馮美華藍(lán) 航

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

提高煤礦微震定位精度的最優(yōu)通道組合定點(diǎn)試驗(yàn)研究?

馮美華1，2藍(lán) 航1，2

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

針對高能微震事件被更多或所有通道監(jiān)測到時定位過程中該如何選擇通道組合的問題，確定了基于平均源檢距、通道離散程度及通道數(shù)目的通道組合優(yōu)化的3個控制指標(biāo)及試驗(yàn)方法。通過現(xiàn)場定點(diǎn)試驗(yàn)可知，參與定位的通道與震源的距離均值越大定位誤差越大，通道相對震源離散程度越大定位精度越低，7個以上通道參與定位時定位效果最佳，增加定位通道個數(shù)可以提高震源的定位精度并能一定程度上保證定位結(jié)果的穩(wěn)定。提高震源定位精度，應(yīng)在優(yōu)化井下現(xiàn)場通道布置基礎(chǔ)上，選擇小源檢距、低離散度和適當(dāng)增加定位通道數(shù)的通道組合方式。

微震監(jiān)測 定位精度 最優(yōu)通道組合 臺網(wǎng)布設(shè) 定點(diǎn)試驗(yàn)

沖擊地壓災(zāi)害一直困擾著煤礦的安全生產(chǎn)，尤其是近些年隨著煤礦采深和開采規(guī)模逐年增加致使其愈發(fā)嚴(yán)重。隨著國內(nèi)外電子、通訊設(shè)備及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，微震監(jiān)測已成為煤礦沖擊地壓或礦震監(jiān)測預(yù)警的重要手段。沖擊地壓發(fā)生前后往往發(fā)生著大量富含大破裂時空前兆信息的微震事件，對這些微震事件的準(zhǔn)確定位，成為沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)中重要的基礎(chǔ)內(nèi)容。由微震定位原理可知，影響煤礦微震定位精度主要有微震臺網(wǎng)空間布置、波形信號初至拾取、合理波速模型假設(shè)3大因素。

微震臺網(wǎng)的空間布置是影響礦井微震數(shù)據(jù)有效性和可靠性的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者對于微震臺網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化做了相關(guān)研究，如Kijko提出了基于D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論的微震臺網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，該理論利用震源參數(shù)協(xié)方差矩陣來優(yōu)化拾震器臺網(wǎng)位置，可以評價微震監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)劣；鞏思園等基于D值優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，建立基于數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)方法的震中與震源誤差期望值模型和最優(yōu)通道個數(shù)選取原則，形成了微震臺網(wǎng)布置優(yōu)化及評價系統(tǒng)。

然而在現(xiàn)場應(yīng)用時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)臺網(wǎng)設(shè)計(jì)總會存在一些客觀條件的限制，諸如怎樣進(jìn)入所選區(qū)域、數(shù)據(jù)傳輸、動力補(bǔ)給等，臺網(wǎng)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果往往不是理論上的最優(yōu)值。而對于較大的微震事件，通常能被多數(shù)的拾震器監(jiān)測到，分析人員定位過程中怎樣選擇通道組合方式以提高定位精度沒有一定準(zhǔn)則可循，可查詢的研究文獻(xiàn)基本沒有。因此，本文將基于現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，基于Aramis M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)研究微震定位過程中通道組合方式與震源定位誤差的關(guān)系，從而二次優(yōu)化微震臺網(wǎng)布設(shè)以彌補(bǔ)前期井下臺網(wǎng)布設(shè)的一些缺陷，最終達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場提高定位精度的目的。

1　微震定位原理

微震監(jiān)測技術(shù)就是記錄一定頻率范圍的彈性波信號，確定已經(jīng)發(fā)生的微震事件參數(shù)，包括事件的發(fā)生時間、震源三維坐標(biāo)位置以及釋放的能量等。震源定位方法主要分兩類，一類為基于三分量檢波器的震源定位方法，該方法同時使用P、S波到時，對臺網(wǎng)外部微震事件定位具有優(yōu)勢，但在煤礦監(jiān)測范圍較小、井下地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下難以達(dá)到使用要求；另一類是基于到時不同理論的震源定位方法，基于該理論發(fā)展起來的定位方法種類多，應(yīng)用最廣泛，例如USBM震源定位方法、經(jīng)典的Geiger法、雙重殘差法等。

微震監(jiān)測系統(tǒng)定位原理為利用微震拾震器通道接收到的P波初至?xí)r間差，在給定的波速模型下計(jì)算出震源三維坐標(biāo)。一般情況下假定監(jiān)測空間各向同性，即P波速度為單一模型。微震源的時空參數(shù)可用微震源的空間坐標(biāo)（x，y，z）和發(fā)震起始時間t表示，則微震源與第i個拾震器通道之間的走時方程為:

