礦山微震監(jiān)測的傳感器優(yōu)化布置研究

劉俊 呂順 呂壘

摘 要：微震監(jiān)測臺網(wǎng)的布置是提高微震定位精度的重要方法之一。文章通過分析礦山微震監(jiān)測的特點(diǎn)，提出影響微震記錄分辨率的三個(gè)主要因素：巖層結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的寬頻帶特征以及到時(shí)的不規(guī)律性。并通過對主頻和傳播速度的分析，建立了傳感器間距計(jì)算模型。以河南某礦某工作面為例，通過多次校驗(yàn)炮獲得工作面的波速及有效波形主頻，確立傳感器布置間距約為30 m。該方法為微震拾震傳感器的布置提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：觀測系統(tǒng)；微地震；地震波頻率；傳感器布置；主頻

中圖分類號：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0001-02

微震監(jiān)測技術(shù)作為目前礦山安全監(jiān)控最有效的監(jiān)測手段之一，在礦山安全中的應(yīng)用愈來愈受到人們的重視。隨著微震技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對定位精度的要求也越來越高。微震臺網(wǎng)的布置是提高微震定位精度的重要方法之一。

1 影響微震記錄分辨率的因素

在微地震監(jiān)測巖層破裂運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐中，為了提高震源的定位精度，除了定位算法外，如何準(zhǔn)確拾取地震波的初始到時(shí)同樣是影響定位精度的重要因素。根據(jù)地震原理和地震波傳播理論，影響原始微地震記錄分辨率的因素主要有以下幾個(gè)方面：

①巖性不同，地震波的折射、反射造成信號疊加，影響信號的質(zhì)量。

②傳播介質(zhì)的差異，造成信號頻率及振幅衰減的差異。

③到時(shí)的不規(guī)律性。不同道間接收到的地震波到時(shí)是不同的。檢波器布置的間距，影響了初始到時(shí)拾取的可靠性。

2 微震波的主頻與傳播速度分析

同一類型的地震波在除了傳播距離不同而高頻成分吸收不同外，在不同的傳播介質(zhì)中由于吸收系數(shù)的不同，地震波的高頻成分吸收程度也不盡相同。當(dāng)產(chǎn)生微地震事件處的巖層巖性及其地震波傳播介質(zhì)的巖性變化相對較小時(shí)，地震波的頻率就相對穩(wěn)定，此時(shí)，地震波的傳播速度也相對穩(wěn)定。反之，則傳播的速度變化起伏。

將礦山微地震監(jiān)測的全空間劃分成三層，上覆巖層和底板、基底巖層以及煤層。地震波在本層傳播時(shí)，為順層傳播，穩(wěn)定性較好；跨層傳播時(shí)，為穿層傳播，介質(zhì)不一，穩(wěn)定性較差。通過前期分析監(jiān)測區(qū)域地震波傳播的穩(wěn)定性，可以為選擇監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域與檢波器埋置的提供依據(jù)。

現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)，可利用標(biāo)定炮進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。通過不同激發(fā)環(huán)境和接收環(huán)境的組合，對接收到的地震波記錄進(jìn)行速度分析和頻譜分析，求出對應(yīng)組合的地震波傳播速度v和主頻f，為微震系統(tǒng)的現(xiàn)場布置提供依據(jù)。

3 檢波器間距的確定

假設(shè)S點(diǎn)是微地震震源位，xi和xi+1是相鄰兩個(gè)檢波器的位置，如圖1所示。根據(jù)地震波傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，震源S點(diǎn)到相鄰兩個(gè)檢波器Ri和Ri+1組成的線段RiRi+1及其延長線組成一個(gè)三維空間內(nèi)的平面SRiRi+1。

假設(shè)在該平面SRiRi+1內(nèi)，震源S點(diǎn)到線段RiRi+1及其延長線的垂足為Pi點(diǎn)，法向距離為hi。因此，地震波從震源位置S到達(dá)兩個(gè)檢波器Ri和Ri+1的時(shí)距關(guān)系為：

假設(shè)該地質(zhì)體邊緣上有一點(diǎn)S距離兩個(gè)相鄰檢波器連線RiRi+1及其延長線的最小法向距離為himin，在觀測系統(tǒng)參數(shù)xmi和Δxi不變的情況下，由公式（3）可知，監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)發(fā)生的微地震事件，地震波傳播到兩個(gè)檢波器之間的時(shí)差Δtis不大于點(diǎn)Sp發(fā)生的地震波傳播到兩個(gè)檢波器之間的時(shí)差Δtip，即：

根據(jù)地震波傳播原理，地震記錄分辨率取決于地震有效波到達(dá)相鄰檢波器的時(shí)差Δts和干擾波的干擾程度。假設(shè)有效波在地震記錄上的視周期為T，當(dāng)?shù)卣鹩行Рǖ竭_(dá)相鄰檢波器的時(shí)差Δti不大于視周期T的一半時(shí)，便能可靠地辨認(rèn)同一有效波的相同相位，反之，就不能可靠地分辨出同一有效波的相同相位。由于有效波的視周期T與有效波的主頻f互為倒數(shù)，因此便有：

4 工程應(yīng)用

基于上述研究，對河南某礦某工作面的微震監(jiān)測方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

①為了獲得該工作面的波速及主頻，在工作面底板進(jìn)行數(shù)次標(biāo)定炮作業(yè)（爆破用藥量約為0.3 kg），求取合理的微震波速。通過現(xiàn)場監(jiān)測標(biāo)定求得，平均波速約為4.93 m/ms。

②對埋在頂板巖層中的1#檢波器和埋在底板巖層中2#檢波器分別做主頻f為基準(zhǔn)的帶通濾波，求得有效波形的主頻約為75.2 Hz。

③利用上式求解可得，Δxi為32.8 m。考慮到兩傳感器過近，則到時(shí)時(shí)差較小，定位計(jì)算時(shí)誤差較大。因此，最終選擇35 m間距。

5 結(jié) 論

本文針對煤礦微震系統(tǒng)的布設(shè)，提出了基于微震波主頻與傳播速度的傳感器間距計(jì)算方法。主要進(jìn)行了如下研究：

①通過分析礦山微震監(jiān)測的特點(diǎn)，提出影響微震記錄分辨率的三要素。

②建立了基于標(biāo)定炮檢驗(yàn)方法的傳感器間距計(jì)算模型。

③通過河南某礦的現(xiàn)場驗(yàn)證，確立該礦某工作面的傳感器布置間距約為30 m。

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