安 賽，鄧 楠，秦 凱，舒龍勇

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

煤巖體是一種存在各種微裂隙、空隙的非均質(zhì)體，在外力作用下產(chǎn)生應力集中進而發(fā)生破裂，其中積聚的能量釋放并以彈性波的形式向外傳播。微震監(jiān)測技術可以實時、動態(tài)監(jiān)測煤巖體破裂后產(chǎn)生的微震動信號，并分析出破裂發(fā)生的位置及釋放的能量，為可能出現(xiàn)的動力災害進行分析與預警。近年來，微震監(jiān)測技術在預測沖擊地壓[1]、煤與瓦斯突出[2]、巖爆[3]等煤巖動力災害中得到廣泛應用。

其中，震源的定位精度是評價微震監(jiān)測技術優(yōu)劣最重要的指標。圍繞如何提高震源的定位精度相關學者分別從傳感器空間布置、波形初至拾取[4]、背景噪聲濾波[5]、定位優(yōu)化算法[6]、信號采集精度[7]、分站間時鐘同步精度等方面進行了相關的研究。唐禮忠等[8]通過優(yōu)化傳感器的空間坐標位置或者采用優(yōu)化的定位算法來提高微震系統(tǒng)的定位精度。張輝等[9]提出了一種微震監(jiān)測系統(tǒng)分站間高精度時間同步的實現(xiàn)方式，通過PTP精密時鐘協(xié)議實現(xiàn)了同一局域網(wǎng)內(nèi)部分站間±1 μs的時間同步精度，進而提高了微震定位精度。但是，上述文獻在致力于提高微震定位精度的同時，沒有考慮煤巖體的非均質(zhì)性，波速隨非連續(xù)、非均質(zhì)性的變化而動態(tài)變化的影響，使用單一恒定的速度計算震源的位置，從而導致系統(tǒng)最終的定位精度誤差較大，如波蘭ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)與加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)。為此，本文提出并設計了一款基于波速反演的微震監(jiān)測系統(tǒng)，在實現(xiàn)高精度傳統(tǒng)微震監(jiān)測系統(tǒng)基礎上，通過添加頻率可調(diào)、激振力可控的自激震源及對應的波速反演算法，實現(xiàn)微震定位前待測區(qū)域波速場的反演與校正，之后用校正后的波速場定位煤巖體破裂產(chǎn)生的微震事件，可以大幅提高系統(tǒng)定位的精度。

1 系統(tǒng)方案

基于波速反演的微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。該系統(tǒng)井下部分主要由動圈式振動傳感器、多通道分布式微震采集分站、自激震源電控箱、震動電機、網(wǎng)絡交換機等組成。井上部分由工業(yè)交換機、PTP授時服務器、工業(yè)計算機、采集控制軟件、波形分析軟件等組成。PTP授時服務器通過環(huán)網(wǎng)對井下各采集分站進行時鐘同步；振動傳感器拾取煤巖體或震動電機的震動信號后轉(zhuǎn)換成對應的模擬信號，微震采集分站對模擬信號進行處理、AD采集，與同步時間戳打包成數(shù)據(jù)單元通過環(huán)網(wǎng)上傳至采集控制軟件；采集控制軟件同時實現(xiàn)對各分站、震源電控箱的管理、控制，震動事件的判斷，定位能量計算等；波形分析軟件實現(xiàn)震源的2D、3D展示，統(tǒng)計分析等功能。

圖1 微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構圖Fig.1 Structure diagram of microseismic monitoring system

2 硬件設計

2.1 振動傳感器

振動傳感器檢測震動信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，從工作原理分有電磁式、壓阻式、壓容式和MEMS檢波器等。電磁式振動傳感器(也稱動圈式傳感器)由于其價格低廉、穩(wěn)定性好等特性在地震勘探領域應用較多?；诂F(xiàn)場安裝、成本、采集信號頻率等因素，選用ACT-4.5型動圈式速度傳感器，其靈敏度為100 V/m/s，頻率響應為0.5～200 Hz。

