基于光纖微震傳感的煤礦防越界開采監(jiān)測系統(tǒng)

郭書全，胡賓鑫，張永利，全 霓，朱 峰，張 華，宋廣東

(1.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719314；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.陜西領(lǐng)睿電子科技有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，一些煤礦企業(yè)法制觀念淡薄，受利益驅(qū)動(dòng)，越層越界開采行為時(shí)有發(fā)生，非法越界開采既破壞和浪費(fèi)了寶貴的礦產(chǎn)資源，又?jǐn)_亂了正常的礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序，同時(shí)還會(huì)造成礦井相互連通的重大安全隱患，是煤礦冒頂、透水、瓦斯爆炸等惡性事故的重要原因[1-2]。井下越界開采具有隱蔽性強(qiáng)、不易發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，目前國內(nèi)對(duì)煤礦越界開采的監(jiān)測主要采取專人定期現(xiàn)場巡查、臨時(shí)抽查的方式，但由于沒有明確的方位性，效率低下，耗費(fèi)大量人力、物力資源；不能實(shí)時(shí)監(jiān)測越界行為，出現(xiàn)越界開采事件難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多是等越界開采規(guī)模較大甚至是發(fā)生礦難的時(shí)候才察覺，但所發(fā)生的巨大損失已無法彌補(bǔ)；有時(shí)抓到了不法分子，由于證據(jù)不足，不能對(duì)其進(jìn)行應(yīng)有的懲罰。因此，對(duì)越界開采活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，確保科學(xué)執(zhí)法已成為亟待解決的問題。

煤礦井下開采活動(dòng)會(huì)引起巖石破裂和應(yīng)變能釋放卸載，產(chǎn)生微地震波信號(hào)，利用微震監(jiān)測和定位技術(shù)，通過對(duì)接收到的微震信號(hào)進(jìn)行處理、分析，確定微震事件發(fā)生的位置、大小、數(shù)量及能量釋放等信息，可作為評(píng)價(jià)煤礦越界開采活動(dòng)的依據(jù)[3]。目前，傳統(tǒng)礦用微震監(jiān)測系統(tǒng)仍普遍使用電磁式或壓電式微震傳感器，在信號(hào)拾取和傳輸過程中易受電磁場干擾，難以實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)保真拾取；由于供電限制，對(duì)諸如煤礦采空區(qū)等危險(xiǎn)源或密閉區(qū)域難以布設(shè)，造成監(jiān)測盲區(qū)[4]。此外，傳統(tǒng)基于迭代求解的時(shí)差定位算法，如Geiger法、最小二乘法、牛頓迭代法等，一般要求震源位于傳感器陣列范圍之內(nèi)，而對(duì)于煤礦井田邊界防越界開采位微震監(jiān)測，震源位置通常位于傳感器陣列之外，傳統(tǒng)定位算法的定位精度將大大降低甚至無法定位，這在很大程度上限制了防越界開采微震監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性與及時(shí)性[5-8]。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種具有無源本質(zhì)安全、抗電磁干擾、定位精度高等特點(diǎn)的全光纖煤礦防越界開采在線監(jiān)測系統(tǒng)，基于光纖微震傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建煤礦防越界開采實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在陜西檸條塔煤礦進(jìn)行示范應(yīng)用。

1 光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 光纖微震傳感器

光纖微震傳感器基于懸臂梁結(jié)構(gòu)和光纖光柵技術(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。傳感器內(nèi)部主要由彈性膜片、帶有質(zhì)量塊的L型懸臂梁和光纖布拉格光柵組成。光纖光柵一端連接在懸臂梁上，另一端連接在外殼上。地震波傳至質(zhì)量塊產(chǎn)生加速度，進(jìn)而引起彈性膜片和光纖光柵的應(yīng)變變化。利用光纖光柵的布拉格波長漂移來檢測光纖光柵的應(yīng)變變化，從而得到加速度值[9]。

圖1 光纖加速度傳感器模型Fig.1 Model of fiber-optical acceleration sensor

如圖1所示，k1為光纖的彈性系數(shù)，k2為結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)，c為介質(zhì)阻尼系數(shù)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量。系統(tǒng)總的彈性系數(shù)k為

(1)

傳感器的固有頻率可以定義為

(2)

假定外部加速度B=Aejωt，相對(duì)阻尼系數(shù)為δ，則在光纖光柵上產(chǎn)生的應(yīng)變可表示為

(3)

