王傳朋

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

震源高度是煤礦微震監(jiān)測的重要參數(shù)之一，在頂板破斷和運移規(guī)律研究、沖擊地壓機(jī)理研究和監(jiān)測預(yù)測、三帶高度判斷和沖擊危險源識別等方面具有重要意義[1-4]?？煽康恼鹪锤叨仁沁M(jìn)一步測定震源機(jī)制解、矩張量反演等其他地球物理參數(shù)的基礎(chǔ)[5，6]。然而在我國鄂爾多斯和榆林地區(qū)，煤層大多數(shù)為近水平或水平狀態(tài)。由于井下只能在煤層內(nèi)安設(shè)檢波器，這就導(dǎo)致所有檢波器基本處于同一水平面內(nèi)。這種情況下，震源求解很難給出較為準(zhǔn)確的震源高度[7，8]。針對提高震源高度的求解精度問題，張晁軍從近震走時公式入手，分析了震中距、到時殘差和速度模型對震源深度定位誤差的影響[9]，徐剛和杜濤濤利用增加地面監(jiān)測臺站的方法，優(yōu)化了垂直方向上監(jiān)測臺站對震源的包圍效果，提高了震源高度的定位精度[10，11]。蔣鑫采用三分量地震波形的極化分析方法，增加了震源高度定位的限制條件，取得了較好的效果[12]。吳順川對深度學(xué)習(xí)在震源定位方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了探索[13]。羅艷利用深度震相優(yōu)化震源深度的定位精度，并給出了幾個高精度測定典型地震震源深度的觀測實例[14]。王杰等分析了采動影響下底板破壞深度的微震定位及規(guī)律，給出了初次定位和二次修正定位相結(jié)合的定位算法[15]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，深入分析了水平煤層震源高度誤差產(chǎn)生機(jī)制和煤礦頂板波速模型的確定方法，在此基礎(chǔ)上，研究了井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)對震源高度求解誤差的改進(jìn)效果。

1 水平煤層震源高度誤差分析

在煤礦井田范圍尺度下，通常選擇比較容易辨認(rèn)的P波進(jìn)行微震震源定位，與其他波相比，P波波速最快，初至拾取精度高，故定位精度較高，微震P波傳播如圖1所示。假設(shè)煤巖體為均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，即P波波速在各個傳播方向上保持不變。

圖1 微震P波傳播

對于均勻和各向同性速度模型，自震源到第i個檢波器的走時Ti為：

式中，v為P波波速；ti為震源到達(dá)第i個微震檢波器的時刻；t0為微震事件的發(fā)震時刻；x0，y0，z0分別為為震源坐標(biāo)；xi，yi，zi分別為第i個微震檢波器的三維坐標(biāo)，i=1，…，n，n為可接收到微震波形的檢波器數(shù)目。

走時Ti對(t0，x0，y0，z0)的偏微分矩陣如式(2)[16]。

式中，hi為相對第i個檢波器的震源高度，m；Li為第i個檢波器的震中距，m；θi為相對第i個檢波器的P波出射角，(°)。

不失一般性，震源高度取100 m，將z0偏微分歸一化處理(故縱軸無量綱)，可得檢波器震中距Li與?Ti/?z0的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)檢波器震中距達(dá)到500 m以上時，z0偏微分已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定低值區(qū)。而煤礦現(xiàn)場，震中距在500 m以內(nèi)的檢波器相對較少，震中距越遠(yuǎn)，z0偏微分的值一般均越小且較接近。

圖2 檢波器震中距與?Ti/?z0的關(guān)系

對于水平煤層，檢波器只能布置在煤層中，因此對于所有檢波器，近似有h1=h2=…=hi=…=hn，故式(4)中僅有Li一個變量，但是Li取值一般較為接近，故z0偏微分在量值和符號上較為相似，而對應(yīng)于發(fā)震時刻的一列均為1，導(dǎo)致矩陣接近奇異。這時震源高度與發(fā)震時刻兩個參數(shù)不獨立，導(dǎo)致震源高度的求解迭代過程不能收斂于正確解或存在較大誤差甚至無解[16]。

2 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)

2.1 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)

鑒于傳統(tǒng)井下微震監(jiān)測系統(tǒng)在近水平煤層條件下，垂直高度定位誤差無法滿足監(jiān)測要求的問題，引入ARP 2018地面微震監(jiān)測系統(tǒng)，與井下ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)組成井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化了頂板監(jiān)測臺網(wǎng)的立體結(jié)構(gòu)，大幅提高了震源垂直高度的定位精度，實現(xiàn)了工作面頂板活動和斷裂震源的高精度定位和有效監(jiān)測，井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺站布置如圖3所示。

