郭屯煤礦ARAMIS M/E微震監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計研究

孟圣師 鄭義寧 侯祥丁

（臨沂礦業(yè)集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274704）

1 引言

沖擊地壓監(jiān)測方法包括兩種：區(qū)域監(jiān)測和局部監(jiān)測，區(qū)域監(jiān)測包括微震法、地質(zhì)動力區(qū)劃等，局部監(jiān)測包括鉆屑法、地音法、電磁輻射法和煤體應(yīng)力法等[1]。因局部監(jiān)測監(jiān)測范圍有限，無法覆蓋大面積區(qū)域，為實時監(jiān)測煤礦沖擊地壓等動力災(zāi)害，臨沂礦業(yè)集團菏澤煤電公司郭屯煤礦與天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部合作，引進了波蘭24通道版的ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)。

微震事件定位的精確性取決于多種因素，比如臺站分布、速度模型、震相讀取誤差、走時區(qū)域異常、定位算法等。合理的臺網(wǎng)布置可以有效提高震源定位精度[2]。在臺站數(shù)目合理的情況下，臺站的分布對定位精度具有決定性作用。如何利用好所有臺站，使網(wǎng)內(nèi)所有臺站發(fā)揮最大作用，這就是臺網(wǎng)布置方案的優(yōu)化設(shè)計問題。

2 ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

圖1 ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)由波蘭EMAG礦用電氣工程及自動化研究與發(fā)展中心開發(fā)研制，由地面中心站、記錄服務(wù)器及井下分站等硬件及ARAMIS_WIN、ARAMIS_REJ及HESTIA軟件構(gòu)成。我國2006年首次引進該系統(tǒng)，目前已在國內(nèi)40多個礦井實現(xiàn)成功應(yīng)用。

該系統(tǒng)最基本的功能是實時監(jiān)測振動波形、有效拾取微震事件，并對微震事件進行定位和能量計算，再結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)條件、回采工藝等因素，對可能發(fā)生的沖擊地壓災(zāi)害做出預(yù)評價，從而指導(dǎo)現(xiàn)場沖擊地壓的防治工作[3]。

3 微震震源定位理論

圖2示意地震波在均勻介質(zhì)內(nèi)的傳播。其中從震源傳播到臺站的最短時間可由式（1）描述。

圖2 微震定位示意圖

式中：

t0-微震事件的發(fā)震時刻；

h=（x0,y0,z0）-震源的三維坐標；

Si=（x0,y0,z0）-第i個微震臺站的三維坐標；

εi-第i個臺站的到時誤差，（i=1,......,n）。

對于均勻和各向同性速度模型，自震源n到第i個臺站的走時為：

式中：

vp-P波波速，為已知常數(shù)。

綜合式（1）和式（2）有 4個未知數(shù)，要解這個方程至少需要4個觀測站的數(shù)據(jù)，震源參數(shù)t0和h=（x0,y0,z0）可以通過以下函數(shù)的最小值來估算：

這里x0=（t0,x0,y0,z0），從1到被激發(fā)的臺站數(shù)量進行求和，p值≥1，一般情況下選擇p=2，也就是最小二乘估計。

式中：

δr(n)-在空間內(nèi)點θ(n)上的時間殘差矢量；

A-在θ(n)上計算的式（1）對參數(shù)θ的(n×4)偏微分矩陣。

在計算偏微分矩陣A時，必須代入震源位置h和微震臺網(wǎng)布置方案s[4]。

4 臺網(wǎng)設(shè)計的D值最優(yōu)設(shè)計理論

一般情況下，臺站的選擇應(yīng)該依賴于一個與給定臺站有關(guān)的值，然后可以用其最小值來限定這個最佳網(wǎng)絡(luò)。這個值應(yīng)該依賴于震源參數(shù)x的協(xié)方差矩陣。因此大部分情況下，最佳網(wǎng)絡(luò)的選擇可以通過以下描述：

式中：

Cx-震源參數(shù)x的協(xié)方差矩陣；

s=(s1......,sn)-微震臺站坐標；

Ds-可能的臺站位置的空間域。

通常在臺網(wǎng)安裝前，對臺網(wǎng)內(nèi)所有臺站總是假設(shè)隨機誤差滿足相同的正態(tài)分布為單位矩陣，σ為隨機誤差的方差。

式中：

T—轉(zhuǎn)置運算。

5 微震監(jiān)測臺網(wǎng)測點布置確定原則

微震監(jiān)測臺網(wǎng)的建立是監(jiān)測工作的第一步，也是關(guān)鍵的一步，微震臺網(wǎng)的布置質(zhì)量直接影響臺網(wǎng)定位精度和后續(xù)的微震監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。因此，根據(jù)微震定位理論和D值優(yōu)化理論，在設(shè)計監(jiān)測臺網(wǎng)布置方案時，首先考慮礦井的開采和地質(zhì)因素，然后利用綜合指數(shù)法確定各個因素的影響權(quán)重，如下表1。

