孟圣師 鄭義寧 侯祥丁

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274704）

1 引言

沖擊地壓監(jiān)測(cè)方法包括兩種：區(qū)域監(jiān)測(cè)和局部監(jiān)測(cè)，區(qū)域監(jiān)測(cè)包括微震法、地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃等，局部監(jiān)測(cè)包括鉆屑法、地音法、電磁輻射法和煤體應(yīng)力法等[1]。因局部監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)范圍有限，無法覆蓋大面積區(qū)域，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電公司郭屯煤礦與天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部合作，引進(jìn)了波蘭24通道版的ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

微震事件定位的精確性取決于多種因素，比如臺(tái)站分布、速度模型、震相讀取誤差、走時(shí)區(qū)域異常、定位算法等。合理的臺(tái)網(wǎng)布置可以有效提高震源定位精度[2]。在臺(tái)站數(shù)目合理的情況下，臺(tái)站的分布對(duì)定位精度具有決定性作用。如何利用好所有臺(tái)站，使網(wǎng)內(nèi)所有臺(tái)站發(fā)揮最大作用，這就是臺(tái)網(wǎng)布置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

2 ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由波蘭EMAG礦用電氣工程及自動(dòng)化研究與發(fā)展中心開發(fā)研制，由地面中心站、記錄服務(wù)器及井下分站等硬件及ARAMIS_WIN、ARAMIS_REJ及HESTIA軟件構(gòu)成。我國(guó)2006年首次引進(jìn)該系統(tǒng)，目前已在國(guó)內(nèi)40多個(gè)礦井實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。

該系統(tǒng)最基本的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)波形、有效拾取微震事件，并對(duì)微震事件進(jìn)行定位和能量計(jì)算，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、回采工藝等因素，對(duì)可能發(fā)生的沖擊地壓災(zāi)害做出預(yù)評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓的防治工作[3]。

3 微震震源定位理論

圖2示意地震波在均勻介質(zhì)內(nèi)的傳播。其中從震源傳播到臺(tái)站的最短時(shí)間可由式（1）描述。

圖2 微震定位示意圖

式中：

t0-微震事件的發(fā)震時(shí)刻；

h=（x0,y0,z0）-震源的三維坐標(biāo)；

Si=（x0,y0,z0）-第i個(gè)微震臺(tái)站的三維坐標(biāo)；

εi-第i個(gè)臺(tái)站的到時(shí)誤差，（i=1,......,n）。

對(duì)于均勻和各向同性速度模型，自震源n到第i個(gè)臺(tái)站的走時(shí)為：

式中：

vp-P波波速，為已知常數(shù)。

綜合式（1）和式（2）有 4個(gè)未知數(shù)，要解這個(gè)方程至少需要4個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，震源參數(shù)t0和h=（x0,y0,z0）可以通過以下函數(shù)的最小值來估算：

這里x0=（t0,x0,y0,z0），從1到被激發(fā)的臺(tái)站數(shù)量進(jìn)行求和，p值≥1，一般情況下選擇p=2，也就是最小二乘估計(jì)。

式中：

δr(n)-在空間內(nèi)點(diǎn)θ(n)上的時(shí)間殘差矢量；

A-在θ(n)上計(jì)算的式（1）對(duì)參數(shù)θ的(n×4)偏微分矩陣。

在計(jì)算偏微分矩陣A時(shí)，必須代入震源位置h和微震臺(tái)網(wǎng)布置方案s[4]。

4 臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)的D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論

一般情況下，臺(tái)站的選擇應(yīng)該依賴于一個(gè)與給定臺(tái)站有關(guān)的值，然后可以用其最小值來限定這個(gè)最佳網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)值應(yīng)該依賴于震源參數(shù)x的協(xié)方差矩陣。因此大部分情況下，最佳網(wǎng)絡(luò)的選擇可以通過以下描述：

式中：

Cx-震源參數(shù)x的協(xié)方差矩陣；

s=(s1......,sn)-微震臺(tái)站坐標(biāo)；

Ds-可能的臺(tái)站位置的空間域。

通常在臺(tái)網(wǎng)安裝前，對(duì)臺(tái)網(wǎng)內(nèi)所有臺(tái)站總是假設(shè)隨機(jī)誤差滿足相同的正態(tài)分布為單位矩陣，σ為隨機(jī)誤差的方差。

式中：

T—轉(zhuǎn)置運(yùn)算。

5 微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)測(cè)點(diǎn)布置確定原則

微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建立是監(jiān)測(cè)工作的第一步，也是關(guān)鍵的一步，微震臺(tái)網(wǎng)的布置質(zhì)量直接影響臺(tái)網(wǎng)定位精度和后續(xù)的微震監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。因此，根據(jù)微震定位理論和D值優(yōu)化理論，在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布置方案時(shí)，首先考慮礦井的開采和地質(zhì)因素，然后利用綜合指數(shù)法確定各個(gè)因素的影響權(quán)重，如下表1。

