王雷

（中國煤炭地質(zhì)總局水文物測(cè)隊(duì)，河北 邯鄲056000）

1 概述

經(jīng)過近20 年的發(fā)展和應(yīng)用，煤礦注漿技術(shù)逐漸成熟，成為改變地層含隔水性和改良地層物理力學(xué)性質(zhì)的有效手段。注漿工程通常是在地表合適的位置打鉆，利用豎直井與水平井相結(jié)合的方式，將鉆孔鉆進(jìn)至注漿層位，通過鉆孔高壓將利用注漿材料按照一定配比制成的可以固化的漿液，注入到地層的離層、裂縫或孔隙中，通過置換、充填、擠壓等方式以達(dá)到改良其含隔水性和物理力學(xué)性質(zhì)的目的。通過注漿施工，可以在很大程度上減弱含水層的富水性，切斷水源的補(bǔ)給通道，有效增強(qiáng)隔水層隔水強(qiáng)度；同時(shí)，也可以填充、修復(fù)巖體的裂隙、孔隙，從而提高巖層的整體性，進(jìn)而起到防滲、堵水、隔水、固結(jié)、降低地表下沉、提升地基承載力、回填與加固地基的作用。但是，對(duì)注漿效果的檢驗(yàn)大多是憑借孔口壓力變化、注漿量大小及經(jīng)驗(yàn)判定，對(duì)漿液的擴(kuò)散范圍缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，定性和主觀性較強(qiáng)，有時(shí)存在較大誤差。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是監(jiān)測(cè)接收煤、巖體受載破壞時(shí)引發(fā)的微震動(dòng)，分析得到巖石的破裂信息，從而推斷地下變化情況的一種地球物理學(xué)方法。實(shí)施注漿時(shí)，在地應(yīng)力的作用下，注漿層位處及其附近，時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著裂隙張裂、錯(cuò)動(dòng)、碰撞、崩塌等微震動(dòng)事件，這些事件引起的震動(dòng)會(huì)在整個(gè)地層空間內(nèi)傳播，通過在地表適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)布置微震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，分析所獲得的微震事件的分布特征，對(duì)漿液的擴(kuò)散范圍及路徑進(jìn)行判定，進(jìn)而對(duì)注漿效果做出判斷。本文以在峰峰某礦進(jìn)行的微震監(jiān)測(cè)為例，嘗試對(duì)基于面狀臺(tái)陣的煤礦注漿效果的地面微震監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的微地震地面觀測(cè)系統(tǒng),連續(xù)監(jiān)測(cè)注漿活動(dòng)前、中、后的微震事件，通過對(duì)微震事件的自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)到時(shí)拾取，精確定位，得到注漿引起地層破裂的空間信息，分析漿液的擴(kuò)散范圍，為注漿效果的判斷提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)為第四系地層所覆蓋，厚度一般為2～20m，主要含煤地層為石炭系太原組（C3t）和二疊系山西組（P1s）。太原組含薄層灰?guī)r4～8 層，一般5 層（大青、小青、伏青、山青及野青灰?guī)r），含煤層9～12 層，可采者6 層（9#、8#、7#、6#、4#、3#煤），地層厚度111～236m，平均厚度117m。山西組由淺灰、灰色砂巖、粉砂巖泥巖組成，含主要可采煤層2#煤，地層厚50～80m，平均厚度70m。

研究區(qū)域內(nèi)注漿的地層為大青灰?guī)r含水層，巖性為灰色、深灰色微晶質(zhì)灰?guī)r、夾燧石，分布穩(wěn)定，埋藏深度一般400～500m。

3 工程布置

為獲取足夠多的微震動(dòng)事件信息，有效壓制各類噪聲，取得較好的監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)震動(dòng)源的精確定位，本次研究采用了以注漿的水平鉆孔為中心呈放射狀布置多條測(cè)線的面狀監(jiān)測(cè)臺(tái)陣的方案，測(cè)線的線距隨與水平鉆孔距離增大而變大，并間隔布設(shè)多種不同采集主頻的臺(tái)站，確保對(duì)多種有效信息的采集，見圖1。

