基于波速反演微震监测系统的设计与应用

安 赛，邓 楠，秦 凯，舒龙勇

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

煤岩体是一种存在各种微裂隙、空隙的非均质体，在外力作用下产生应力集中进而发生破裂，其中积聚的能量释放并以弹性波的形式向外传播。微震监测技术可以实时、动态监测煤岩体破裂后产生的微震动信号，并分析出破裂发生的位置及释放的能量，为可能出现的动力灾害进行分析与预警。近年来，微震监测技术在预测冲击地压[1]、煤与瓦斯突出[2]、岩爆[3]等煤岩动力灾害中得到广泛应用。

其中，震源的定位精度是评价微震监测技术优劣最重要的指标。围绕如何提高震源的定位精度相关学者分别从传感器空间布置、波形初至拾取[4]、背景噪声滤波[5]、定位优化算法[6]、信号采集精度[7]、分站间时钟同步精度等方面进行了相关的研究。唐礼忠等[8]通过优化传感器的空间坐标位置或者采用优化的定位算法来提高微震系统的定位精度。张辉等[9]提出了一种微震监测系统分站间高精度时间同步的实现方式，通过PTP精密时钟协议实现了同一局域网内部分站间±1 μs的时间同步精度，进而提高了微震定位精度。但是，上述文献在致力于提高微震定位精度的同时，没有考虑煤岩体的非均质性，波速随非连续、非均质性的变化而动态变化的影响，使用单一恒定的速度计算震源的位置，从而导致系统最终的定位精度误差较大，如波兰ARAMIS微震监测系统与加拿大ESG微震监测系统。为此，本文提出并设计了一款基于波速反演的微震监测系统，在实现高精度传统微震监测系统基础上，通过添加频率可调、激振力可控的自激震源及对应的波速反演算法，实现微震定位前待测区域波速场的反演与校正，之后用校正后的波速场定位煤岩体破裂产生的微震事件，可以大幅提高系统定位的精度。

1 系统方案

基于波速反演的微震监测系统结构如图1所示。该系统井下部分主要由动圈式振动传感器、多通道分布式微震采集分站、自激震源电控箱、震动电机、网络交换机等组成。井上部分由工业交换机、PTP授时服务器、工业计算机、采集控制软件、波形分析软件等组成。PTP授时服务器通过环网对井下各采集分站进行时钟同步；振动传感器拾取煤岩体或震动电机的震动信号后转换成对应的模拟信号，微震采集分站对模拟信号进行处理、AD采集，与同步时间戳打包成数据单元通过环网上传至采集控制软件；采集控制软件同时实现对各分站、震源电控箱的管理、控制，震动事件的判断，定位能量计算等；波形分析软件实现震源的2D、3D展示，统计分析等功能。

图1 微震监测系统结构图Fig.1 Structure diagram of microseismic monitoring system

2 硬件设计

2.1 振动传感器

振动传感器检测震动信号并转换为电压信号，从工作原理分有电磁式、压阻式、压容式和MEMS检波器等。电磁式振动传感器(也称动圈式传感器)由于其价格低廉、稳定性好等特性在地震勘探领域应用较多。基于现场安装、成本、采集信号频率等因素，选用ACT-4.5型动圈式速度传感器，其灵敏度为100 V/m/s，频率响应为0.5～200 Hz。

2.2 微震采集分站

分布式微震采集分站负责最大8路振动传感器信号的采集、滤波、放大、AD采集。之后通过以太网光纤接口接入井下环网，上传至采集控制软件；同时PTP授时服务器对各分站进行时钟同步。其内部功能框图如图2所示。为了提供系统的动态范围及适应不同的现场情况，在采集开始前设置放大电路的放大倍数，PGA放大器的核心器件使用PGA204，可实现×1 V/V、×10 V/V、×100 V/V、×1 000 V/V四种放大倍数，其等效噪声低，总谐波失真小；AD采集电路使用TI公司生产的专用震动采集芯片ADS1278，ADS1278具有高动态范围、低功耗等优点，可实现最大8路24位同步采样。液晶电路实时显示各通道的运行状态、IP地址等信息。

2.3 自激震源

自激震源电控箱通过井下环网接收采集控制软件的信号，控制震动电机按照一定的频率震动。主要包括隔爆外壳、AC-DC电路、主控板、光电转换电路、变频器等电路。主控板与变频器采用RS485接口MODBUS RTU协议进行通信。变频器额定功率为2 kW，可实现0～60 Hz无级控制。震动电机采用具有安标认证的矿用防爆电机。

3 软件设计

3.1 分站嵌入式软件

微震监测分站嵌入式软件架构如图3所示。硬件层(HW)使用STM32F4控制器为软件层提供硬件支持，操作系统层(RTOS)使用RTX-V4.73实现实时多任务的调度处理，网络协议栈使用LWIP-1.4.1提供网络协议处理，精密时钟同步协议使用ptpd-2.0.0实现分站与PTP服务器之间的精密时钟同步。其中，STM32F4硬件支持符合IEEE 1588-2002定义的以太网时间戳，在运行PTP协议后，即可根据算法自动调整其64位时钟寄存器，使各系统分站时间保持同步，APP层负责应用任务实时处理。

