矿山微震定位计算与应用研究

2013-11-05吴建星

武汉科技大学学报 2013年4期

吴建星，刘佳

（武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉，430081）

在采矿工程实践中，由于大量人为采掘，以致造成岩土体变形、地面沉降、井巷塌陷以及泥石流等地质现象而引发微震。微震不仅破坏采矿工程设备和矿区资源环境，危及人类生命和财产安全，而且还严重地影响采矿生产。微震以震动波的形式突然释放，其量度为1～3级。这一类地震人们无法感觉，仅靠仪器测出。在矿山微震实时监测和震源定位研究方面，邴绍丹等［1］采用小波分析滤波过的信号来确定矿震震源位置，发现其系统的监测结果与实际矿震相吻合；赵龙［2］采用模拟微震试验方法采集矿震波信号，得到微震理论位置、发生时间及其系统定位、定时的误差；朱超等［3］研发了一套用于矿山微震实时监测系统，并介绍了该系统的功能和用途。为了预防和控制矿山微震事件的发生，本文在文献［3］的基础上研制一套矿山微震多通道监测定位系统，并根据牛顿迭代目标定位原理，应用该系统对矿山微震定位进行研究，以期为预报和控制矿山地质灾害的发生提供依据。

1 监测系统的描述

根据某铁矿的实际地质情况，本文研制的矿山微震监测定位系统由传感器、转换器、数据传输系统、数据处理中心等部分组成，如图1所示。该系统能实现实时在线监测，可作出三维图形，且成本低廉。

1.1 硬件组成

图1 监测系统结构图Fig.1 Monitoring system diagram

微震监测系统硬件由防爆计算机、数据采集卡、采集卡电源、前置放大器、传感器、光纤收发机和光缆等部分所组成。微震传感器共设置了16个采集通道，所采集的微震信号由前置放大器进行前置放大，再通过电缆传输到数据采集卡，经过光缆后传至防爆计算机对微震信号进行处理分析，从而实现对矿山微震的监测和定位。

1.2 软件组成

本研究微震监测定位系统采用LabVIEW软件，该软件由NI有限公司开发。它使用的是图形化编辑语言G编写程序，其程序为框图形式。在微震监测定位过程中，由于LabVIEW软件可充分发挥计算机强大的数据处理功能而进行数据采集、数据分析、数据显示以及数据存储等。LabVIEW软件程序框图使编程更加直观，处理数据更加便捷，并在一个硬件的情况下，通过改变其软件可实现不同仪器仪表的功能，而且Lab－VIEW的扩展性使它能够实现与其他软件如Matlab的联合使用。

1.3 定位原理［4］

如果在矿区某一区域发生微震现象，则只象征着有潜在的岩体破坏危险，并存在着较大的随机性和复杂性。设微震源的空间坐标为x、y、z，微震事件的起始时间为t，P波在岩体中传播的平均速度为c，则第i个传感器与微震源之间的非线性到时方程为

式中：xi、yi、zi分别为第i个传感器的空间坐标；ti为微震源到第i个传感器的到时，ms；n为接受信号的传感器个数；x、y、z、t分别为所要求的微震源时空参数。

取i个传感器中的4个，与微震源组成的方程组为

图2为微震定位示意图。将已知传感器坐标和到时信息代入式（2）进行迭代计算，计算结果为微震源的一次定位坐标。经过多次定位计算后取其平均值，就可得到更为精准的微震源坐标。

图2 微震定位示意图Fig.2 Microseismic positioning schematic diagram

2 实例应用

某铁矿矿体赋存条件复杂，矿岩受构造与蚀变的影响，其岩性差异较大。矿区内有许多岩种具有强烈的水理特性，如矽卡岩、角页岩、泥质角岩以及粉矿，当矿岩经过水的作用后，会发生崩解、膨胀、软化等变化，使其稳定性大大降低。为此，应用一套多通道微震监测定位系统，通过合理布置传感器以及对所采集的信号波形进行震源定位计算，就可达到精准定位微震源的目的。

2.1 传感器布置

为了充分发挥监测系统的作用，必须合理地对传感器进行空间布置和分配，以满足在微震监测工程技术指标的条件下，使传感器阵列监测范围扩大，以充分发挥监测系统的作用。本研究所用传感器为PS－60B型传感器，其监测灵敏度达到85%以上，符合实际要求。按照震源定位误差不大于10m的指标要求，建立被测区域的物理模型，利用被测区域内声传波速度的相关信息，对16个传感器阵列内的监测范围进行模拟分析，并在模拟过程中不断调整传感器的位置，使监测范围内的微震定位精度满足技术要求。图3为微震传感器布置图。根据地质结构特点，采用分布法来布置传感器，使采集到的数据精度更高。

图3 微震传感器布置图Fig.3 Microseismic sensor layout drawing

在矿区内，将采集系统放入水平－340m的值班室，24h连续不断实时在线采集微震数据，并将其数据分时段存储（隔4h存储1次），以方便数据的传递与阅读。16个不同位置的传感器将微震信号采集后，传递到采集卡转换为数字信号，再通过光纤转换器转换为光纤信号，使信号传递时所受干扰和衰减均较小，以方便远程传输。采集系统接收信号时，利用光线转换器将光纤信号还原成数字信号，就能被工控机识别，并通过相关软件显示出来。

2.2 震源定位计算

通过传感器的合理布置，现场能采集到大量的实时在线微震信号，应用相关软件对这些微震信号进行识别分析。表1为每个传感器的坐标和到时信息等参数，图4为计算震源位置的程序框图。

表1 传感器坐标和到时参数Table1 Sensor coordinate and arrival time

在监测范围内的不同位置布置了16个传感器，若选择每4个组成一个方程组计算震源位置，则有255种不同的组合方法。根据到时的长短，先把到时较短的组合在一起进行定位计算，再把到时较长的组合在一起进行定位计算。对全部定位结果取其空间几何中心值，计算所有定位结果到中心点的距离。计算出其平均距离后，再计算各个距离到平均距离的方差。取均方差或取均方差的一个倍数，舍去方差大于这个系数的定位结果。通过取舍，留有10组较精准的定位结果如表2所示。把所有计算结果相加除10得到平均值大小，就是经计算得到的震源位置。实践应用表明，震源位置产生的误差小于8.8m，所得的定位结果较为精确。