文/李學(xué)軍 宋治紅

陳家溝煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)建立及定位校準

文/李學(xué)軍 宋治紅

微震監(jiān)測系統(tǒng)作為一種區(qū)域性監(jiān)測方法，其原理是利用拾震儀站接收的直達P波起始點的時間差，在特定的波速場條件下進行二維或三維定位，以判定破壞點，并根據(jù)所監(jiān)測的微震信號特征來確定巖體破裂的發(fā)生時間、空間位置及強度等，根據(jù)微震活動的變化、震源方位和活動趨勢可以評價礦壓危險性。在微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝初始，一般需要在系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)通過人為放炮制造震動，通過已知的震源坐標、放炮時間和系統(tǒng)監(jiān)測到的震源信息來確定震動在煤巖體中的傳播速率，校正監(jiān)測系統(tǒng)定位的準確性。甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦通過在某采區(qū)安裝KJ699微震監(jiān)測系統(tǒng)，利用多次放炮來監(jiān)測定位，對自然震動與炮震波形進行對比，對該系統(tǒng)定位進行校準分析。本文對上述微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及定位校準事宜進行詳盡闡述。

一、煤巖地質(zhì)概況

陳家溝煤礦所采煤層直接頂為泥巖、煤巖互層，老頂為砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，老底為中粒粗砂巖。礦井地質(zhì)構(gòu)造、水文情況簡單，正常涌水量不超過80m3/h。礦井絕對瓦斯涌出量2.523m3/min，相對涌出量0.744m3/t。煤塵具有爆炸危險，爆炸指數(shù)43.64%以上。煤層自然發(fā)火期3至6個月，自燃等級Ⅰ級。礦井現(xiàn)進行采掘活動的工作面煤層埋深543.1m至560m。根據(jù)綜合分析判定，煤層覆巖中有三層關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層1為細粒砂巖，距離煤層頂板7.4m；亞關(guān)鍵層2為砂質(zhì)泥巖，離煤層頂板高度110.3m；主關(guān)鍵層粉砂巖，高度為196m。隨著開采范圍的增大，關(guān)鍵層斷裂形成臨時穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。大面積覆巖在重力作用下整體移動，組合關(guān)鍵層呈似懸臂結(jié)構(gòu)斷裂，釋放能量。關(guān)鍵層未斷裂或未失穩(wěn)之前，主關(guān)鍵層之下形成較大的離層空間，關(guān)鍵層失穩(wěn)后，在上覆松散層加載作用下，產(chǎn)生巨大的動載能量，可能誘發(fā)地應(yīng)力發(fā)生礦壓災(zāi)害。

表1 炮點實驗定位誤差對比

二、微震監(jiān)測系統(tǒng)建立

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由地面和井下設(shè)備兩部分組成，地面設(shè)備有數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、終端分析計算機等，井下部分主要由微震監(jiān)測分站、GZC4.5A礦用拾震器組成（圖1）。微震系統(tǒng)包含采集、分析兩個軟件。礦井某采區(qū)工作面走向長度約2400m，正在掘進的工作面與相鄰工作面采空區(qū)之間留有寬度6m的小煤柱，以拾震器對所要監(jiān)測區(qū)域形成交錯包絡(luò)為最佳布局設(shè)計，相鄰2臺拾震器間隔200m~300m，均勻分布（圖2），對掘進工作面形成半包圍監(jiān)測，初期共安裝12臺傳感器。

三、定位校準

1.波速給定

通過一期放炮實驗，系統(tǒng)計算給定陳家溝煤礦特定煤巖地質(zhì)條件下的波速值為4159m/s，以此作為后面的定位波速值。

2.定位計算

在兩條掘進巷道共布置了12個炮點，系統(tǒng)接收到可以定位的共有10個炮震事件，其中1號炮震通過6~7、11~13號傳感器接收到的震動信號有效波形數(shù)據(jù)如圖3。

震源實際位置與系統(tǒng)定位誤差（ΔX，ΔY，ΔZ）如表1所示。

3.效果分析

大部分炮點定位結(jié)果跟實際位置誤差小于50m，1個炮點在垂直方向Z軸誤差超過50m，誤差136.8m。對這個炮點分析，炮點所在位置距掘進頭最近的傳感器距離在500m，遠遠超出預(yù)期布局網(wǎng)絡(luò)。對于不能定位的2個炮點，通過查看波形分析得知，傳感器接收到震動波形數(shù)量可以滿足定位要求，但由于遠離布局網(wǎng)絡(luò)，距離最近的傳感器分別是500m和400m，使得定位偏差偏大。

從定位計算的結(jié)果看，由于各個監(jiān)測實驗炮點與傳感器的位置關(guān)系、裝藥放炮質(zhì)量、定位時選擇的通道及其數(shù)量、分析人員操作差異等原因，導(dǎo)致定位計算結(jié)果存在差異。傳感器分布在炮點（震源）周圍時，定位結(jié)果較為理想，且距離越接近越準確，并可由系統(tǒng)一次定位成功，誤差較小（0~30m之間）；在炮眼深度、裝藥量相同的條件下，系統(tǒng)接收到的波形和定位計算的能量有差異，經(jīng)分析認為與裝藥、放炮的質(zhì)量有關(guān)，同時震動能量有衰減損失；在已知炮點坐標的情況下，根據(jù)反復(fù)定位的結(jié)果，選擇炮點周邊的傳感器通道數(shù)據(jù)進行定位計算，得出的誤差較小。同時，不同人員進行定位操作得出的結(jié)果不一樣，且同一人移動卡尺標識波形起跳點進行定位時，結(jié)果也有差別。今后在定位計算中，需要不斷摸索練習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗，減小定位誤差。

4.波形特征分析

炮震與自然礦震波形特征存在差別（圖4）。炮震屬于高頻震動，衰減快，波形短；自然礦震屬低頻震動，波形長，衰減較慢，傳播的距離相應(yīng)也長。

5.臺網(wǎng)布局完善

根據(jù)上述定位分析結(jié)果，增加1臺傳感器，調(diào)整了個別傳感器安設(shè)位置，第三次安排6個炮點進行驗證。結(jié)果表明，位于布局網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的震源定位精準度得到了提高。

四、結(jié)語

1．人為放炮制造震動事件可以對微震監(jiān)測臺網(wǎng)布局和定位計算進行優(yōu)化和校準。

2．合理進行微震監(jiān)測布局設(shè)計，接收到的理想波形數(shù)據(jù)在5條以上，可以提高震動事件的定位準確性。

3．通過震動波形特征分析可區(qū)分自然事件與炮震。

（作者單位：甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦）

（責(zé)任編輯：龐永厚）