图2 微震监测分站结构图Fig.2 Microseismic monitoring substation structure diagram

图3 微震监测分站软件架构Fig.3 Software architecture of microseismicmonitoring substation

3.2 波速场反演

波速场反演是指利用大量观测数据反演监测区域波速的一种方法，首先将监测区域内的区域离散化为m×n个相同网格，然后进行正演计算，使用最短路径射线追踪算法计算各节点的射线路径；最后使用SIRT算法进行反演求解，修正速度模型[10]。其简要流程概述如下所述。

3.2.1 正演计算

从自激震源点P开始，求从自激震源P到与各节点的旅行时，并将旅行时最小的L1节点作为次级波源，继续计算与L1相连的所有节点(除P点)的旅行时，取最小的旅行时L18替换为该节点的旅行时，如图4所示。至所有节点均做为次级波源并计算出最小旅行时为止。

图4 波源追踪至次级波源Fig.4 Tracing the wave source to the secondarywave source

3.2.2 反演方程组

反演方程组见式(1)。

(1)

式中：m为路径的条数；n为网格节点总数；Lij为第i条射线在第j个网格内射线长度；vj为第j列节点的慢度(速度的倒数)；tj为波传播至j节点所需的旅行时。

3.2.3 SIRT算法反演

(2)

式中，i=1,2,…,m。

3) 计算估计值、实测值之间的误差Δti，计算见式(3)。

(3)

4) 计算每个方程节点的修正值，见式(4)。

(4)

5) 计算修正后的值，见式(5)。

(5)

6) 用修正后的值替换假定值，得到新的射线路径、矩阵，重复上述步骤同时配合自激震源在不同已知位置震动，直到相邻慢度差满足精度要求为止，一般满足XY轴方向为±1 m，Z轴方向为±2 m即可。

7) 获得待测区域的波速场后，采用Geiger定位方法对微震事件进行定位；而传统的微震监测系统如波兰ARAMIS与加拿大ESG，没有波速反演的功能，而是采用单一恒定的波速进行定位分析，相较于后者，增加了获得波速场相应的软件、硬件及现场测试复杂性，但能获得更高的定位精度。

3.3 采集控制软件

采集控制软件使用基于Windows操作系统、VS2015集成开发环境C#语言进行开发，系统最大容量为10台分站，采样率设置为2 Ksps，则每台分站的数据量为0.4 Mbps。为了能够快速准确地获取网络数据与获取时间戳，主机采用Wincap技术解析以太网上传的数据包，Wincap支持直接访问底层网络数据。采集软件接收完成后，采用经典STA/LTA算法自动拾取波形的到时与终时，结合相关道数、长短时窗与阀值对微震事件进行识别与判断，事件波形信息生成SEG2文件，同时对事件采用Geiger定位算法进行定位与能量计算，并将数据写入数据库，以供波形分析软件进一步显示与统计。

4 定位精度现场对比测试

河南能化义煤集团跃进煤矿是典型的冲击地压矿井，已经安装了波兰ARAMIS微震监测系统与加拿大ESG微震监测系统。为了验证基于波速反演KJ768微震监测系统的定位精度，在矿上进行定点爆破对比试验。测试前需要对KJ768微震系统按如下步骤进行波速校准。

1) 在待监测的回采工作面周边布置振动传感器、激震源电控箱、震动电机，记录各振动传感器与震动电机的坐标位置，同时将一振动传感器布置在震动电机上作为基准点。该通道放大倍数设置为1，其余通道设置为100、相关时间设置为10 s。

2) 通过采集与控制软件激发震动电机以最大激振力发出5 Hz持续2 s的激励波形，初始波速设置为4 000 m，运行波速校正程序，反演波速场。

3) 移动震动电机，并记录新坐标位置，持续步骤2)，直至XY轴方向精度为±1 m，Z轴方向精度为±2 m。

校准完成后，在测试区某一位置打孔装入炸药，记录爆破点位置，爆破后，三套系统分别记录震动波形，KJ768微震监测系统分析软件运行如图5所示，计算得到的震源位置与实际爆破点的位置对比结果见表1。

由表1可知，2次定点爆破试验显示，在X方向平均误差KJ768为2.10 m、ARAMIS为5.20 m、ESG为12.40 m；Y方向定位误差平均值KJ768为6.70 m、ARAMIS为11.10 m、ESG为13.90 m；Z方向定位误差平均值KJ768为4.10 m、ARAMIS为4.60 m、ESG为7.20 m。3个方向KJ768微震监测系统定位误差均小于10.00 m，且均优于ARAMIS和ESG。

图5 定点爆破分析软件波形处理Fig.5 Waveform processing of fixed-point blasting analysis software

表1 三套微震监测系统定位精度定点爆破测试结果Table 1 Results of fixed-point blasting test for positioning accuracy of three sets of microseismic monitoring systems

5 结 论

1) 考虑到波速随煤岩介质的非连续非均质性而动态变化的影响因素，提出了基于波速反演的微震监测系统，相较于传统微震系统如波兰ARAMIS与加拿大ESG采用单一恒定的波速场进行定位。本文通过增加自激震源及对应的波速反演算法获得待测区域的波速场，之后用校正的波速场对震源进行定位。

2) 通过煤矿井下定点爆破对比测试，验证了基于波速反演的微震监测系统在3个方向震源定位误差小于10 m，且均优于波兰ARAMIS与加拿大ESG等采用单一速度模型进行震源定位的微震监测系统，具有较高的定位精度。

3) 该系统在煤矿运行稳定，同时在非煤矿山也具有一定的应用前景。