紀(jì)曉雨，張俊麗 （濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000）

0 前言

煤炭在國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)中占據(jù)主要地位，但隨著煤礦開(kāi)采程度的不斷加深，淺中層煤礦已呈現(xiàn)出逐漸枯竭的態(tài)勢(shì)。中層煤礦、深層煤礦正在逐漸成為供應(yīng)煤炭的主要力量。但中、深層煤礦的開(kāi)采，除了解決開(kāi)采中的結(jié)束問(wèn)題，也帶來(lái)一系列淺層煤礦開(kāi)采中沒(méi)有出現(xiàn)的生產(chǎn)安全問(wèn)題：礦震。隨著煤礦采深的加大，煤礦開(kāi)采面的地層壓力也隨著開(kāi)采深度急劇增大，導(dǎo)致在淺層煤礦開(kāi)采過(guò)程中原本很少發(fā)生的礦震變得頻繁出現(xiàn)，原本低強(qiáng)度的礦震也開(kāi)始變成中、高強(qiáng)度礦震。尤其近年來(lái)，更是有越來(lái)越多因礦震造成的安全事故頻繁出現(xiàn)，煤礦礦震給煤礦造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失也在逐年增加。礦震已成為深層煤礦開(kāi)采中不可忽視的安全問(wèn)題之一。為了能夠最大程度的對(duì)礦震進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)管，將礦震危害降到最低，及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)礦震中心進(jìn)行定位就成為監(jiān)測(cè)礦震的重要手段。

所有開(kāi)采煤礦的國(guó)家都有礦震出現(xiàn)的記錄，隨著科技的發(fā)展，礦震監(jiān)測(cè)從理論到技術(shù)都有著極大的發(fā)展和進(jìn)步。相比于國(guó)際，國(guó)內(nèi)的礦震監(jiān)測(cè)起步晚，發(fā)展也比較緩慢，直至20世紀(jì)80年代后才漸入發(fā)展的快車(chē)道，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了自主的礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如：姜福興的BMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的礦震監(jiān)測(cè)已經(jīng)能夠準(zhǔn)確捕捉礦震在地層中的傳播信號(hào)，但在解算礦震中心坐標(biāo)時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)解算誤差較大，解算速度慢等缺點(diǎn)，并且對(duì)于位于較偏遠(yuǎn)位置的礦震的定位誤差極大，僅能夠用于小范圍區(qū)域的礦震監(jiān)測(cè)。且監(jiān)測(cè)精度極易受到地質(zhì)構(gòu)造影響，尤其對(duì)于較復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，礦震的定位精度會(huì)極大降低。

傳統(tǒng)礦震定位方法是根據(jù)礦震波在地層中的傳播規(guī)律來(lái)進(jìn)行定位的，即根據(jù)礦震波（一般采用P波）傳播到不同傳感器的時(shí)間不同來(lái)確定礦震中心坐標(biāo)的方法。假設(shè)在開(kāi)采面或巷道中布設(shè)了i個(gè)檢波器，當(dāng)?shù)V震波傳播到傳感器時(shí)，就會(huì)觸發(fā)檢波器記錄下接收到礦震波到達(dá)檢波器的時(shí)刻，根據(jù)到時(shí)不同理論，若檢波器礦震中心坐標(biāo)為 O（X,Y,Z)，t時(shí)刻代表礦震發(fā)生的時(shí)刻，t代表第i個(gè)傳感器接收到礦震波時(shí)刻，L代表礦震發(fā)生點(diǎn)到監(jiān)測(cè)器i的距離：

由Geiger定位法，

就可以利用已知的幾個(gè)參數(shù)和最小二乘法則來(lái)得到礦震中心坐標(biāo)的最或然值O（X,Y,Z)，利用這種方法進(jìn)行定位時(shí)，需要提前利用原位爆破方法來(lái)預(yù)知礦震波在地層中的傳播速度，以及各檢波器空間坐標(biāo)。

1 基于MATLAB的礦震中心定位方法

傳統(tǒng)礦震中心定位方法有兩種較明顯缺點(diǎn)：

①若礦震發(fā)生在較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，則由于地質(zhì)復(fù)雜等原因，將導(dǎo)致實(shí)際礦震波的傳播速度與預(yù)先測(cè)得的速度相差較大，最終定位結(jié)果也將出現(xiàn)較大誤差；

②預(yù)先測(cè)量的速度本身存在一定誤差，導(dǎo)致依賴(lài)預(yù)先測(cè)速的后續(xù)計(jì)算也將出現(xiàn)較大誤差。對(duì)此，利用測(cè)邊網(wǎng)定位法來(lái)解決整個(gè)對(duì)于礦震中心的定位解算過(guò)程。

1.1 測(cè)邊網(wǎng)定位原理

測(cè)邊網(wǎng)定位是通過(guò)利用已預(yù)先精確測(cè)得坐標(biāo)的控制點(diǎn)，將已知點(diǎn)與待求點(diǎn)連接起來(lái)，形成由眾多空間三角形組合的測(cè)邊網(wǎng)，在這個(gè)網(wǎng)形中，利用空間距離公式列出待求方程組，進(jìn)而將方程組解算即可求得待求點(diǎn)空間坐標(biāo)。測(cè)邊網(wǎng)示意圖，如圖1所示。