2.2 微震采集分站

分布式微震采集分站負責最大8路振動傳感器信號的采集、濾波、放大、AD采集。之后通過以太網(wǎng)光纖接口接入井下環(huán)網(wǎng)，上傳至采集控制軟件；同時PTP授時服務器對各分站進行時鐘同步。其內(nèi)部功能框圖如圖2所示。為了提供系統(tǒng)的動態(tài)范圍及適應不同的現(xiàn)場情況，在采集開始前設置放大電路的放大倍數(shù)，PGA放大器的核心器件使用PGA204，可實現(xiàn)×1 V/V、×10 V/V、×100 V/V、×1 000 V/V四種放大倍數(shù)，其等效噪聲低，總諧波失真??；AD采集電路使用TI公司生產(chǎn)的專用震動采集芯片ADS1278，ADS1278具有高動態(tài)范圍、低功耗等優(yōu)點，可實現(xiàn)最大8路24位同步采樣。液晶電路實時顯示各通道的運行狀態(tài)、IP地址等信息。

2.3 自激震源

自激震源電控箱通過井下環(huán)網(wǎng)接收采集控制軟件的信號，控制震動電機按照一定的頻率震動。主要包括隔爆外殼、AC-DC電路、主控板、光電轉(zhuǎn)換電路、變頻器等電路。主控板與變頻器采用RS485接口MODBUS RTU協(xié)議進行通信。變頻器額定功率為2 kW，可實現(xiàn)0～60 Hz無級控制。震動電機采用具有安標認證的礦用防爆電機。

3 軟件設計

3.1 分站嵌入式軟件

微震監(jiān)測分站嵌入式軟件架構如圖3所示。硬件層(HW)使用STM32F4控制器為軟件層提供硬件支持，操作系統(tǒng)層(RTOS)使用RTX-V4.73實現(xiàn)實時多任務的調(diào)度處理，網(wǎng)絡協(xié)議棧使用LWIP-1.4.1提供網(wǎng)絡協(xié)議處理，精密時鐘同步協(xié)議使用ptpd-2.0.0實現(xiàn)分站與PTP服務器之間的精密時鐘同步。其中，STM32F4硬件支持符合IEEE 1588-2002定義的以太網(wǎng)時間戳，在運行PTP協(xié)議后，即可根據(jù)算法自動調(diào)整其64位時鐘寄存器，使各系統(tǒng)分站時間保持同步，APP層負責應用任務實時處理。

圖2 微震監(jiān)測分站結(jié)構圖Fig.2 Microseismic monitoring substation structure diagram

圖3 微震監(jiān)測分站軟件架構Fig.3 Software architecture of microseismicmonitoring substation

3.2 波速場反演

波速場反演是指利用大量觀測數(shù)據(jù)反演監(jiān)測區(qū)域波速的一種方法，首先將監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的區(qū)域離散化為m×n個相同網(wǎng)格，然后進行正演計算，使用最短路徑射線追蹤算法計算各節(jié)點的射線路徑；最后使用SIRT算法進行反演求解，修正速度模型[10]。其簡要流程概述如下所述。

3.2.1 正演計算

從自激震源點P開始，求從自激震源P到與各節(jié)點的旅行時，并將旅行時最小的L1節(jié)點作為次級波源，繼續(xù)計算與L1相連的所有節(jié)點(除P點)的旅行時，取最小的旅行時L18替換為該節(jié)點的旅行時，如圖4所示。至所有節(jié)點均做為次級波源并計算出最小旅行時為止。

圖4 波源追蹤至次級波源Fig.4 Tracing the wave source to the secondarywave source

3.2.2 反演方程組

反演方程組見式(1)。

(1)

式中：m為路徑的條數(shù)；n為網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)；Lij為第i條射線在第j個網(wǎng)格內(nèi)射線長度；vj為第j列節(jié)點的慢度(速度的倒數(shù))；tj為波傳播至j節(jié)點所需的旅行時。

3.2.3 SIRT算法反演

(2)

式中，i=1,2,…,m。

3) 計算估計值、實測值之間的誤差Δti，計算見式(3)。

(3)

4) 計算每個方程節(jié)點的修正值，見式(4)。

(4)

5) 計算修正后的值，見式(5)。

(5)

6) 用修正后的值替換假定值，得到新的射線路徑、矩陣，重復上述步驟同時配合自激震源在不同已知位置震動，直到相鄰慢度差滿足精度要求為止，一般滿足XY軸方向為±1 m，Z軸方向為±2 m即可。

