基于奇異值分解法的古山礦微震系統(tǒng)監(jiān)測能力優(yōu)化?

侯敬民李 巖劉偉東郭英杰于慶波劉少虹

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市,024076; 2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 3.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院,北京市朝陽區(qū),100013; 4.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司古山煤礦,內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市,024076)

基于奇異值分解法的古山礦微震系統(tǒng)監(jiān)測能力優(yōu)化?

侯敬民1李 巖2,3劉偉東4郭英杰1于慶波1劉少虹2,3

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市,024076; 2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 3.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院,北京市朝陽區(qū),100013; 4.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司古山煤礦,內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市,024076)

微震監(jiān)測系統(tǒng)已成為古山煤礦礦山動(dòng)力災(zāi)害的主要監(jiān)測手段.為了保證微震系統(tǒng)定位和能量計(jì)算的準(zhǔn)確性,采用奇異值分解法對古山煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)用臺網(wǎng)監(jiān)測能力進(jìn)行評價(jià),從而發(fā)現(xiàn)了微震系統(tǒng)定位誤差較大區(qū)域,由此制定監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化方案,并對微震系統(tǒng)的臺網(wǎng)布置進(jìn)行優(yōu)化.最后采用現(xiàn)場爆破試驗(yàn)對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),結(jié)果表明微震系統(tǒng)的監(jiān)測誤差明顯下降.

采煤工作面 動(dòng)力災(zāi)害 微震系統(tǒng) 奇異值分解法 定位誤差 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)臺網(wǎng)布置優(yōu)化

微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度是對沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)的基礎(chǔ).微震事件的定位是礦山微震研究的第一步,也是最重要的一步.微震事件定位的精確性取決于多種因素,比如臺站分布、速度模型、震相讀取誤差、走時(shí)區(qū)域異常、定位算法、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境噪音、定位算法等,其中臺網(wǎng)布置和走時(shí)區(qū)域異常是現(xiàn)實(shí)中可以人為優(yōu)化改進(jìn)的.合理的臺網(wǎng)布置可以提高定位精度,增強(qiáng)監(jiān)測效果,降低設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)處理成本.可以說,臺網(wǎng)的優(yōu)化布置是利用好所有臺站、使網(wǎng)內(nèi)所有臺站有效配合發(fā)揮最大作用的關(guān)鍵.

微震系統(tǒng)臺網(wǎng)定位誤差的計(jì)算方法主要包括D值優(yōu)化法、蒙特卡洛法、動(dòng)態(tài)姿態(tài)網(wǎng)組合法等.本文在上述方法的基礎(chǔ)上,采用奇異值分解法,通過震源參數(shù)的線性相關(guān)性評價(jià)震源定位結(jié)果的優(yōu)劣,從而對微震臺網(wǎng)定位精度進(jìn)行分析.

古山煤礦三井已出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),而作為礦山動(dòng)力災(zāi)害的主要監(jiān)測手段,微震監(jiān)測系統(tǒng)已在古山煤礦取得較好的應(yīng)用效果,為保證礦震定位和能量計(jì)算的準(zhǔn)確,提高預(yù)測預(yù)報(bào)礦井沖擊地壓的可行性,采用奇異值分解法對古山煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)用臺網(wǎng)的監(jiān)測能力進(jìn)行評價(jià),從而發(fā)現(xiàn)微震系統(tǒng)定位誤差較大區(qū)域,由此對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.

1 微震臺網(wǎng)監(jiān)測能力評價(jià)原理

假設(shè)微震臺網(wǎng)包含n個(gè)臺站,各臺站坐標(biāo)β＝(xi,yi,zi),i＝1,2,…,n.震源坐標(biāo)為β＝(x0,y0,z0),微震事件震源的發(fā)震時(shí)刻為t0.震源參數(shù)θ＝(x0,y0,z0,t0).當(dāng)發(fā)生一個(gè)微震事件時(shí),該臺網(wǎng)記錄到了m個(gè)觀測到時(shí)tj,j＝1,2,…,m,第i個(gè)臺站理論走時(shí)Ti和到時(shí)殘差ri.

在震源參數(shù)近似值θ?＝(x?0,y?0,z?0,t?0)處對走時(shí)Ti應(yīng)用一階Taylor展開式,并結(jié)合觀測到時(shí)ti可以得到到時(shí)殘差ri的表達(dá)式.使用矩陣表示如下:

式中:A——m×n維微震波走時(shí)偏導(dǎo)數(shù)矩陣;

b——常量;

m——收到信號的拾震器的個(gè)數(shù);

x——待求參數(shù),包括震源坐標(biāo)(x0,y0,z0)和發(fā)震時(shí)刻t0.

