源定位誤差均控制在6 m左右，定位結(jié)果較為準(zhǔn)確。通過(guò)模擬結(jié)果我們可以得知，反演速度模型偏離準(zhǔn)確速度模型的誤差逐漸增大時(shí)，震源定位精度表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，當(dāng)速度模型誤差在200 m/s以內(nèi)時(shí)，模擬過(guò)程中震源定位的誤差整體控制在20 m以內(nèi)。由于實(shí)際礦山工程中微震事件一般會(huì)比較集中地呈現(xiàn)出破裂特征，該誤差在可接受的范圍內(nèi)，可以滿足礦山微震質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的要求。

需要注意的是，在許多礦山工程中，微震監(jiān)測(cè)區(qū)域的巖體組成并非固定不變，在地質(zhì)構(gòu)造和人工開(kāi)挖等作用下，區(qū)域巖體呈層狀或塊狀速度分區(qū)特征，同時(shí)還存在一定體積的空洞區(qū)域，這就使得地震波的傳播速度在不同介質(zhì)中會(huì)發(fā)生改變，建立準(zhǔn)確速度模型的難度大大增加。同型波時(shí)差法在類似區(qū)域巖體中進(jìn)行震源定位時(shí)應(yīng)盡可能地利用已知資料，根據(jù)已知條件，選擇網(wǎng)格速度模型、層狀速度模型、等效速度模型等合適的速度模型來(lái)實(shí)現(xiàn)礦山微震震源高精度定位。

4 初至拾取精度的影響

微震震源定位精度與初至拾取精度有著緊密聯(lián)系。由于礦山微震信號(hào)輻射的能量弱，礦山地下空間的噪聲大，微震信號(hào)的信噪比低，加上處理人員經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，導(dǎo)致到時(shí)初至拾取的精度大大降低（如圖3所示，圖中綠色橫線表示P波初至拾?。榱搜芯砍踔潦叭【葘?duì)同型波時(shí)差法礦山微震震源定位精度的影響，基于準(zhǔn)確速度模型和在臺(tái)站坐標(biāo)和理論震源坐標(biāo)與表1所示相同的情況下對(duì)初至拾取誤差分別為10，20和40 ms的震源定位精度進(jìn)行測(cè)試。本文用初至拾取誤差來(lái)表示初至拾取精度，初至拾取誤差越大，則拾取精度越低。圖4為本試驗(yàn)的模擬波形，為保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將地震波傳播時(shí)受到的干擾進(jìn)行壓制，綠色橫線表示P波的到時(shí)初至拾取。圖5為同型波時(shí)差法在不同初至拾取誤差下的震源定位誤差曲線圖。

由圖5可以看出，當(dāng)初至拾取誤差為10 ms時(shí)，震源定位的整體誤差在20 m左右；當(dāng)初至拾取誤差為20 ms時(shí)，震源定位的整體誤差上升至50 m左右；當(dāng)初至拾取誤差為40 ms時(shí)，震源定位的整體誤差增加至100 m左右，第3組的定位誤差甚至達(dá)到400 m以上，定位數(shù)據(jù)已完全失去可信度。由此可以看出初至拾取精度對(duì)礦山微震震源定位精度具有較大影響，當(dāng)初至拾取誤差增大時(shí)，震源的整體定位誤差隨之增大，同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的精度會(huì)隨之降低。

通常情況下，在礦山微震監(jiān)測(cè)過(guò)程中，大部分臺(tái)站的初至拾取誤差可以控制在10 ms以內(nèi)，整體定位誤差可以控制在20 m以內(nèi)。由于初至拾取是微震數(shù)據(jù)處理中基礎(chǔ)而又重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)微震監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的精度與可靠性，因此在進(jìn)行礦山微震震源定位時(shí)需掌控好初至拾取的精度，以免其對(duì)整個(gè)微震定位過(guò)程造成不可控的影響。

5 結(jié)論

（1）由于礦山內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，微震監(jiān)測(cè)區(qū)域的地震波傳播速度并非固定不變，當(dāng)速度模型偏離監(jiān)測(cè)區(qū)域準(zhǔn)確速度模型的誤差較大時(shí)，對(duì)同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的精度具有較大影響，在進(jìn)行微震定位時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況選擇網(wǎng)格速度模型、層狀速度模型、等效速度模型等合適的速度模型來(lái)實(shí)現(xiàn)礦山微震震源高精度定位。

（2）當(dāng)初至拾取精度降低時(shí)，同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的精度會(huì)大幅降低。

（3）當(dāng)速度模型誤差和初至拾取誤差分別控制在200 m/s和10 ms以內(nèi)時(shí)， 同型波時(shí)差法在礦山微震震源定位中的誤差整體控制在20 m以內(nèi)。由于在實(shí)際礦山工程中微震事件一般會(huì)比較集中地呈現(xiàn)出破裂特征，該誤差在可接受范圍內(nèi)，可以滿足礦山微震質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的要求。

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了速度模型和初至拾取精度對(duì)基于同型波時(shí)差法的礦山微震震源定位精度的影響，然而，大多數(shù)情況下地下巖體的真實(shí)情況未知，基于同型波時(shí)差法的礦山微震震源定位法應(yīng)用于實(shí)際礦山震源定位中時(shí)需注意控制速度模型誤差和初至拾取誤差兩者之間的關(guān)系，并結(jié)合已知資料實(shí)現(xiàn)礦山微震震源高精度定位。

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基金項(xiàng)目：地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（SKLGP2022K009）

作者簡(jiǎn)介：第一作者，韓福盛（1997— ），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒄鸺夹g(shù)的研究與應(yīng)用，E-mail： hfs2021325@163.com； 通信作者，尹陳（1982— ），女，博士，副教授，研究方向?yàn)榭绯叨鹊卣鹁C合分析技術(shù)，E-mail： 54yingchen@163.com