式中:（xi、yi、zi）——第i個拾震器通道的三維坐標(biāo)；

t——發(fā)震起始時間；

ti——到達(dá)第i個拾震器通道的觀測到時；

v——P波在監(jiān)測空間傳播速度；

m——接收到信號的拾震器通道個數(shù)。

只要滿足4個及以上拾震器通道數(shù)據(jù)有效就可以算得所要求的微震源時空參數(shù)（x，y，z，t）。目前Aramis M/E微震系統(tǒng)在全國范圍內(nèi)有近40個礦井在使用，均采用16通道以上的布置方式。

2　通道組合優(yōu)化的控制指標(biāo)及方法

對于一個給定的礦區(qū)，當(dāng)前和未來一段時間內(nèi)高微震活動區(qū)域是可以初步劃分的，理論上當(dāng)井下微震拾震器以一定的布局方式環(huán)繞這些區(qū)域時就能使震源參數(shù)的誤差最小。然而實(shí)際上，礦區(qū)拾震器通道布置設(shè)計(jì)總會存在一些客觀條件的限制而使得臺網(wǎng)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果往往不是理論上最優(yōu)。在微震監(jiān)測系統(tǒng)中，滿足4個及以上拾震器通道接受到有效微震信號就可以對微震事件進(jìn)行定位，所以對于16通道的微震系統(tǒng)來說，就可以有多種組合方式來實(shí)現(xiàn)微震事件定位。比如人工定位過程中是選擇通道多還是通道少、選擇遠(yuǎn)距離通道還是近距離通道、選擇距離相當(dāng)通道還是距離較分散通道定位更精確？需要分析這些組合方式下定位誤差規(guī)律，優(yōu)選出最佳通道組合以改善前期井下拾震器布設(shè)的一些缺陷，使臺網(wǎng)布設(shè)得到二次優(yōu)化。二次優(yōu)化通道組合需要關(guān)注的3個指標(biāo)為拾震器與震源相對距離（簡稱源檢距）大小、離散程度及參與定位的拾震器個數(shù)，前兩者分別用源檢距平均值ˉL、源檢距標(biāo)準(zhǔn)差值α表示，各種通道組合下定位誤差為爆破試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)際位置與軟件定位結(jié)果的偏差距離。表達(dá)式如下:

式中:ˉL——拾震器與震源距離平均值，m；

α——拾震器與震源距離標(biāo)準(zhǔn)差值，m；

Δd——三維定位誤差，m；

n——參與定位通道數(shù)，個；

Li——拾震器與震源距離，m；

（x，y，z）——軟件定位結(jié)果，m；

（x0，y0，z0）——實(shí)際震源坐標(biāo)，m。

確定最優(yōu)通道組合流程步驟為第一步計(jì)算微震震源到各拾震器通道距離，并按距離從小到大排序，如1、2、…15、16；第二步從4個拾震器通道參與定位開始，相同通道數(shù)目條件下按源檢距從小到大的組合對微震進(jìn)行定位，并記錄定位誤差；第三步從4個拾震器通道參與定位開始，計(jì)算各通道組合源檢距平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，并統(tǒng)計(jì)其各自與對應(yīng)誤差的關(guān)系，分析震源與拾震器相對距離的大小、離散程度與定位誤差的趨勢關(guān)系，確定各不同通道數(shù)目下最佳位置組合方式；第四步依據(jù)第三步得出的最佳位置組合，統(tǒng)計(jì)從小到大不同數(shù)目通道組合下的定位精度，確定最優(yōu)定位通道個數(shù)。

3　現(xiàn)場定點(diǎn)試驗(yàn)研究

千秋礦Aramis M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)可以正常使用的拾震器15個，分布在井田范圍3個作業(yè)區(qū)內(nèi)，均布置在井下，如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)點(diǎn)和拾震器位置示意圖

為了進(jìn)一步提高監(jiān)測系統(tǒng)對危險區(qū)域內(nèi)微震事件的監(jiān)測能力，根據(jù)前文理論，對拾震器通道布置情況進(jìn)行二次優(yōu)化，優(yōu)選出最佳通道組合方式。針對礦井沖擊危險分布情況，選擇21141工作面作為定點(diǎn)爆破試驗(yàn)場地，在運(yùn)輸巷道兩幫設(shè)計(jì)4個震源點(diǎn)，編號為1#、2#、3#和4#，試驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1　試驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)

現(xiàn)場定點(diǎn)試驗(yàn)施工時，一炮一放，記錄深孔裝藥段中點(diǎn)位置及爆破精確時間。定位人員分析微震數(shù)據(jù)時，采用均一速度模型，拾取初至后按拾震器通道組合優(yōu)化步驟，對每個試驗(yàn)點(diǎn)從4個通道參與定位開始，由近到遠(yuǎn)分析不同通道組合下三維定位誤差。圖2為1#試驗(yàn)點(diǎn)在不同通道組合下源檢距平均值及離散程度與定位誤差（每相同通道數(shù)內(nèi)抽選出4組）。

