提高深部开采微震事件定位精度的研究.pdf

★ 煤炭科技 开拓与开采 ★ 提高深部开采微震事件定位精度的研究 王元 杰 邓 志 刚h 王 传 朋 1 ．煤炭科 学研 究 总院开 采设计 研 究分 院 ，北 京 市朝 阳区 ， 1 0 0 0 1 3 ； 2 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部 ，北京市朝阳区，1 0 0 0 1 3 摘 要 分析 了影响微震事件定位精度的因素，认为在给定速度模型的条件下，定位精 度则主要依赖 于事件波形到时读数的准确性和震源与拾震器之 间的几何形状。结合现场的实 际工程条件 ，进行 了拾震器的优化布置 ，通过对事件波形的降噪处理，提 高了P波、s波初 至标定的准确性，进而提 高了矿山微震事件定位的精度 。 关键词 微震事件 定位精度 震波初至 优化布置 降噪 中图分 类号T D 3 2 4 文 献标 识码A Re s e a r c h o n i mp r o v i n g t h e p r e c i s i o n o f s e i s mi c e v e n t l o c a t i o n f o r d e e p we l l mi n i n g Wa n g Yu a n j i e 。De n g Z h i g a n g 。W a n g Ch u a n p e n g ， 1 ．Mi n i n gD e s i g n i n g B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a o y a n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． Mi n i n g ＆D e s i g n i n g D e p a r t me n t ， Ti a n d i S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ，C h a o y a n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t To i mpr o ve t h e pr e c i s i o n of s e i s m i c e v e n t l o c a t i o n，t he s t a nd a r d me t h od，a n d t he i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f 1 o c a t i o n p r e c i s i o n a r e d i s c u s s e d ．I t b e l i e v e s t h a t t h e l o c a t i o n p r e c i s i o n d e p e n d s ma i n l y o n a c c u r a c y o f r e a d i n g t h e e v e n t wa v e s f i r s t a r r i v a l a n d g e o me t r i c d i s t r i b u t i o n o f s e i s m o m e t e r s on c o nd i t i on o f gi ve n v e l o c i t y m o de 1 ．The s e i s m o m e t e r s a r e l a i d o pt i m a l l y b a s e d on s i t e a c t ua l c on di t i o ns，a n d t he P wa ve a nd S～ wa v e t r a v e l t i me a r e c a l i br a t e d a c c ur a t e l y t hr ou gh t he m e a s ur e s o f n oi s e r e d uc t i o n，a nd t he n t he pr e c i s i o n of s e i s m i c e v e n t l o c a t i o n i s i mpr o ve d． Ke y wo r d s s e i s mi c e v e n t ，l o c a t i o n p r e c i s i o n，e v e n t wa v e S f i r s t a r r i v a l ，o p t i ma l l a y o u t ， no i s e r e dL 】 c t i o n m e a 8 u l r s 微震监测技术是利用煤岩体受力变形和破坏后 本身发射 出的震动波来进行监测工程岩体稳定性的 技 术方法 。 