煤矿微震监测技术现状与发展前景

第２５卷第１２期　２０１６年１２月　中　国　矿　业　

ＣＨＩＮＡ　ＭＩＮＩＮＧ　ＭＡＧＡＺＩＮＥ　Ｖ０１．２５，Ｎｏ．１２　

ＤｅＣ．　２Ｏ１６　

煤矿微震监测技术现状与发展前景　丛　森　，程建远　，王云宏　，房　哲　（１．西安科技大学地质与环境学院，陕西西安７１００５４；　２．中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安７１００７７）　

摘要：微震监测技术是一门新兴的地球物理实时监测技术，其研究工作主要集中在微震震源定位　方法和微震信号初至拾取两个方面：定位方法以经典的Ｇｅｉｇｅｒ法以及在此基础上发展的各种线性、非线性　微震震源定位方法为主；ＳＴＡ／ＬＴＡ法、ＡＩＣ法、分形维数法和小波变换法是微震信号初至拾取的主要方　法。目前，矿山领域将微震监测技术主要用于冲击地压、突水等灾害的预测预报；矿山微震监测技术在提　高震源定位精度、数据精细化处理等方面还有待加强，从基础理论研究、数据信号处理和仪器研发等方面　对矿山微震监测技术进一步研究和发展方向进行了展望。　关键词：微震监测；震源定位；初至拾取；冲击地压；突水　中图分类号：ＴＤ７６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—４０５１（２０１６）１２—００８７—０７　

Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｍｉｎｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｕｔｌｏｏｋ　

ＣＯＮＧ　Ｓｅｎ　，ＣＨＥＮＧ　Ｊｉａｎｙｕａｎ　，ＷＡＮＧ　Ｙｕｎｈｏｎｇ　，ＦＡＮＧ　Ｚｈｅ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｘｉ’ａｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ／ｎｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｈｏｓｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｓ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｉｇｎａｌ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．Ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｃａｌ　Ｇｅｉｇｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ．ＳＴＡ／　ＬＴＡ，ＡＩＣ，ｆｒａｃｔａｌ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｆｉｒｓｔ－ｂｒｅａｋ　ｐｉｃｋｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｏｃｋ　ｂｕｒｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｉｎｅ　ｗａｔｅｒ　ｉｎｒｕｓｈ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔ．Ｍｉｎｅ　ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｓｏｕｒｃｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｔｈｅ　ｍｉｎｅ　ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｏｆ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｄａｔａ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｏｕｒｃｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｆｉｒｓｔ－ｂｒｅａｋ　ｐｉｃｋｉｎｇ；ｒｏｃｋ　ｂｕｒｓｔ；ｍｉｎｅ　Ｗａｔｅｒ　ｉＤｒＵｓｈ　

