趙聰聰，唐紹輝，覃 敏，郭曉強(qiáng)，焦文宇，劉 暢

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微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位精度試驗(yàn)研究*

趙聰聰1, 2，唐紹輝1, 2，覃 敏1, 2，郭曉強(qiáng)1, 2，焦文宇1, 2，劉 暢1, 2

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

以云南某鉛鋅礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，對(duì)構(gòu)建微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)過(guò)程中的震源定位精度進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)，采用人工爆破試驗(yàn)校核系統(tǒng)定位誤差，試驗(yàn)確定了2個(gè)礦區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最優(yōu)震動(dòng)波傳播速度，即1#采區(qū)P波波速為4400 m/s、S波波速為3810 m/s，爆破定位試驗(yàn)最小精度誤差為8.3 m，單向最小偏差為1.2 m；2#采區(qū)P波波速為5000 m/s、S波波速為3500 m/s，爆破定位試驗(yàn)最小精度誤差為5.6 m，單向最小偏差為0.8 m。通過(guò)爆破定位試驗(yàn)，2套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均取得了預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果，達(dá)到了礦山的監(jiān)測(cè)要求。

微震監(jiān)測(cè)；震源定位；定位誤差；精度調(diào)試

0 引 言

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦業(yè)工程、巖土工程、水庫(kù)大壩、隧道等工程中的應(yīng)用日漸深廣，為安全生產(chǎn)的預(yù)防與控制奠定了基礎(chǔ)[1?2]。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)震源定位系統(tǒng)，能夠?qū)ρ芯繉?duì)象的現(xiàn)場(chǎng)工況以及災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)和預(yù)判[3]。在研究過(guò)程中，震源定位精度的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[4?5]。在震源定位精度實(shí)驗(yàn)研究中，基于由Geiger[6]提出的經(jīng)典算法衍生出諸多其它算法，主要有基于理論基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)算法研究[7?8]、基于計(jì)算分析軟件的程式化研究[9]等，都是在算法理論基礎(chǔ)上進(jìn)行定位精度優(yōu)化研究。實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)由試驗(yàn)到實(shí)際工程逐步研究過(guò)渡[10]。本文與前述研究方法和對(duì)象的主要區(qū)別在于：首先，基于經(jīng)典算法[6]，使用人工爆破的試驗(yàn)方法，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中不斷調(diào)試；然后，結(jié)合實(shí)際工況條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尋找最佳調(diào)試波速速度；再根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)臺(tái)網(wǎng)中的傳感器接受到的巖體破壞信號(hào)進(jìn)行定位調(diào)試，使符合現(xiàn)場(chǎng)工況條件的定位精度達(dá)到最優(yōu)。

1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)定位精度的調(diào)試有著顯著影響[11]，本文對(duì)該系統(tǒng)的臺(tái)網(wǎng)布設(shè)已做出最優(yōu)設(shè)計(jì)。由于1#采區(qū)和2#采區(qū)間距遠(yuǎn)大于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的常規(guī)有效監(jiān)測(cè)與傳輸距離，不便于操作維護(hù)，并且由于線(xiàn)路、設(shè)備產(chǎn)生故障等易影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，故對(duì)1#采區(qū)和2#采區(qū)分別建立一套獨(dú)立的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)研究中監(jiān)測(cè)工程多，分布范圍廣，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征和礦山工程自身穩(wěn)定性情況，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化分類(lèi)：一類(lèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)椴蓤?chǎng)區(qū)域，定位精度不大于10 m，主要監(jiān)測(cè)1#采區(qū)+404 m水平~+274 m 水平之間的采場(chǎng)和2#采區(qū)+261 m水平~+31 m 水平之間的采場(chǎng)，以及所在采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的主要構(gòu)筑設(shè)施；二類(lèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域主要包括+764 m中段大巷、+584 m中段大巷以及主要提升運(yùn)輸豎井和主要回風(fēng)井。該區(qū)域內(nèi)礦山巖體較為穩(wěn)固，受布置條件的限制，監(jiān)測(cè)精度要求略低。

該微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)由12臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀和56個(gè)傳感器組成。其中1#采區(qū)由5臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀和24個(gè)傳感器組成，形成一套30通道的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；2#采區(qū)由7臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀和32個(gè)傳感器組成，形成一套38通道的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1#采區(qū)井下微震設(shè)備分別布置在+274 m中段、+344 m中段、+404 m中段、+584 m中段和+764 m中段，其中：+764 m中段布置1臺(tái)4通道的數(shù)據(jù)采集儀和4個(gè)單分量傳感器，共4通道；+584 m中段布置1臺(tái)4通道的數(shù)據(jù)采集儀和4個(gè)單分量傳感器，共4通道；+404 m中段布置1臺(tái)8通道的數(shù)據(jù)采集儀和1個(gè)三分量傳感器、5個(gè)單分量傳感器，共8通道；+344 m中段布置1臺(tái)8通道的數(shù)據(jù)采集儀和1個(gè)三分量傳感器、3個(gè)單分量傳感器，共6通道；+274 m中段布置1臺(tái)8通道的數(shù)據(jù)采集儀和1個(gè)三分量傳感器、5個(gè)單分量傳感器，共8通道。井下數(shù)據(jù)交換中心布置在+584 m中段。

