近水平厚煤层微震垂向定位优化及实践

曲效成，徐 旭,2，辛崇伟，靳国栋，王颜亮,2，魏全德,2

(1.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；2.北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司，北京 102299)

0 引 言

冲击地压是围岩迅速释放能量而产生煤岩体突然破坏的动力现象，是矿井的动力灾害之一[1-4]。微震监测技术是通过监测煤岩体材料裂纹产生和扩展过程，并对破裂事件的空间位置进行定位，来研究煤岩材料损伤破坏演化过程的有效工具,是一种有效的冲击地压监测手段[5-8]。微震监测系统的应用效果主要通过微震事件的定位精度进行衡量[9-10]。微震震源定位精度的影响因素较多，微震台网布设是其中的关键[11]。而微震台网布设的合理性主要取决于台站数目、最大空隙角、近台震中距和台站高差4个因素[12]。国内外学者针对微震台网布设优化问题在理论上进行了深入研究，取得了丰硕的研究成果：KIJKO[13-14]和MENDECKI[15]分别提出了基于D值和C值最优设计理论的微震台网布设优化方法；唐礼忠等[16]通过震源定位和系统灵敏度比较的方法，对冬瓜山铜矿微震台网布设进行了优化；巩思园等[17]应用微震定位和D值优化设计理论，进行了微震定位误差的数值仿真试验，形成了台网布设优化及评价系统；陈法兵[12]利用千秋煤矿微震监测数据，研究了微震定位子台网的4个关键参数对定位精度的影响；贾宝新等[18]研究了台站几何分布对微震监测精度的影响，表明优化台站空间分布可以大幅减小定位误差。煤矿开采中，受限于煤矿工作面的布置方式，微震传感器只能安装在工作面巷道内。由于近水平煤层中工作面巷道间高差较小，在进行微震系统台网布设时，微震传感器均位于同一水平面上。近水平煤层微震传感器间较小的垂向高差，致使微震传感器在接收部分微震事件波形时不能产生有效到时差，进而影响了微震系统垂向定位精度。为此，笔者在前人理论研究成果的基础上，设计了安装深孔检波器提高近水平煤层微震系统垂向定位精度的优化方案，并通过现场实践进行了验证。

1 微震定位理论

微震是煤岩体等材料在外力或内力作用下产生变形或断裂，并以弹性波形式向外界释放应变能的现象[5,8]。

微震监测原理：通过在煤矿工作面安装微震传感器来接收微震波形信息，并利用分析处理后的波形信息来反算微震事件的分布特征(时间、坐标、能量)[19-20]。利用微震传感器接收到的P波到时和特定波速模型进行微震事件的定位[21]。

设震源位置坐标为(x0，y0，z0)，第i个微震传感器微震坐标为(xi，yi，zi)，第i个微震震源定位方程为

(1)

t=ti-t0

(2)

式中：t为P波传播时间；t0为震源发生时间；ti为第i个微震传感器的P波到时；vP为岩体中P波波速。

通过安装4台以上微震传感器来接收微震波形信息，进而求解震源坐标参数(t0、x0、y0、z0)，实现微震事件的定位。

2 D值最优设计理论仿真模拟

2.1 D值最优设计理论

P波由震源至微震传感器的走时，通过Ti(H,vP,Xi)表示，其中震源笛卡儿坐标H=(x0,y0,z0)，第i个微震台站的笛卡儿坐标Xi=(xi,yi,zi)，考虑随机误差ξi的P波传播时间ti可表示为

ti=Ti(H,vP,Xi)+t0+ξi

(3)

随机误差满足正态分布ξi∽N(0,σ2I)，其中，I为单位矩阵；σ为随机误差的方差。则求解震源参数协方差矩阵为

C(x)=k(ATA)-1

(4)

(5)

式中：k为常数。

2.2 D值优化数值仿真

KIJKO[14]利用C(X)的特征值计算椭球体体积，则有

minV=λx0(H)λy0(H)λz0(H)λt0(H)

(6)

式中:V为置信椭球的体积；λx0(H)、λy0(H)、λz0(H)、λt0(H)为C(X)特征值。

根据式(6)，选择台网方案(表1)进行垂向定位误差的数值仿真，计算参数如下：

重复次数100P波波速/(m·s-1)4000波速方差/(m·s-1)50读入时间方差/s0.005震源Z方向标高/m+796

表1 台网布置方案Table 1 Microseismic network used

通过改变4号台站Z坐标，计算得到4号台站Z坐标提高前后微震系统垂向定位误差的分布。

图1为未提高4号台站Z坐标时的微震系统垂向误差分布云图，图中4号台站附近的垂向误差范围为70～100 m；图2为将4号台站Z坐标提高20 m后微震系统垂向误差分布云图，图中4号台站附近的垂向误差范围为50～90 m，同时5号台站附近的垂向误差也有所减小。由图1、图2可以看出，通过提高4号台站Z坐标，可以有效提高该台站附近区域内的垂向定位精度。

图1 Z坐标不变垂向误差分布Fig.1 Z coordinate invariant vertical error distribution

图2 Z坐标升高20 m垂向误差分布Fig.2 Z coordinate raises 20 m vertical error distribution

3 现场实践方案

3.1 工作面概况

某矿30202综采工作面位于矿井302盘区东翼，工作面东邻30201工作面采空区(留存宽25 m区段煤柱)；西邻30203工作面(未开采)；南邻井田边界保护煤柱；北邻工业广场保护煤柱线。