圖3 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺站布置

ARAMIS M/E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)和ARP 2018地面微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成了井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)。井上下微震檢波器接收到的震動波形如圖4所示，其中，以T命名的通道為井下檢波器，因井下傳感器相較于地面?zhèn)鞲衅骶嚯x震源較近，波形持續(xù)時間較短，能量密度大；以A命名的通道為地面檢波器，因地面?zhèn)鞲衅鬏^井下傳感器距離震源較遠(yuǎn)，波形持續(xù)時間長，能量密度小。

圖4 井上下微震檢波器波形

當(dāng)井下震動信號傳輸至地面，就會激發(fā)地面微震監(jiān)測臺站，地面臺站接收數(shù)據(jù)并通過移動4G或5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至辦公室分析主機(jī)，利用時間臨近原則，將井下微震波形與地面監(jiān)測臺站的波形合并成一個微震事件，從而得到了所有臺站的微震波形。每個地面監(jiān)測臺站均配置一臺GPS時鐘同步模塊，與辦公室監(jiān)控主機(jī)之間實現(xiàn)絕對的時鐘同步，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間精確同步。

2.2 煤礦頂板層狀波速模型研究

微震監(jiān)測系統(tǒng)在利用微震臺站進(jìn)行定位時均假設(shè)震動波從震源發(fā)出后至臺站是直線傳播(圖5中的藍(lán)色路徑)，但震動波的實際傳播路徑極其復(fù)雜(圖5中的紅色路徑)。由于微震事件多是礦井井下采掘活動所導(dǎo)致的，震源距離煤層相對較近(與距地面相比)，震動波由震源向井下安裝的傳感器傳播時，傳播介質(zhì)相對更均勻，因此實際傳播路徑比較接近于直線傳播路徑[17]。因此一般的微震監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行震源定位時均直接使用均質(zhì)體模型，即全礦井均使用一個波速。但由于震動波P波的傳播是基于時間最快原則，因此微震臺站與震源的距離越遠(yuǎn)其實際傳播速度是越快的(在波速快的介質(zhì)中傳播的時間占比越大)[18，19]。因此，ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)使用了更加接近震動波實際傳播時間的梯度波速場進(jìn)行微震事件的定位。

圖5 震動波傳播

井下微震事件的震動波傳輸至地面微震監(jiān)測臺站時，震動波在較多的時間內(nèi)存在穿層傳播現(xiàn)象[20，21]，ARAMIS M/E使用的波速場已經(jīng)不能滿足地面臺站的使用，需要針對性建立適合井上下聯(lián)合監(jiān)測臺網(wǎng)的層狀波速場。

選擇門克慶煤礦3102工作面2020年10月1日至2020年10月3日的4個頂板爆破事件作為波速研究的基準(zhǔn)事件，具體見表1，分別測試不同波速情況下的定位誤差情況。

表1 門克慶煤礦頂板預(yù)裂爆破事件記錄

不同波速條件下，4個爆破事件平面定位誤差、垂直定位誤差和定位殘差的變化趨勢如圖6所示。在使用3500 m/s波速時(井下微震臺網(wǎng)常用波速區(qū)間為3500 m/s至4200 m/s)，聯(lián)合臺網(wǎng)的垂直定位誤差均大于100 m，垂直定位誤差過大，表明地面臺網(wǎng)不能直接使用井下臺網(wǎng)的波速設(shè)置。波速在2000 m/s至2500 m/s之間時，定位殘差、平面定位誤差及垂直定位誤差較小。平面定位誤差受波速影響不大，但是垂直定位誤差受影響較大。不同波速條件下4個爆破事件震源定位誤差平均值如圖7所示，當(dāng)波速為2200 m/s時，震源定位誤差最小，因此，選取2200 m/s作為地面微震監(jiān)測臺站的微震定位基準(zhǔn)波速，基于此基準(zhǔn)波速制定具體的層狀波速模型。使用本波速模型進(jìn)行定位，平面定位誤差約為6.4 m，垂直定位誤差平均約為16.5 m，效果良好。

圖6 不同波速條件下爆破事件定位誤差對比

圖7 爆破事件震源定位誤差平均值

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 門克慶煤礦應(yīng)用效果

門克慶煤礦主采煤層3-1煤，埋深700 m，主采工作面為3102工作面和3104工作面，在兩個工作面上方分別布置A1和A2兩臺地面ARP臺站，臺站布置如圖8所示。

