陳家溝煤礦微震監測系統建立及定位校準

文/李學軍 宋治紅

陳家溝煤礦微震監測系統建立及定位校準

文/李學軍 宋治紅

微震監測系統作為一種區域性監測方法，其原理是利用拾震儀站接收的直達P波起始點的時間差，在特定的波速場條件下進行二維或三維定位，以判定破壞點，并根據所監測的微震信號特征來確定巖體破裂的發生時間、空間位置及強度等，根據微震活動的變化、震源方位和活動趨勢可以評價礦壓危險性。在微震監測系統安裝初始，一般需要在系統監測區域內通過人為放炮制造震動，通過已知的震源坐標、放炮時間和系統監測到的震源信息來確定震動在煤巖體中的傳播速率，校正監測系統定位的準確性。甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦通過在某采區安裝KJ699微震監測系統，利用多次放炮來監測定位，對自然震動與炮震波形進行對比，對該系統定位進行校準分析。本文對上述微震監測系統的建立及定位校準事宜進行詳盡闡述。

一、煤巖地質概況

陳家溝煤礦所采煤層直接頂為泥巖、煤巖互層，老頂為砂巖，直接底為砂質泥巖，老底為中粒粗砂巖。礦井地質構造、水文情況簡單，正常涌水量不超過80m3/h。礦井絕對瓦斯涌出量2.523m3/min，相對涌出量0.744m3/t。煤塵具有爆炸危險，爆炸指數43.64%以上。煤層自然發火期3至6個月，自燃等級Ⅰ級。礦井現進行采掘活動的工作面煤層埋深543.1m至560m。根據綜合分析判定，煤層覆巖中有三層關鍵層，亞關鍵層1為細粒砂巖，距離煤層頂板7.4m；亞關鍵層2為砂質泥巖，離煤層頂板高度110.3m；主關鍵層粉砂巖，高度為196m。隨著開采范圍的增大，關鍵層斷裂形成臨時穩定結構，關鍵層結構失穩。大面積覆巖在重力作用下整體移動，組合關鍵層呈似懸臂結構斷裂，釋放能量。關鍵層未斷裂或未失穩之前，主關鍵層之下形成較大的離層空間，關鍵層失穩后，在上覆松散層加載作用下，產生巨大的動載能量，可能誘發地應力發生礦壓災害。

表1 炮點實驗定位誤差對比

二、微震監測系統建立

微震監測系統主要由地面和井下設備兩部分組成，地面設備有數據采集服務器、終端分析計算機等，井下部分主要由微震監測分站、GZC4.5A礦用拾震器組成（圖1）。微震系統包含采集、分析兩個軟件。礦井某采區工作面走向長度約2400m，正在掘進的工作面與相鄰工作面采空區之間留有寬度6m的小煤柱，以拾震器對所要監測區域形成交錯包絡為最佳布局設計，相鄰2臺拾震器間隔200m~300m，均勻分布（圖2），對掘進工作面形成半包圍監測，初期共安裝12臺傳感器。

三、定位校準

1.波速給定

通過一期放炮實驗，系統計算給定陳家溝煤礦特定煤巖地質條件下的波速值為4159m/s，以此作為后面的定位波速值。

2.定位計算

在兩條掘進巷道共布置了12個炮點，系統接收到可以定位的共有10個炮震事件，其中1號炮震通過6~7、11~13號傳感器接收到的震動信號有效波形數據如圖3。

震源實際位置與系統定位誤差（ΔX，ΔY，ΔZ）如表1所示。

3.效果分析

大部分炮點定位結果跟實際位置誤差小于50m，1個炮點在垂直方向Z軸誤差超過50m，誤差136.8m。對這個炮點分析，炮點所在位置距掘進頭最近的傳感器距離在500m，遠遠超出預期布局網絡。對于不能定位的2個炮點，通過查看波形分析得知，傳感器接收到震動波形數量可以滿足定位要求，但由于遠離布局網絡，距離最近的傳感器分別是500m和400m，使得定位偏差偏大。

從定位計算的結果看，由于各個監測實驗炮點與傳感器的位置關系、裝藥放炮質量、定位時選擇的通道及其數量、分析人員操作差異等原因，導致定位計算結果存在差異。傳感器分布在炮點（震源）周圍時，定位結果較為理想，且距離越接近越準確，并可由系統一次定位成功，誤差較?。?~30m之間）；在炮眼深度、裝藥量相同的條件下，系統接收到的波形和定位計算的能量有差異，經分析認為與裝藥、放炮的質量有關，同時震動能量有衰減損失；在已知炮點坐標的情況下，根據反復定位的結果，選擇炮點周邊的傳感器通道數據進行定位計算，得出的誤差較小。同時，不同人員進行定位操作得出的結果不一樣，且同一人移動卡尺標識波形起跳點進行定位時，結果也有差別。今后在定位計算中，需要不斷摸索練習，總結經驗，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，衰減快，波形短；自然礦震屬低頻震動，波形長，衰減較慢，傳播的距離相應也長。

5.臺網布局完善

根據上述定位分析結果，增加1臺傳感器，調整了個別傳感器安設位置，第三次安排6個炮點進行驗證。結果表明，位于布局網絡內的震源定位精準度得到了提高。

四、結語

1．人為放炮制造震動事件可以對微震監測臺網布局和定位計算進行優化和校準。

2．合理進行微震監測布局設計，接收到的理想波形數據在5條以上，可以提高震動事件的定位準確性。

3．通過震動波形特征分析可區分自然事件與炮震。

（作者單位：甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦）

（責任編輯：龐永厚）