微震 事件 的定 位是进 行矿 山微震 活 动性研 究 的 首 要任 务 。通过对 震源 的确 定 ，可 以进 一步分 析震 动特性 ，确定震动集中区域 ，预测震动趋势 ，评价 冲击危险。因此 ，微震事 件定位的准确性 至关重 要 ，有必要对提高矿山微震定位精度的技术进行研 究 ，以有效地指导矿山微震监测系统的建设。本文 基 于 AR AMI S M／ E 井 下 微 震 监 测 系统 的 现 场 应 用 ，结合现场实际工程条件 ，对拾震器的空问分布 形状和事件波形到时读数的准确性等进行了综合分 析 ，实现 了对矿井微震事件定位精度 的提高。 *基 金 项 目 国 家重 点基 础研 究发 展 计 划 9 7 3计 划 资助项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 6 6 0 1 AR AMI S M／ E井 下微震 监测 系统 由波 兰 E MAG矿 业 电 气 自动 化 中心 研制 开 发 的 AR AMI S M／ E井下 微震 监测 系统 目前 已经被 波 兰国内及世界各地的矿井广泛应用。我 国于 2 0 0 6 年 开始着 手引 进该套 设备 ，已在华 丰煤矿 和 老虎 台 煤矿等许多矿井得到应用。 该系统通过 2 4 位 口 一 转换器提供震动信号的 转换和记录，实现了信号的数字传输模式 ，并对震 动频率在 O ～1 0 0 Hz 、能量在 1 0 。 ～1 0 1 0 J之问的微 震事件进行实时监测 。系统主要由井下拾震器 、地 面中心站及地面数据处理系统 3部分组成 。井下拾 震器对采煤工作面、掘进工作面上覆岩层 、底板岩 层等煤岩体内的应力状态进行连续监测 ，记录实时 发生的微震事件的震动信号，并将信号转化为数字 中 国煤 炭 第 3 7卷第 l 2期 2 0 1 1 年 1 2月 信号传输到地面 中心站；地面中心站为井下拾震器 供电并接收由拾震器传输至地面的微震信号，后 由 地面数据处理系统对震动波形 图进行 分析和计算 后，确定微震事件的发生位置 ，计算出事件释放 的 能量 。系统监测区域达几百平方公里 ，经过长时间 监测后 ，可将矿区内全部微震事件绘制到矿井平面 图上 ，对整个矿区的震动情况进行分析，划分危险 区域 ，以便 于提前采取 解危措施 ，降低 事故发生 率 。 2 事件定位精度的影响因素 矿山微震定位的准确程度依赖于微震监测台网 的空间分布形状、事件波形到时读数的准确性以及 适 当的速度模型假设等因素 。事实上 ，由于煤岩体 介质是复杂的，非均质的，含有大量裂隙 、节理和 不连续面 ，使得微震信号即使在同一类性质的岩石 中传播 ，其在不同方向、不同区域 的传播速度都是 不同的。因此在进行定位计算时 ，需要对速度模型 进行假设 ，假定 P波 纵波在煤岩体介质 中各 个传播方向上保持速度不变 ，为某一定值。对于给 定的速度模型条件下 ，随机误差则主要依赖于事件 波形到时读数 的准确性和震源与拾震器之间的几何 形 状 。 2 ． 1 拾 震 器的 空 间布 置 拾震器布置是微震事件定位的基础 ，微震监测 需要的所有信息都来 自于拾震器 ，它决定初始误差 对最终定位结果的影响程度 。布设好的拾震器阵列 可使初始误差的影响减至最小，相反可使初始误差 达到最大，因此 ，拾震器的布置是微震事件定位技 术 的一 个重要 部分 。 辨识震 源位置 和速度模 型的适应 值函数 描述 为 n r 2 Q ∑ △W ～ 1 式 中△ 第 k l和第 k个拾震器监测到时 之 差 ； △L 第 k 1和第 k个拾震器与震源的 距 离之 差 ； n 拾震器个数。 当 Q等于或趋于 0时 ，可求得最佳的速度模 型和震源位置。