近水平厚煤層微震垂向定位優(yōu)化及實(shí)踐

曲效成，徐 旭,2，辛崇偉，靳國(guó)棟，王顏亮,2，魏全德,2

(1.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；2.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299)

0 引 言

沖擊地壓是圍巖迅速釋放能量而產(chǎn)生煤巖體突然破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，是礦井的動(dòng)力災(zāi)害之一[1-4]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過監(jiān)測(cè)煤巖體材料裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過程，并對(duì)破裂事件的空間位置進(jìn)行定位，來(lái)研究煤巖材料損傷破壞演化過程的有效工具,是一種有效的沖擊地壓監(jiān)測(cè)手段[5-8]。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果主要通過微震事件的定位精度進(jìn)行衡量[9-10]。微震震源定位精度的影響因素較多，微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)是其中的關(guān)鍵[11]。而微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)的合理性主要取決于臺(tái)站數(shù)目、最大空隙角、近臺(tái)震中距和臺(tái)站高差4個(gè)因素[12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化問題在理論上進(jìn)行了深入研究，取得了豐碩的研究成果：KIJKO[13-14]和MENDECKI[15]分別提出了基于D值和C值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論的微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化方法；唐禮忠等[16]通過震源定位和系統(tǒng)靈敏度比較的方法，對(duì)冬瓜山銅礦微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化；鞏思園等[17]應(yīng)用微震定位和D值優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行了微震定位誤差的數(shù)值仿真試驗(yàn)，形成了臺(tái)網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化及評(píng)價(jià)系統(tǒng)；陳法兵[12]利用千秋煤礦微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了微震定位子臺(tái)網(wǎng)的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)定位精度的影響；賈寶新等[18]研究了臺(tái)站幾何分布對(duì)微震監(jiān)測(cè)精度的影響，表明優(yōu)化臺(tái)站空間分布可以大幅減小定位誤差。煤礦開采中，受限于煤礦工作面的布置方式，微震傳感器只能安裝在工作面巷道內(nèi)。由于近水平煤層中工作面巷道間高差較小，在進(jìn)行微震系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)時(shí)，微震傳感器均位于同一水平面上。近水平煤層微震傳感器間較小的垂向高差，致使微震傳感器在接收部分微震事件波形時(shí)不能產(chǎn)生有效到時(shí)差，進(jìn)而影響了微震系統(tǒng)垂向定位精度。為此，筆者在前人理論研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了安裝深孔檢波器提高近水平煤層微震系統(tǒng)垂向定位精度的優(yōu)化方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 微震定位理論

微震是煤巖體等材料在外力或內(nèi)力作用下產(chǎn)生變形或斷裂，并以彈性波形式向外界釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[5,8]。

微震監(jiān)測(cè)原理：通過在煤礦工作面安裝微震傳感器來(lái)接收微震波形信息，并利用分析處理后的波形信息來(lái)反算微震事件的分布特征(時(shí)間、坐標(biāo)、能量)[19-20]。利用微震傳感器接收到的P波到時(shí)和特定波速模型進(jìn)行微震事件的定位[21]。

設(shè)震源位置坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，第i個(gè)微震傳感器微震坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，第i個(gè)微震震源定位方程為

(1)

t=ti-t0

(2)

式中：t為P波傳播時(shí)間；t0為震源發(fā)生時(shí)間；ti為第i個(gè)微震傳感器的P波到時(shí)；vP為巖體中P波波速。

通過安裝4臺(tái)以上微震傳感器來(lái)接收微震波形信息，進(jìn)而求解震源坐標(biāo)參數(shù)(t0、x0、y0、z0)，實(shí)現(xiàn)微震事件的定位。

2 D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論仿真模擬

2.1 D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論

P波由震源至微震傳感器的走時(shí)，通過Ti(H,vP,Xi)表示，其中震源笛卡兒坐標(biāo)H=(x0,y0,z0)，第i個(gè)微震臺(tái)站的笛卡兒坐標(biāo)Xi=(xi,yi,zi)，考慮隨機(jī)誤差ξi的P波傳播時(shí)間ti可表示為

ti=Ti(H,vP,Xi)+t0+ξi

(3)

隨機(jī)誤差滿足正態(tài)分布ξi∽N(0,σ2I)，其中，I為單位矩陣；σ為隨機(jī)誤差的方差。則求解震源參數(shù)協(xié)方差矩陣為

C(x)=k(ATA)-1

(4)

