基于TRIZ理论的矿井水害微震监测精度研究

卢 钢

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；2.河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000）

1 概 况

煤矿突水造成人员伤亡、经济损失，破坏矿区水资源。常规水位、水量、应力等接触式监测范围小，一孔之见，无法实现突水的提前预警。突水监测预警是防治水工作的一大难题。虽然矿井突水是突发事件，但导水通道的形成是一个渐变过程，通过微震技术捕捉导水通道前端破裂信号，从而对突水进行监测预警，具有可行性。河北煤炭科学研究院将微震技术应用于矿井突水监测预警，研发形成KJ1073矿井水害微震系统，形成了完整的技术体系。为进一步提高矿井水害微震处理解释精度，需要不断进行创新，而创新方法（TRIZ理论）是自主创新的根源，通过总结大量的创新成果，发现创新过程中普遍性的要素和规律，形成一套发明问题解决理论。借鉴该方法，可为创造性的解决问题提供启发和新思路，实现发明的实用化。本文通过TRIZ理论方法，对提高矿井水害微震监测处理解释精度进行分析，研究创造性的解决方案并最终形成成果，有效提高水害监测科学性。

2 问题分析

矿井水害微震监测工作一般模式是在井下布置检波器及分站，形成观测系统，采集到震动信号后以光信号形式传输到地面服务器，通过自动处理及人工质控，定位微震事件，经过反演及人工解释，形成监测报告。整个流程的任何一环，都与处理解释精度相关联。提高矿井水害微震处理解释精度，需要构建功能模型，进行系统分析。

构建的矿井水害微震监测系统功能模型如图1所示。

图1 功能模型Fig.1 Functional model

图1所示功能模型描述了系统元件之间的相互关系。通过分析可以得出导致微震处理解释精度低的功能因素，归纳如下：①观测系统精度（检波器）影响微震监测效果；②监测环境存在大量采掘震动干扰；③系统背景噪音大，影响有效波形拾取；④定位计算结果不唯一；⑤单一校正炮波速模型影响定位精度；⑥常规监测难以探测隐伏裂隙；⑦处理结果中海量微震事件混沌分布；⑧有效波形拾取不精确。

基于功能分析得出的8个问题，应用因果链分析法确定产生问题的原因，如图2所示。

图2 因果链分析Fig.2 Causal chain analysis

识别并确认问题产生过程中存在的冲突区域。基于问题1，得到冲突区域1：监测阵列中监测单元性能提升与系统成本的技术冲突。基于问题5，得到冲突区域2：校正炮数量不足与工程量及施工条件有限的技术冲突。基于问题7，得到冲突区域3：微震反演过程中，为分析导水通道路径，需微震数量大；为捕捉通道扩展位置，需微震数量小，即需要事件数量既多又少的物理冲突。

分析该问题的技术系统内外部资源，针对每种资源形成初步的解决方案，如图3所示。

图3 资源分析Fig.3 Resource analysis

基于8个目标问题及3个冲突区域，依据TRIZ理论分别进行求解，得出提高矿井水害微震处理解释精度的解决方案：提高微震事件定位精度、提高隐伏裂隙探测识别精度、处理结果反演分析、监测网络优化。

3 提高矿井水害微震处理解释精度

3.1 事件定位精度

3.1.1 监测阵列研究

为了使系统能监测到更多的有效波形，需要采用滤波性能更好的检波器，但同时会导致检波器的成本升高。将该技术冲突带入“Altshuler”矛盾矩阵，得到发明原理——局部质量。据此形成解决思路，即提高局部检波器性能，优化观测系统。

经现场试验，观测系统线性布置时，P波到时偏差小不易定位，算法原因导致处理结果出现镜像效应；非线性布置时才会还原团簇事件，定位准确性得到提高（图4）。

图4 阵列布置效果对比Fig.4 The comparison of array arrangement effects

具体解决方案是使高性能检波器处于不同的平面，调整间距，对监测区域形成非线性、环绕全包围布置。

3.1.2 地层速度模型

为了使系统设定的岩层波速模型更贴合实际，需要从地面到煤层各个岩层多放校正炮，但同时会导致工程量提升及实施难度变大。将该技术冲突带入“Altshuler”矛盾矩阵，得到发明原理——多用性。据此形成解决思路，即结合三维地震数据及钻孔资料，建立分层速度模型。

具体解决方案是在保证工程布置后，针对导水通道形成过程中微震事件跨越多个岩层、高分散特点，综合钻孔、校正炮、三维地震数据，以煤层顶底板大范围内多个岩层为目标体，建立空间立体分层速度模型，实现速度模型精细化，确保微震事件定位准确（图5）。提高煤层远端空间大范围、多层、各向异性介质中导水通道形成过程中微震事件定位精度。