從圖2可知，選擇不同源檢距組合定位，其誤差范圍為16.43～64.41 m，定位精度較高。從4個拾震器參與定位開始，相同數(shù)目通道組合定位的定位誤差有隨平均源檢距增加而增加的趨勢，同時也隨源檢距標(biāo)準(zhǔn)差增加而變大。說明參與定位的拾震器與震源的距離均值越大定位誤差越大，參與定位的拾震器與震源相對位置離散定位精度越低。并且，隨參與定位通道數(shù)增加定位誤差減少，隨參與定位通道數(shù)增加不同源檢距組合定位誤差變化穩(wěn)定。

4個試驗(yàn)點(diǎn)不同數(shù)目拾震器通道下定位誤差曲線見圖3，可以看出4個試驗(yàn)點(diǎn)中1#、3#點(diǎn)三維定位誤差均隨通道數(shù)目的增加而降低，通道個數(shù)增加后對定位精度的提高比較明顯，增加到8個時貢獻(xiàn)最大，隨著遠(yuǎn)處拾震器通道P波速度波動加劇開始出現(xiàn)誤差增加的現(xiàn)象，但是增加幅度并不明顯。另外兩個試驗(yàn)點(diǎn)中2#點(diǎn)在4～6個通道時定位誤差達(dá)到10 m以下，繼續(xù)增加通道個數(shù)定位誤差開始增加到20 m，并趨于穩(wěn)定。4#在4到7個通道時誤差有所波動，但增加到8個時誤差最小。結(jié)果表明，當(dāng)震源激發(fā)拾震器通道個數(shù)足夠多時，由于包絡(luò)震源的機(jī)會增加，從而抵消一部分人工手動初至拾取或者速度模型不準(zhǔn)確造成的誤差，適當(dāng)增加定位拾震器通道個數(shù)可以提高震源的定位精度并能一定程度上保證定位結(jié)果的穩(wěn)定，但不是選擇通道個數(shù)越多定位就越準(zhǔn)。另外，當(dāng)震源激發(fā)拾震器通道個數(shù)足夠多時，由近及遠(yuǎn)的選擇通道會提高定位精度。

圖2　1#試驗(yàn)點(diǎn)不同拾震器通道組合定位誤差曲線

圖3　不同數(shù)目拾震器通道下定位誤差曲線

4　結(jié)論

（1）基于微震臺網(wǎng)優(yōu)化布置理論基礎(chǔ)，確定了拾震器通道組合優(yōu)化有關(guān)平均源檢距、通道離散程度及通道數(shù)目3個控制指標(biāo)及試驗(yàn)方法。

（2）通過現(xiàn)場定點(diǎn)試驗(yàn)可知，參與定位的拾震器與震源的距離均值越大定位誤差越大，拾震器相對震源離散程度越大定位精度越低。

（3）適當(dāng)增加定位拾震器個數(shù)可以提高震源的定位精度并能一定程度上保證定位結(jié)果的穩(wěn)定，但不是選擇拾震器個數(shù)越多定位就越準(zhǔn)。另外，當(dāng)震源激發(fā)拾震器個數(shù)足夠多時，由近及遠(yuǎn)的選擇拾震器，會提高定位精度。

［1］ 楊志國，于潤滄，郭然等.基于微震監(jiān)測技術(shù)的礦山高應(yīng)力區(qū)采動研究 ［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2009（2）

［2］ 黃慶國，高潤平.特厚煤層綜放面高精度微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國煤炭，2008（8）

［3］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達(dá)等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005（12）

［4］ 鞏思園，竇林名，曹安業(yè)等.礦山微震監(jiān)測臺優(yōu)化布設(shè)研究［J］.地球物理學(xué)報，2010（2）

［5］ 夏永學(xué)，潘俊鋒，王元杰等.基于高精度微震監(jiān)測的煤巖破裂與應(yīng)力分布特征研究 ［J］.煤炭學(xué)報，2011（2）

［6］ 齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術(shù) ［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008

［7］ 王元杰，鄧志剛，王傳朋.提高深部開采微震事件定位精度的研究［J］.中國煤炭，2011（12）

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Experimental study on optimal channel group for improving mine microseismic positioning precision

Feng Meihua1，2，Lan Hang1，2
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Coal Mining&Designing Branch，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China）

In order to solve the problem that how to select channel group when high-energy microseismic events were monitored by more or all channels，the experiment method based on three indicators，namely average source-geophone distance，dispersion degree of channels and channel number was determined.The field fixed-place experiment indicated that the larger the average distance between channel involved in positioning and source was，the larger the positioning error would be，and the larger the dispersion degree of channels relative to source was，the lower the positioning precision would be.The positioning effect was best with more than 7 channels involved，increasing the number of positioning channels could improve positioning precision of source and guarantee the stability of positioning result to some extent.In order to improve positioning precision of source，the channel group mode of small source-geophone distance，low dispersion degree and properly more positioning channels should be selected based on optimizing the layout of mine field geophones.

microseismic monitoring，positioning precision，optimal channel group，station network layout，fixed-place experiment

TD324

A

?國家自然科學(xué)基金面上基金（515741149）

馮美華（1984- ），男，湖北陽新人，助理研究員，主要從事沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警和礦井物探相關(guān)工作。