基于井上下微震联合监测技术的震源高度误差控制研究

王传朋

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

震源高度是煤矿微震监测的重要参数之一，在顶板破断和运移规律研究、冲击地压机理研究和监测预测、三带高度判断和冲击危险源识别等方面具有重要意义[1-4]。可靠的震源高度是进一步测定震源机制解、矩张量反演等其他地球物理参数的基础[5，6]。然而在我国鄂尔多斯和榆林地区，煤层大多数为近水平或水平状态。由于井下只能在煤层内安设检波器，这就导致所有检波器基本处于同一水平面内。这种情况下，震源求解很难给出较为准确的震源高度[7，8]。针对提高震源高度的求解精度问题，张晁军从近震走时公式入手，分析了震中距、到时残差和速度模型对震源深度定位误差的影响[9]，徐刚和杜涛涛利用增加地面监测台站的方法，优化了垂直方向上监测台站对震源的包围效果，提高了震源高度的定位精度[10，11]。蒋鑫采用三分量地震波形的极化分析方法，增加了震源高度定位的限制条件，取得了较好的效果[12]。吴顺川对深度学习在震源定位方面的应用前景进行了探索[13]。罗艳利用深度震相优化震源深度的定位精度，并给出了几个高精度测定典型地震震源深度的观测实例[14]。王杰等分析了采动影响下底板破坏深度的微震定位及规律，给出了初次定位和二次修正定位相结合的定位算法[15]。本文在前人研究基础上，深入分析了水平煤层震源高度误差产生机制和煤矿顶板波速模型的确定方法，在此基础上，研究了井上下微震联合监测技术对震源高度求解误差的改进效果。

1 水平煤层震源高度误差分析

在煤矿井田范围尺度下，通常选择比较容易辨认的P波进行微震震源定位，与其他波相比，P波波速最快，初至拾取精度高，故定位精度较高，微震P波传播如图1所示。假设煤岩体为均质、各向同性介质，即P波波速在各个传播方向上保持不变。

图1 微震P波传播

对于均匀和各向同性速度模型，自震源到第i个检波器的走时Ti为：

式中，v为P波波速；ti为震源到达第i个微震检波器的时刻；t0为微震事件的发震时刻；x0，y0，z0分别为为震源坐标；xi，yi，zi分别为第i个微震检波器的三维坐标，i=1，…，n，n为可接收到微震波形的检波器数目。

走时Ti对(t0，x0，y0，z0)的偏微分矩阵如式(2)[16]。

式中，hi为相对第i个检波器的震源高度，m；Li为第i个检波器的震中距，m；θi为相对第i个检波器的P波出射角，(°)。

不失一般性，震源高度取100 m，将z0偏微分归一化处理(故纵轴无量纲)，可得检波器震中距Li与∂Ti/∂z0的关系曲线如图2所示。由图2可知，当检波器震中距达到500 m以上时，z0偏微分已经进入稳定低值区。而煤矿现场，震中距在500 m以内的检波器相对较少，震中距越远，z0偏微分的值一般均越小且较接近。

图2 检波器震中距与∂Ti/∂z0的关系

对于水平煤层，检波器只能布置在煤层中，因此对于所有检波器，近似有h1=h2=…=hi=…=hn，故式(4)中仅有Li一个变量，但是Li取值一般较为接近，故z0偏微分在量值和符号上较为相似，而对应于发震时刻的一列均为1，导致矩阵接近奇异。这时震源高度与发震时刻两个参数不独立，导致震源高度的求解迭代过程不能收敛于正确解或存在较大误差甚至无解[16]。

2 井上下微震联合监测技术

2.1 井上下微震联合监测系统

鉴于传统井下微震监测系统在近水平煤层条件下，垂直高度定位误差无法满足监测要求的问题，引入ARP 2018地面微震监测系统，与井下ARAMIS M/E微震监测系统组成井上下微震联合监测系统，优化了顶板监测台网的立体结构，大幅提高了震源垂直高度的定位精度，实现了工作面顶板活动和断裂震源的高精度定位和有效监测，井上下微震联合监测台站布置如图3所示。