當(dāng)阻尼比ξ=δ/ω0=0.7，則應(yīng)變加速度靈敏系數(shù)為

(4)

光纖光柵波長變化與應(yīng)變成比例。典型的光纖光柵應(yīng)變靈敏度為1.2 pm/με，因此加速度靈敏度定義為

(5)

從式(2)和(5)可以看出，傳感器的固有頻率和加速度靈敏度主要由a、b、k1、k2和m等5個(gè)參數(shù)決定。優(yōu)化的參數(shù)見表1。經(jīng)計(jì)算，傳感器的固有頻率約為280 Hz，加速度靈敏度約為220 pm/g。

表1 傳感器優(yōu)化參數(shù)Table 1 Optimized sensor parameters

1.2 光纖微震解調(diào)系統(tǒng)

光纖微震解調(diào)原理如圖2所示，采用窄線寬分布反饋激光器(distributed feedback laser diodes，DFB-LD)作為光源，將其波長置于光纖光柵微震傳感器反射譜上-3 dB處，當(dāng)傳感器受外界震動(dòng)，光纖光柵受到拉伸或壓縮，使得折射率發(fā)生變化，光柵的波長就會(huì)左右移動(dòng)，導(dǎo)致反射激光光強(qiáng)變化，通過檢測該光強(qiáng)變化，就能得到加速度的大小[10]。

圖2 光纖微震解調(diào)原理示意Fig.2 Principle of fiber-optical microseismic demodulation

假設(shè)激光器輸出光功率為I0，光纖光柵微震傳感器波長變化為Δλ，反射率變化為Δs，則光強(qiáng)變化為I0Δs。在測量范圍內(nèi)，Δλ相對(duì)較小，根據(jù)小信號(hào)模型原理，Δs和Δλ具有線性關(guān)系。此外，由于光電探測器輸出電流和入射光強(qiáng)也具有線性關(guān)系。因此，輸出信號(hào)可以表示為[11]

Is=k1I0(R+βΔλ)mA

(6)

式中，R為當(dāng)DFB-LD在光柵的-3 dB時(shí)的反射率；m為光學(xué)耦合造成的系統(tǒng)噪聲。參考信號(hào)可以表示為

Ir=k2nAI0

(7)

式中，n為光學(xué)耦合造成的系統(tǒng)噪聲。將式(6)和式(7)相除，即可得到

(8)

實(shí)際應(yīng)用中，由于光纖連接、彎折、耦合等原因，返回到探測器的光信號(hào)不同程度存在衰減現(xiàn)象。因此本設(shè)計(jì)使用具有大動(dòng)態(tài)范圍特性的對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行光電流信號(hào)的檢測。利用其轉(zhuǎn)換函數(shù)，可得到傳感器檢測光信號(hào)Is與激光器參考光信號(hào)Ir的歸一化信號(hào)In為

Vn=k(Is-Ir)=klog10(R+βΔλ)

(9)

根據(jù)上述原理，得到光纖微震解調(diào)系統(tǒng)框圖，如圖3所示。系統(tǒng)由DFB-LD、恒流源、光電探測器、光環(huán)形器、對(duì)數(shù)放大器、儀表放大器、溫控模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集單元、時(shí)鐘同步單元等部分組成。

圖3 光纖微震解調(diào)系統(tǒng)框Fig.3 Block diagram of fiber-optical microseismic demodulation system

精密恒流源驅(qū)動(dòng)DFB-LD發(fā)光，并通過微處理器掃描和控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)控制電壓給溫控模塊，用于調(diào)節(jié)激光器的溫度，從而改變激光器輸出波長。激光器發(fā)出的光，通過內(nèi)部光電探測器和對(duì)數(shù)放大器后變?yōu)殡妷篤r，作為參考信號(hào)；經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入光纖光柵微震傳感器，反射回來的光由光電探測器和對(duì)數(shù)放大器變?yōu)殡妷篤s，作為傳感器檢測信號(hào)；Vr和Vs經(jīng)過儀表放大器進(jìn)行差分運(yùn)算，得到歸一化信號(hào)Vn；歸一化信號(hào)被數(shù)據(jù)采集單元采樣，再經(jīng)過反對(duì)數(shù)運(yùn)算處理后，一方面，作為反饋信號(hào)進(jìn)入自動(dòng)控制單元，把激光器的工作點(diǎn)自動(dòng)跟蹤和穩(wěn)定在光柵的其中一個(gè)斜邊的-3 dB處，消除了溫度等低頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響；另一方面，經(jīng)過數(shù)字濾波處理后得到微震信號(hào)，并通過局域網(wǎng)傳輸?shù)街髡具M(jìn)行處理和顯示。此外，時(shí)鐘同步單元PTP主時(shí)鐘基于硬件IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)，可為數(shù)據(jù)采集單元提供亞微秒精度的時(shí)鐘基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)分布式微震信號(hào)高精度同步數(shù)據(jù)采集。

