煤礦井下微震監測技術現狀與發展

焦健 南雄 陳德山

摘 要：將微震監測技術應用到煤礦的生產中，可以對災害情況進行監測，從而更好地規避煤礦生產中的事故。基于此，本文重點闡述煤礦微震監測技術的現狀以及今后的發展趨勢。

關鍵詞：煤礦安全；微震監測技術；現狀；發展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.076

0 引言

微震監測技術具體指的是在煤礦內的各個方位通過設置具有特定功能的傳感器，對礦井內的振動情況進行記錄，從而推斷出巖石結構的應力變化以及破壞情況。通過及時有效的采取防治措施，從而避免安全事故的發生。

1 微震監測技術的現狀分析

微震監測是通過監測巖體破裂產生的震動或其他物體的震動，對監測對象的破壞狀況、安全狀況等作出評價，從而為預報和控制災害提供依據的成套設備和技術。

1.1 微震震源定位技術

微震震源定位技術具體指的是通過信號收集裝置通過對信號的收集，并將其轉換成一種數據信息，通過特定的定位算法，反推出微震發生的空間位置以及發生微震的時間。這種定位技術的準確性會受到算法、設備以及設定的模型等方面的影響。按照定位原理的差異，還可以將微震震源定位方式分成兩種情況，一種是基于三軸傳感器的震源定位方式。另外一種是利用振動波的到時查實、波速以及傳感器的空間坐標進行計算。長期以來，微震震源定位技術的準確性對于煤礦生產的安全控制具有非常重要的影響，其中算法的發展不斷改善著該技術的準確性。具體有線性算法和矢量算法，線性算法對初始值的依賴性較強，因此需要保證初始值的準確性從而確保計算結果的準確性。相對而言，采用矢量算法可以大大提高準確性，但這種方式的數據計算量較大。隨著相關技術以及計算機軟硬件的發展，微震震源定位的算法不斷增加，但就目前而言，大多數算法還不能在根本上解決求解的發散與效率等問題。另一方面，震源定位的影響因素較多，因此還需要綜合各類影響因素，不斷提高算法的穩定性與定位精度。

1.1.1 觀測系統

為進一步提供定位的準確性，國內外開始對微震檢測平臺網的優化布置情況進行研究。具體可以通過檢測系統傳感站網空間布置方案，通過綜合分析確定最終方案，從而或獲取更加優質的檢測方案。目前通過采取有效措施可以實現對位置目標函數進行優化，在模型上進行優化完善，通過試驗表明這種模型相對于以往的可以更好地降低誤差。

對于微震檢測臺網進行優化的研究處于開始階段，受到監測條件的影響較大，因此為提高定位精度，還應該根據煤礦的實際情況，做好目標函數的優化工作。

1.2 微震信號的獲取與分析

由于煤礦井下的環境比較復雜，干擾因素較多，因此微震檢測系統可以收集到的信號有振動信號、電磁波信號、機械振動信號以及巖石破裂信號等等。煤礦井下的微震監測裝置需要快速準確的對振動情況進行識別定位，才能確保煤礦的安全生產。但就接收設備而言，如果在最快的時間內在復雜的信號中獲取準確信號，也是當前微震檢測技術中存在的重要問題。對信號的獲取主要有人工獲取和自動獲取兩種方式。人工方式具體要借助技術人員的處理，因此效率較低，同時由于信號較為復雜，在人為處理過程中容易造成不同程度的誤差，影響定位的準確性；自動獲取方式主要借助的地震感應中的相關技術。根據震動的具體情況可以選擇合理的方式從而保證精確度，但這種震動的獲取方式依然有一定的滯后性。當前，我國對于微震信號的獲取與分析依然處于研究階段，由于煤礦井下環境復雜，信號受到干擾情況非常嚴重，因此需要利用相關的模型結合相關的獲取技術，從而不斷提高微震監測定位技術的準確性。

2 煤礦微震監測技術的發展趨勢

微震監測技術在地下工程中的作用是多方面的，概括起來包括監測巖爆和礦震，應力集中與重分配，巖體大冒落，邊坡破壞，為地下結構設計提供參數和優化地下工程設計與施工，災害定位監測、預報和災害預警，地下災害安全救助，檢測工程（如大體積混凝土、地下注漿等）施工質量，監測巖體和混凝土結構的損傷和老化過程等諸多方面。

2.1 定位基礎理論的研究發展

由于煤礦井下環境復雜，影響微震震源定位精度的因素較多，因此當前的研究應該主要集中在定位精度的提高，或通過及時控制好單一重要影響因素的方式不斷提升準確性。但如果在根本上控制影響因素的干擾，應該綜合各類因素進行分析，通過嚴格的理論結合實驗進行分析，研究不同影響因素對最終結果的影響程度，通過完善模型，建立全面的誤差分析方法，從而全面改善微震監測技術的精度。

2.2 加強對設備的研究

目前，我國國內煤礦生產中使用到的監測設備主要來源于國外，由于我國的技術以及工業生產限制，導致設備的精度不高。因此監測成本較高。為改善這種局面，應該不斷發揮科研力量，通過借助資源優勢，加快對設備的研發以及更換，通過控制知識產權，在改善精度的同時降低煤礦生產成本。

2.3 加快信號識別與反演的研究

微震信號在獲取過程中具有非常多的干擾因素，因此及時有效對準確信號進行獲取也是改善定位精度的重要內容。在研究過程中應該重視分析有效信號與干擾信號的屬性差別，對包含大量干擾因素的信號進行預處理，從而提高對有效信號的處理效率。通過對技術以及設備的有效結合，從而形成一種抗干擾能力強、效率高的綜合獲取方式。

微震監測信號中包含非常重要的巖體結構信息，通過反演可以再現煤礦巖體破裂的過程，對于進一步提升監測精度，改善煤礦作業方式也具有重要的作用。

2.4 完善區域性的微震監測臺網

通過完善區域微震監測臺網，也是改善信號接收做好信號處理，從而規避安全事故的重要方式。目前我國已經建立國家數字地震臺網等觀測系統，進入數字時代后，對微震信號的監測速度將會大大提升。

3 結語

綜上所述，通過對煤礦微震監測技術的應用可以對煤礦井下的震動信號進行獲取分析，從而有效控制煤礦的安全生產。但當前該技術依然存在不成熟的地方，需加快對算法及模型進行研究，并做好設備的更新完善工作，讓該技術更好地在煤礦生產中發揮應有的價值。

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基金項目：甘肅省高校科研項目資助”及“項目編號：2017A-220”