2#采區(qū)井下微震設(shè)備分別布置在+751 m中段、+571 m中段、+261 m中段、+151m中段、+91 m中段和+31 m中段，其中：+751 m中段布置1臺(tái)4通道的數(shù)據(jù)采集儀和3個(gè)單分量傳感器，共3通道；+571 m中段布置1臺(tái)4通道的數(shù)據(jù)采集儀和4個(gè)單分量傳感器，共4通道；+261 m中段布置1臺(tái)8通道的數(shù)據(jù)采集儀和1個(gè)三分量傳感器、5個(gè)單分量傳感器，共8通道；+151 m中段布置2臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，共設(shè)7個(gè)單分量傳感器，共計(jì)7通道；+91 m中段布置1臺(tái)8通道的數(shù)據(jù)采集儀和1個(gè)三分量傳感器、5個(gè)單分量傳感器，共8通道；+31 m中段布置1臺(tái)8通道的數(shù)據(jù)采集儀和1個(gè)三分量傳感器、5個(gè)單分量傳感器，共8通道。數(shù)據(jù)交換中心布置在+261 m中段。

2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位精度試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝工程完成后，需要進(jìn)行人工爆破試驗(yàn)，主要目的有：

(1) 調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)，主要是P波波速和S波波速設(shè)置；

(2) 校核系統(tǒng)定位誤差。

2.2 試驗(yàn)要求

為了使爆破定位試驗(yàn)取得預(yù)期效果，應(yīng)達(dá)到以下基本要求：

(1) 爆破試驗(yàn)位置應(yīng)選在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的中間巖體穩(wěn)定區(qū)域，同時(shí)，要便于施工與爆破作業(yè)；

(2) 爆破點(diǎn)最好不少于3個(gè)，分別位于不同的位置，爆破點(diǎn)之間要相距一定的距離，應(yīng)不小于100 m；

(3) 爆破鉆孔直徑40 mm左右，每次爆破藥量應(yīng)不小于2 kg，最好用泡泥填塞一段孔口，保證爆破質(zhì)量；

(4) 準(zhǔn)確測(cè)量爆破點(diǎn)坐標(biāo)，誤差不大于1 m；

(5) 爆破工應(yīng)按照微震監(jiān)測(cè)技術(shù)人員的要求進(jìn)行各爆破點(diǎn)的爆破試驗(yàn)，并準(zhǔn)確記錄爆破相關(guān)參數(shù)，如炸藥量、放炮時(shí)間及放炮點(diǎn)位置等。

2.3 試驗(yàn)步驟

為保證微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)爆破定位試驗(yàn)準(zhǔn)確有效，一般按照以下步驟開(kāi)展試驗(yàn)：

(1) 提前做好打眼及鉆孔坐標(biāo)測(cè)量等準(zhǔn)備工作；

(2) 做好對(duì)接協(xié)調(diào)工作，確定好現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人及對(duì)接方式；

(3) 裝藥前，電話(huà)溝通確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行正常；

(4) 爆破后，電話(huà)溝通確認(rèn)是否成功爆破以及系統(tǒng)是否有效采集。

2.4 注意事項(xiàng)

為了保證微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)爆破定位試驗(yàn)準(zhǔn)確有效，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 鉆孔應(yīng)選在穩(wěn)定性較好的巖體中，鉆孔成孔應(yīng)圓、直；

(2) 炸藥應(yīng)保質(zhì)保量，避免啞爆；

(3) 爆破人員每次爆破前應(yīng)與微震監(jiān)測(cè)技術(shù)人員電話(huà)溝通，確認(rèn)后方可起爆；

(4) 每次爆破試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)與礦山采掘爆破間隔開(kāi)一段時(shí)間，至少大于10 min。

3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位精度試驗(yàn)

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置情況，含系統(tǒng)默認(rèn)波速等參數(shù)，金屬礦山通常P波波速為4000~6000 m/s，S波波速為2500~4500 m/s，由于不同工程和巖體介質(zhì)的差異性，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定位試驗(yàn)，修訂和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，提高微震事件定位精度。一般初始設(shè)定P波波速為5500 m/s，S波波速為3500 m/s，然后對(duì)波速進(jìn)行反演、調(diào)整、驗(yàn)證，直至確定對(duì)應(yīng)礦區(qū)最優(yōu)波速等參數(shù)，達(dá)到有效定位精度。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

1#采區(qū)分別在5月4日、5月8日和5月11日成功地進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，有效爆破共4次，具體爆破試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，爆破事件系統(tǒng)定位參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 1#采區(qū)爆破試驗(yàn)參數(shù)

表2 1#采區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)爆破事件定位參數(shù)

2#采區(qū)分別在5月7日和5月13日成功地進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，有效爆破共3次，具體爆破試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，爆破事件系統(tǒng)定位主要參數(shù)見(jiàn)表4。