1.3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)經(jīng)過校準(zhǔn)測試，校準(zhǔn)器采用B&K-4808標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)測試加速度為0.5 m/s2，系統(tǒng)的-3 dB帶寬約為1～200 Hz，當(dāng)測試頻率為30 Hz，在10-3～10 m/s2范圍內(nèi)，線性度較好，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到80 dB。

圖4 光纖微震系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.4 Test results of fiber-optical microseismic system

2 震源定位算法

2.1 網(wǎng)格搜索算法

當(dāng)巖體中發(fā)生微震事件時(shí)，檢波器相繼探測到微震波。初至波到達(dá)時(shí)間方程如下

ri=ti-ts-Ti

(10)

式中，ri為殘差值；ti為初至?xí)r刻；ts為震源發(fā)生時(shí)間；Ti為初至波到檢波器的旅行時(shí)間。假定微震波傳播路徑是直的，并且介質(zhì)是均勻的和各向同性的，則傳播時(shí)間可以定義為

(11)

式中，xi,yi,zi為傳感器坐標(biāo)；xs,ys,zs為震源坐標(biāo)；v為波速。

求解方程(11)的經(jīng)典方法是線性化反演，通常采用最小二乘法，即L2范數(shù)統(tǒng)計(jì)，通常假設(shè)殘差分布具有高斯性質(zhì)?？紤]到檢波器的安裝一般局限于井下巷道周圍，時(shí)間殘差往往不服從高斯分布，偶爾出現(xiàn)較大的殘差會(huì)嚴(yán)重影響事件定位精度[12]。因此，將觀測到的和計(jì)算的到達(dá)時(shí)間之間的絕對(duì)差的和最小化，即L1范數(shù)統(tǒng)計(jì)作為殘差計(jì)算公式，因?yàn)樗鼘?duì)異常值不太敏感，即有

(12)

方程(12)可以用網(wǎng)格搜索法求出，其具有穩(wěn)健、高效以及無需求導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。該方法通過對(duì)震源位置的三維矩形網(wǎng)格進(jìn)行全局搜索來確定震源位置。如果需要更高的空間分辨率，則可以使用足夠小的網(wǎng)格間隔進(jìn)行搜索，同時(shí)在搜索過程中對(duì)震源位置坐標(biāo)和原點(diǎn)時(shí)間施加一定邊界。通過減去2個(gè)獨(dú)立檢波器的觀測和計(jì)算的差分走時(shí)，可以消除震源時(shí)間。因此，方程(12)可以寫成

(13)

這種方法更容易找到不匹配函數(shù)的絕對(duì)最小值，而不是相對(duì)最小值。避免了到達(dá)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的計(jì)算，大大降低了對(duì)未知參數(shù)初始估計(jì)的敏感性。此外，采用L1范數(shù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并從誤差空間中剔除起始時(shí)間，保持了計(jì)算的簡單性和速度。

2.2 定位誤差測試

為了測試定位誤差，在某深部煤礦13230工作面安裝了5個(gè)單分量光纖微震傳感器。在現(xiàn)場選取了10個(gè)放炮事件作為參考震源。傳感器布置和事件分布如圖5所示，所有事件均位于傳感器陣列之外，最遠(yuǎn)距離達(dá)到300 m。

圖5 定位誤差測試傳感器布置Fig.5 Sensor arrangement for positioning error test

定位誤差測試結(jié)果見表2。可以看出，X、Y方向的平面定位誤差范圍為5.8～21.5 m，Z方向的垂直定位誤差為9～34 m，各自的平均定位誤差分別為14.8 m和18.9 m?？梢?，在300 m監(jiān)測范圍內(nèi)，系統(tǒng)平面定位誤差小于15 m。由于傳感器陣列高程差較小(最大僅為50 m)，導(dǎo)致垂直定位誤差相對(duì)較大[15]。