因?yàn)榭梢赃M(jìn)行微震事件震源定位的前提條件是必須最少有4個(gè)臺站可以判讀震相初至,因此此處n≥4.

對矩陣A進(jìn)行奇異值分解,得到:

式中:U——m×m維矩陣,其列向量為AAT的m個(gè)正交歸一本征矢量;

V——n×n維矩陣,其列向量為AAT的正交歸一本征矢量;

S——m×n維對角奇異值矩陣,元素包括λ1,λ2,…λn;

AT——A的轉(zhuǎn)置;

T——矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算.

再由估計(jì)參量空間的協(xié)方差矩陣推出觀測值的協(xié)方差矩陣C(r),主對角元素是各觀測值的到時(shí)方差,可得到估計(jì)參量空間的協(xié)方差矩陣H.

H的主對角元素是震源參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差的估計(jì)值.震中和震源深度的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為:

式中:H11、H22、H33——矩陣H的主對角元素;

σxy——震中的標(biāo)準(zhǔn)誤差;

σz——震源深度的標(biāo)準(zhǔn)誤差.

協(xié)方差矩陣H的非對角元素可以用于估計(jì)震源參數(shù)間的線性相關(guān)性,而較高的震源參數(shù)線性相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致震源定位迭代過程失穩(wěn),對計(jì)算結(jié)果和收斂速度影響很大.因此,依據(jù)式(4)的計(jì)算結(jié)果繪制云圖,對微震臺網(wǎng)的定位誤差進(jìn)行評估,從而確定微震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力及其優(yōu)劣性.

2 古山礦三井現(xiàn)用微震臺網(wǎng)監(jiān)測能力評價(jià)

首先對古山礦三井現(xiàn)用微震臺網(wǎng)監(jiān)測能力進(jìn)行評價(jià),微震臺網(wǎng)評價(jià)取P波平均波速為4000 m/s,到時(shí)讀取方差為0.05 s,以能量為100 J的微震事件的定位精度作為評價(jià)基準(zhǔn).

依據(jù)式(4)繪制現(xiàn)有微震監(jiān)測臺網(wǎng)定位誤差云圖,如圖1所示.三井井下共安裝9臺拾震器.其中,S1、S7拾震器位于東068-1工作面切眼附近,S3、S6拾震器分別位于東068-1回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷中距離石門較近的位置,其余S12、S4、S5、S8、S2拾震器皆位于三井開拓大巷內(nèi).由圖1可知,現(xiàn)有微震臺網(wǎng)存在兩個(gè)問題.

(1)東068-1工作面切眼處存在定位誤差劇烈變化帶這是由于切眼處于微震臺網(wǎng)包圍區(qū)域外側(cè),且該處S1和S7拾震器距離太近,二者相距僅約為110 m;與之對比,S1和S2拾震器的距離約為310 m,其外側(cè)區(qū)域就沒有定位誤差的劇烈變化帶.

(2)西068掘進(jìn)工作面附近區(qū)域,尤其是S12拾震器左側(cè)區(qū)域定位誤差較大且存在誤差劇烈變化帶.這是由于該區(qū)域拾震器布置較少,微震臺網(wǎng)對其監(jiān)測能力較弱,導(dǎo)致定位誤差出現(xiàn)了明顯的增加.

鑒于上述問題,目前微震臺網(wǎng)將不能滿足古山三井的監(jiān)測需求,由此,將對古山礦三井微震臺網(wǎng)布置進(jìn)行優(yōu)化.

圖1 現(xiàn)用臺網(wǎng)震中定位誤差云圖

3 微震臺網(wǎng)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案及其定位效果

根據(jù)目前礦井采掘情況及現(xiàn)用微震臺網(wǎng)存在的問題,提出微震臺網(wǎng)布置優(yōu)化方案.

將S4拾震器移至+320西運(yùn)輸大巷與回風(fēng)下山交叉處,移除S5,將S6移至東068-1運(yùn)輸巷巷道口處.優(yōu)化方案需要移動(dòng)和去除的拾震器詳細(xì)信息見表1,表中拾震器坐標(biāo)還要根據(jù)實(shí)際安裝完成后通過井下實(shí)測結(jié)果進(jìn)一步修正.

表1 優(yōu)化方案中需要操作的拾震器信息

依據(jù)式(4)繪制優(yōu)化方案的微震監(jiān)測臺網(wǎng)定位誤差云圖,如圖2所示.

