吳建星,劉 佳
(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢,430081)
在采礦工程實踐中,由于大量人為采掘,以致造成巖土體變形、地面沉降、井巷塌陷以及泥石流等地質(zhì)現(xiàn)象而引發(fā)微震。微震不僅破壞采礦工程設(shè)備和礦區(qū)資源環(huán)境,危及人類生命和財產(chǎn)安全,而且還嚴(yán)重地影響采礦生產(chǎn)。微震以震動波的形式突然釋放,其量度為1~3級。這一類地震人們無法感覺,僅靠儀器測出。在礦山微震實時監(jiān)測和震源定位研究方面,邴紹丹等[1]采用小波分析濾波過的信號來確定礦震震源位置,發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與實際礦震相吻合;趙龍[2]采用模擬微震試驗方法采集礦震波信號,得到微震理論位置、發(fā)生時間及其系統(tǒng)定位、定時的誤差;朱超等[3]研發(fā)了一套用于礦山微震實時監(jiān)測系統(tǒng),并介紹了該系統(tǒng)的功能和用途。為了預(yù)防和控制礦山微震事件的發(fā)生,本文在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上研制一套礦山微震多通道監(jiān)測定位系統(tǒng),并根據(jù)牛頓迭代目標(biāo)定位原理,應(yīng)用該系統(tǒng)對礦山微震定位進(jìn)行研究,以期為預(yù)報和控制礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。
根據(jù)某鐵礦的實際地質(zhì)情況,本文研制的礦山微震監(jiān)測定位系統(tǒng)由傳感器、轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心等部分組成,如圖1所示。該系統(tǒng)能實現(xiàn)實時在線監(jiān)測,可作出三維圖形,且成本低廉。
圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Monitoring system diagram
微震監(jiān)測系統(tǒng)硬件由防爆計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、采集卡電源、前置放大器、傳感器、光纖收發(fā)機(jī)和光纜等部分所組成。微震傳感器共設(shè)置了16個采集通道,所采集的微震信號由前置放大器進(jìn)行前置放大,再通過電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡,經(jīng)過光纜后傳至防爆計算機(jī)對微震信號進(jìn)行處理分析,從而實現(xiàn)對礦山微震的監(jiān)測和定位。
本研究微震監(jiān)測定位系統(tǒng)采用LabVIEW軟件,該軟件由NI有限公司開發(fā)。它使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,其程序為框圖形式。在微震監(jiān)測定位過程中,由于LabVIEW軟件可充分發(fā)揮計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲等。LabVIEW軟件程序框圖使編程更加直觀,處理數(shù)據(jù)更加便捷,并在一個硬件的情況下,通過改變其軟件可實現(xiàn)不同儀器儀表的功能,而且Lab-VIEW的擴(kuò)展性使它能夠?qū)崿F(xiàn)與其他軟件如Matlab的聯(lián)合使用。
如果在礦區(qū)某一區(qū)域發(fā)生微震現(xiàn)象,則只象征著有潛在的巖體破壞危險,并存在著較大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。設(shè)微震源的空間坐標(biāo)為x、y、z,微震事件的起始時間為t,P波在巖體中傳播的平均速度為c,則第i個傳感器與微震源之間的非線性到時方程為
式中:xi、yi、zi分別為第i個傳感器的空間坐標(biāo);ti為微震源到第i個傳感器的到時,ms;n為接受信號的傳感器個數(shù);x、y、z、t分別為所要求的微震源時空參數(shù)。
取i個傳感器中的4個,與微震源組成的方程組為
圖2為微震定位示意圖。將已知傳感器坐標(biāo)和到時信息代入式(2)進(jìn)行迭代計算,計算結(jié)果為微震源的一次定位坐標(biāo)。經(jīng)過多次定位計算后取其平均值,就可得到更為精準(zhǔn)的微震源坐標(biāo)。
圖2 微震定位示意圖Fig.2 Microseismic positioning schematic diagram
某鐵礦礦體賦存條件復(fù)雜,礦巖受構(gòu)造與蝕變的影響,其巖性差異較大。礦區(qū)內(nèi)有許多巖種具有強(qiáng)烈的水理特性,如矽卡巖、角頁巖、泥質(zhì)角巖以及粉礦,當(dāng)?shù)V巖經(jīng)過水的作用后,會發(fā)生崩解、膨脹、軟化等變化,使其穩(wěn)定性大大降低。為此,應(yīng)用一套多通道微震監(jiān)測定位系統(tǒng),通過合理布置傳感器以及對所采集的信號波形進(jìn)行震源定位計算,就可達(dá)到精準(zhǔn)定位微震源的目的。
