陳家溝煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立及定位校準(zhǔn)

文/李學(xué)軍 宋治紅

陳家溝煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立及定位校準(zhǔn)

文/李學(xué)軍 宋治紅

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種區(qū)域性監(jiān)測(cè)方法，其原理是利用拾震儀站接收的直達(dá)P波起始點(diǎn)的時(shí)間差，在特定的波速場(chǎng)條件下進(jìn)行二維或三維定位，以判定破壞點(diǎn)，并根據(jù)所監(jiān)測(cè)的微震信號(hào)特征來(lái)確定巖體破裂的發(fā)生時(shí)間、空間位置及強(qiáng)度等，根據(jù)微震活動(dòng)的變化、震源方位和活動(dòng)趨勢(shì)可以評(píng)價(jià)礦壓危險(xiǎn)性。在微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝初始，一般需要在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)通過(guò)人為放炮制造震動(dòng)，通過(guò)已知的震源坐標(biāo)、放炮時(shí)間和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的震源信息來(lái)確定震動(dòng)在煤巖體中的傳播速率，校正監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性。甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦通過(guò)在某采區(qū)安裝KJ699微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用多次放炮來(lái)監(jiān)測(cè)定位，對(duì)自然震動(dòng)與炮震波形進(jìn)行對(duì)比，對(duì)該系統(tǒng)定位進(jìn)行校準(zhǔn)分析。本文對(duì)上述微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立及定位校準(zhǔn)事宜進(jìn)行詳盡闡述。

一、煤巖地質(zhì)概況

陳家溝煤礦所采煤層直接頂為泥巖、煤巖互層，老頂為砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，老底為中粒粗砂巖。礦井地質(zhì)構(gòu)造、水文情況簡(jiǎn)單，正常涌水量不超過(guò)80m3/h。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量2.523m3/min，相對(duì)涌出量0.744m3/t。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，爆炸指數(shù)43.64%以上。煤層自然發(fā)火期3至6個(gè)月，自燃等級(jí)Ⅰ級(jí)。礦井現(xiàn)進(jìn)行采掘活動(dòng)的工作面煤層埋深543.1m至560m。根據(jù)綜合分析判定，煤層覆巖中有三層關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層1為細(xì)粒砂巖，距離煤層頂板7.4m；亞關(guān)鍵層2為砂質(zhì)泥巖，離煤層頂板高度110.3m；主關(guān)鍵層粉砂巖，高度為196m。隨著開(kāi)采范圍的增大，關(guān)鍵層斷裂形成臨時(shí)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。大面積覆巖在重力作用下整體移動(dòng)，組合關(guān)鍵層呈似懸臂結(jié)構(gòu)斷裂，釋放能量。關(guān)鍵層未斷裂或未失穩(wěn)之前，主關(guān)鍵層之下形成較大的離層空間，關(guān)鍵層失穩(wěn)后，在上覆松散層加載作用下，產(chǎn)生巨大的動(dòng)載能量，可能誘發(fā)地應(yīng)力發(fā)生礦壓災(zāi)害。

表1 炮點(diǎn)實(shí)驗(yàn)定位誤差對(duì)比

二、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由地面和井下設(shè)備兩部分組成，地面設(shè)備有數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、終端分析計(jì)算機(jī)等，井下部分主要由微震監(jiān)測(cè)分站、GZC4.5A礦用拾震器組成（圖1）。微震系統(tǒng)包含采集、分析兩個(gè)軟件。礦井某采區(qū)工作面走向長(zhǎng)度約2400m，正在掘進(jìn)的工作面與相鄰工作面采空區(qū)之間留有寬度6m的小煤柱，以拾震器對(duì)所要監(jiān)測(cè)區(qū)域形成交錯(cuò)包絡(luò)為最佳布局設(shè)計(jì)，相鄰2臺(tái)拾震器間隔200m~300m，均勻分布（圖2），對(duì)掘進(jìn)工作面形成半包圍監(jiān)測(cè)，初期共安裝12臺(tái)傳感器。