(5)

式中：k為常數(shù)。

2.2 D值優(yōu)化數(shù)值仿真

KIJKO[14]利用C(X)的特征值計(jì)算橢球體體積，則有

minV=λx0(H)λy0(H)λz0(H)λt0(H)

(6)

式中:V為置信橢球的體積；λx0(H)、λy0(H)、λz0(H)、λt0(H)為C(X)特征值。

根據(jù)式(6)，選擇臺(tái)網(wǎng)方案(表1)進(jìn)行垂向定位誤差的數(shù)值仿真，計(jì)算參數(shù)如下：

重復(fù)次數(shù)100P波波速/(m·s-1)4000波速方差/(m·s-1)50讀入時(shí)間方差/s0.005震源Z方向標(biāo)高/m+796

表1 臺(tái)網(wǎng)布置方案Table 1 Microseismic network used

通過改變4號(hào)臺(tái)站Z坐標(biāo)，計(jì)算得到4號(hào)臺(tái)站Z坐標(biāo)提高前后微震系統(tǒng)垂向定位誤差的分布。

圖1為未提高4號(hào)臺(tái)站Z坐標(biāo)時(shí)的微震系統(tǒng)垂向誤差分布云圖，圖中4號(hào)臺(tái)站附近的垂向誤差范圍為70～100 m；圖2為將4號(hào)臺(tái)站Z坐標(biāo)提高20 m后微震系統(tǒng)垂向誤差分布云圖，圖中4號(hào)臺(tái)站附近的垂向誤差范圍為50～90 m，同時(shí)5號(hào)臺(tái)站附近的垂向誤差也有所減小。由圖1、圖2可以看出，通過提高4號(hào)臺(tái)站Z坐標(biāo)，可以有效提高該臺(tái)站附近區(qū)域內(nèi)的垂向定位精度。

圖1 Z坐標(biāo)不變垂向誤差分布Fig.1 Z coordinate invariant vertical error distribution

圖2 Z坐標(biāo)升高20 m垂向誤差分布Fig.2 Z coordinate raises 20 m vertical error distribution

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐方案

3.1 工作面概況

某礦30202綜采工作面位于礦井302盤區(qū)東翼，工作面東鄰30201工作面采空區(qū)(留存寬25 m區(qū)段煤柱)；西鄰30203工作面(未開采)；南鄰井田邊界保護(hù)煤柱；北鄰工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱線。

30202工作面走向長(zhǎng)3 718.5 m，傾向長(zhǎng)268 m。工作面主采3-1煤層，煤層平均厚度5.68 m，為厚煤層，開采范圍內(nèi)煤厚變化較小。30202工作面開采范圍內(nèi)煤層傾角1°～3°，平均傾角2°，為近水平煤層。30202工作面上方地表標(biāo)高為+1 280 m，煤層等高線起伏較小，工作面平均采深640 m。

3.2 試驗(yàn)方案

為研究工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，30202工作面安裝了KJ551高精度礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)微震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

30202工作面兩巷道分別布置了3組微震傳感器，固定在工作面巷道頂板錨桿上，對(duì)工作面實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀包圍，不同工作面巷道內(nèi)兩傳感器水平間隔150 m，微震傳感器呈“V”型或交錯(cuò)型布置，并隨工作面推進(jìn)不斷移組。

受制于30202工作面采掘條件(近水平厚煤層)、微震傳感器布置方式(傳感器分布在同一水平面)等因素，煤礦微震系統(tǒng)在垂直方向的定位誤差較大。為提高微震系統(tǒng)垂向定位精度，分別在工作面兩巷道增設(shè)1組深孔檢波器，安裝參數(shù)見表2。

表2 深孔檢波器安裝參數(shù)Table 2 Deep hole geophones installation parameter list

2組檢波器于2019年4月19日和23日安裝完成，鉆孔孔徑78 mm，角度60°～65°。深孔檢波器安裝位置如圖3所示。

圖3 深孔檢波器具體安裝位置Fig.3 Deep hole geophones installation location

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比

為驗(yàn)證安裝深孔檢波器在提高微震系統(tǒng)垂向定位精度方面的作用。選取深孔檢波器安裝前后各5 d(期間微震系統(tǒng)運(yùn)行正常)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，來(lái)研究檢波器安裝前后，各層位微震事件占比的變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 深孔檢波器安裝前后微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Microseismic monitoring data statistics table before and after installation of deep hole geophones