圖2 優(yōu)化方案震中定位誤差云圖

3.2 優(yōu)化方案與現(xiàn)用臺網(wǎng)定位效果對比

對比圖1和圖2可知,將S4移至+320西運(yùn)輸大巷與回風(fēng)下山交叉處后,S12左側(cè)區(qū)域的定位誤差明顯下降,原本S12左側(cè)區(qū)域的定位誤差最低為70 m,優(yōu)化后降低至40 m以下,并且誤差劇變情況大大減弱,誤差劇變帶基本消失,這對西068工作面微震事件的監(jiān)測是有利的.

將拾震器S6移至東068-1運(yùn)輸巷口后,定位誤差小于30 m的區(qū)域隨之向左側(cè)增加,擴(kuò)展至拾震器S12上,對西068掘進(jìn)工作面上下兩巷的監(jiān)測精度進(jìn)一步提高.

4 現(xiàn)場爆破校驗(yàn)

在工作面回采過程中,采用煤層卸壓爆破和頂板預(yù)裂爆破作為沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的解危措施,微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄到這些爆破事件的波形.統(tǒng)計(jì)10個(gè)能量大于103J的典型放炮事件,對微震監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化前后實(shí)際監(jiān)測誤差與計(jì)算誤差進(jìn)行比較,微震系統(tǒng)的計(jì)算誤差由式(4)計(jì)算,如表2所示.首先,對比實(shí)際的震中和震源誤差與計(jì)算得出的震中和震源誤差,已知微震監(jiān)測系統(tǒng)震中誤差允許范圍為± 20 m,震源誤差允許范圍為±50 m,則震中吻合率為75%,震源吻合率為90%.可知本文對定位精度的評價(jià)方法可信度較高,可以為現(xiàn)場提供可靠參考.然后,對比微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)優(yōu)化前后監(jiān)測的實(shí)際誤差,可知通過微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)優(yōu)化監(jiān)測誤差下降了8%～19%.

利用奇異值分解技術(shù)相結(jié)合的方法對微震監(jiān)測臺網(wǎng)進(jìn)行定位誤差計(jì)算,由此對微震臺網(wǎng)布置進(jìn)行優(yōu)化,對保證微震系統(tǒng)的監(jiān)測精度以及對沖擊地壓災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)具有重要的指導(dǎo)意義.

表2 系統(tǒng)優(yōu)化前后能量大于103J的放炮事件監(jiān)測與計(jì)算誤差對比

5 結(jié)論

(1)微震臺網(wǎng)的布置和拾震器安裝均對微震定位的精確性起著重要作用.首先,微震臺網(wǎng)布置優(yōu)良,將會(huì)大幅減少甚至消除定位誤差較大區(qū)域,提高定位精度和速度.其次,拾震器安裝基礎(chǔ)越好,噪音越低,接收的震動(dòng)波越清晰,將有利于確定P波初至?xí)r刻,同時(shí)還可增加拾震器監(jiān)測范圍.

(2)以微震事件的定位精度作為評價(jià)基準(zhǔn),對古山礦三井現(xiàn)用微震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力進(jìn)行評價(jià),發(fā)現(xiàn)了古山礦三井已用微震臺網(wǎng)存在的問題.

(3)針對古山礦三井現(xiàn)用微震臺網(wǎng)存在的問題,基于微震臺網(wǎng)的優(yōu)化布置原則,對現(xiàn)用臺網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化.通過優(yōu)化,微震監(jiān)測誤差下降了8%～19%.

(4)通過井下爆破對本文的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),由校驗(yàn)結(jié)果可知本文的評價(jià)方法可信度較高,可以為現(xiàn)場提供可靠參考.

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Optimization of monitoring ability of microseismic system in Gushan Mine based on singular value decomposition method

Hou Jingmin1,Li Yan2,3,Liu Weidong4,Guo Yingjie1,Yu Qingbo1,Liu Shaohong2,3
(1.Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co.,Ltd.,Chifeng,Inner Mongolia 024076,China; 2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 3.Coal Mining Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 4.Gushan Mine,Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co.,Ltd.,Chifeng,Inner Mongolia 024076,China)

Microseismic monitoring system had been the main monitoring method of mine dynamic disaster in Gushan Coal Mine.To ensure the system localization and energy calculation, singular value decomposition was adopted to evaluate the monitoring ability of current network of microseismic system,which had found out the area with larger location error,so monitoring system optimum proposal for network layout was worked out.Field blasting tests for verifying the optimizing results showed that the monitoring error of microseismic system declined obviously.

coal mining face,dynamic disaster,microseismic system,singular valued composition method,location error,strong strata behaviors,network layout optimization

TD326

A

侯敬民(1974-),男,赤峰平莊人,漢族,高工,從事采礦工程與煤礦安全科研及管理工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2015-TDKC-05、KJ-2015-TDKC-11、KJ-2016-TDKC-01)