微震監測系統定位精度試驗研究*

趙聰聰，唐紹輝，覃 敏，郭曉強，焦文宇，劉 暢

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微震監測系統定位精度試驗研究*

趙聰聰1, 2，唐紹輝1, 2，覃 敏1, 2，郭曉強1, 2，焦文宇1, 2，劉 暢1, 2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

以云南某鉛鋅礦微震監測系統為背景，對構建微震監測臺網過程中的震源定位精度進行了調試試驗，采用人工爆破試驗校核系統定位誤差，試驗確定了2個礦區微震監測系統的最優震動波傳播速度，即1#采區P波波速為4400 m/s、S波波速為3810 m/s，爆破定位試驗最小精度誤差為8.3 m，單向最小偏差為1.2 m；2#采區P波波速為5000 m/s、S波波速為3500 m/s，爆破定位試驗最小精度誤差為5.6 m，單向最小偏差為0.8 m。通過爆破定位試驗，2套微震監測系統均取得了預期的監測效果，達到了礦山的監測要求。

微震監測；震源定位；定位誤差；精度調試

0 引 言

微震監測技術在礦業工程、巖土工程、水庫大壩、隧道等工程中的應用日漸深廣，為安全生產的預防與控制奠定了基礎[1?2]。根據微震監測震源定位系統，能夠對研究對象的現場工況以及災害發生進行一定的預測和預判[3]。在研究過程中，震源定位精度的準確性至關重要[4?5]。在震源定位精度實驗研究中，基于由Geiger[6]提出的經典算法衍生出諸多其它算法，主要有基于理論基礎的數學算法研究[7?8]、基于計算分析軟件的程式化研究[9]等，都是在算法理論基礎上進行定位精度優化研究。實際工程應用中應由試驗到實際工程逐步研究過渡[10]。本文與前述研究方法和對象的主要區別在于：首先，基于經典算法[6]，使用人工爆破的試驗方法，在現場試驗中不斷調試；然后，結合實際工況條件進行實驗，尋找最佳調試波速速度；再根據微震監測系統布設臺網中的傳感器接受到的巖體破壞信號進行定位調試，使符合現場工況條件的定位精度達到最優。

1 微震監測系統構建

微震監測系統臺網布設和優化設計對定位精度的調試有著顯著影響[11]，本文對該系統的臺網布設已做出最優設計。由于1#采區和2#采區間距遠大于微震監測系統的常規有效監測與傳輸距離，不便于操作維護，并且由于線路、設備產生故障等易影響整個系統運行，故對1#采區和2#采區分別建立一套獨立的微震監測系統。

本實驗研究中監測工程多，分布范圍廣，結合礦區地質構造特征和礦山工程自身穩定性情況，對監測區域進行優化分類：一類監測區域為采場區域，定位精度不大于10 m，主要監測1#采區+404 m水平~+274 m 水平之間的采場和2#采區+261 m水平~+31 m 水平之間的采場，以及所在采場區域內的主要構筑設施；二類監測區域主要包括+764 m中段大巷、+584 m中段大巷以及主要提升運輸豎井和主要回風井。該區域內礦山巖體較為穩固，受布置條件的限制，監測精度要求略低。

該微震監測系統建設由12臺數據采集儀和56個傳感器組成。其中1#采區由5臺數據采集儀和24個傳感器組成，形成一套30通道的微震監測系統；2#采區由7臺數據采集儀和32個傳感器組成，形成一套38通道的微震監測系統。

1#采區井下微震設備分別布置在+274 m中段、+344 m中段、+404 m中段、+584 m中段和+764 m中段，其中：+764 m中段布置1臺4通道的數據采集儀和4個單分量傳感器，共4通道；+584 m中段布置1臺4通道的數據采集儀和4個單分量傳感器，共4通道；+404 m中段布置1臺8通道的數據采集儀和1個三分量傳感器、5個單分量傳感器，共8通道；+344 m中段布置1臺8通道的數據采集儀和1個三分量傳感器、3個單分量傳感器，共6通道；+274 m中段布置1臺8通道的數據采集儀和1個三分量傳感器、5個單分量傳感器，共8通道。井下數據交換中心布置在+584 m中段。