圖8 井上下微震臺站布置

對2020年11月初的155個微震事件統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，ARP地面臺站對不同能級的微震事件監(jiān)測效能不同，微震能量越大，越容易激發(fā)ARP地面臺站。由于小能量微震事件振幅較小，以高頻為主，傳播至地表時，其高頻成分衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致振幅低于事件判別閾值。通過分析不同能量級微震事件對地面臺站的激發(fā)率可知，3次方事件的激發(fā)率高達(dá)95%，4次方事件的激發(fā)率達(dá)100%，可見門克慶煤礦地面微震監(jiān)測臺站對微震事件的監(jiān)測效能較高，可以滿足現(xiàn)場監(jiān)測需求。

為了驗證地面臺站對震源垂直定位精度的優(yōu)化效果，在井下進(jìn)行5次定點爆破試驗。在僅使用井下臺站和同時使用井上下臺站兩種情況下進(jìn)行震源定位，計算兩種情況下的震源垂直定位誤差，后者誤差相比前者降低了61%～91%?？芍孛媾_站的加入，大幅降低了震源的高度定位誤差。

井下微震臺網(wǎng)與井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網(wǎng)兩種條件下的微震事件剖面投影分別如圖9所示。由圖9(a)中可見，井下臺網(wǎng)單獨定位時微震事件點均分布在煤層附近，微震活動無法準(zhǔn)確地反應(yīng)煤層頂板的破裂狀態(tài)。由圖9(b)所示，井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網(wǎng)的監(jiān)測結(jié)果能夠準(zhǔn)確地展示微震事件的發(fā)生層位，102J以上微震事件主要分布在煤層上部60 m范圍內(nèi)，表明頂板破裂最大高度在60 m左右。煤層上部的40 m厚粗砂巖內(nèi)無大的能量事件，表明本巖層未發(fā)生大規(guī)模破斷和運動，因此本層阻隔了破裂的向上發(fā)展。同時由圖中可見，回風(fēng)巷上方發(fā)生2起3次方高能事件，表明回風(fēng)巷上覆巖層中的應(yīng)力水平顯著高于其他區(qū)域，具有更高的動力災(zāi)害危險。

圖9 微震事件剖面投影

3.2 大海則煤礦應(yīng)用效果

大海則煤礦101工作面井下共布置8個微震監(jiān)測臺站，分別為T1、T2、S3、S4、T5、T6、S7和S8，地面布置1個地面ARP監(jiān)測臺站，為A3，分別對地面ARP臺站參與監(jiān)測和地面ARP臺站不參與監(jiān)測兩種布置方案進(jìn)行垂直定位誤差的仿真模擬，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 震源高度定位誤差仿真模擬

由模擬結(jié)果可知，加入地面ARP臺站之后，101工作面內(nèi)部的震源高度定位誤差由50 m左右降低至20 m左右，因此井上下微震聯(lián)合監(jiān)測方案顯著降低了震源高度的定位誤差。

4個爆破事件的震源高度定位誤差如圖11所示?？芍谑褂镁舷挛⒄鹇?lián)合監(jiān)測臺網(wǎng)定位后，4個爆破事件的震源高度定位誤差平均值由11.5 m降至3.75 m，表明井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)可以有效提高震源高度的定位精度。

圖11 爆破事件震源高度定位誤差對比

微震事件的工作面傾向剖面投影如圖12所示。井下微震監(jiān)測臺網(wǎng)單獨定位時，微震事件均集中在距離煤層上下約20 m范圍內(nèi)，微震事件層位信息不豐富，進(jìn)而影響對煤層頂板破裂及運動規(guī)律的分析；在使用井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網(wǎng)進(jìn)行微震事件定位分析時，微震事件在垂直方向的層位分布具有明顯的分層分布特征，103J微震事件主要分布在煤層上方40～71.7 m的粉砂巖內(nèi)與現(xiàn)場觀測情況吻合，進(jìn)一步表明井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網(wǎng)對震源高度的定位位置更合理。

圖12 微震事件剖面投影

4 結(jié) 論

1)對于近水平煤層，由于時間偏導(dǎo)數(shù)列與震源高度偏導(dǎo)數(shù)列存在相關(guān)關(guān)系，因此導(dǎo)致走時公式的偏導(dǎo)數(shù)矩陣A接近奇異，因此震源高度定位誤差較大。

2)分析不同波速條件下爆破事件的定位精度，可得最佳基準(zhǔn)波速，基于最佳基準(zhǔn)波速制定適合地面監(jiān)測臺站的層狀波速模型，可以有效提高井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)的震源定位精度。

3)通過分析門克慶煤礦和大海則煤礦井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)值仿真模擬、爆破事件誤差對比分析、微震事件剖面分布等可知井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)的震源定位精度要明顯優(yōu)于單純的井下臺網(wǎng)監(jiān)測。