光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究

张华 胡宾鑫 朱峰 王纪强 宋广东

摘要：光纤微震监测技术通过观测分析生产活动中产生的微小振动事件，对其进行监测预警，具有无源、可靠性高等优点。传感器垂直安装在巷道帮部锚杆上，监测分站安装在硐室内，传感器与监测分站通过敷设的光缆形成监测网络。采用单纯形法进行震源定位，此方法在定位计算过程中不会出现发散问题，稳定性高，在求解过程中不需要求解偏导和逆矩阵，降低了运算量，提高了运算效率，每只传感器可以根据实际情况采用不同波速进行计算，更加符合实际情况。光纤微震监测系统安装于山西五阳煤矿，进行了初步的监测应用，并对监测结果进行了分析，结果证明该系统能够监测矿山活动，发挥预警功能，对安全生产起到了积极作用。

关键词：光纤加速度传感器；微震监测；单纯形法；监测预警

中图分类号：TD326   文献标志码：A   文章编号：1002-4026（2023）05-0060-07

Optical fiber microseismic monitoring system and its application research in Wuyang Coal Mine

ZHANG Hua， HU Binxin， ZHU Feng，WANG Jiqiang，SONG Guangdong

（Laser Institute， Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250103， China）

Abstract∶Optical fiber microseismic monitoring technology is used to monitor and alert the microvibration events generated during production activities through observation and analysis with passivity and high reliability. Herein， the sensors are vertically installed on the side bolts along the roadway， and the monitoring substation is installed in the chamber. The sensors and the monitoring substation constitute a monitoring network through the laid optical cables. Besides， the simplex method is used to locate the seismic source. This method is free from divergence problems in the location calculation and is highly stable. Moreover， in this method， the solution of the partial derivative and inverse matrix is not required， which reduces the calculation amount and improves the calculation efficiency. Additionally， each sensor can use different wave velocities during the calculation based on the actual situation. The optical fiber microseismic monitoring system was installed in Shanxi Wuyang Coal Mine for preliminary monitoring and application， and the monitoring results were analyzed. The results show that the system can monitor mine activities and warn early， thereby playing a positive role in safe production.

Key words∶optical fiber acceleration sensor; microseismic monitoring; simplex method; monitoring and early warning

煤炭長期以来是我国的主要能源，是经济发展的支柱产业。随着国民经济持续快速发展，大规模深部矿产资源开采逐渐成为我国采矿行业的趋势。随着开采深度不断加大，地应力明显增大，同时产生大量的微震活动，诱发深部巷道的高强度动力灾害，造成重大人员伤亡和经济损失。以煤与瓦斯突出、突水、隧道岩爆为主的动力灾害已成为工业安全领域的主要灾害[1-2]。这些动力灾害已经成为制约我国煤炭行业发展的关键因素。岩体微破裂萌生、扩展和贯通是煤与瓦斯突出、岩爆形成的重要前兆信息，对前兆信息的精确捕捉、测量、分析已成为动力灾害监测预警防治亟待突破的关键问题。研究和实践表明，微震监测技术是用岩体变形和破坏后本身发出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法，是岩体破裂监测的有效手段。

于群等[3]和王创业等[4]引进加拿大ESG（Engineering Seisnology Group）微震监测系统后，分别将其应用于锦屏水电站、大岗山水电站、洋山隧道等，研究微震事件分析方法，对动力灾害进行预警。Ma等[5]和辛崇伟等[6]对系统软硬件改进，设计了井下微震定位系统，在华丰煤矿等处实现了应用。窦林名等[7]与波兰矿业研究院合作引进波兰SOS（seismological observation system）微震监测系统，在桃山煤矿等进行实时监测。

但是，上述微震监测系统中前端传感探头均是基于压电式、电容式等电学理论，使用过程需要供电，易受电磁干扰，在煤矿等易燃易爆环境应用时受到限制。而光纤传感器具有灵敏度高、频响宽、动态范围大、本质安全等优点，由此本文设计了基于悬臂梁式加速度传感器的光纤微震监测系统，并将其应用在五阳煤矿。

1 微震监测技术

1.1 微震监测原理

岩石在受到外力或内力作用时，其内部将会产生局部弹塑性能集中现象，当能量积累到临界值之后，将引起岩体微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波或应力波的释放并在周围岩体内快速传播，这种弹性波就称为微震。微震监测技术是通过观测、分析生产活动中产生的微小振动事件，以监测其对生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术，可以实现三维空间连续、动态监测，定位精度高、可靠性强[8-10]。当岩石或煤层因为外界因素发生破裂或移动时，产生微弱的微震信號向周围传播，微震传感器可以接收这些信号，记录微震信号的到达时间、传播方向等信息，利用定位算法确定破裂点，即震源位置。