三、定位校準(zhǔn)

1.波速給定

通過(guò)一期放炮實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)計(jì)算給定陳家溝煤礦特定煤巖地質(zhì)條件下的波速值為4159m/s，以此作為后面的定位波速值。

2.定位計(jì)算

在兩條掘進(jìn)巷道共布置了12個(gè)炮點(diǎn)，系統(tǒng)接收到可以定位的共有10個(gè)炮震事件，其中1號(hào)炮震通過(guò)6~7、11~13號(hào)傳感器接收到的震動(dòng)信號(hào)有效波形數(shù)據(jù)如圖3。

震源實(shí)際位置與系統(tǒng)定位誤差（ΔX，ΔY，ΔZ）如表1所示。

3.效果分析

大部分炮點(diǎn)定位結(jié)果跟實(shí)際位置誤差小于50m，1個(gè)炮點(diǎn)在垂直方向Z軸誤差超過(guò)50m，誤差136.8m。對(duì)這個(gè)炮點(diǎn)分析，炮點(diǎn)所在位置距掘進(jìn)頭最近的傳感器距離在500m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期布局網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于不能定位的2個(gè)炮點(diǎn)，通過(guò)查看波形分析得知，傳感器接收到震動(dòng)波形數(shù)量可以滿足定位要求，但由于遠(yuǎn)離布局網(wǎng)絡(luò)，距離最近的傳感器分別是500m和400m，使得定位偏差偏大。

從定位計(jì)算的結(jié)果看，由于各個(gè)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)炮點(diǎn)與傳感器的位置關(guān)系、裝藥放炮質(zhì)量、定位時(shí)選擇的通道及其數(shù)量、分析人員操作差異等原因，導(dǎo)致定位計(jì)算結(jié)果存在差異。傳感器分布在炮點(diǎn)（震源）周圍時(shí)，定位結(jié)果較為理想，且距離越接近越準(zhǔn)確，并可由系統(tǒng)一次定位成功，誤差較?。?~30m之間）；在炮眼深度、裝藥量相同的條件下，系統(tǒng)接收到的波形和定位計(jì)算的能量有差異，經(jīng)分析認(rèn)為與裝藥、放炮的質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)震動(dòng)能量有衰減損失；在已知炮點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，根據(jù)反復(fù)定位的結(jié)果，選擇炮點(diǎn)周邊的傳感器通道數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算，得出的誤差較小。同時(shí)，不同人員進(jìn)行定位操作得出的結(jié)果不一樣，且同一人移動(dòng)卡尺標(biāo)識(shí)波形起跳點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，結(jié)果也有差別。今后在定位計(jì)算中，需要不斷摸索練習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，減小定位誤差。

4.波形特征分析

炮震與自然礦震波形特征存在差別（圖4）。炮震屬于高頻震動(dòng)，衰減快，波形短；自然礦震屬低頻震動(dòng)，波形長(zhǎng)，衰減較慢，傳播的距離相應(yīng)也長(zhǎng)。

5.臺(tái)網(wǎng)布局完善

根據(jù)上述定位分析結(jié)果，增加1臺(tái)傳感器，調(diào)整了個(gè)別傳感器安設(shè)位置，第三次安排6個(gè)炮點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，位于布局網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的震源定位精準(zhǔn)度得到了提高。

四、結(jié)語(yǔ)

1．人為放炮制造震動(dòng)事件可以對(duì)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布局和定位計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化和校準(zhǔn)。

2．合理進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)布局設(shè)計(jì)，接收到的理想波形數(shù)據(jù)在5條以上，可以提高震動(dòng)事件的定位準(zhǔn)確性。

3．通過(guò)震動(dòng)波形特征分析可區(qū)分自然事件與炮震。

（作者單位：甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦）

（責(zé)任編輯：龐永厚）