7) 獲得待測區(qū)域的波速場后，采用Geiger定位方法對微震事件進行定位；而傳統(tǒng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)如波蘭ARAMIS與加拿大ESG，沒有波速反演的功能，而是采用單一恒定的波速進行定位分析，相較于后者，增加了獲得波速場相應的軟件、硬件及現(xiàn)場測試復雜性，但能獲得更高的定位精度。

3.3 采集控制軟件

采集控制軟件使用基于Windows操作系統(tǒng)、VS2015集成開發(fā)環(huán)境C#語言進行開發(fā)，系統(tǒng)最大容量為10臺分站，采樣率設置為2 Ksps，則每臺分站的數(shù)據(jù)量為0.4 Mbps。為了能夠快速準確地獲取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與獲取時間戳，主機采用Wincap技術解析以太網(wǎng)上傳的數(shù)據(jù)包，Wincap支持直接訪問底層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。采集軟件接收完成后，采用經(jīng)典STA/LTA算法自動拾取波形的到時與終時，結(jié)合相關道數(shù)、長短時窗與閥值對微震事件進行識別與判斷，事件波形信息生成SEG2文件，同時對事件采用Geiger定位算法進行定位與能量計算，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，以供波形分析軟件進一步顯示與統(tǒng)計。

4 定位精度現(xiàn)場對比測試

河南能化義煤集團躍進煤礦是典型的沖擊地壓礦井，已經(jīng)安裝了波蘭ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)與加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)。為了驗證基于波速反演KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度，在礦上進行定點爆破對比試驗。測試前需要對KJ768微震系統(tǒng)按如下步驟進行波速校準。

1) 在待監(jiān)測的回采工作面周邊布置振動傳感器、激震源電控箱、震動電機，記錄各振動傳感器與震動電機的坐標位置，同時將一振動傳感器布置在震動電機上作為基準點。該通道放大倍數(shù)設置為1，其余通道設置為100、相關時間設置為10 s。

2) 通過采集與控制軟件激發(fā)震動電機以最大激振力發(fā)出5 Hz持續(xù)2 s的激勵波形，初始波速設置為4 000 m，運行波速校正程序，反演波速場。

3) 移動震動電機，并記錄新坐標位置，持續(xù)步驟2)，直至XY軸方向精度為±1 m，Z軸方向精度為±2 m。

校準完成后，在測試區(qū)某一位置打孔裝入炸藥，記錄爆破點位置，爆破后，三套系統(tǒng)分別記錄震動波形，KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)分析軟件運行如圖5所示，計算得到的震源位置與實際爆破點的位置對比結(jié)果見表1。

由表1可知，2次定點爆破試驗顯示，在X方向平均誤差KJ768為2.10 m、ARAMIS為5.20 m、ESG為12.40 m；Y方向定位誤差平均值KJ768為6.70 m、ARAMIS為11.10 m、ESG為13.90 m；Z方向定位誤差平均值KJ768為4.10 m、ARAMIS為4.60 m、ESG為7.20 m。3個方向KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)定位誤差均小于10.00 m，且均優(yōu)于ARAMIS和ESG。

圖5 定點爆破分析軟件波形處理Fig.5 Waveform processing of fixed-point blasting analysis software

表1 三套微震監(jiān)測系統(tǒng)定位精度定點爆破測試結(jié)果Table 1 Results of fixed-point blasting test for positioning accuracy of three sets of microseismic monitoring systems

5 結(jié) 論

1) 考慮到波速隨煤巖介質(zhì)的非連續(xù)非均質(zhì)性而動態(tài)變化的影響因素，提出了基于波速反演的微震監(jiān)測系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)微震系統(tǒng)如波蘭ARAMIS與加拿大ESG采用單一恒定的波速場進行定位。本文通過增加自激震源及對應的波速反演算法獲得待測區(qū)域的波速場，之后用校正的波速場對震源進行定位。

2) 通過煤礦井下定點爆破對比測試，驗證了基于波速反演的微震監(jiān)測系統(tǒng)在3個方向震源定位誤差小于10 m，且均優(yōu)于波蘭ARAMIS與加拿大ESG等采用單一速度模型進行震源定位的微震監(jiān)測系統(tǒng)，具有較高的定位精度。

3) 該系統(tǒng)在煤礦運行穩(wěn)定，同時在非煤礦山也具有一定的應用前景。