陈家沟煤矿微震监测系统建立及定位校准

文/李学军 宋治红

陈家沟煤矿微震监测系统建立及定位校准

文/李学军 宋治红

微震监测系统作为一种区域性监测方法，其原理是利用拾震仪站接收的直达P波起始点的时间差，在特定的波速场条件下进行二维或三维定位，以判定破坏点，并根据所监测的微震信号特征来确定岩体破裂的发生时间、空间位置及强度等，根据微震活动的变化、震源方位和活动趋势可以评价矿压危险性。在微震监测系统安装初始，一般需要在系统监测区域内通过人为放炮制造震动，通过已知的震源坐标、放炮时间和系统监测到的震源信息来确定震动在煤岩体中的传播速率，校正监测系统定位的准确性。甘肃华亭煤电股份有限公司陈家沟煤矿通过在某采区安装KJ699微震监测系统，利用多次放炮来监测定位，对自然震动与炮震波形进行对比，对该系统定位进行校准分析。本文对上述微震监测系统的建立及定位校准事宜进行详尽阐述。

一、煤岩地质概况

陈家沟煤矿所采煤层直接顶为泥岩、煤岩互层，老顶为砂岩，直接底为砂质泥岩，老底为中粒粗砂岩。矿井地质构造、水文情况简单，正常涌水量不超过80m3/h。矿井绝对瓦斯涌出量2.523m3/min，相对涌出量0.744m3/t。煤尘具有爆炸危险，爆炸指数43.64%以上。煤层自然发火期3至6个月，自燃等级Ⅰ级。矿井现进行采掘活动的工作面煤层埋深543.1m至560m。根据综合分析判定，煤层覆岩中有三层关键层，亚关键层1为细粒砂岩，距离煤层顶板7.4m；亚关键层2为砂质泥岩，离煤层顶板高度110.3m；主关键层粉砂岩，高度为196m。随着开采范围的增大，关键层断裂形成临时稳定结构，关键层结构失稳。大面积覆岩在重力作用下整体移动，组合关键层呈似悬臂结构断裂，释放能量。关键层未断裂或未失稳之前，主关键层之下形成较大的离层空间，关键层失稳后，在上覆松散层加载作用下，产生巨大的动载能量，可能诱发地应力发生矿压灾害。

表1 炮点实验定位误差对比

二、微震监测系统建立

微震监测系统主要由地面和井下设备两部分组成，地面设备有数据采集服务器、终端分析计算机等，井下部分主要由微震监测分站、GZC4.5A矿用拾震器组成（图1）。微震系统包含采集、分析两个软件。矿井某采区工作面走向长度约2400m，正在掘进的工作面与相邻工作面采空区之间留有宽度6m的小煤柱，以拾震器对所要监测区域形成交错包络为最佳布局设计，相邻2台拾震器间隔200m~300m，均匀分布（图2），对掘进工作面形成半包围监测，初期共安装12台传感器。

三、定位校准

1.波速给定

通过一期放炮实验，系统计算给定陈家沟煤矿特定煤岩地质条件下的波速值为4159m/s，以此作为后面的定位波速值。

2.定位计算

在两条掘进巷道共布置了12个炮点，系统接收到可以定位的共有10个炮震事件，其中1号炮震通过6~7、11~13号传感器接收到的震动信号有效波形数据如图3。

震源实际位置与系统定位误差（ΔX，ΔY，ΔZ）如表1所示。

3.效果分析

大部分炮点定位结果跟实际位置误差小于50m，1个炮点在垂直方向Z轴误差超过50m，误差136.8m。对这个炮点分析，炮点所在位置距掘进头最近的传感器距离在500m，远远超出预期布局网络。对于不能定位的2个炮点，通过查看波形分析得知，传感器接收到震动波形数量可以满足定位要求，但由于远离布局网络，距离最近的传感器分别是500m和400m，使得定位偏差偏大。

从定位计算的结果看，由于各个监测实验炮点与传感器的位置关系、装药放炮质量、定位时选择的通道及其数量、分析人员操作差异等原因，导致定位计算结果存在差异。传感器分布在炮点（震源）周围时，定位结果较为理想，且距离越接近越准确，并可由系统一次定位成功，误差较小（0~30m之间）；在炮眼深度、装药量相同的条件下，系统接收到的波形和定位计算的能量有差异，经分析认为与装药、放炮的质量有关，同时震动能量有衰减损失；在已知炮点坐标的情况下，根据反复定位的结果，选择炮点周边的传感器通道数据进行定位计算，得出的误差较小。同时，不同人员进行定位操作得出的结果不一样，且同一人移动卡尺标识波形起跳点进行定位时，结果也有差别。今后在定位计算中，需要不断摸索练习，总结经验，减小定位误差。

4.波形特征分析

炮震与自然矿震波形特征存在差别（图4）。炮震属于高频震动，衰减快，波形短；自然矿震属低频震动，波形长，衰减较慢，传播的距离相应也长。

5.台网布局完善

根据上述定位分析结果，增加1台传感器，调整了个别传感器安设位置，第三次安排6个炮点进行验证。结果表明，位于布局网络内的震源定位精准度得到了提高。

四、结语

1．人为放炮制造震动事件可以对微震监测台网布局和定位计算进行优化和校准。

2．合理进行微震监测布局设计，接收到的理想波形数据在5条以上，可以提高震动事件的定位准确性。

3．通过震动波形特征分析可区分自然事件与炮震。

（作者单位：甘肃华亭煤电股份有限公司陈家沟煤矿）

（责任编辑：庞永厚）