为避免特殊情况发生 ，即震源到所 有拾震器的距离相等 △L 一O ，和所有拾震器监 测到时都相同 △Wk O ，因此在布置拾震器时 提高深部开采微震事件定位精度的研 究 应避免可能发生微震的区域到所有拾震器的距离相 等 。 另外 ，拾震器的布置还应考虑下面因素与定 位算法结合 ，拾震器的定位参数必须使得计算过程 收敛 ；监测范围要在监测系统允许的范围之 内；拾 震器布置过程中，拾震器和信号电缆应尽可能避免 其他信号的干扰 ，如电信号、机械震动等。 2 ． 2 微震事件波形分析 煤岩体在外界应力作用下，其 内部将产生局部 弹塑性能集 中现象 ，当能量 积聚到某一临界值之 后 ，会引起微裂隙的产生与扩展 ，微裂隙的产生与 扩展会伴随着两类弹性波或应力波的释放并在周围 岩体内快速传播。一种是 P波，它是首先到达 的 波 。P波在传播过程 中使其颗粒在波的传播方向上 向前和向后运动 ，交替地挤压和拉张它们穿过的煤 岩体，产生张拉型破坏 。另一种是 S波 横波 ， S波涉及剪切而不是挤压，因此对煤岩体产生压剪 型 破坏 。 在微震定位计算里 ，P波和 S波初至的标定是 一 项重要的工作 ，其标定的准确性对定位结果的计 算影响重大。由于井下环境的复杂性 ，拾震器接受 到的信号难免会受到其它信号 的干扰，如电信号 、 机械震动等 。在对微震信号进行处理时，就需要工 作人员从大量的信号中选取真正的微震事件 ，并对 其进行降噪处理 ，在此基础上对 P波和 S波 的初 至进行准确的标定 。 3 应 用实例 山东唐 口煤业有限公司位于山东省济宁市西部 约 1 0 k m，矿 井 设计 生 产 能 力 3 0 0万 t ／ a ，服 务 年 限为 5 1 a 。煤层埋藏深，平均井深 1 0 4 4 m，目前 矿井最深的巷道为 4 3 0采 区水仓泵房 ，垂直深度达 1 1 1 1 m。开采的 3 煤层具有强冲击倾向性 ，煤层顶 板具有弱冲击倾向性。所 以为了保证深井开采的安 全 ，该矿于 2 0 0 9年 9月安装 运行 A R A MI S M／ E井 下微震监测系统 ，以对深井地压灾害进行研究。 表 1为 2 0 0 9年 9月 2 5日至 2 0 0 9年 1 1月 2 5 日期间，系统记录到的位于各个工作面不同能量级 别的微震事件 次数 。对这两个月的数据分析得知 ， 多数微震事件的能量低于 1 0 。 J ，占微震事件 总数 的 8 8 ． 6 ；微震事件主要分布在 2 3 0 4工作面和西 部带式输送机大巷两个区域 ，分别占微震事件总数 的 3 1 ． 4 和 1 9 9 ／ 6 ；2 3 0 6工作面为矿井的主采工作 61 面之一，监测到微震事件较少 ，仅 占微震事件总数 的 9 ． 5 。 表 1 微震 系统运行前期各工作面不同能量级别 微震 事件次数 统计 工作面 能量1 O J ／ 次 次数总和／ 次 能量总和／ J 2 3 0 4工作面 2 3 0 5 采 空 2 3 0 6 工作 面 3 3 0 2 工作 面 3 3 0 3掘进工作 面 北 回 风大 巷 西运输大巷 合计 2． 1 O 1 O 5 ．1 OX 1 O 2 ． 4O l O 1 ．9 O 1 O 1 ．3 O 1 O 3 ．6 0 1 0 5 ．5 O 1 0 1 ． OO 1 O 为了提高系统对微震事件监测的精度 ，尤其是 对发生 于 2 3 0 6工作面的微震事件 ，从拾震器 的优 化布置和地震波到时读数的准确性出发，对提高微 震系统的监测精度进行了研究。 3 ．1 拾 震 器的优化 布置 为了提高系统对 2 3 0 6工作面这个主采 区域监 测精 度 ，于 2 0 0 9年 1 1月 2 6日，在 原先 的拾 震 器 布置的基础上 ，主要做了以下工作。 1 在 2 3 0 8运输巷距离切眼 9 3 3 i i 1 处安装 1 拾震器 。 2 原安装在西部轨道大巷并联巷的 6 拾震 器 ，由于周边 环境 变形 严重 ，需 要重新 选取 安装地 点 ，地点选在 2 3 0 6运输巷距离切眼 9 4 9 m处。 3 在 3 3 0 轨道大巷安装 1 O 拾震器。 调整后的拾震器布置平面图见图 1 。 4 图 1拾震 器 布 置 平 面 图 3 ． 