王雷

（中国煤炭地质总局水文物测队，河北 邯郸056000）

1 概述

经过近20 年的发展和应用，煤矿注浆技术逐渐成熟，成为改变地层含隔水性和改良地层物理力学性质的有效手段。注浆工程通常是在地表合适的位置打钻，利用竖直井与水平井相结合的方式，将钻孔钻进至注浆层位，通过钻孔高压将利用注浆材料按照一定配比制成的可以固化的浆液，注入到地层的离层、裂缝或孔隙中，通过置换、充填、挤压等方式以达到改良其含隔水性和物理力学性质的目的。通过注浆施工，可以在很大程度上减弱含水层的富水性，切断水源的补给通道，有效增强隔水层隔水强度；同时，也可以填充、修复岩体的裂隙、孔隙，从而提高岩层的整体性，进而起到防渗、堵水、隔水、固结、降低地表下沉、提升地基承载力、回填与加固地基的作用。但是，对注浆效果的检验大多是凭借孔口压力变化、注浆量大小及经验判定，对浆液的扩散范围缺乏有效的监测手段，定性和主观性较强，有时存在较大误差。

微震监测技术是监测接收煤、岩体受载破坏时引发的微震动，分析得到岩石的破裂信息，从而推断地下变化情况的一种地球物理学方法。实施注浆时，在地应力的作用下，注浆层位处及其附近，时时刻刻发生着裂隙张裂、错动、碰撞、崩塌等微震动事件，这些事件引起的震动会在整个地层空间内传播，通过在地表适当的范围内布置微震动监测设备，分析所获得的微震事件的分布特征，对浆液的扩散范围及路径进行判定，进而对注浆效果做出判断。本文以在峰峰某矿进行的微震监测为例，尝试对基于面状台阵的煤矿注浆效果的地面微震监测的关键技术进行研究分析。采用优化设计的微地震地面观测系统,连续监测注浆活动前、中、后的微震事件，通过对微震事件的自动检测及自动到时拾取，精确定位，得到注浆引起地层破裂的空间信息，分析浆液的扩散范围，为注浆效果的判断提供数据与技术支持。

2 研究区地质概况

研究区为第四系地层所覆盖，厚度一般为2～20m，主要含煤地层为石炭系太原组（C3t）和二叠系山西组（P1s）。太原组含薄层灰岩4～8 层，一般5 层（大青、小青、伏青、山青及野青灰岩），含煤层9～12 层，可采者6 层（9#、8#、7#、6#、4#、3#煤），地层厚度111～236m，平均厚度117m。山西组由浅灰、灰色砂岩、粉砂岩泥岩组成，含主要可采煤层2#煤，地层厚50～80m，平均厚度70m。

研究区域内注浆的地层为大青灰岩含水层，岩性为灰色、深灰色微晶质灰岩、夹燧石，分布稳定，埋藏深度一般400～500m。

3 工程布置

为获取足够多的微震动事件信息，有效压制各类噪声，取得较好的监测结果，实现震动源的精确定位，本次研究采用了以注浆的水平钻孔为中心呈放射状布置多条测线的面状监测台阵的方案，测线的线距随与水平钻孔距离增大而变大，并间隔布设多种不同采集主频的台站，确保对多种有效信息的采集，见图1。

图1 煤矿注浆效果微震监测工程布置平面图

监测工程采用Smartsolo 节点式地震仪，前放增益为12dB，无低切。共布置测线20 条（编号为101-120），靠近分支孔中心附近线距为20m，向两侧线距依次变为25m和30m；点距为25m（编号为201-220），布置范围约为500×500m，台阵的布设半径与注浆层位的深度接近。

共布置采集台站360 个，其中5HZ 检波器深埋26个，10HZ 检波器浅埋165 个，5HZ 检波器浅埋169 个；监测时间为2020 年9 月22 日～10 月14 日，共计23 天。

4 关键数据处理技术

4.1 数据预处理

根据采集台站的类型，分别下载数据。台站中直接获取的数据为共检波器道集的连续波形，利用Sololite 软件将数据切割为6s 的时间片段，每个时间片段内包含所有台站数据，成为新的共时间道集，以备处理。

4.2 数据处理流程

通过对原始采集数据的分析，结合本次监测在地表布置台阵进行，距离震动源较远，部分微震事件能量较弱的具体特点，制定了针对性的数据处理流程。首先对数据进行重采样，采用带通滤波滤除无关噪声，最后进行数据标准化用于微震事件的拾取和定位，见图2。

图2 数据处理流程

4.3 数据重采样

不同的数据采样频率会引起波形所占采样点数的变化，对于神经网络中窗长为固定点数的卷积操作中，识别不同采样频率的同一波形相当于识别不同的目标，因此处理中需谨慎选择数据的采样频率。

经测试，200Hz 的采样频率能达到最佳的处理效果，本次处理中，数据采样频率被重新设置为200Hz。

4.4 噪声衰减及数据标准化

本次监测工作采用在地表布置台阵进行监测的方式，采集的原始信号普遍较弱，信噪比较低；同时，受研究区附近较丰富的人文活动和钻井施工等多重影响，噪声干扰也比较严重，因此在进行微震事件识别及震源定位前,要对数据进行去噪处理。采用带通滤波来滤除无关噪声，提高数据的信噪比，最大程度识别有效地震信号，进而提高微震事件拾取质量。经多次试验，最终确定了20Hz-60Hz 滤波范围。