表1 高微震活動區(qū)域內(nèi)礦震發(fā)生概率

通過綜合指數(shù)即可確定各個區(qū)域的危險性，然后根據(jù)現(xiàn)場實際情況初步確定臺站可選點，再通過D值優(yōu)化準則進行優(yōu)化組合選擇，最終確定臺網(wǎng)的布置方案。為盡可能避免隨機因素中P波波速和P波到時讀入誤差的影響，減少震源定位的誤差，候選點的選擇還要考慮所處的環(huán)境因素和開采活動影響[5]。所以確定選擇監(jiān)測點的一般原則為：

（1）礦井需監(jiān)測的區(qū)域必須有4個以上拾震器或探頭覆蓋，最佳狀態(tài)為5個以上，以確保某一拾震器或探頭出現(xiàn)干擾過大或故障時，仍能保持對微震事件的監(jiān)測。

（2）拾震器或探頭應(yīng)盡量在空間上包圍監(jiān)測區(qū)域，并避免近似形成一條直線或一個平面；確因現(xiàn)場條件限制，無法實現(xiàn)包圍的監(jiān)測區(qū)域，要將拾震器或探頭在工作面兩順槽內(nèi)采用菱形布置，距超前支護段的距離不應(yīng)小于100m。

（3）在保證拾震器或探頭密度的同時，不能將拾震器或探頭布置的過密，應(yīng)具有足夠和適當?shù)目臻g密度，否則將導(dǎo)致對遠震的監(jiān)測誤差增大。

（4）部分監(jiān)測點應(yīng)盡可能接近待測區(qū)域，避免較大斷層及破碎帶的影響，拾震器或探頭安裝點的巖性要堅硬和完整，為減少波的衰減，拾震器一般安裝在巷道底板巖層中，探頭一般安裝在巷道頂板巖層中。

（5）監(jiān)測點周圍的噪聲要低，并應(yīng)遠離大型電器和機械設(shè)備的干擾，例如放有移變的配電點、皮帶機頭、局部通風機等；拾震器盡量放置在巷道硐室內(nèi)，以減少行人和礦車通過或作業(yè)時對監(jiān)測點的影響。

（6）監(jiān)測點的布置既要照顧當前開采區(qū)域，又要考慮未來一斷時間內(nèi)的礦井開采活動區(qū)域。

6 郭屯煤礦微震監(jiān)測臺網(wǎng)的預(yù)評價

根據(jù)以上理論和原則，郭屯煤礦ARAMIS M/E微震監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)方案如圖3所示，計劃安裝探頭14個，拾震器9個。分別監(jiān)測4302工作面、2301工作面、2302工作面、1307工作面、1314工作面、5300工作面等，后期將根據(jù)采掘現(xiàn)場實際情況再有針對性的調(diào)整。利用D值優(yōu)化準則，得出了郭屯煤礦微震監(jiān)測臺網(wǎng)的震中定位精度和震源定位精度云圖，分別如圖4、圖5所示。

微震監(jiān)測探頭包圍的區(qū)域誤差較小，越向外圍，誤差越大。合理的拾震器布置必須保證重點監(jiān)測區(qū)域全部處于定位誤差能滿足要求的值域范圍內(nèi)。

震中定位誤差決定了微震事件平面定位的精確性。由圖3可知，開采工作面基本都處于震中定位誤差較小的區(qū)域。工作面內(nèi)震中定位誤差大部分都分布在0～20m以內(nèi)，工作面初采期間誤差較大，原因是此處處于臺網(wǎng)邊緣。

震源定位誤差綜合反映了震中和震源深度的定位誤差。如圖4所示，震源定位誤差明顯要大于震中定位誤差。三個工作面基本都處于震源定位誤差的低值區(qū)，大部分都在0～30m范圍內(nèi)，可見監(jiān)測效果良好。

圖3 郭屯煤礦微震監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)方案平面圖

圖4 震中定位誤差云圖

圖5 震源定位誤差云圖

7 結(jié)論

（1）利用D值最優(yōu)設(shè)計理論對臺網(wǎng)進行數(shù)值仿真模擬，以震中和震源定位誤差進行評價，可以得出微震臺網(wǎng)的整體監(jiān)測質(zhì)量。

（2）綜合指數(shù)法可以確定高危險區(qū)域，提前預(yù)測高能微震事件的頻發(fā)區(qū)域，有利于指導(dǎo)臺網(wǎng)布置。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定最終的臺網(wǎng)布置方案，根據(jù)后續(xù)監(jiān)測情況可知，微震臺網(wǎng)對微震事件的定位精度較高，監(jiān)測質(zhì)量較好，郭屯煤礦微震臺網(wǎng)很好地滿足了現(xiàn)階段的監(jiān)測要求。