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，深孔檢波器安裝后頂板微震事件頻次占比增加了11.58個(gè)百分點(diǎn)，頂板微震能量占比增加了12.73個(gè)百分點(diǎn)；深孔檢波器安裝后煤層事件頻次占比增加了10.24個(gè)百分點(diǎn)，煤層微震能量占比增加了6.64個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果表明，深孔檢波器安裝后，提高了煤層和頂板事件頻次和微震能量的接收比例，說明深孔檢波器提高了微震系統(tǒng)部分事件垂向定位高度。

4.2 定位效果分析

為進(jìn)一步研究深孔檢波器在事件定位上的作用，對(duì)特定事件進(jìn)行定位效果的分析。選取9個(gè)深孔檢波器參與定位的頂板事件進(jìn)行分析，事件選取原則：4號(hào)深孔檢波器參與事件定位，能量較大(100 J及以上)，波形質(zhì)量較好，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 4號(hào)檢波器是否參與事件定位對(duì)比統(tǒng)計(jì)Table 4 Event location comparison statistics with deep hole geophones paticipate or not

通過對(duì)頂板事件定位結(jié)果的分析，可以看出：4號(hào)深孔檢波器不參與頂板事件定位時(shí)，頂板事件平均垂向標(biāo)高為+672.50 m，平均微震能量為3 218.67 J；4號(hào)深孔檢波器參與頂板事件定位時(shí)，頂板事件平均垂向標(biāo)高為+709.10 m，平均微震能量為4 566.55 J。

4號(hào)深孔檢波器在參與頂板事件定位時(shí)，頂板事件垂向定位高度提高，平均提高36.61 m，最大提高92.64 m；微震能量也存在增加的情況，平均增加1 903.44 J，最大增加9 457.39 J。

結(jié)果表明，深孔檢波器在參與頂板事件定位時(shí)，提高了微震系統(tǒng)接收頂板事件的垂向定位高度，以及微震能量。

4.3 波形對(duì)比分析

在2號(hào)傳感器和4號(hào)深孔檢波器附近100 m范圍內(nèi)發(fā)生的事件中，選取5個(gè)事件進(jìn)行波形對(duì)比分析(選取2號(hào)傳感器與4號(hào)深孔檢波器接收到的同一事件的波形進(jìn)行對(duì)比)，結(jié)果見表5。

表5 事件波形信息統(tǒng)計(jì)Table 5 Event waveform information statistics table

2號(hào)傳感器和4號(hào)深孔檢波器接收同一事件波形信息的對(duì)比表明：事件發(fā)生在頂板上時(shí)，2號(hào)傳感器與4號(hào)深孔檢波器的波形到時(shí)差為正值；當(dāng)事件發(fā)生在底板下時(shí)，2號(hào)傳感器與4號(hào)深孔檢波器的波形到時(shí)差為負(fù)值；深孔檢波器與微震頂板傳感器接收到的波形存在正確的到時(shí)差。并且2號(hào)傳感器與4號(hào)深孔檢波器接收到的波形峰值頻率基本相同，證明接收的波形來(lái)自同一震源。

5 結(jié) 論

1)基于D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了微震系統(tǒng)垂向定位誤差分布的數(shù)值仿真模擬，模擬結(jié)果表明：提高臺(tái)站Z坐標(biāo)理論上可以有效減小附近區(qū)域內(nèi)的垂向定位精度。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，并在礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

2)深孔檢波器安裝后，煤層事件頻次和微震能量的接收占比分別提高了10.42個(gè)百分點(diǎn)和6.64個(gè)百分點(diǎn)，頂板事件頻次和微震能量的接收占比分別提高了11.58個(gè)百分點(diǎn)和12.73個(gè)百分點(diǎn)；深孔檢波器參與頂板事件定位時(shí)，垂向定位高度平均提高了36.61 m，微震能量平均增加1 903.44 J；對(duì)接收波形進(jìn)行分析，深孔檢波器與頂板微震傳感器接收到的波形存在有效到時(shí)差。因此，安裝深孔檢波器可以提高微震系統(tǒng)頂板事件的垂向定位精度。

3)由于深孔檢波器受到頂板水的影響較大，并且深孔檢波器與頂板檢波器垂向高差較小，試驗(yàn)方案仍需進(jìn)一步優(yōu)化。