圖1 測(cè)邊網(wǎng)示意圖

1.2 礦震定位參數(shù)解算

礦震發(fā)生時(shí)，周?chē)呀?jīng)布設(shè)了一定數(shù)量的檢波器，檢波器坐標(biāo)需提前精確測(cè)定，作為已知點(diǎn)使用。礦震波在地層中傳播，會(huì)在不同的時(shí)刻經(jīng)過(guò)各個(gè)檢波器，此時(shí)，檢波器就會(huì)記錄下礦震波經(jīng)過(guò)時(shí)的時(shí)刻。

由空間距離公式：

當(dāng)?shù)V震中心周?chē)臋z波器足夠多時(shí)，就會(huì)得到足夠多的獨(dú)立方程，我們以此建立方程組即可將相關(guān)參數(shù)解算出來(lái)，即把礦震中心坐標(biāo)O（X,Y,Z)和礦震波的傳播速度V和礦震發(fā)生的初始時(shí)刻t解算出來(lái)，但在實(shí)際情況中，由于檢波器捕捉時(shí)刻誤差，已知點(diǎn)坐標(biāo)誤差等原因，導(dǎo)致解算數(shù)據(jù)結(jié)果并不理想，我們利用平差原理，建立誤差方程組，再利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得誤差方程，然后解算改正值，利用前面得到的參數(shù)值作為初始值再次代入誤差方程，逐次迭代計(jì)算直至得到滿(mǎn)意結(jié)果。

部分事件定位結(jié)果 表1

部分事件定位結(jié)果精度 表2

1.3 MATLAB算法流程

利用MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能，不僅可以將復(fù)雜的礦震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算簡(jiǎn)化，而且能夠極大提升數(shù)據(jù)解算速度，為此，利用MATLAB編制程序來(lái)優(yōu)化礦震中心坐標(biāo)及其他參數(shù)的解算過(guò)程。

當(dāng)有礦震事件發(fā)生時(shí)，檢波器檢測(cè)到礦震信號(hào)，將信號(hào)直接發(fā)送系統(tǒng)中計(jì)算出初始值，接著對(duì)初始值正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，若無(wú)問(wèn)題，對(duì)區(qū)域參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以進(jìn)一步增大數(shù)據(jù)精度，接著開(kāi)始迭代計(jì)算，得出結(jié)果后，將結(jié)果進(jìn)行誤差評(píng)定和檢核，最后在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)輸出，系統(tǒng)算法流程圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)算法流程圖

2 工程實(shí)例

以山東省滕州市的田陳礦為例，田陳礦于1989年建成投產(chǎn)，現(xiàn)年設(shè)計(jì)出煤能力約為120萬(wàn)t，建礦16年來(lái)，共生產(chǎn)原煤2010萬(wàn)t，掘進(jìn)總進(jìn)尺27萬(wàn)m。

在以往的監(jiān)測(cè)中，由于開(kāi)采面是應(yīng)力破壞最嚴(yán)重的和應(yīng)力變化最快的區(qū)域，絕大部分礦震事件均發(fā)生在開(kāi)采面附近，所以檢波器會(huì)以開(kāi)采面為中心，盡可能均勻地分布在開(kāi)采面周?chē)蓞^(qū)共布設(shè)有6個(gè)檢波器，這里采用2020年10月7日至2020年10月17日之間的某些代表性礦震事件為例，進(jìn)行定位運(yùn)算。檢波器示意圖，如圖3所示。

圖3 檢波器位置示意圖

由于外界環(huán)境干擾、檢波器本身精度等問(wèn)題，為了避免出現(xiàn)某個(gè)數(shù)值精度過(guò)低影響結(jié)果的問(wèn)題，在進(jìn)行計(jì)算前，先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，優(yōu)先選用事件記錄清楚、讀數(shù)準(zhǔn)確、位置良好的檢波器數(shù)據(jù)，剔除掉不符合要求的數(shù)據(jù)。將合格的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，部分礦震事件結(jié)果，見(jiàn)表1所示。

以上為系統(tǒng)隨意選用6組合格數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算得到的最優(yōu)結(jié)果，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，利用單位權(quán)中誤差對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定

評(píng)定結(jié)果，見(jiàn)表2所示。

上述結(jié)果表明，系統(tǒng)在對(duì)觀測(cè)合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，可以在不進(jìn)行原位爆破試驗(yàn)的前提下，對(duì)礦震中心的空間坐標(biāo)進(jìn)行快速解算。但最終解算精度（包括礦震傳播速度）受觀測(cè)數(shù)據(jù)精度影響極大，并且相對(duì)于其他定位系統(tǒng)，定位結(jié)果精度未得到提升。

3 結(jié)語(yǔ)

基于MATLAB的礦震定位系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)礦震定位系統(tǒng)，能夠做到快速對(duì)礦震中心進(jìn)行定位解算，解算過(guò)程更加簡(jiǎn)單、高效。目前大部分礦震監(jiān)測(cè)需要提前進(jìn)行原位爆破，實(shí)驗(yàn)以確定礦震在地層中的傳播速度，采用基于MAT?LAB的礦震定位系統(tǒng)可以自行解算傳播速度，為不能或不方便進(jìn)行原位爆破實(shí)驗(yàn)的區(qū)域提供了極大便利，解算結(jié)果精度與點(diǎn)位定位精度相同，均取決于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度。提升檢波器精度和精確擬合地層模型，可以極大提升觀測(cè)精度，綜上所述，基于MATLAB的礦震定位系統(tǒng)雖然不能提升礦震定位精度，但解算過(guò)程更加簡(jiǎn)單、高效，為礦震定位系統(tǒng)的發(fā)展提供了有益借鑒。