提高深部开采微震事件定位精度的研究

王元杰 邓志刚 王传朋

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京市朝阳区，100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

提高深部开采微震事件定位精度的研究

王元杰1，2邓志刚1，2王传朋1，2

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京市朝阳区，100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

分析了影响微震事件定位精度的因素，认为在给定速度模型的条件下，定位精度则主要依赖于事件波形到时读数的准确性和震源与拾震器之间的几何形状。结合现场的实际工程条件，进行了拾震器的优化布置，通过对事件波形的降噪处理，提高了P波、S波初至标定的准确性，进而提高了矿山微震事件定位的精度。

微震事件 定位精度 震波初至 优化布置 降噪

微震监测技术是利用煤岩体受力变形和破坏后本身发射出的震动波来进行监测工程岩体稳定性的技术方法。

微震事件的定位是进行矿山微震活动性研究的首要任务。通过对震源的确定，可以进一步分析震动特性，确定震动集中区域，预测震动趋势，评价冲击危险。因此，微震事件定位的准确性至关重要，有必要对提高矿山微震定位精度的技术进行研究，以有效地指导矿山微震监测系统的建设。本文基于ARAMIS M／E井下微震监测系统的现场应用，结合现场实际工程条件，对拾震器的空间分布形状和事件波形到时读数的准确性等进行了综合分析，实现了对矿井微震事件定位精度的提高。

1 ARAMIS M／E井下微震监测系统

由波兰EMAG矿业电气自动化中心研制开发的ARAMIS M／E井下微震监测系统目前已经被波兰国内及世界各地的矿井广泛应用。我国于2006年开始着手引进该套设备，已在华丰煤矿和老虎台煤矿等许多矿井得到应用。

该系统通过24位σ－δ转换器提供震动信号的转换和记录，实现了信号的数字传输模式，并对震动频率在0～100Hz、能量在102～1010J之间的微震事件进行实时监测。系统主要由井下拾震器、地面中心站及地面数据处理系统3部分组成。井下拾震器对采煤工作面、掘进工作面上覆岩层、底板岩层等煤岩体内的应力状态进行连续监测，记录实时发生的微震事件的震动信号，并将信号转化为数字信号传输到地面中心站；地面中心站为井下拾震器供电并接收由拾震器传输至地面的微震信号，后由地面数据处理系统对震动波形图进行分析和计算后，确定微震事件的发生位置，计算出事件释放的能量。系统监测区域达几百平方公里，经过长时间监测后，可将矿区内全部微震事件绘制到矿井平面图上，对整个矿区的震动情况进行分析，划分危险区域，以便于提前采取解危措施，降低事故发生率。

2 事件定位精度的影响因素

矿山微震定位的准确程度依赖于微震监测台网的空间分布形状、事件波形到时读数的准确性以及适当的速度模型假设等因素。事实上，由于煤岩体介质是复杂的，非均质的，含有大量裂隙、节理和不连续面，使得微震信号即使在同一类性质的岩石中传播，其在不同方向、不同区域的传播速度都是不同的。因此在进行定位计算时，需要对速度模型进行假设，假定P波（纵波）在煤岩体介质中各个传播方向上保持速度不变，为某一定值。对于给定的速度模型条件下，随机误差则主要依赖于事件波形到时读数的准确性和震源与拾震器之间的几何形状。

2.1 拾震器的空间布置

拾震器布置是微震事件定位的基础，微震监测需要的所有信息都来自于拾震器，它决定初始误差对最终定位结果的影响程度。布设好的拾震器阵列可使初始误差的影响减至最小，相反可使初始误差达到最大，因此，拾震器的布置是微震事件定位技术的一个重要部分。

辨识震源位置和速度模型的适应值函数描述为：

式中：ΔWk——第k＋1和第k个拾震器监测到时之差；

ΔLk——第k＋1和第k个拾震器与震源的距离之差；

n——拾震器个数。

当Q等于或趋于0时，可求得最佳的速度模型和震源位置。为避免特殊情况发生，即震源到所有拾震器的距离相等（ΔLk＝0），和所有拾震器监测到时都相同（ΔWk＝0），因此在布置拾震器时应避免可能发生微震的区域到所有拾震器的距离相等。

另外，拾震器的布置还应考虑下面因素：与定位算法结合，拾震器的定位参数必须使得计算过程收敛；监测范围要在监测系统允许的范围之内；拾震器布置过程中，拾震器和信号电缆应尽可能避免其他信号的干扰，如电信号、机械震动等。

2.2 微震事件波形分析

煤岩体在外界应力作用下，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值之后，会引起微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展会伴随着两类弹性波或应力波的释放并在周围岩体内快速传播。一种是P波，它是首先到达的波。P波在传播过程中使其颗粒在波的传播方向上向前和向后运动，交替地挤压和拉张它们穿过的煤岩体，产生张拉型破坏。另一种是S波（横波），S波涉及剪切而不是挤压，因此对煤岩体产生压剪型破坏。

在微震定位计算里，P波和S波初至的标定是一项重要的工作，其标定的准确性对定位结果的计算影响重大。由于井下环境的复杂性，拾震器接受到的信号难免会受到其它信号的干扰，如电信号、机械震动等。在对微震信号进行处理时，就需要工作人员从大量的信号中选取真正的微震事件，并对其进行降噪处理，在此基础上对P波和S波的初至进行准确的标定。

3 应用实例

山东唐口煤业有限公司位于山东省济宁市西部约10km，矿井设计生产能力300万t／a，服务年限为51a。煤层埋藏深，平均井深1044m，目前矿井最深的巷道为430采区水仓泵房，垂直深度达1111m。开采的3上煤层具有强冲击倾向性，煤层顶板具有弱冲击倾向性。所以为了保证深井开采的安全，该矿于2009年9月安装运行ARAMIS M／E井下微震监测系统，以对深井地压灾害进行研究。

