光纖微震監測系統及其在五陽煤礦的應用研究

張華 胡賓鑫 朱峰 王紀強 宋廣東

摘要：光纖微震監測技術通過觀測分析生產活動中產生的微小振動事件，對其進行監測預警，具有無源、可靠性高等優點。傳感器垂直安裝在巷道幫部錨桿上，監測分站安裝在硐室內，傳感器與監測分站通過敷設的光纜形成監測網絡。采用單純形法進行震源定位，此方法在定位計算過程中不會出現發散問題，穩定性高，在求解過程中不需要求解偏導和逆矩陣，降低了運算量，提高了運算效率，每只傳感器可以根據實際情況采用不同波速進行計算，更加符合實際情況。光纖微震監測系統安裝于山西五陽煤礦，進行了初步的監測應用，并對監測結果進行了分析，結果證明該系統能夠監測礦山活動，發揮預警功能，對安全生產起到了積極作用。

關鍵詞：光纖加速度傳感器；微震監測；單純形法；監測預警

中圖分類號：TD326?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2023）05-0060-07

Optical fiber microseismic monitoring system and its application research in Wuyang Coal Mine

ZHANG Hua， HU Binxin， ZHU Feng，WANG Jiqiang，SONG Guangdong

（Laser Institute， Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250103， China）

Abstract∶Optical fiber microseismic monitoring technology is used to monitor and alert the microvibration events generated during production activities through observation and analysis with passivity and high reliability. Herein， the sensors are vertically installed on the side bolts along the roadway， and the monitoring substation is installed in the chamber. The sensors and the monitoring substation constitute a monitoring network through the laid optical cables. Besides， the simplex method is used to locate the seismic source. This method is free from divergence problems in the location calculation and is highly stable. Moreover， in this method， the solution of the partial derivative and inverse matrix is not required， which reduces the calculation amount and improves the calculation efficiency. Additionally， each sensor can use different wave velocities during the calculation based on the actual situation. The optical fiber microseismic monitoring system was installed in Shanxi Wuyang Coal Mine for preliminary monitoring and application， and the monitoring results were analyzed. The results show that the system can monitor mine activities and warn early， thereby playing a positive role in safe production.

Key words∶optical fiber acceleration sensor; microseismic monitoring; simplex method; monitoring and early warning

煤炭長期以來是我國的主要能源，是經濟發展的支柱產業。隨著國民經濟持續快速發展，大規模深部礦產資源開采逐漸成為我國采礦行業的趨勢。隨著開采深度不斷加大，地應力明顯增大，同時產生大量的微震活動，誘發深部巷道的高強度動力災害，造成重大人員傷亡和經濟損失。以煤與瓦斯突出、突水、隧道巖爆為主的動力災害已成為工業安全領域的主要災害[1-2]。這些動力災害已經成為制約我國煤炭行業發展的關鍵因素。巖體微破裂萌生、擴展和貫通是煤與瓦斯突出、巖爆形成的重要前兆信息，對前兆信息的精確捕捉、測量、分析已成為動力災害監測預警防治亟待突破的關鍵問題。研究和實踐表明，微震監測技術是用巖體變形和破壞后本身發出的彈性波來監測工程巖體穩定性的技術方法，是巖體破裂監測的有效手段。

于群等[3]和王創業等[4]引進加拿大ESG（Engineering Seisnology Group）微震監測系統后，分別將其應用于錦屏水電站、大崗山水電站、洋山隧道等，研究微震事件分析方法，對動力災害進行預警。Ma等[5]和辛崇偉等[6]對系統軟硬件改進，設計了井下微震定位系統，在華豐煤礦等處實現了應用。竇林名等[7]與波蘭礦業研究院合作引進波蘭SOS（seismological observation system）微震監測系統，在桃山煤礦等進行實時監測。

但是，上述微震監測系統中前端傳感探頭均是基于壓電式、電容式等電學理論，使用過程需要供電，易受電磁干擾，在煤礦等易燃易爆環境應用時受到限制。而光纖傳感器具有靈敏度高、頻響寬、動態范圍大、本質安全等優點，由此本文設計了基于懸臂梁式加速度傳感器的光纖微震監測系統，并將其應用在五陽煤礦。

1 微震監測技術

1.1 微震監測原理

巖石在受到外力或內力作用時，其內部將會產生局部彈塑性能集中現象，當能量積累到臨界值之后，將引起巖體微裂隙的產生與擴展，微裂隙的產生與擴展伴隨著彈性波或應力波的釋放并在周圍巖體內快速傳播，這種彈性波就稱為微震。微震監測技術是通過觀測、分析生產活動中產生的微小振動事件，以監測其對生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術，可以實現三維空間連續、動態監測，定位精度高、可靠性強[8-10]。當巖石或煤層因為外界因素發生破裂或移動時，產生微弱的微震信號向周圍傳播，微震傳感器可以接收這些信號，記錄微震信號的到達時間、傳播方向等信息，利用定位算法確定破裂點，即震源位置。

本文設計懸臂梁式加速度傳感器，其基于慣性原理實現加速度測量，采用懸臂梁式結構，光纖布拉格光柵黏貼在懸臂梁上，當外界發生振動或沖擊時，傳感器的外殼和質量塊會發生振動，使黏貼在懸臂梁上的光纖發生應變，從而導致光纖的中心波長發生移動。該項目監測設備采用的是自主研發生產的礦山微震監測系統，系統組成如圖1所示。