2 微震 波形 的处理 2 3 0 6工作 面的 ARAMI S M／ E微震 监测系统 采用快速傅立叶功能对记录的信号进行过滤处理 ， 经处理可以排除 电信号、机械震动等信号的干扰 ， 6 2 其滤 波 方 式 主 要 有 低 通 滤 波 、高 通 滤 波 、带 通 滤 波、带阻滤波和尖峰滤波。要熟练地应用这些功能 还需要操作人员长时间的积累经验。 图 2 微震事件原始波形图 幽 3经 降 噪 措 施 后 波 形 图 2是系统各通道记录的事件原始波形图，图 3是经降噪处理后的事件波形 图。可 以看出，经降 噪处理后 ，排除了其它信号的干扰 ，这有助于监测 人员能够准确地判断 P波初 至和 s波初至 。而 P 波初至和 S波初至的标定 ，是进行微震事件定位的 基础 ，因此可以通过提高操作人员对滤波功能 的操 中国煤炭第 3 7 卷第 1 2期 2 O l 1年 1 2月 0 5 3 4 4 1 4 6 7 2 1鸺 作来提高系统的定位精度 。 3 ． 3 微震事件定位精度分析 拾震器优化布置工作于 2 0 0 9年 1 1月 2 6日结 束 ，表 2为微震系统监测到的 2 0 0 9年 1 1月 2 7日 至 2 0 0 9年 1 2月 2 7日期 间系统记录到的位于各个 工作面不同能量级别的微震事件次数。 表 2 各 工作 面不 同能量级别微震事件次数统计 工作面 能量l O 。 J ／ 次 次数总和／ 次 能量总和／ J 2 3 0 4工作面 2 3 0 5 采空 2 3 0 6工作面 3 3 0 2工作面 3 3 0 3 掘进 北 回风大巷 西运输大巷 合计 I _ l 1． ．． ． ． ． ． ⋯ ． I I 一 叩 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N N 日期 图 4 2 3 0 4 、2 3 0 6 工作 面每天微震事件次数 通过对表 2中数据分析得知 ，多数微震事件能 量低于 1 O 。 J ，占微震事件总数的 8 8 ． 9 ，说明虽 然矿井埋深 比较大，但 由于处于初期开采阶段，其 采动应力的集中程度比较低 ，所发生的微震事件能 级 比较 低 ；作为 矿井重 点监 测 区域 的 2 3 0 4和 2 3 0 6 工作 面 微 震 事 件 占 多 数 ，占微 震 事 件 总 数 的 7 4 ． 4 。图 4为截 取 的拾震 器优化 布 置前后 一段 时 间，2 3 0 4工作面和 2 3 0 6工作面每天发生 的微震事 件次数变化趋势。由图 4可知 ，1 1月 2 6日完成拾 震 器 的重新 布置 之后 ，系统 监 测 到 的 2 3 0 4和 2 3 0 6 工作面事件 明显增多 ，尤其是 2 3 0 6工作面事件 占 到微震事件 总数 的 3 8 ． 3 9 ／ 6 。由此可 以说 明，通过 提高事件波形到时读数的准确性和改善拾震器布置 的几何形状 ，改善 了系统对矿井重点监测区域的监 测精度 ，从而有效促进 了矿井安全管理工作 的开 展 。 提高深部开采微震事件定位精度 的研究 4 结 论 山东唐 口煤业有限公司现有开采区域仅 占井 田 全面积的 1 ／ 1 0 ，要想对全矿井各个位置都达到监 测 ，就不能对现有开采区域进行精确监测 ，最初的 拾震 器 布局满 足 了对 整个 井 田区域 的监测 ，而对 重 点监测区域的监测精度还不够理想。文章结合现场 的实际工程条件，充分考虑了影响微震事件定位精 度的因素，通过拾震器的优化布置和事件波形的降 噪处理 ，提高了矿山微震事件定位的精度 ，为矿井 安全管理工作提供了保证 。 在确定 的通道数和拾震器使用个数的前提下， 为充分发挥监测系统的作用，就要合理地对拾震器 进行空间布置与分配，以期在满足微震监测工程技 术指标的条件下 ，使拾震器 阵列的监测范围最大， 充分发挥监测系统的作用 。建议 随着开采区域的 变动，重点监测区域位置会随之而改变，应重新考 虑拾 震器 的布 局 ；为测试微 震监 测 系统在水 平 向和 垂直向的定位误差 ，还需要对拾震器阵列范围内的 震 源定位 误差 进行人 工震 源测试 。 另外 ，现场微震监测是一项依赖经验的工作 ， 不同的工作人员对 P波和 S波的初至有不同的判 断 ，因此现场监测需要工作人员长 时问的积 累经 验。例如对于监测信号初至的识别、信号的降噪处 理和定位算法的选择等都需要监测人员具备丰富的 经验 。 