提高煤矿微震定位精度的最优通道组合定点试验研究∗

冯美华蓝 航

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

提高煤矿微震定位精度的最优通道组合定点试验研究∗

冯美华1，2蓝 航1，2

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

针对高能微震事件被更多或所有通道监测到时定位过程中该如何选择通道组合的问题，确定了基于平均源检距、通道离散程度及通道数目的通道组合优化的3个控制指标及试验方法。通过现场定点试验可知，参与定位的通道与震源的距离均值越大定位误差越大，通道相对震源离散程度越大定位精度越低，7个以上通道参与定位时定位效果最佳，增加定位通道个数可以提高震源的定位精度并能一定程度上保证定位结果的稳定。提高震源定位精度，应在优化井下现场通道布置基础上，选择小源检距、低离散度和适当增加定位通道数的通道组合方式。

微震监测 定位精度 最优通道组合 台网布设 定点试验

冲击地压灾害一直困扰着煤矿的安全生产，尤其是近些年随着煤矿采深和开采规模逐年增加致使其愈发严重。随着国内外电子、通讯设备及计算机等技术的发展，微震监测已成为煤矿冲击地压或矿震监测预警的重要手段。冲击地压发生前后往往发生着大量富含大破裂时空前兆信息的微震事件，对这些微震事件的准确定位，成为冲击地压监测预警技术中重要的基础内容。由微震定位原理可知，影响煤矿微震定位精度主要有微震台网空间布置、波形信号初至拾取、合理波速模型假设3大因素。

微震台网的空间布置是影响矿井微震数据有效性和可靠性的主要因素，国内外学者对于微震台网布设优化做了相关研究，如Kijko提出了基于D值最优设计理论的微震台网设计方案，该理论利用震源参数协方差矩阵来优化拾震器台网位置，可以评价微震监测台网的优劣；巩思园等基于D值优化设计理论，建立基于数值仿真实验方法的震中与震源误差期望值模型和最优通道个数选取原则，形成了微震台网布置优化及评价系统。

然而在现场应用时经常发现，矿区台网设计总会存在一些客观条件的限制，诸如怎样进入所选区域、数据传输、动力补给等，台网的最终设计结果往往不是理论上的最优值。而对于较大的微震事件，通常能被多数的拾震器监测到，分析人员定位过程中怎样选择通道组合方式以提高定位精度没有一定准则可循，可查询的研究文献基本没有。因此，本文将基于现场试验的方式，基于Aramis M/E微震监测系统研究微震定位过程中通道组合方式与震源定位误差的关系，从而二次优化微震台网布设以弥补前期井下台网布设的一些缺陷，最终达到指导现场提高定位精度的目的。

1　微震定位原理

微震监测技术就是记录一定频率范围的弹性波信号，确定已经发生的微震事件参数，包括事件的发生时间、震源三维坐标位置以及释放的能量等。震源定位方法主要分两类，一类为基于三分量检波器的震源定位方法，该方法同时使用P、S波到时，对台网外部微震事件定位具有优势，但在煤矿监测范围较小、井下地质条件复杂的情况下难以达到使用要求；另一类是基于到时不同理论的震源定位方法，基于该理论发展起来的定位方法种类多，应用最广泛，例如USBM震源定位方法、经典的Geiger法、双重残差法等。

微震监测系统定位原理为利用微震拾震器通道接收到的P波初至时间差，在给定的波速模型下计算出震源三维坐标。一般情况下假定监测空间各向同性，即P波速度为单一模型。微震源的时空参数可用微震源的空间坐标（x，y，z）和发震起始时间t表示，则微震源与第i个拾震器通道之间的走时方程为:

式中:（xi、yi、zi）——第i个拾震器通道的三维坐标；

t——发震起始时间；

ti——到达第i个拾震器通道的观测到时；

v——P波在监测空间传播速度；

m——接收到信号的拾震器通道个数。

只要满足4个及以上拾震器通道数据有效就可以算得所要求的微震源时空参数（x，y，z，t）。目前Aramis M/E微震系统在全国范围内有近40个矿井在使用，均采用16通道以上的布置方式。

2　通道组合优化的控制指标及方法

对于一个给定的矿区，当前和未来一段时间内高微震活动区域是可以初步划分的，理论上当井下微震拾震器以一定的布局方式环绕这些区域时就能使震源参数的误差最小。然而实际上，矿区拾震器通道布置设计总会存在一些客观条件的限制而使得台网的最终设计结果往往不是理论上最优。在微震监测系统中，满足4个及以上拾震器通道接受到有效微震信号就可以对微震事件进行定位，所以对于16通道的微震系统来说，就可以有多种组合方式来实现微震事件定位。比如人工定位过程中是选择通道多还是通道少、选择远距离通道还是近距离通道、选择距离相当通道还是距离较分散通道定位更精确？需要分析这些组合方式下定位误差规律，优选出最佳通道组合以改善前期井下拾震器布设的一些缺陷，使台网布设得到二次优化。二次优化通道组合需要关注的3个指标为拾震器与震源相对距离（简称源检距）大小、离散程度及参与定位的拾震器个数，前两者分别用源检距平均值¯L、源检距标准差值α表示，各种通道组合下定位误差为爆破试验点实际位置与软件定位结果的偏差距离。表达式如下:

式中:¯L——拾震器与震源距离平均值，m；

α——拾震器与震源距离标准差值，m；

Δd——三维定位误差，m；

n——参与定位通道数，个；

Li——拾震器与震源距离，m；

（x，y，z）——软件定位结果，m；

（x0，y0，z0）——实际震源坐标，m。

确定最优通道组合流程步骤为第一步计算微震震源到各拾震器通道距离，并按距离从小到大排序，如1、2、…15、16；第二步从4个拾震器通道参与定位开始，相同通道数目条件下按源检距从小到大的组合对微震进行定位，并记录定位误差；第三步从4个拾震器通道参与定位开始，计算各通道组合源检距平均值及标准差，并统计其各自与对应误差的关系，分析震源与拾震器相对距离的大小、离散程度与定位误差的趋势关系，确定各不同通道数目下最佳位置组合方式；第四步依据第三步得出的最佳位置组合，统计从小到大不同数目通道组合下的定位精度，确定最优定位通道个数。

3　现场定点试验研究

千秋矿Aramis M/E微震监测系统可以正常使用的拾震器15个，分布在井田范围3个作业区内，均布置在井下，如图1所示。

图1　试验点和拾震器位置示意图

为了进一步提高监测系统对危险区域内微震事件的监测能力，根据前文理论，对拾震器通道布置情况进行二次优化，优选出最佳通道组合方式。针对矿井冲击危险分布情况，选择21141工作面作为定点爆破试验场地，在运输巷道两帮设计4个震源点，编号为1#、2#、3#和4#，试验点坐标见表1。

表1　试验点坐标

现场定点试验施工时，一炮一放，记录深孔装药段中点位置及爆破精确时间。定位人员分析微震数据时，采用均一速度模型，拾取初至后按拾震器通道组合优化步骤，对每个试验点从4个通道参与定位开始，由近到远分析不同通道组合下三维定位误差。图2为1#试验点在不同通道组合下源检距平均值及离散程度与定位误差（每相同通道数内抽选出4组）。

从图2可知，选择不同源检距组合定位，其误差范围为16.43～64.41 m，定位精度较高。从4个拾震器参与定位开始，相同数目通道组合定位的定位误差有随平均源检距增加而增加的趋势，同时也随源检距标准差增加而变大。说明参与定位的拾震器与震源的距离均值越大定位误差越大，参与定位的拾震器与震源相对位置离散定位精度越低。并且，随参与定位通道数增加定位误差减少，随参与定位通道数增加不同源检距组合定位误差变化稳定。

4个试验点不同数目拾震器通道下定位误差曲线见图3，可以看出4个试验点中1#、3#点三维定位误差均随通道数目的增加而降低，通道个数增加后对定位精度的提高比较明显，增加到8个时贡献最大，随着远处拾震器通道P波速度波动加剧开始出现误差增加的现象，但是增加幅度并不明显。另外两个试验点中2#点在4～6个通道时定位误差达到10 m以下，继续增加通道个数定位误差开始增加到20 m，并趋于稳定。4#在4到7个通道时误差有所波动，但增加到8个时误差最小。结果表明，当震源激发拾震器通道个数足够多时，由于包络震源的机会增加，从而抵消一部分人工手动初至拾取或者速度模型不准确造成的误差，适当增加定位拾震器通道个数可以提高震源的定位精度并能一定程度上保证定位结果的稳定，但不是选择通道个数越多定位就越准。另外，当震源激发拾震器通道个数足够多时，由近及远的选择通道会提高定位精度。

图2　1#试验点不同拾震器通道组合定位误差曲线

图3　不同数目拾震器通道下定位误差曲线

4　结论

（1）基于微震台网优化布置理论基础，确定了拾震器通道组合优化有关平均源检距、通道离散程度及通道数目3个控制指标及试验方法。

（2）通过现场定点试验可知，参与定位的拾震器与震源的距离均值越大定位误差越大，拾震器相对震源离散程度越大定位精度越低。

（3）适当增加定位拾震器个数可以提高震源的定位精度并能一定程度上保证定位结果的稳定，但不是选择拾震器个数越多定位就越准。另外，当震源激发拾震器个数足够多时，由近及远的选择拾震器，会提高定位精度。

［1］ 杨志国，于润沧，郭然等.基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究 ［J］.岩土力学与工程学报，2009（2）

［2］ 黄庆国，高润平.特厚煤层综放面高精度微震监测技术的应用［J］.中国煤炭，2008（8）

［3］ 李庶林，尹贤刚，郑文达等.凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2005（12）

［4］ 巩思园，窦林名，曹安业等.矿山微震监测台优化布设研究［J］.地球物理学报，2010（2）

［5］ 夏永学，潘俊锋，王元杰等.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究 ［J］.煤炭学报，2011（2）

［6］ 齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术 ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008

［7］ 王元杰，邓志刚，王传朋.提高深部开采微震事件定位精度的研究［J］.中国煤炭，2011（12）

（责任编辑 张毅玲）

Experimental study on optimal channel group for improving mine microseismic positioning precision

Feng Meihua1，2，Lan Hang1，2
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Coal Mining&Designing Branch，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China）

In order to solve the problem that how to select channel group when high-energy microseismic events were monitored by more or all channels，the experiment method based on three indicators，namely average source-geophone distance，dispersion degree of channels and channel number was determined.The field fixed-place experiment indicated that the larger the average distance between channel involved in positioning and source was，the larger the positioning error would be，and the larger the dispersion degree of channels relative to source was，the lower the positioning precision would be.The positioning effect was best with more than 7 channels involved，increasing the number of positioning channels could improve positioning precision of source and guarantee the stability of positioning result to some extent.In order to improve positioning precision of source，the channel group mode of small source-geophone distance，low dispersion degree and properly more positioning channels should be selected based on optimizing the layout of mine field geophones.

microseismic monitoring，positioning precision，optimal channel group，station network layout，fixed-place experiment

TD324

A

∗国家自然科学基金面上基金（515741149）

冯美华（1984- ），男，湖北阳新人，助理研究员，主要从事冲击地压监测预警和矿井物探相关工作。