圖1 煤礦注漿效果微震監(jiān)測(cè)工程布置平面圖

監(jiān)測(cè)工程采用Smartsolo 節(jié)點(diǎn)式地震儀，前放增益為12dB，無低切。共布置測(cè)線20 條（編號(hào)為101-120），靠近分支孔中心附近線距為20m，向兩側(cè)線距依次變?yōu)?5m和30m；點(diǎn)距為25m（編號(hào)為201-220），布置范圍約為500×500m，臺(tái)陣的布設(shè)半徑與注漿層位的深度接近。

共布置采集臺(tái)站360 個(gè)，其中5HZ 檢波器深埋26個(gè)，10HZ 檢波器淺埋165 個(gè)，5HZ 檢波器淺埋169 個(gè)；監(jiān)測(cè)時(shí)間為2020 年9 月22 日～10 月14 日，共計(jì)23 天。

4 關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)采集臺(tái)站的類型，分別下載數(shù)據(jù)。臺(tái)站中直接獲取的數(shù)據(jù)為共檢波器道集的連續(xù)波形，利用Sololite 軟件將數(shù)據(jù)切割為6s 的時(shí)間片段，每個(gè)時(shí)間片段內(nèi)包含所有臺(tái)站數(shù)據(jù)，成為新的共時(shí)間道集，以備處理。

4.2 數(shù)據(jù)處理流程

通過對(duì)原始采集數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合本次監(jiān)測(cè)在地表布置臺(tái)陣進(jìn)行，距離震動(dòng)源較遠(yuǎn)，部分微震事件能量較弱的具體特點(diǎn)，制定了針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理流程。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，采用帶通濾波濾除無關(guān)噪聲，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化用于微震事件的拾取和定位，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

4.3 數(shù)據(jù)重采樣

不同的數(shù)據(jù)采樣頻率會(huì)引起波形所占采樣點(diǎn)數(shù)的變化，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中窗長為固定點(diǎn)數(shù)的卷積操作中，識(shí)別不同采樣頻率的同一波形相當(dāng)于識(shí)別不同的目標(biāo)，因此處理中需謹(jǐn)慎選擇數(shù)據(jù)的采樣頻率。

經(jīng)測(cè)試，200Hz 的采樣頻率能達(dá)到最佳的處理效果，本次處理中，數(shù)據(jù)采樣頻率被重新設(shè)置為200Hz。

4.4 噪聲衰減及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

本次監(jiān)測(cè)工作采用在地表布置臺(tái)陣進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方式，采集的原始信號(hào)普遍較弱，信噪比較低；同時(shí)，受研究區(qū)附近較豐富的人文活動(dòng)和鉆井施工等多重影響，噪聲干擾也比較嚴(yán)重，因此在進(jìn)行微震事件識(shí)別及震源定位前,要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。采用帶通濾波來濾除無關(guān)噪聲，提高數(shù)據(jù)的信噪比，最大程度識(shí)別有效地震信號(hào)，進(jìn)而提高微震事件拾取質(zhì)量。經(jīng)多次試驗(yàn)，最終確定了20Hz-60Hz 濾波范圍。

為防止數(shù)據(jù)兩端的譜域假象對(duì)拾取結(jié)果造成影響，需進(jìn)行去波形尖滅的處理來衰減數(shù)據(jù)兩端的波形。

本次研究采用改良后的U-Net 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微震事件的自動(dòng)識(shí)別和初至自動(dòng)拾取，而該網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)所用的數(shù)據(jù)均為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，因此本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。采用將每道波形減去其均值并除以其標(biāo)準(zhǔn)差的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