图3 井上下微震联合监测台站布置

ARAMIS M/E井下微震监测系统和ARP 2018地面微震监测系统构成了井上下微震联合监测系统。井上下微震检波器接收到的震动波形如图4所示，其中，以T命名的通道为井下检波器，因井下传感器相较于地面传感器距离震源较近，波形持续时间较短，能量密度大；以A命名的通道为地面检波器，因地面传感器较井下传感器距离震源较远，波形持续时间长，能量密度小。

图4 井上下微震检波器波形

当井下震动信号传输至地面，就会激发地面微震监测台站，地面台站接收数据并通过移动4G或5G网络传输至办公室分析主机，利用时间临近原则，将井下微震波形与地面监测台站的波形合并成一个微震事件，从而得到了所有台站的微震波形。每个地面监测台站均配置一台GPS时钟同步模块，与办公室监控主机之间实现绝对的时钟同步，保证了监测数据的时间精确同步。

2.2 煤矿顶板层状波速模型研究

微震监测系统在利用微震台站进行定位时均假设震动波从震源发出后至台站是直线传播(图5中的蓝色路径)，但震动波的实际传播路径极其复杂(图5中的红色路径)。由于微震事件多是矿井井下采掘活动所导致的，震源距离煤层相对较近(与距地面相比)，震动波由震源向井下安装的传感器传播时，传播介质相对更均匀，因此实际传播路径比较接近于直线传播路径[17]。因此一般的微震监测系统在进行震源定位时均直接使用均质体模型，即全矿井均使用一个波速。但由于震动波P波的传播是基于时间最快原则，因此微震台站与震源的距离越远其实际传播速度是越快的(在波速快的介质中传播的时间占比越大)[18，19]。因此，ARAMIS M/E微震监测系统使用了更加接近震动波实际传播时间的梯度波速场进行微震事件的定位。

图5 震动波传播

井下微震事件的震动波传输至地面微震监测台站时，震动波在较多的时间内存在穿层传播现象[20，21]，ARAMIS M/E使用的波速场已经不能满足地面台站的使用，需要针对性建立适合井上下联合监测台网的层状波速场。

选择门克庆煤矿3102工作面2020年10月1日至2020年10月3日的4个顶板爆破事件作为波速研究的基准事件，具体见表1，分别测试不同波速情况下的定位误差情况。

表1 门克庆煤矿顶板预裂爆破事件记录

不同波速条件下，4个爆破事件平面定位误差、垂直定位误差和定位残差的变化趋势如图6所示。在使用3500 m/s波速时(井下微震台网常用波速区间为3500 m/s至4200 m/s)，联合台网的垂直定位误差均大于100 m，垂直定位误差过大，表明地面台网不能直接使用井下台网的波速设置。波速在2000 m/s至2500 m/s之间时，定位残差、平面定位误差及垂直定位误差较小。平面定位误差受波速影响不大，但是垂直定位误差受影响较大。不同波速条件下4个爆破事件震源定位误差平均值如图7所示，当波速为2200 m/s时，震源定位误差最小，因此，选取2200 m/s作为地面微震监测台站的微震定位基准波速，基于此基准波速制定具体的层状波速模型。使用本波速模型进行定位，平面定位误差约为6.4 m，垂直定位误差平均约为16.5 m，效果良好。

图6 不同波速条件下爆破事件定位误差对比

图7 爆破事件震源定位误差平均值

3 现场应用

3.1 门克庆煤矿应用效果

门克庆煤矿主采煤层3-1煤，埋深700 m，主采工作面为3102工作面和3104工作面，在两个工作面上方分别布置A1和A2两台地面ARP台站，台站布置如图8所示。