随着煤矿开采深度的不断增加，微震监测技术　已成为煤矿安全生产中的监测预警手段之一。微　震监测是通过在监测区域不同方位设置微震传感　器，对微震事件进行实时记录，分析各种震动参数　收稿日期：２０１６－０９—０１　基金项目：国家科技重大专项项目资助（编号：２０１ｌＺＸ０５０４０—００２）；　科技部科研院所专项基金项目资助（编号：２０１３ＥＧ１２２２００）；国家科　技支撑计划项目资助（编号：２０１２ＢＡＫ０４Ｂ０４）　第一作者简介：丛森（１９８７一），男，内蒙古通辽人，博士研究生，主　要从事微震监测技术的研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｏｎｇｓｅｎｃｋ＠１６３．ｔｏｍ。　（振动能量、振动频次、震源半径、震动力矩、压力降　等），计算破裂发生的时间和位置，进而推断煤岩体　应力状态及破坏情况　］。因此，一般情况下，微震监　测系统至少包括微震记录仪器、接收传感器、信号　处理方法、空间定位算法以及可视化分析终端等。　与传统技术相比，微震监测技术具有远距离、动态、　三维和实时监测的特点，还可以根据震源情况确定　破裂尺度和性质，从而为确定煤岩体的破坏程度提　供依据　。　本文论述了煤矿微震监测技术的研究历程和　最新进展，并对微震监测技术今后研究和发展的方　８８　中国矿业　第２５卷　向进行了展望。　１微震监测技术的研究现状　１９１０年Ｈａｎｓ　ｂｅｎｎｄｏｒｆ对微地震现象进行了　最早的描述［３］，但在当时并没有引起人们的注意。　直到２０世纪３Ｏ年代末期，美国矿业局的研究人员　利用声波探测技术在具有岩爆倾向性的矿井进行　岩石力学的相关研究时，发现在拆除声波发射器　后，接收传感器仍能接收到声波信号，自此微地震　现象引起了人们的广泛注意，并展开了大量的研　究，目前已经在众多领域得到应用ｌ＿４］。微震监测技　术的核心是震源定位和微震信号的初至拾取，只有　得到高精度的定位数据，才能充分发挥微震监测技　术的优势。　１．１微震震源定位技术　１．１．１　定位算法　微震震源定位是指利用采集到的震动波信号，　通过特定的震源定位算法，反演微震事件的空间位　置和发震时刻。震源定位所需要的输入数据包括　微震监测台网中各传感器空间坐标、各传感器接收　到的波的到时和监测介质中地震波的传播速度　等ｌ＿５　］。微震震源定位精度，受震源定位算法、微震　监测台网布设、到时数据和波速模型等因素的　影响　。　根据震源定位的原理不同，微震震源定位方法　分为两大类：一类是基于三轴传感器的震源定位方　法；另一类是基于到时不同理论＿７　］，即利用振动波　的到时差值、波速和传感器空间坐标进行震源定位　的方法。由于三轴传感器的震源定位方法在小范　围内监测时难以精确地分离Ｐ波和Ｓ波，因此该方　法在微震监测中应用较少；而基于到时不同理论的　震源定位方法种类繁多，例如经典的Ｇｅｉｇｅｒ法、双　重残差法等。　目前，震源定位中应用较多的是１９１２年德国科　学家Ｇｅｉｇｅｒ提出的经典方法［９　以及在此基础上发　展的各种线性方法，如相对定位法、联合定位法与　双重残差法等　。其原理是将非线性问题线性化　并给出最小二乘解。由于该方法的计算量很大，２０　世纪７０年代随着计算机技术的兴起，Ｇｅｉｇｅｒ算法　才重新焕发了强大的生命力。Ｌｅｅ等［１　在Ｇｅｉｇｅｒ　法的基础上开发了ＨＹＰＯ７１—８６系列定位程序，开　启了计算机定位的先河。林峰等　分析了Ｇｅｉｇｅｒ　定位方法与线性方程组定位方法的优缺点，提出了　以线性定位解作为Ｇｅｉｇｅｒ定位法的迭代初值进行　定位求解的联合定位方法，该方法显著提高了求解　效率，但线性定位解对联合定位法定位精度的影响　程度尚缺乏相应的论证。张唤兰［１。　利用三分量检　波器的数据信号联合走时和传播方向构建了矢量　目标函数，并在此基础上得到了改进的Ｇｅｉｇｅｒ定位　算法。由于矢量目标函数综合考虑了走时和传播　方向，模型数据的测试表明这种方法的定位精度优　于经典Ｇｅｉｇｅｒ定位算法，在对震源深度的定位上有　着较大的应用空间。　由于线性定位方法对初始值的依赖程度较高，　初始值选取不当时会使得定位发散或得不到定位　结果＿１　。为了解决这些问题，人们相继提出了一些　非线性方法，如梯度法、牛顿法、全局搜索法、　Ｂａｙｅｓｉａｎ法、蒙特卡洛法、单纯形算法、模拟退火法　与遗传算法等＿１　。周运波、杨晓东　¨　对上述一　些非线性方法的基本原理和优缺点进行了介绍；周　民都等　采用遗传算法对模拟和真实地震事件进　行了定位，并与Ｐｏｗｅｌｌ等方法进行对比，发现遗传　算法给出的定位结果在发震时刻和震源深度上更　为可靠，并且对非包围地震定位效果较好。李会义　等＿】　、李成武等Ｌ１　９＿应用牛顿迭代法求解非线性方　程组，并借助Ｍａｔｌａｂ的强大运算功能进行震源定位　研究，使得震源定位速度、精度均得到很大提高；李　楠等＿＿２　。　采用基于ｕ范数统计准则的单纯形算法　进行微震震源定位研究，通过现场爆破试验与其他　方法对比研究表明：该方法定位结果稳定，定位精　度高，并且算法受震源和台网相对位置的影响较小。　２Ｏ世纪９Ｏ年代，Ｗａｌｄｈａｕｓｅｒ和ＥｌｌｓｗｏｒｔｈＩ２　］　提出了双差分定位法。该算法的思想是计算同一　台站接收的、两个相邻地震的观测走时差，减去理　论计算值的走时差后得到的残差（双差）来确定其　相对位置，该方法的突出优点在于它可以利用频谱　中的互相关分析法读取事件的到时差，大大提高了　到时数据的精确度，从而使定位结果比常规定位方　法提高了一个数量级＿２　。张唤兰在双差分定位　法的基础上提出了混合差定位法，这种方法在不影　响定位精度的情况下，降低了算法的存储量和对微　地震事件群的初始质心位置的敏感度，提高了计算　效率　。目前，微震震源定位的算法较多，但大多　没有从根本上解决求解的发散与求解效率等问题。　震源定位的影响因素较多，在完善定位算法的同时　应综合考虑算法与速度模型、台网布置等影响因素　之间的相互关系，在提高算法稳定性与定位精度的　同时应合理评价其他因素对定位精度的影响。　１．１．２观测系统　为提高震源定位精度，在震源定位算法研究的　基础上，国内一些学者对微震监测台网的优化布置