本文设计悬臂梁式加速度传感器，其基于惯性原理实现加速度测量，采用悬臂梁式结构，光纤布拉格光栅黏贴在悬臂梁上，当外界发生振动或冲击时，传感器的外壳和质量块会发生振动，使黏贴在悬臂梁上的光纤发生应变，从而导致光纤的中心波长发生移动。该项目监测设备采用的是自主研发生产的矿山微震监测系统，系统组成如图1所示。

微震监测系统主要包括5支光纤微震传感器、微震监测分站、光缆、交换机、同步时钟、主站等，安装示意图如图2所示。

传感器垂直安装在巷道帮部锚杆上，监测分站安装在硐室内，传感器与监测分站通过敷设的光缆形成监测网络。5通道微震监测系统可对8003回风巷的开采面产生的微震事件进行24 h不间断监测，传感器将获得的微震信号通过光缆传送至微震监测分站，监测分站接收各通道的数据，将数据通过环网传送至地面主站，计算机进行数据分析，形成报告。

1.2 微震监测系统定位

震源事件的定位是微震监测技术研究的主要内容，震源事件的定位能够确定煤岩体破裂的时间和坐标，是煤岩动力灾害监测预警的基础。微震监测定位方法较多，通常根据定位原理分为两大类：一是基于三分量传感器的震源定位方法；二是基于不同到时原理的震源定位方法。第二种是目前微震定位监测中应用最广的一类震源定位方法，例如经典的Geiger法、粒子群算法、Powell算法、单纯形法等[11-16]。经典的Geiger法属于特殊的线性定位算法，将非线性方程组采用牛顿高斯法进行线性化，计算出方程组的最小二乘解，使观测到时间与计算到时间之间的到时残差最小。Geiger法采用多支传感器进行定位，极大程度上提高了定位的准确性，但是此算法过度依赖初始值的选取，若选择不当，易出现定位不准或无法定位的问题。单纯形法是一种适用于求解多维无约束优化问题的一种数值搜索方法，在连续改变几何图形的过程中，相互比较单纯形各顶点的目标函数值，逐步以目标函数值较小的顶点取代目标函数值较大的顶点，在迭代过程中将单纯形逐渐向最优点移动，从而进行优化。而单纯形法在定位计算过程中不会出现发散问题，稳定性高，在求解过程中不需要求解偏导和逆矩阵，降低了运算量，提高了运算效率，每只传感器可以根据实际情况采用不同波速进行计算，更加符合实际情况，所以本文采用的是单纯形法进行定位计算，算法步骤如下：

第一步 计算每支传感器之间获取信号的到时差值以及各支传感器的坐标，选取5支信号完整的传感器，作为5个顶点构造初始的单纯形。通过线性定位初步计算微震震源的位置，得到初始定位坐标p0x0，y0，z0；

第二步 根据微震传感器的坐标，计算每个传感器的残差。设微震发生的时刻为t0，震源坐标为Sx0，y0，z0，第i支微震传感器的坐标为Tixi，yi，zi，其中i表示探测到微震有用信号的微震传感器个数，第i支微震传感器的微震波初至到时时刻为ti，微震波到达第i支微震传感器的波速为vi，则震源定位方程可表达为

根据最小二乘法原理，震源定位的目标函数可以表示为

其中，γi为微震传感器的残差，即观测到时和计算到时之间的差值，可用式（3）表示，

γi=ti－t0+tti，（3）

式中，tti为第i支微震传感器的计算到时；

第三步 比较5个点的残差，选出最大值和最小值，通过映射、扩展、压缩、收缩等4种形式在误差空间中将原单纯形中的顶点替换成新的单纯形；

第四步 不断重复第三步，得到新的单纯形，使单纯形朝着空间内目标函数值最小的方向移动，直到找到最佳的震源位置，得到定位结果。

算法流程图见图3。

2 微震监测系统数据分析

五阳煤矿位于山西省长治市襄垣县王桥镇，微震监测设备安装在8003回风巷，地表位于西周村、东元垴村、西元垴村之间，地面标高为+925～+958 m。8003回风巷位于80采区南部，工作面标高为+283～+408 m，其南部为80-0305底抽巷，东部为80采区胶带运输巷，西部为8006放水巷，北部为实煤体。煤体结构为原生结构煤，煤岩类型以亮煤为主，暗煤次之，煤质为贫瘦煤。8003回风巷总设计长度1 789 m，现已掘进1 232 m，剩余557 m。向前掘进时选择合适位置，开始留设顶煤，在相对稳定层位，沿中煤（顶煤不超1 m）掘进至切眼设计位置停掘，若因煤层酥软或受到80-0305底抽巷造穴孔影响，无法留住顶煤时，仍改为沿顶板掘进至切眼设计位置。

2.1 微震数据处理

光纤微震监测系统将监测到的有效信号进行保存，在震源定位前首先对信号进行滤波和去噪，图4是微震传感器采集到的信号。对这些信号滤波，进行数据处理和分析之后，得到震源的位置坐标和能量见表1。