图8 井上下微震台站布置

对2020年11月初的155个微震事件统计发现，ARP地面台站对不同能级的微震事件监测效能不同，微震能量越大，越容易激发ARP地面台站。由于小能量微震事件振幅较小，以高频为主，传播至地表时，其高频成分衰减严重，导致振幅低于事件判别阈值。通过分析不同能量级微震事件对地面台站的激发率可知，3次方事件的激发率高达95%，4次方事件的激发率达100%，可见门克庆煤矿地面微震监测台站对微震事件的监测效能较高，可以满足现场监测需求。

为了验证地面台站对震源垂直定位精度的优化效果，在井下进行5次定点爆破试验。在仅使用井下台站和同时使用井上下台站两种情况下进行震源定位，计算两种情况下的震源垂直定位误差，后者误差相比前者降低了61%～91%。可知地面台站的加入，大幅降低了震源的高度定位误差。

井下微震台网与井上下微震联合监测台网两种条件下的微震事件剖面投影分别如图9所示。由图9(a)中可见，井下台网单独定位时微震事件点均分布在煤层附近，微震活动无法准确地反应煤层顶板的破裂状态。由图9(b)所示，井上下微震联合监测台网的监测结果能够准确地展示微震事件的发生层位，102J以上微震事件主要分布在煤层上部60 m范围内，表明顶板破裂最大高度在60 m左右。煤层上部的40 m厚粗砂岩内无大的能量事件，表明本岩层未发生大规模破断和运动，因此本层阻隔了破裂的向上发展。同时由图中可见，回风巷上方发生2起3次方高能事件，表明回风巷上覆岩层中的应力水平显著高于其他区域，具有更高的动力灾害危险。

图9 微震事件剖面投影

3.2 大海则煤矿应用效果

大海则煤矿101工作面井下共布置8个微震监测台站，分别为T1、T2、S3、S4、T5、T6、S7和S8，地面布置1个地面ARP监测台站，为A3，分别对地面ARP台站参与监测和地面ARP台站不参与监测两种布置方案进行垂直定位误差的仿真模拟，其结果如图10所示。

图10 震源高度定位误差仿真模拟

由模拟结果可知，加入地面ARP台站之后，101工作面内部的震源高度定位误差由50 m左右降低至20 m左右，因此井上下微震联合监测方案显著降低了震源高度的定位误差。

4个爆破事件的震源高度定位误差如图11所示。可知在使用井上下微震联合监测台网定位后，4个爆破事件的震源高度定位误差平均值由11.5 m降至3.75 m，表明井上下微震联合监测技术可以有效提高震源高度的定位精度。

图11 爆破事件震源高度定位误差对比

微震事件的工作面倾向剖面投影如图12所示。井下微震监测台网单独定位时，微震事件均集中在距离煤层上下约20 m范围内，微震事件层位信息不丰富，进而影响对煤层顶板破裂及运动规律的分析；在使用井上下微震联合监测台网进行微震事件定位分析时，微震事件在垂直方向的层位分布具有明显的分层分布特征，103J微震事件主要分布在煤层上方40～71.7 m的粉砂岩内与现场观测情况吻合，进一步表明井上下微震联合监测台网对震源高度的定位位置更合理。

图12 微震事件剖面投影

4 结 论

1)对于近水平煤层，由于时间偏导数列与震源高度偏导数列存在相关关系，因此导致走时公式的偏导数矩阵A接近奇异，因此震源高度定位误差较大。

2)分析不同波速条件下爆破事件的定位精度，可得最佳基准波速，基于最佳基准波速制定适合地面监测台站的层状波速模型，可以有效提高井上下微震联合监测系统的震源定位精度。

3)通过分析门克庆煤矿和大海则煤矿井上下微震联合监测系统的数值仿真模拟、爆破事件误差对比分析、微震事件剖面分布等可知井上下微震联合监测系统的震源定位精度要明显优于单纯的井下台网监测。