微震監測系統主要包括5支光纖微震傳感器、微震監測分站、光纜、交換機、同步時鐘、主站等，安裝示意圖如圖2所示。

傳感器垂直安裝在巷道幫部錨桿上，監測分站安裝在硐室內，傳感器與監測分站通過敷設的光纜形成監測網絡。5通道微震監測系統可對8003回風巷的開采面產生的微震事件進行24 h不間斷監測，傳感器將獲得的微震信號通過光纜傳送至微震監測分站，監測分站接收各通道的數據，將數據通過環網傳送至地面主站，計算機進行數據分析，形成報告。

1.2 微震監測系統定位

震源事件的定位是微震監測技術研究的主要內容，震源事件的定位能夠確定煤巖體破裂的時間和坐標，是煤巖動力災害監測預警的基礎。微震監測定位方法較多，通常根據定位原理分為兩大類：一是基于三分量傳感器的震源定位方法；二是基于不同到時原理的震源定位方法。第二種是目前微震定位監測中應用最廣的一類震源定位方法，例如經典的Geiger法、粒子群算法、Powell算法、單純形法等[11-16]。經典的Geiger法屬于特殊的線性定位算法，將非線性方程組采用牛頓高斯法進行線性化，計算出方程組的最小二乘解，使觀測到時間與計算到時間之間的到時殘差最小。Geiger法采用多支傳感器進行定位，極大程度上提高了定位的準確性，但是此算法過度依賴初始值的選取，若選擇不當，易出現定位不準或無法定位的問題。單純形法是一種適用于求解多維無約束優化問題的一種數值搜索方法，在連續改變幾何圖形的過程中，相互比較單純形各頂點的目標函數值，逐步以目標函數值較小的頂點取代目標函數值較大的頂點，在迭代過程中將單純形逐漸向最優點移動，從而進行優化。而單純形法在定位計算過程中不會出現發散問題，穩定性高，在求解過程中不需要求解偏導和逆矩陣，降低了運算量，提高了運算效率，每只傳感器可以根據實際情況采用不同波速進行計算，更加符合實際情況，所以本文采用的是單純形法進行定位計算，算法步驟如下：

第一步 計算每支傳感器之間獲取信號的到時差值以及各支傳感器的坐標，選取5支信號完整的傳感器，作為5個頂點構造初始的單純形。通過線性定位初步計算微震震源的位置，得到初始定位坐標p0x0，y0，z0；

第二步 根據微震傳感器的坐標，計算每個傳感器的殘差。設微震發生的時刻為t0，震源坐標為Sx0，y0，z0，第i支微震傳感器的坐標為Tixi，yi，zi，其中i表示探測到微震有用信號的微震傳感器個數，第i支微震傳感器的微震波初至到時時刻為ti，微震波到達第i支微震傳感器的波速為vi，則震源定位方程可表達為

根據最小二乘法原理，震源定位的目標函數可以表示為

其中，γi為微震傳感器的殘差，即觀測到時和計算到時之間的差值，可用式（3）表示，

γi=ti－t0+tti，（3）

式中，tti為第i支微震傳感器的計算到時；

第三步 比較5個點的殘差，選出最大值和最小值，通過映射、擴展、壓縮、收縮等4種形式在誤差空間中將原單純形中的頂點替換成新的單純形；

第四步 不斷重復第三步，得到新的單純形，使單純形朝著空間內目標函數值最小的方向移動，直到找到最佳的震源位置，得到定位結果。

算法流程圖見圖3。

2 微震監測系統數據分析

五陽煤礦位于山西省長治市襄垣縣王橋鎮，微震監測設備安裝在8003回風巷，地表位于西周村、東元垴村、西元垴村之間，地面標高為+925～+958 m。8003回風巷位于80采區南部，工作面標高為+283～+408 m，其南部為80-0305底抽巷，東部為80采區膠帶運輸巷，西部為8006放水巷，北部為實煤體。煤體結構為原生結構煤，煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，煤質為貧瘦煤。8003回風巷總設計長度1 789 m，現已掘進1 232 m，剩余557 m。向前掘進時選擇合適位置，開始留設頂煤，在相對穩定層位，沿中煤（頂煤不超1 m）掘進至切眼設計位置停掘，若因煤層酥軟或受到80-0305底抽巷造穴孔影響，無法留住頂煤時，仍改為沿頂板掘進至切眼設計位置。

2.1 微震數據處理

光纖微震監測系統將監測到的有效信號進行保存，在震源定位前首先對信號進行濾波和去噪，圖4是微震傳感器采集到的信號。對這些信號濾波，進行數據處理和分析之后，得到震源的位置坐標和能量見表1。

將震源位置在礦圖上進行標記，微震事件基本發生在采煤區，多是因為煤礦開采引起的，與礦上開采活動時間對應，監測效果較好。

2.2 微震監測結果分析

通過對微震事件的部分數據統計分析，繪制出折線柱狀圖，如圖5所示。

2022年5月1日至2日，微震事件頻次較低，5月3日至5月4日，微震事件數量頻次升高，監測到大量的微震事件信號，5日至7日微震事件數量下降。對單日微震事件進行數據統計分析，繪制柱狀圖如圖6所示。從圖6可以看出，微震活動主要集中在3個時期，分別為8～10時、11～13時和16～18時。結合現場實際生產活動情況，這3個時間段主要為礦山的作業生產事件，發生小規模爆破活動，從而引起巖體的擾動和損傷，導致巖體內部發生微破裂。這說明微震事件的產生大部分是由礦山開采活動引起的。

3 小結

本文采用光纖微震監測系統，進行了初步的監測應用研究，結果證明該系統性能良好，能夠監測礦山活動，發揮預警功能，滿足礦山微震監測的要求，具有良好的推廣應用前景。光纖微震監測系統對五陽煤礦的地壓監測、安全生產等提供了技術手段，對安全生產起到積極作用，推動了安全生產管理水平的發展。

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