表2 定位誤差測試結(jié)果Table 2 Test results of positioning error

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)方案

在陜西檸條塔煤礦南翼2-2煤東大巷輔運(yùn)大巷和回風(fēng)大巷以及北翼井田邊界附近，分別安裝了一套礦用光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括光纖微震傳感器、監(jiān)測分站和監(jiān)測主機(jī)。南翼監(jiān)測分站放置在井下機(jī)頭硐室，北翼監(jiān)測分站放置在地面配電站，用于解調(diào)傳輸光纖微震信號(hào)；監(jiān)測主機(jī)放置在井上調(diào)度室放置服務(wù)器用于遠(yuǎn)程監(jiān)測、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析及網(wǎng)頁發(fā)布；16支光纖微震傳感器和18支光纖微震傳感器分別布置在南翼回風(fēng)大巷及輔助運(yùn)輸大巷側(cè)幫，以及北翼地表深孔，可實(shí)現(xiàn)南翼東大巷附近和北翼井田邊界煤礦越界開采活動(dòng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

南翼和北翼光纖微震傳感器布置如圖6所示。其中南翼相鄰傳感器距離平均約為100 m，構(gòu)成了長約1 700 m，寬約320 m的傳感器網(wǎng)絡(luò)；北翼相鄰傳感器距離平均約為300 m，構(gòu)成了長約2 800 m，寬約1 000 m的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖6 檸條塔煤礦南翼和北翼微震傳感器布置Fig.6 Layout of microseismic sensors in south and north wings of Ningtiaota Coal Mine

光纖微震傳感器帶有深孔安裝的錨爪裝置，如圖7所示，使用灌漿固定，保證了傳感器與巖體的充分耦合，降低了背景噪聲，有效提高了微震波記錄質(zhì)量。

圖7 礦用光纖微震傳感器深孔安裝Fig.7 Deep-hole installation of mine fiber-optical microseismic sensor

3.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)某段時(shí)間的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究了井田邊界井下開采活動(dòng)的變化趨勢。2019年10月18日至2020年2月29日微震事件的分布情況，如圖8所示。

圖8 2019年10月至2020年2月間微震事件分布Fig.8 Distribution of microseismic events from October 2019 to February 2020

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，此期間共有509個(gè)有效事件，震級(jí)分布在-2.14～0.98之間。這些事件大多位于井田邊界之外，相對(duì)集中在一個(gè)長約400 m、寬約300 m的區(qū)域。據(jù)了解，河西煤礦正在向深部開采，受開采影響，上覆巖層發(fā)生崩塌，導(dǎo)致微震事件頻繁發(fā)生，且分布較分散。此外，只有少量震級(jí)為-1.0或更小的事件位于井田邊界內(nèi)，相對(duì)集中在一個(gè)長約100 m、寬約50 m的區(qū)域，其中某個(gè)典型事件微震波形及頻譜圖如圖9所示。

圖9 機(jī)械作業(yè)微震波形及頻譜圖Fig.9 Microseismic waveform of and spectrum mechanical operation

經(jīng)頻譜分析，該信號(hào)主頻約為50 Hz，持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾分鐘。據(jù)了解，當(dāng)時(shí)此區(qū)域井下有一些機(jī)械作業(yè)，如井下鉆探、鑿巖、安裝錨桿等。由此可見，在監(jiān)測期間，鄰近煤礦在其區(qū)域內(nèi)開采煤炭，而在邊界內(nèi)發(fā)生的機(jī)械作業(yè)與采礦無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井田邊界井下開采活動(dòng)的有效監(jiān)測和識(shí)別。

4 結(jié)論

(1)基于懸臂梁結(jié)構(gòu)和光纖光柵技術(shù)，研發(fā)了新型實(shí)用高靈敏度光纖微震傳感器，利用窄線寬分布反饋激光器波長自動(dòng)跟蹤解調(diào)技術(shù)，結(jié)合基于L1范數(shù)統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)格搜索定位算法，創(chuàng)建了大范圍高精度煤礦防越界開采光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)充分發(fā)揮了光纖傳感技術(shù)本質(zhì)安全、抗電磁干擾、靈敏度高等技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下開采活動(dòng)微震事件的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和精確定位，特別適用于煤礦井下易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾惡劣環(huán)境。

(3)系統(tǒng)在陜西檸條塔煤礦的示范應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷是否有越界開采情況發(fā)生，有效運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，為煤礦防越界開采監(jiān)測預(yù)警提供了有力的技術(shù)支持。