3.2 定位調(diào)試結(jié)果及分析

(1) 1#采區(qū)定位調(diào)試結(jié)果及分析。根據(jù)1#采區(qū)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)該礦區(qū)的震動(dòng)波傳播速度進(jìn)行了校核，確定了最優(yōu)波速，即P波波速為4400 m/s，S波波速為3810 m/s。結(jié)合表1和表2，分析計(jì)算4次有效爆破試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表3 2#采區(qū)爆破試驗(yàn)參數(shù)

表4 2#采區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)爆破事件定位參數(shù)

表5 1#采區(qū)爆破試驗(yàn)定位情況

1#采區(qū)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)及精度調(diào)試定位比較，如圖1所示。

由表5、圖1可知，1#采區(qū)一類(lèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域最小定位精度誤差為8.3 m，單向最小偏差為1.2 m，其中第3次爆破試驗(yàn)定位精度誤差為14.1 m，可能原因是爆破點(diǎn)坐標(biāo)未準(zhǔn)確測(cè)量、爆破信號(hào)受到其它震源信號(hào)干擾、信號(hào)傳輸介質(zhì)復(fù)雜等；二類(lèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域由于監(jiān)測(cè)區(qū)域大，布置傳感器少，且工程條件受限未能形成基本的包絡(luò)狀，定位精度相對(duì)較低。整體上，此次1#采區(qū)爆破定位試驗(yàn)成功完成，取得了預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果，達(dá)到了礦山的監(jiān)測(cè)要求。

四面體—傳感器；球體—爆破事件和系統(tǒng)定位事件

(2) 2#采區(qū)定位調(diào)試結(jié)果及分析。根據(jù)2#采區(qū)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該礦區(qū)的震動(dòng)波傳播速度進(jìn)行了校核，確定了最優(yōu)波速，即P波波速為5000 m/s，S波波速為3500 m/s。3次有效爆破試驗(yàn)定位情況見(jiàn)表6。

2#采區(qū)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)及精度調(diào)試定位比較，如圖2所示。

表6 2#采區(qū)爆破試驗(yàn)定位情況

四面體—傳感器；球體—爆破事件和系統(tǒng)定位事件

2#采區(qū)最小定位精度誤差為5.6 m，單向最小偏差為0.8 m，其中第二次爆破試驗(yàn)定位精度誤差為13.8 m，可能原因是爆破點(diǎn)坐標(biāo)未準(zhǔn)確測(cè)量、爆破信號(hào)受到其它震源信號(hào)干擾、信號(hào)傳輸介質(zhì)復(fù)雜等。另外，+571 m水平以上監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的中間區(qū)域沒(méi)有合適的爆破試驗(yàn)點(diǎn)，因此，未取得該區(qū)域內(nèi)的有效爆破事件。但對(duì)2#采區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)無(wú)影響。同時(shí)，+571 m水平以上監(jiān)測(cè)區(qū)域大，布置傳感器少，且工程條件受限未能形成基本的包絡(luò)狀，相對(duì)礦山二類(lèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域包絡(luò)狀條件更差一些，定位精度會(huì)相對(duì)較差。整體上，2#采區(qū)爆破定位試驗(yàn)成功完成，取得了預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果，達(dá)到了礦山的監(jiān)測(cè)要求。

4 結(jié) 論

定位精度實(shí)驗(yàn)研究表明：不同礦山的工況條件大不相同，實(shí)際波速傳播影響因素不同，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)試才具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值；在有效監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，不同區(qū)域的監(jiān)測(cè)效果因臺(tái)網(wǎng)布設(shè)的具體情況而不同，因而定位精度在不同分區(qū)內(nèi)應(yīng)用更有效，無(wú)法確保其是否能夠滿(mǎn)足其它礦山的實(shí)際應(yīng)用。

(1) 1#采區(qū)和2#采區(qū)共進(jìn)行7次有效爆破試驗(yàn)，均已成功完成了定位精度調(diào)試試驗(yàn)。

(2) 確定了兩個(gè)礦區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最優(yōu)震動(dòng)波傳播速度。即1#采區(qū)P波波速為4400 m/s、S波波速為3810 m/s；2#采區(qū)P波波速為5000 m/s、S波波速為3500 m/s。

(3) 人工爆破實(shí)驗(yàn)調(diào)試至最佳定位精度。1#采區(qū)爆破定位試驗(yàn)最小精度誤差為8.3 m，單向最小偏差為1.2 m；2#采區(qū)爆破定位試驗(yàn)最小精度誤差為5.6 m，單向最小偏差為0.8 m。

(4) 通過(guò)人工爆破定位試驗(yàn)，兩套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均取得了預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果，達(dá)到礦山的監(jiān)測(cè)要求。

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中國(guó)五礦集團(tuán)有限公司科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2016-2017年度戰(zhàn)略前沿技術(shù)研究).

(2018?11?01)

趙聰聰(1992—)，男，河南南陽(yáng)人，在讀碩士研究生,主要研究礦山安全與巖體力學(xué)，Email：1175707689@ qq.com。