图5 速度建模Fig.5 Velocity modeling

3.2 隐伏裂隙成像

在提高定位精度之后，天然条件下地下水流场处于动平衡状态，隐伏裂隙难以扩张闭合，很少微震事件发生。

为了实现隐伏裂隙微震成像，查找效应知识库，基于“生物效应”，受蝙蝠“回声定位”探测原理启发，据此形成问题解决思路——主动扰动技术。

具体解决方案是针对目标流场主动放水、注液，打破天然应力平衡，加剧对导水通道的冲扩，变“被动等震”为“主动诱震”探测，实现隐伏裂隙微震成像，提高裂隙处理解释精度，如图6所示。

图6 主动扰动示意Fig.6 The active disturbance diagram

在华北型煤田邢东矿现场试验过程中，从主动注浆开始，奥陶系灰岩新发育大量微震事件，分布范围指示了隐伏裂隙的位置，有效指导了后期区域治理工作，如图7所示。

图7 隐伏裂隙主动扰动效果Fig.7 The active disturbance effect of concealed fracture

3.3 处理结果反演

在解决了隐伏裂隙探测问题之后，还存在处理结果中海量微震事件混沌分布的情况，很难进行有效分析。

为了分析导水通道扩展路径，需要微震事件数量大，但又为了捕捉导水通道发育确切位置，需要微震事件数量小，即微震事件数量既要大又要小。针对该物理冲突，考虑微震事件数量在不同的系统层次上具有不同的特性，选用“整体与部分分离”原理，形成问题解决思路，即将整体混沌微震事件从时间、空间角度分离，反演确定各个时空阶段导水通道扩展确切位置，描述发育过程，做出预警。

具体解决方案是将本来处于混沌状态的全部微震事件分层、分时段提取、分析，追踪其时空演变规律，实现导水通道形成过程和位置的准确描述，对其未来发展趋势做出预测预报。

如图8所示，在华北型煤田井陉三矿实际监测过程中，针对混沌分布的微震事件（图8a），进行时空分离反演分析（图8b），描述放水期、注浆初期、注浆中期、注浆末期、注浆结束期等5个阶段浆液精确范围，据此识别垂向导水通道1处，探查得到注浆结束期奥陶系灰岩顶面涌水突破口。

图8 浆液扩散路径及范围微震反演Fig.8 The inversion of slurry diffusion path and range by microseismic monitoring

3.4 集束化监测网络

针对有效波形拾取不精确问题，根据因果链分析，在矿井水害微震监测系统一矿一系统工作模式下，矿方地测人员对微震数据的人工质控不够专业，浪费系统设备性能，同时也会导致矿井水害事件处理解释精度低。

通过对现有技术系统的进化过程进行分析，选择技术进化定律“向复杂系统进化”。依据现有技术系统的进化发展过程，选择技术进化路线“单系统-多系统”（图9）。按照选定的技术进化路线，判断现有技术系统在进化路线上的位置。据此形成问题解决思路，即进行工作模式创新，建设数据中心，形成预警网络。

图9 进化路线Fig.9 Evolution route

具体解决方案是改变原有“一矿一系统”模式，建立数据中心，通过物联网与各矿井下监测分站相连，实时传输微震信号，数据中心进行数据集中处理，解释，如图10所示。一方面提高了资源复用率，建成多地监测，实时传输；另一方面也提高了数据处理解释专业化水平。在此基础上建设大数据平台，运用互联网+、大数据等技术，将传统产业与现代技术接轨，加快传统行业的信息化进程。

图10 矿井水害微震监测网络拓扑图Fig.10 Mine water admage microseismic monitoring network topology diagram

4 解的评价

通过以上5种解决方案综合运用，可以有效提高了微震事件定位精度；提高了隐伏裂隙探测识别精度；实现处理结果科学反演分析；形成了矿井水害微震专业化技术服务新模式；实现矿井水害微震处理解释科学化、规范化。

最终解决方案在华北型煤田九龙矿进行实际应用，连续半个月时间内，工作面下巷拐弯处，巷道底板浅部连续出现微震事件。经与矿方结合，为水仓施工放炮引起。做到了微震处理解释精细化，其精度达到8 m，如图11所示。

图11 解的评价Fig.11 The appraisal of solution

5 结 论

（1）本文针对矿井水害微震处理解释精度提高的问题，构建功能模型，发现目标问题，进行因果链分析，找到冲突区域，统计可用资源。共得到8个目标问题及3个冲突区域，在解决此发明问题过程中，TRIZ理论提供了多条思维路径。

（2）结合“Altshuler”矛盾矩阵、生物效应、进化定律等方法，形成创造性的解决方案并付诸实施。结果表明，矿井水害微震处理解释精度得到有效提高。TRIZ理论对于该领域创新问题的解决具有指导作用。