将震源位置在矿图上进行标记，微震事件基本发生在采煤区，多是因为煤矿开采引起的，与矿上开采活动时间对应，监测效果较好。

2.2 微震监测结果分析

通过对微震事件的部分数据统计分析，绘制出折线柱状图，如图5所示。

2022年5月1日至2日，微震事件频次较低，5月3日至5月4日，微震事件数量频次升高，监测到大量的微震事件信号，5日至7日微震事件数量下降。对单日微震事件进行数据统计分析，绘制柱状图如图6所示。从图6可以看出，微震活动主要集中在3个时期，分别为8～10时、11～13时和16～18时。结合现场实际生产活动情况，这3个时间段主要为矿山的作业生产事件，发生小规模爆破活动，从而引起岩体的扰动和损伤，导致岩体内部发生微破裂。这说明微震事件的产生大部分是由矿山开采活动引起的。

3 小结

本文采用光纤微震监测系统，进行了初步的监测应用研究，结果证明该系统性能良好，能够监测矿山活动，发挥预警功能，满足矿山微震监测的要求，具有良好的推广应用前景。光纤微震监测系统对五阳煤矿的地压监测、安全生产等提供了技术手段，对安全生产起到积极作用，推动了安全生产管理水平的发展。

參考文献：

［1］LIU J P， SI Y T， WEI D C， et al. Developments and prospects of microseismic monitoring technology in underground metal mines in China[J]. Journal of Central South University， 2021， 28（10）： 3074-3098. DOI： 10.1007/s11771-021-4839-y.

[2]岳东， 刘超， 袁增云. 基于微震监测的煤层覆岩关键层判别[J]. 煤炭科技， 2020， 41（4）： 40-43. DOI： 10.19896/j.cnki.mtkj.2020.04.012.

[3]于群， 唐春安， 李连崇，等. 基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析[J]. 岩土工程学报， 2014， 36（12）： 2315-2322. DOI： 10.11779/CJGE201412021.

[4]王创业， 谷雷， 高照. 微震监测技术在矿山中的研究与应用[J]. 煤炭技术， 2019， 38（10）： 45-48. DOI： 10.13301/j.cnki.ct.2019.10.016.

[5]MA T H， TANG C A， LIU F， et al. Microseismic monitoring， analysis and early warning of rockburst[J]. Geomatics， Natural Hazards and Risk， 2021， 12（1）： 2956-2983. DOI： 10.1080/19475705.2021.1968961.

[6]辛崇伟， 姜福兴， 樊硕， 等. 矿内-矿间微震监测技术研究[J]. 煤炭工程， 2021， 53（6）： 107-112. DOI： 10.11799/ce202106021.

[7]窦林名，冯龙飞，蔡武，等.煤岩灾变破坏过程的声震前兆识别与综合预警模型研究[J].采矿与安全工程学报，2020，37（5）：960-968+976.DOI：10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.012.

[8]MCCREARY R， MCGAUGHEY J， POTVIN Y， et al. Results from microseismic monitoring， conventional instrumentation， and tomography surveys in the creation and thinning of a burst-prone sill pillar[J]. Pure and Applied Geophysics， 1992， 139（3）： 349-373. DOI： 10.1007/BF00879942.

[9]LIU S C， CHEN X， LI L X， et al. Microseismic real-time monitoring system based on virtual instruments[J]. International Journal of Hybrid Information Technology， 2016， 9（1）： 413-422. DOI： 10.14257/ijhit.2016.9.1.36.

[10]LIU F， WANG M， ZHANG M， et al. Intelligent microseismic events recognition in fiber-optic microseismic monitoring system compared with electronic one[J]. IEEE Photonics Journal， 2022， 14（2）： 1-5. DOI： 10.1109/JPHOT.2022.3148315.

[11]GEIGER L． Probability method for the determination of earthquake epicenters from arrival time only[J]． Bull．St．Louis．Univ．，1912，8： 60－71．

[12]张志斌， 金花， 王晓飞. 单纯形定位方法在新疆数字地震台网的测定精度分析[J]. 震灾防御技术， 2019， 14（1）： 200-209.

[13]李健， 高永涛， 谢玉玲， 等. 基于无需测速的单纯形法微地震定位改进研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2014， 33（7）： 1336-1346. DOI： 10.13722/j.cnki.jrme.2014.07.005.

［14］李楠，王恩元，孙珍玉，等.基于L1范数统计的单纯形微震震源定位方法［J］.煤炭学报， 2014， 39（12）：8.

[15]PRVGGER A F， GENDZWILL D J. Microearthquake  location： a nonlinear  approach that makes use of a simplex stepping procedure［J］.Bulletin of the Seismological Society of America， 1998， 78（2）： 799-815. DOI： 10.1007/BF00819555.

[16]PRUGGER A F， GENDZWILL D J. Microearthquake location： A nonlinear approach that makes use of a simplex stepping procedure[J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 1988， 78（2）： 799-815. DOI： 10.1785/bssa0780020799.