5 AI 初至拾取技術(shù)及微震事件自動(dòng)識(shí)別

數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，將數(shù)據(jù)放入改良后的U-Net 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，檢測(cè)波形并拾取P 波初至，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定閾值，判定是否為微震動(dòng)事件。

借鑒醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的圖像分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到適用于微震動(dòng)波形檢測(cè)和P 波初至自動(dòng)拾取的改良后的U-Net 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，地震三分量記錄構(gòu)成輸入的三個(gè)通道，形成3×n維的數(shù)據(jù)矩陣輸入網(wǎng)絡(luò)（n 為地震波形的采樣點(diǎn)數(shù)），經(jīng)一維卷積、反卷積、激活函數(shù)等操作，最終形成3×n 維的輸出數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)輸出可表征每個(gè)采樣點(diǎn)分屬于P 波、S波和噪聲信號(hào)的概率，通過網(wǎng)絡(luò)中最后加入的Softmax激活函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)三類概率相加之和為1。經(jīng)過151478 條波形的訓(xùn)練（所有波形已通過人工拾取P 波和S 波震相），該網(wǎng)絡(luò)可以精準(zhǔn)分辨目標(biāo)波形信號(hào)和噪聲，以及波形信號(hào)中P 波和S 波的到達(dá)時(shí)刻。

然而，由于注漿過程中S 波波形不發(fā)育，且監(jiān)測(cè)工作采用的臺(tái)站均為單分量設(shè)備，難以捕捉傳播方向近垂直的S 波信號(hào)，因此本次工作僅利用該網(wǎng)絡(luò)對(duì)P 波初至進(jìn)行拾取，見圖3。

圖3 初至拾取所使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

拾取完成后，將所有臺(tái)站每6s 的波形片段組成一個(gè)共時(shí)間道集，對(duì)每個(gè)道集內(nèi)所有道的拾取結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除和所有拾取到時(shí)中位值的差距在0.3s 以上的結(jié)果。對(duì)于剔除后剩余拾取初至的數(shù)量在50 個(gè)以上的共時(shí)間道集，則認(rèn)為存在地震事件，保留并記錄到時(shí)。圖4 為微地震拾取結(jié)果示例，紅線代表拾取的初至。經(jīng)過該網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)拾取，共識(shí)別微地震事件324 個(gè)。

圖4 典型波形拾取結(jié)果示例

6 微震動(dòng)事件精確定位技術(shù)

震源定位就是確定微地震事件的震源位置、分布特征等參數(shù)，進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)的主要成果，同時(shí)也是本次研究判定注漿漿液擴(kuò)散路徑及范圍的主要依據(jù)。

6.1 速度模型的確定

綜合分析了研究區(qū)內(nèi)鉆孔資料及其鄰近區(qū)域內(nèi)主動(dòng)源三維地震勘探的成果數(shù)據(jù)，并經(jīng)多次試驗(yàn)嘗試，最終確定了二層定位速度模型，第一層為2～20m 厚的第四系沉積物，P 波速度為1000m/s，下覆的第二層為基巖層，P波速度3800m/s。

6.2 微震動(dòng)事件精確定位技術(shù)