表1为2009年9月25日至2009年11月25日期间，系统记录到的位于各个工作面不同能量级别的微震事件次数。对这两个月的数据分析得知，多数微震事件的能量低于103J，占微震事件总数的88.6%；微震事件主要分布在2304工作面和西部带式输送机大巷两个区域，分别占微震事件总数的31.4%和19%；2306工作面为矿井的主采工作面之一，监测到微震事件较少，仅占微震事件总数的9.5%。

表1 微震系统运行前期各工作面不同能量级别微震事件次数统计

为了提高系统对微震事件监测的精度，尤其是对发生于2306工作面的微震事件，从拾震器的优化布置和地震波到时读数的准确性出发，对提高微震系统的监测精度进行了研究。

3.1 拾震器的优化布置

为了提高系统对2306工作面这个主采区域监测精度，于2009年11月26日，在原先的拾震器布置的基础上，主要做了以下工作。

（1）在2308运输巷距离切眼933m处安装1＃拾震器。

（2）原安装在西部轨道大巷并联巷的6＃拾震器，由于周边环境变形严重，需要重新选取安装地点，地点选在2306运输巷距离切眼949m处。

（3）在330轨道大巷安装10＃拾震器。调整后的拾震器布置平面图见图1。

图1 拾震器布置平面图

3.2 微震波形的处理

2306工作面的ARAMIS M／E微震监测系统采用快速傅立叶功能对记录的信号进行过滤处理，经处理可以排除电信号、机械震动等信号的干扰，其滤波方式主要有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波和尖峰滤波。要熟练地应用这些功能还需要操作人员长时间的积累经验。

图2是系统各通道记录的事件原始波形图，图3是经降噪处理后的事件波形图。可以看出，经降噪处理后，排除了其它信号的干扰，这有助于监测人员能够准确地判断P波初至和S波初至。而P波初至和S波初至的标定，是进行微震事件定位的基础，因此可以通过提高操作人员对滤波功能的操作来提高系统的定位精度。

3.3 微震事件定位精度分析

拾震器优化布置工作于2009年11月26日结束，表2为微震系统监测到的2009年11月27日至2009年12月27日期间系统记录到的位于各个工作面不同能量级别的微震事件次数。

表2 各工作面不同能量级别微震事件次数统计

图4 2304、2306工作面每天微震事件次数

通过对表2中数据分析得知，多数微震事件能量低于103J，占微震事件总数的88.9%，说明虽然矿井埋深比较大，但由于处于初期开采阶段，其采动应力的集中程度比较低，所发生的微震事件能级比较低；作为矿井重点监测区域的2304和2306工作面微震事件占多数，占微震事件总数的74.4%。图4为截取的拾震器优化布置前后一段时间，2304工作面和2306工作面每天发生的微震事件次数变化趋势。由图4可知，11月26日完成拾震器的重新布置之后，系统监测到的2304和2306工作面事件明显增多，尤其是2306工作面事件占到微震事件总数的38.3%。由此可以说明，通过提高事件波形到时读数的准确性和改善拾震器布置的几何形状，改善了系统对矿井重点监测区域的监测精度，从而有效促进了矿井安全管理工作的开展。

4 结论

山东唐口煤业有限公司现有开采区域仅占井田全面积的1／10，要想对全矿井各个位置都达到监测，就不能对现有开采区域进行精确监测，最初的拾震器布局满足了对整个井田区域的监测，而对重点监测区域的监测精度还不够理想。文章结合现场的实际工程条件，充分考虑了影响微震事件定位精度的因素，通过拾震器的优化布置和事件波形的降噪处理，提高了矿山微震事件定位的精度，为矿井安全管理工作提供了保证。

在确定的通道数和拾震器使用个数的前提下，为充分发挥监测系统的作用，就要合理地对拾震器进行空间布置与分配，以期在满足微震监测工程技术指标的条件下，使拾震器阵列的监测范围最大，充分发挥监测系统的作用。建议：随着开采区域的变动，重点监测区域位置会随之而改变，应重新考虑拾震器的布局；为测试微震监测系统在水平向和垂直向的定位误差，还需要对拾震器阵列范围内的震源定位误差进行人工震源测试。

另外，现场微震监测是一项依赖经验的工作，不同的工作人员对P波和S波的初至有不同的判断，因此现场监测需要工作人员长时间的积累经验。例如对于监测信号初至的识别、信号的降噪处理和定位算法的选择等都需要监测人员具备丰富的经验。

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Research on improving the precision of seismic event location for deep well mining

Wang Yuanjie1，2，Deng Zhigang1，2，Wang Chuanpeng1，2

（1.Mining ＆Designing Branch，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Mining＆Designing Department，Tiandi Science ＆Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

To improve the precision of seismic event location，the standard method，and the influencing factors of location precision are discussed.It believes that the location precision depends mainly on accuracy of reading the event wave＇s first arrival and geometric distribution of seismometers on condition of given velocity model.The seismometers are laid optimally based on site actual conditions，and the P－wave and S－wave travel time are calibrated accurately through the measures of noise reduction，and then the precision of seismic event location is improved.

seismic event，location precision，event wave＇s first arrival，optimal layout，noise reduction measures

TD324

A

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2010CB226806）

王元杰（1983－），男，山东泰安人，硕士研究生。2007年毕业于中国矿业大学，现就职于天地科技股份有限公司开采设计事业部，主要从事煤矿安全及冲击地压防治技术研究。

（责任编辑 张毅玲）