30202工作面走向长3 718.5 m，倾向长268 m。工作面主采3-1煤层，煤层平均厚度5.68 m，为厚煤层，开采范围内煤厚变化较小。30202工作面开采范围内煤层倾角1°～3°，平均倾角2°，为近水平煤层。30202工作面上方地表标高为+1 280 m，煤层等高线起伏较小，工作面平均采深640 m。

3.2 试验方案

为研究工作面覆岩运动规律，30202工作面安装了KJ551高精度矿山微震监测系统，对微震事件进行实时监测。

30202工作面两巷道分别布置了3组微震传感器，固定在工作面巷道顶板锚杆上，对工作面实现了环状包围，不同工作面巷道内两传感器水平间隔150 m，微震传感器呈“V”型或交错型布置，并随工作面推进不断移组。

受制于30202工作面采掘条件(近水平厚煤层)、微震传感器布置方式(传感器分布在同一水平面)等因素，煤矿微震系统在垂直方向的定位误差较大。为提高微震系统垂向定位精度，分别在工作面两巷道增设1组深孔检波器，安装参数见表2。

表2 深孔检波器安装参数Table 2 Deep hole geophones installation parameter list

2组检波器于2019年4月19日和23日安装完成，钻孔孔径78 mm，角度60°～65°。深孔检波器安装位置如图3所示。

图3 深孔检波器具体安装位置Fig.3 Deep hole geophones installation location

4 试验数据分析

4.1 微震数据统计对比

为验证安装深孔检波器在提高微震系统垂向定位精度方面的作用。选取深孔检波器安装前后各5 d(期间微震系统运行正常)的监测数据进行统计，来研究检波器安装前后，各层位微震事件占比的变化，统计结果见表3。

表3 深孔检波器安装前后微震监测数据统计Table 3 Microseismic monitoring data statistics table before and after installation of deep hole geophones

根据统计结果，深孔检波器安装后顶板微震事件频次占比增加了11.58个百分点，顶板微震能量占比增加了12.73个百分点；深孔检波器安装后煤层事件频次占比增加了10.24个百分点，煤层微震能量占比增加了6.64个百分点。结果表明，深孔检波器安装后，提高了煤层和顶板事件频次和微震能量的接收比例，说明深孔检波器提高了微震系统部分事件垂向定位高度。

4.2 定位效果分析

为进一步研究深孔检波器在事件定位上的作用，对特定事件进行定位效果的分析。选取9个深孔检波器参与定位的顶板事件进行分析，事件选取原则：4号深孔检波器参与事件定位，能量较大(100 J及以上)，波形质量较好，统计结果见表4。

表4 4号检波器是否参与事件定位对比统计Table 4 Event location comparison statistics with deep hole geophones paticipate or not

通过对顶板事件定位结果的分析，可以看出：4号深孔检波器不参与顶板事件定位时，顶板事件平均垂向标高为+672.50 m，平均微震能量为3 218.67 J；4号深孔检波器参与顶板事件定位时，顶板事件平均垂向标高为+709.10 m，平均微震能量为4 566.55 J。

4号深孔检波器在参与顶板事件定位时，顶板事件垂向定位高度提高，平均提高36.61 m，最大提高92.64 m；微震能量也存在增加的情况，平均增加1 903.44 J，最大增加9 457.39 J。

结果表明，深孔检波器在参与顶板事件定位时，提高了微震系统接收顶板事件的垂向定位高度，以及微震能量。

4.3 波形对比分析

在2号传感器和4号深孔检波器附近100 m范围内发生的事件中，选取5个事件进行波形对比分析(选取2号传感器与4号深孔检波器接收到的同一事件的波形进行对比)，结果见表5。

表5 事件波形信息统计Table 5 Event waveform information statistics table

2号传感器和4号深孔检波器接收同一事件波形信息的对比表明：事件发生在顶板上时，2号传感器与4号深孔检波器的波形到时差为正值；当事件发生在底板下时，2号传感器与4号深孔检波器的波形到时差为负值；深孔检波器与微震顶板传感器接收到的波形存在正确的到时差。并且2号传感器与4号深孔检波器接收到的波形峰值频率基本相同，证明接收的波形来自同一震源。

5 结 论

1)基于D值最优设计理论进行了微震系统垂向定位误差分布的数值仿真模拟，模拟结果表明：提高台站Z坐标理论上可以有效减小附近区域内的垂向定位精度。设计了试验方案，并在矿井进行了现场实践。

2)深孔检波器安装后，煤层事件频次和微震能量的接收占比分别提高了10.42个百分点和6.64个百分点，顶板事件频次和微震能量的接收占比分别提高了11.58个百分点和12.73个百分点；深孔检波器参与顶板事件定位时，垂向定位高度平均提高了36.61 m，微震能量平均增加1 903.44 J；对接收波形进行分析，深孔检波器与顶板微震传感器接收到的波形存在有效到时差。因此，安装深孔检波器可以提高微震系统顶板事件的垂向定位精度。

3)由于深孔检波器受到顶板水的影响较大，并且深孔检波器与顶板检波器垂向高差较小，试验方案仍需进一步优化。