采用上述人工智能方法拾取出的P 波初至，確定檢測(cè)出的微震動(dòng)事件，然后利用經(jīng)過廣泛檢驗(yàn)的、具有高穩(wěn)定性和精度的通用定位程序NonLinLoc 完成微震動(dòng)事件的定位工作。該程序?qū)Φ叵乱欢ǚ秶M(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法（MCMC）對(duì)地下網(wǎng)格進(jìn)行準(zhǔn)全局搜索，找到所有網(wǎng)格中最適合作為震源位置的格點(diǎn)。利用設(shè)定的定位速度模型和各臺(tái)站布設(shè)的大地坐標(biāo)，進(jìn)行精確定位。由于本次設(shè)備的布設(shè)在部分點(diǎn)位處同時(shí)放置了5Hz 深埋臺(tái)站和10Hz 臺(tái)站，此類地段將對(duì)應(yīng)的5Hz 深埋設(shè)備和10Hz 設(shè)備的P 波初至均進(jìn)行了識(shí)別拾取，且經(jīng)過處理前的觀察分析發(fā)現(xiàn)10Hz 設(shè)備信噪比稍高，因此若兩個(gè)初至結(jié)果不一致，則采用了10Hz 設(shè)備的拾取結(jié)果。定位結(jié)果如圖5 所示，微地震事件大致可被分為兩個(gè)團(tuán)簇，在圖中分別以①和②進(jìn)行了標(biāo)明。圖中深度為海拔深度，而臺(tái)站高程約+200m 左右，因此團(tuán)簇①的位置大致與注漿區(qū)域?qū)?yīng)，推測(cè)是煤層注漿過程中產(chǎn)生的地震信號(hào)。

圖5 微地震定位結(jié)果

6.3 微震動(dòng)事件定位結(jié)果分析

結(jié)合已知地質(zhì)資料，對(duì)微震動(dòng)事件定位結(jié)果進(jìn)行分析，賦予其地質(zhì)意義。如圖5 所示，推測(cè)團(tuán)簇①的是煤層注漿過程中產(chǎn)生的地震信號(hào)，其深度位置大致與注漿區(qū)域?qū)?yīng)。團(tuán)簇②為微震動(dòng)事件更多，所在位置較深，且有部分事件延伸到了陣外，結(jié)合研究區(qū)附近地質(zhì)資料，推斷該處可能是深處斷層在注漿活動(dòng)作用下產(chǎn)生了活化。圖6 展示了不同監(jiān)測(cè)時(shí)段下微地震數(shù)量的變化情況。從圖中可以看到，從2020 年10 月4 日開始，微地震事件數(shù)量有了明顯的上升，說明了震動(dòng)活動(dòng)性的加強(qiáng)趨勢(shì)。圖7展示了不同位置的地震事件隨時(shí)間的變化情況，設(shè)監(jiān)測(cè)到的第一個(gè)事件的發(fā)生時(shí)間為0，圖中地震的不同顏色代表相對(duì)第一個(gè)事件的發(fā)生時(shí)間（單位為天）。圖中兩團(tuán)微震動(dòng)團(tuán)簇的發(fā)生時(shí)間并沒有明顯的先后之分，下方的區(qū)域斷層有可能在注漿之前已經(jīng)活化，注漿活動(dòng)對(duì)該斷層并沒有明顯的觸發(fā)作用。但深部的微震動(dòng)團(tuán)簇有隨時(shí)間從中間向兩邊延展的趨勢(shì)，結(jié)合圖6 中地震活動(dòng)性加強(qiáng)的認(rèn)識(shí)，在生產(chǎn)活動(dòng)后斷層的活動(dòng)性應(yīng)有加強(qiáng)。

圖6 微地震檢測(cè)數(shù)量隨天數(shù)變化統(tǒng)計(jì)圖

圖7 微地震定位結(jié)果隨時(shí)間的變化情況

7 結(jié)論

通過對(duì)利用地面微震技術(shù)監(jiān)測(cè)注漿效果過程中的臺(tái)陣布設(shè)、關(guān)鍵處理技術(shù)、AI 初至拾取技術(shù)、微震動(dòng)事件精確定位技術(shù)開展研究，結(jié)合地質(zhì)資料對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行了深入分析，其定位結(jié)果與實(shí)際吻合較好，可以為注漿活動(dòng)提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。但是，應(yīng)當(dāng)支出受地表布置臺(tái)陣，距離震動(dòng)源較遠(yuǎn)，以及廣泛存在的人活活動(dòng)干擾的多重影響，接受的部分微震信號(hào)能量較弱，信噪比較低，對(duì)注漿時(shí)漿液擴(kuò)散路徑的精確刻畫的精度還有待進(jìn)一步提升。