为防止数据两端的谱域假象对拾取结果造成影响，需进行去波形尖灭的处理来衰减数据两端的波形。

本次研究采用改良后的U-Net 神经网络进行微震事件的自动识别和初至自动拾取，而该网络训练时所用的数据均为经过标准化的数据，因此本次监测数据在输入神经网络前需进行标准化。采用将每道波形减去其均值并除以其标准差的方式进行数据标准化处理。

5 AI 初至拾取技术及微震事件自动识别

数据处理结束后，将数据放入改良后的U-Net 神经网络中，检测波形并拾取P 波初至，根据实际情况设定阈值，判定是否为微震动事件。

借鉴医学成像领域广泛应用的图像分割神经网络得到适用于微震动波形检测和P 波初至自动拾取的改良后的U-Net 神经网络，网络结构如图3 所示。该神经网络中，地震三分量记录构成输入的三个通道，形成3×n维的数据矩阵输入网络（n 为地震波形的采样点数），经一维卷积、反卷积、激活函数等操作，最终形成3×n 维的输出数据。该网络输出可表征每个采样点分属于P 波、S波和噪声信号的概率，通过网络中最后加入的Softmax激活函数，可以实现对于每个采样点三类概率相加之和为1。经过151478 条波形的训练（所有波形已通过人工拾取P 波和S 波震相），该网络可以精准分辨目标波形信号和噪声，以及波形信号中P 波和S 波的到达时刻。

然而，由于注浆过程中S 波波形不发育，且监测工作采用的台站均为单分量设备，难以捕捉传播方向近垂直的S 波信号，因此本次工作仅利用该网络对P 波初至进行拾取，见图3。

图3 初至拾取所使用神经网络结构示意图

拾取完成后，将所有台站每6s 的波形片段组成一个共时间道集，对每个道集内所有道的拾取结果进行质量控制，剔除和所有拾取到时中位值的差距在0.3s 以上的结果。对于剔除后剩余拾取初至的数量在50 个以上的共时间道集，则认为存在地震事件，保留并记录到时。图4 为微地震拾取结果示例，红线代表拾取的初至。经过该网络的自动拾取，共识别微地震事件324 个。

图4 典型波形拾取结果示例

6 微震动事件精确定位技术

震源定位就是确定微地震事件的震源位置、分布特征等参数，进行微地震监测的主要成果，同时也是本次研究判定注浆浆液扩散路径及范围的主要依据。

6.1 速度模型的确定

综合分析了研究区内钻孔资料及其邻近区域内主动源三维地震勘探的成果数据，并经多次试验尝试，最终确定了二层定位速度模型，第一层为2～20m 厚的第四系沉积物，P 波速度为1000m/s，下覆的第二层为基岩层，P波速度3800m/s。

6.2 微震动事件精确定位技术

采用上述人工智能方法拾取出的P 波初至，确定检测出的微震动事件，然后利用经过广泛检验的、具有高稳定性和精度的通用定位程序NonLinLoc 完成微震动事件的定位工作。该程序对地下一定范围进行网格划分，并采用马尔科夫链蒙特卡洛方法（MCMC）对地下网格进行准全局搜索，找到所有网格中最适合作为震源位置的格点。利用设定的定位速度模型和各台站布设的大地坐标，进行精确定位。由于本次设备的布设在部分点位处同时放置了5Hz 深埋台站和10Hz 台站，此类地段将对应的5Hz 深埋设备和10Hz 设备的P 波初至均进行了识别拾取，且经过处理前的观察分析发现10Hz 设备信噪比稍高，因此若两个初至结果不一致，则采用了10Hz 设备的拾取结果。定位结果如图5 所示，微地震事件大致可被分为两个团簇，在图中分别以①和②进行了标明。图中深度为海拔深度，而台站高程约+200m 左右，因此团簇①的位置大致与注浆区域对应，推测是煤层注浆过程中产生的地震信号。

图5 微地震定位结果

6.3 微震动事件定位结果分析

结合已知地质资料，对微震动事件定位结果进行分析，赋予其地质意义。如图5 所示，推测团簇①的是煤层注浆过程中产生的地震信号，其深度位置大致与注浆区域对应。团簇②为微震动事件更多，所在位置较深，且有部分事件延伸到了阵外，结合研究区附近地质资料，推断该处可能是深处断层在注浆活动作用下产生了活化。图6 展示了不同监测时段下微地震数量的变化情况。从图中可以看到，从2020 年10 月4 日开始，微地震事件数量有了明显的上升，说明了震动活动性的加强趋势。图7展示了不同位置的地震事件随时间的变化情况，设监测到的第一个事件的发生时间为0，图中地震的不同颜色代表相对第一个事件的发生时间（单位为天）。图中两团微震动团簇的发生时间并没有明显的先后之分，下方的区域断层有可能在注浆之前已经活化，注浆活动对该断层并没有明显的触发作用。但深部的微震动团簇有随时间从中间向两边延展的趋势，结合图6 中地震活动性加强的认识，在生产活动后断层的活动性应有加强。

图6 微地震检测数量随天数变化统计图

图7 微地震定位结果随时间的变化情况

7 结论

通过对利用地面微震技术监测注浆效果过程中的台阵布设、关键处理技术、AI 初至拾取技术、微震动事件精确定位技术开展研究，结合地质资料对定位结果进行了深入分析，其定位结果与实际吻合较好，可以为注浆活动提供一定的理论指导和技术支撑。但是，应当支出受地表布置台阵，距离震动源较远，以及广泛存在的人活活动干扰的多重影响，接受的部分微震信号能量较弱，信噪比较低，对注浆时浆液扩散路径的精确刻画的精度还有待进一步提升。