2#采區井下微震設備分別布置在+751 m中段、+571 m中段、+261 m中段、+151m中段、+91 m中段和+31 m中段，其中：+751 m中段布置1臺4通道的數據采集儀和3個單分量傳感器，共3通道；+571 m中段布置1臺4通道的數據采集儀和4個單分量傳感器，共4通道；+261 m中段布置1臺8通道的數據采集儀和1個三分量傳感器、5個單分量傳感器，共8通道；+151 m中段布置2臺數據采集儀，共設7個單分量傳感器，共計7通道；+91 m中段布置1臺8通道的數據采集儀和1個三分量傳感器、5個單分量傳感器，共8通道；+31 m中段布置1臺8通道的數據采集儀和1個三分量傳感器、5個單分量傳感器，共8通道。數據交換中心布置在+261 m中段。

2 微震監測系統定位精度試驗方案

2.1 試驗目的

微震監測系統現場安裝工程完成后，需要進行人工爆破試驗，主要目的有：

(1) 調試系統參數，主要是P波波速和S波波速設置；

(2) 校核系統定位誤差。

2.2 試驗要求

為了使爆破定位試驗取得預期效果，應達到以下基本要求：

(1) 爆破試驗位置應選在監測范圍內的中間巖體穩定區域，同時，要便于施工與爆破作業；

(2) 爆破點最好不少于3個，分別位于不同的位置，爆破點之間要相距一定的距離，應不小于100 m；

(3) 爆破鉆孔直徑40 mm左右，每次爆破藥量應不小于2 kg，最好用泡泥填塞一段孔口，保證爆破質量；

(4) 準確測量爆破點坐標，誤差不大于1 m；

(5) 爆破工應按照微震監測技術人員的要求進行各爆破點的爆破試驗，并準確記錄爆破相關參數，如炸藥量、放炮時間及放炮點位置等。

2.3 試驗步驟

為保證微震監測系統爆破定位試驗準確有效，一般按照以下步驟開展試驗：

(1) 提前做好打眼及鉆孔坐標測量等準備工作；

(2) 做好對接協調工作，確定好現場負責人及對接方式；

(3) 裝藥前，電話溝通確認系統運行正常；

(4) 爆破后，電話溝通確認是否成功爆破以及系統是否有效采集。

2.4 注意事項

為了保證微震監測系統爆破定位試驗準確有效，需要注意以下幾點：

(1) 鉆孔應選在穩定性較好的巖體中，鉆孔成孔應圓、直；

(2) 炸藥應保質保量，避免啞爆；

(3) 爆破人員每次爆破前應與微震監測技術人員電話溝通，確認后方可起爆；

(4) 每次爆破試驗點應與礦山采掘爆破間隔開一段時間，至少大于10 min。

3 微震監測系統定位精度試驗

系統參數設置情況，含系統默認波速等參數，金屬礦山通常P波波速為4000~6000 m/s，S波波速為2500~4500 m/s，由于不同工程和巖體介質的差異性，需要通過現場定位試驗，修訂和調整系統參數設置，提高微震事件定位精度。一般初始設定P波波速為5500 m/s，S波波速為3500 m/s，然后對波速進行反演、調整、驗證，直至確定對應礦區最優波速等參數，達到有效定位精度。