表1 高微震活動(dòng)區(qū)域內(nèi)礦震發(fā)生概率

通過綜合指數(shù)即可確定各個(gè)區(qū)域的危險(xiǎn)性，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況初步確定臺(tái)站可選點(diǎn)，再通過D值優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化組合選擇，最終確定臺(tái)網(wǎng)的布置方案。為盡可能避免隨機(jī)因素中P波波速和P波到時(shí)讀入誤差的影響，減少震源定位的誤差，候選點(diǎn)的選擇還要考慮所處的環(huán)境因素和開采活動(dòng)影響[5]。所以確定選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一般原則為：

（1）礦井需監(jiān)測(cè)的區(qū)域必須有4個(gè)以上拾震器或探頭覆蓋，最佳狀態(tài)為5個(gè)以上，以確保某一拾震器或探頭出現(xiàn)干擾過大或故障時(shí)，仍能保持對(duì)微震事件的監(jiān)測(cè)。

（2）拾震器或探頭應(yīng)盡量在空間上包圍監(jiān)測(cè)區(qū)域，并避免近似形成一條直線或一個(gè)平面；確因現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無法實(shí)現(xiàn)包圍的監(jiān)測(cè)區(qū)域，要將拾震器或探頭在工作面兩順槽內(nèi)采用菱形布置，距超前支護(hù)段的距離不應(yīng)小于100m。

（3）在保證拾震器或探頭密度的同時(shí)，不能將拾震器或探頭布置的過密，應(yīng)具有足夠和適當(dāng)?shù)目臻g密度，否則將導(dǎo)致對(duì)遠(yuǎn)震的監(jiān)測(cè)誤差增大。

（4）部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能接近待測(cè)區(qū)域，避免較大斷層及破碎帶的影響，拾震器或探頭安裝點(diǎn)的巖性要堅(jiān)硬和完整，為減少波的衰減，拾震器一般安裝在巷道底板巖層中，探頭一般安裝在巷道頂板巖層中。

（5）監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍的噪聲要低，并應(yīng)遠(yuǎn)離大型電器和機(jī)械設(shè)備的干擾，例如放有移變的配電點(diǎn)、皮帶機(jī)頭、局部通風(fēng)機(jī)等；拾震器盡量放置在巷道硐室內(nèi)，以減少行人和礦車通過或作業(yè)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響。

（6）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置既要照顧當(dāng)前開采區(qū)域，又要考慮未來一斷時(shí)間內(nèi)的礦井開采活動(dòng)區(qū)域。

6 郭屯煤礦微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的預(yù)評(píng)價(jià)

根據(jù)以上理論和原則，郭屯煤礦ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)方案如圖3所示，計(jì)劃安裝探頭14個(gè)，拾震器9個(gè)。分別監(jiān)測(cè)4302工作面、2301工作面、2302工作面、1307工作面、1314工作面、5300工作面等，后期將根據(jù)采掘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況再有針對(duì)性的調(diào)整。利用D值優(yōu)化準(zhǔn)則，得出了郭屯煤礦微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的震中定位精度和震源定位精度云圖，分別如圖4、圖5所示。

微震監(jiān)測(cè)探頭包圍的區(qū)域誤差較小，越向外圍，誤差越大。合理的拾震器布置必須保證重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域全部處于定位誤差能滿足要求的值域范圍內(nèi)。

震中定位誤差決定了微震事件平面定位的精確性。由圖3可知，開采工作面基本都處于震中定位誤差較小的區(qū)域。工作面內(nèi)震中定位誤差大部分都分布在0～20m以內(nèi)，工作面初采期間誤差較大，原因是此處處于臺(tái)網(wǎng)邊緣。

震源定位誤差綜合反映了震中和震源深度的定位誤差。如圖4所示，震源定位誤差明顯要大于震中定位誤差。三個(gè)工作面基本都處于震源定位誤差的低值區(qū)，大部分都在0～30m范圍內(nèi)，可見監(jiān)測(cè)效果良好。

圖3 郭屯煤礦微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)方案平面圖

圖4 震中定位誤差云圖

圖5 震源定位誤差云圖

7 結(jié)論

（1）利用D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論對(duì)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，以震中和震源定位誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得出微震臺(tái)網(wǎng)的整體監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

（2）綜合指數(shù)法可以確定高危險(xiǎn)區(qū)域，提前預(yù)測(cè)高能微震事件的頻發(fā)區(qū)域，有利于指導(dǎo)臺(tái)網(wǎng)布置。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定最終的臺(tái)網(wǎng)布置方案，根據(jù)后續(xù)監(jiān)測(cè)情況可知，微震臺(tái)網(wǎng)對(duì)微震事件的定位精度較高，監(jiān)測(cè)質(zhì)量較好，郭屯煤礦微震臺(tái)網(wǎng)很好地滿足了現(xiàn)階段的監(jiān)測(cè)要求。