参考文献 [ 1 ] 曹安业 ，窦林名 ，秦红 玉等 ．微 震监测冲击矿 压技。 下转 第 8 1页 6 3 XX XX 乱 _ 二 乱 L L ∞ 。” 0 O O O O O 1 1 O O 3 2 O 1 8 2 1 1 2 1 w 。 。 加 m 8 6 4 2 O ＼ 怖 型煤制品在高温仍然有很好的强度 ；粘土发生矿物 分解的温度都很高，这也使得 以粘土作为粘结剂的 型煤制品具有很好 的热稳定性 ，这是腐植酸钠等有 机型煤 粘结 剂 的先 天性 缺陷 。 由于蒙脱石的颗粒更小 ，比面积更大，所 以其 粘结性也 比高岭土更好 ，也就是说 ，蒙脱石对型煤 高温性能的影响比高岭土更为显著 ，上面的实验结 果也证明了这点。但是型煤除了需满足机械强度和 热稳定性等基本要求外 ，还需要有较高的灰熔融性 和不易结渣性等性能，这对炉况的正常运作 、炉内 通 风及排 渣等 操作 都大有 好处 ，尤其 是在 气化 型煤 上 ，高岭土的加入会改善型煤的灰熔融性 。国内外 学 者 对 煤 灰 熔 融 性 做 过 大 量 研 究，瓦 西 列 夫 Va s s i l e v 等人指 出富含石英 、高岭石 和伊 利石 的煤熔融温度会较高。 由以上分析可知，腐植酸钠对型煤常温强度有 显著影响 ，蒙脱石和高岭土可显著改善型煤 的高温 性能，而且高岭土可改善型煤的灰熔融性 由于灰 熔融 性测 试费用 较 高 ，本 实验 中暂未 测定 。 3 结论 1 腐植酸钠粘结剂制得的型煤具有很好的常 温强度，并且在高温下仍然有一定 的强度 ，在腐植 酸钠加入量为 3 ％时，型煤综合性能最佳 。 2 蒙脱石可显著提高型煤的高温强度和热稳 定性 ，对 常温强 度影 响较小 。 3 高岭土可以提高型煤的高温强度和热稳定 性，不过其影响不及蒙脱石显著 ，高岭土同样对常 温强度影响不大。 参考文献 l ] 徐振 刚 ，刘 随芹 ．型煤技术 [ M]． 北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 1 [ 2 ] 沈嘉龙 ．加快工业锅炉 型煤 发展的建议 [ J ]．中国 煤炭 ，2 0 0 2 5 [ 3 ] 王敦 曾 ．煤泥燃烧 的现状 及发展建议 [ J ]．中国煤 炭 ， 1 9 9 9 5 E 4 ] 凌 向阳，黄光许 ，王泽东 ．粘结剂 个组分 对型煤 特 性影 响的研究 l- J ]．中国煤炭 ，2 0 0 8 1 1 [ 5 ] 潘兰英 ．煤泥 和农作物 秸杆加工生 物质型煤 的试 验 研究 [ J ]．中国煤炭 ，2 0 0 9 1 E 6 ] 邢宝林 ，张传祥 ，段 玉玲 ，黄光许 ．生物 质型煤 机 械密度的影响因素 口]．中国煤炭，2 0 0 7 7 [ 7 ] 李永恒 ．腐植 酸粘结 剂在粉煤 成型 中的特性[ J ]． 氮肥技术 ，2 0 0 6 6 [ 8 ] 王晓利 ，王晓翠 ，张冬 梅 ．一 种新 型复合 型煤粘结 剂 的研究 I- J ]．中国煤炭 ，2 0 0 4 9 E 9 ] 徐德平 ，张香 兰，徐海 霞 ．原料煤粒 度对型 煤性 能 的影响 [ J ]．洁净煤技术 ，2 0 0 0 4 作者简介 赵巍 1 9 8 8 一 ，男 ，华 中科技 大学博士研 究生 ，主要研究方向绿色粘结材料及涂 料技术 。 责任编辑梁子荣 上接 第 6 3页 术成果及其展望 [ J ]．煤矿开采， 2 0 0 7 1 [ 2 ] 邓 志刚 ，任勇 ，毛德兵等 ．波 兰 E MA G矿压监测系 统功能及应用 I- J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 8 1 0 [ 3 ] Gi b o wi c z S J ，K0 k o A．An I n t r o d u c t i o n t o Mi n i n g S e i s mo l o g y[ M ] ． Ne w Y o r k Ac a d e mi c P r e s s ， 1 9 94 [ 4 ] 唐礼忠 ，杨承祥 ，潘 长 良 ．大规 模深井开 采微震 监 测 系统站 网布置优 化 [ J ] ．岩石 力学 与 工程学 报 ， 2 0 0 6 1 0 [ 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