為了充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用,必須合理地對傳感器進(jìn)行空間布置和分配,以滿足在微震監(jiān)測工程技術(shù)指標(biāo)的條件下,使傳感器陣列監(jiān)測范圍擴(kuò)大,以充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的作用。本研究所用傳感器為PS-60B型傳感器,其監(jiān)測靈敏度達(dá)到85%以上,符合實際要求。按照震源定位誤差不大于10m的指標(biāo)要求,建立被測區(qū)域的物理模型,利用被測區(qū)域內(nèi)聲傳波速度的相關(guān)信息,對16個傳感器陣列內(nèi)的監(jiān)測范圍進(jìn)行模擬分析,并在模擬過程中不斷調(diào)整傳感器的位置,使監(jiān)測范圍內(nèi)的微震定位精度滿足技術(shù)要求。圖3為微震傳感器布置圖。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點,采用分布法來布置傳感器,使采集到的數(shù)據(jù)精度更高。
圖3 微震傳感器布置圖Fig.3 Microseismic sensor layout drawing
在礦區(qū)內(nèi),將采集系統(tǒng)放入水平-340m的值班室,24h連續(xù)不斷實時在線采集微震數(shù)據(jù),并將其數(shù)據(jù)分時段存儲(隔4h存儲1次),以方便數(shù)據(jù)的傳遞與閱讀。16個不同位置的傳感器將微震信號采集后,傳遞到采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再通過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光纖信號,使信號傳遞時所受干擾和衰減均較小,以方便遠(yuǎn)程傳輸。采集系統(tǒng)接收信號時,利用光線轉(zhuǎn)換器將光纖信號還原成數(shù)字信號,就能被工控機(jī)識別,并通過相關(guān)軟件顯示出來。
通過傳感器的合理布置,現(xiàn)場能采集到大量的實時在線微震信號,應(yīng)用相關(guān)軟件對這些微震信號進(jìn)行識別分析。表1為每個傳感器的坐標(biāo)和到時信息等參數(shù),圖4為計算震源位置的程序框圖。
表1 傳感器坐標(biāo)和到時參數(shù)Table1 Sensor coordinate and arrival time
在監(jiān)測范圍內(nèi)的不同位置布置了16個傳感器,若選擇每4個組成一個方程組計算震源位置,則有255種不同的組合方法。根據(jù)到時的長短,先把到時較短的組合在一起進(jìn)行定位計算,再把到時較長的組合在一起進(jìn)行定位計算。對全部定位結(jié)果取其空間幾何中心值,計算所有定位結(jié)果到中心點的距離。計算出其平均距離后,再計算各個距離到平均距離的方差。取均方差或取均方差的一個倍數(shù),舍去方差大于這個系數(shù)的定位結(jié)果。通過取舍,留有10組較精準(zhǔn)的定位結(jié)果如表2所示。把所有計算結(jié)果相加除10得到平均值大小,就是經(jīng)計算得到的震源位置。實踐應(yīng)用表明,震源位置產(chǎn)生的誤差小于8.8m,所得的定位結(jié)果較為精確。
圖4 震源定位程序框圖Fig.4 Positioning block diagram
表2 定位誤差和震源位置Table2 The positioning error and source location
由表2可看出,通過計算得到震源位置x為5044、y為7670、z為-342m,與實際震源位置x為5048、y為7663、z為-340m相比,其計算結(jié)果x、y、z的誤差分別為-4、7、-2m。
由于巖石密度不同,微震波在不同方位的傳播速度也不同,再加上傳感器不靈敏,導(dǎo)致計算精度誤差約為10m,但這個誤差在微震監(jiān)測系統(tǒng)所允許的范圍內(nèi),表明本監(jiān)測系統(tǒng)仍具有較高的實時監(jiān)測能力和定位精度。
(1)引入牛頓迭代法對礦山微震源進(jìn)行定位計算,在迭代過程中只要迭代幾次就可得到精確的解。
(2)對16個傳感器進(jìn)行選擇性組合,按照到時的長短,將到時較短的組合在一起,到時較長的另組合在一起。通過進(jìn)一步計算、取舍和結(jié)合得到震源位置,其產(chǎn)生的誤差在微震監(jiān)測系統(tǒng)所允許范圍內(nèi)。
(3)本研究研制一套實時在線監(jiān)測定位系統(tǒng),以爆破地點為微震源,監(jiān)測微震傳播過程,并采集、分析微震信號,確定了精準(zhǔn)的微震源位置,為避免礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生尋求到一條有效途徑。
[1]邴紹丹,潘一山.礦山微震定位方法及應(yīng)用研究[J].煤礦開采,2007,12(5):1-4.
[2]趙龍.煤礦微震監(jiān)測定位系統(tǒng)誤差分析[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2010,8(5):33-34.
[3]朱超 吳建星,趙智,等.基于LabVIEW的微震實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(10):47-48.
[4]吳治濤,駱循,李仕雄.聯(lián)合小波變換與偏振分析自動拾取微地震P波到時[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(1):131-136.