3.1 試驗內容

1#采區分別在5月4日、5月8日和5月11日成功地進行了爆破試驗，有效爆破共4次，具體爆破試驗參數見表1，爆破事件系統定位參數見表2。

表1 1#采區爆破試驗參數

表2 1#采區微震監測系統爆破事件定位參數

2#采區分別在5月7日和5月13日成功地進行了爆破試驗，有效爆破共3次，具體爆破試驗參數見表3，爆破事件系統定位主要參數見表4。

3.2 定位調試結果及分析

(1) 1#采區定位調試結果及分析。根據1#采區爆破試驗數據，對該礦區的震動波傳播速度進行了校核，確定了最優波速，即P波波速為4400 m/s，S波波速為3810 m/s。結合表1和表2，分析計算4次有效爆破試驗結果見表5。

表3 2#采區爆破試驗參數

表4 2#采區微震監測系統爆破事件定位參數

表5 1#采區爆破試驗定位情況

1#采區微震監測臺網布設及精度調試定位比較，如圖1所示。

由表5、圖1可知，1#采區一類監測區域最小定位精度誤差為8.3 m，單向最小偏差為1.2 m，其中第3次爆破試驗定位精度誤差為14.1 m，可能原因是爆破點坐標未準確測量、爆破信號受到其它震源信號干擾、信號傳輸介質復雜等；二類監測區域由于監測區域大，布置傳感器少，且工程條件受限未能形成基本的包絡狀，定位精度相對較低。整體上，此次1#采區爆破定位試驗成功完成，取得了預期的監測效果，達到了礦山的監測要求。

四面體—傳感器；球體—爆破事件和系統定位事件

(2) 2#采區定位調試結果及分析。根據2#采區爆破試驗數據對該礦區的震動波傳播速度進行了校核，確定了最優波速，即P波波速為5000 m/s，S波波速為3500 m/s。3次有效爆破試驗定位情況見表6。

2#采區微震監測臺網布設及精度調試定位比較，如圖2所示。

表6 2#采區爆破試驗定位情況

四面體—傳感器；球體—爆破事件和系統定位事件

2#采區最小定位精度誤差為5.6 m，單向最小偏差為0.8 m，其中第二次爆破試驗定位精度誤差為13.8 m，可能原因是爆破點坐標未準確測量、爆破信號受到其它震源信號干擾、信號傳輸介質復雜等。另外，+571 m水平以上監測范圍內的中間區域沒有合適的爆破試驗點，因此，未取得該區域內的有效爆破事件。但對2#采區微震監測系統的有效監測無影響。同時，+571 m水平以上監測區域大，布置傳感器少，且工程條件受限未能形成基本的包絡狀，相對礦山二類監測區域包絡狀條件更差一些，定位精度會相對較差。整體上，2#采區爆破定位試驗成功完成，取得了預期的監測效果，達到了礦山的監測要求。

4 結 論

定位精度實驗研究表明：不同礦山的工況條件大不相同，實際波速傳播影響因素不同，需要現場測試調試才具有實際工程應用價值；在有效監測范圍內，不同區域的監測效果因臺網布設的具體情況而不同，因而定位精度在不同分區內應用更有效，無法確保其是否能夠滿足其它礦山的實際應用。

(1) 1#采區和2#采區共進行7次有效爆破試驗，均已成功完成了定位精度調試試驗。

(2) 確定了兩個礦區微震監測系統的最優震動波傳播速度。即1#采區P波波速為4400 m/s、S波波速為3810 m/s；2#采區P波波速為5000 m/s、S波波速為3500 m/s。

(3) 人工爆破實驗調試至最佳定位精度。1#采區爆破定位試驗最小精度誤差為8.3 m，單向最小偏差為1.2 m；2#采區爆破定位試驗最小精度誤差為5.6 m，單向最小偏差為0.8 m。

(4) 通過人工爆破定位試驗，兩套微震監測系統均取得了預期的監測效果，達到礦山的監測要求。

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中國五礦集團有限公司科技專項計劃項目(2016-2017年度戰略前沿技術研究).

(2018?11?01)

趙聰聰(1992—)，男，河南南陽人，在讀碩士研究生,主要研究礦山安全與巖體力學，Email：1175707689@ qq.com。