侯敬民李 岩刘伟东郭英杰于庆波刘少虹

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司,内蒙古自治区赤峰市,024076; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 3.煤炭科学研究总院开采研究分院,北京市朝阳区,100013; 4.内蒙古平庄能源股份有限公司古山煤矿,内蒙古自治区赤峰市,024076)

基于奇异值分解法的古山矿微震系统监测能力优化∗

侯敬民1李 岩2,3刘伟东4郭英杰1于庆波1刘少虹2,3

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司,内蒙古自治区赤峰市,024076; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 3.煤炭科学研究总院开采研究分院,北京市朝阳区,100013; 4.内蒙古平庄能源股份有限公司古山煤矿,内蒙古自治区赤峰市,024076)

微震监测系统已成为古山煤矿矿山动力灾害的主要监测手段.为了保证微震系统定位和能量计算的准确性,采用奇异值分解法对古山煤矿微震监测系统的现用台网监测能力进行评价,从而发现了微震系统定位误差较大区域,由此制定监测系统优化方案,并对微震系统的台网布置进行优化.最后采用现场爆破试验对优化结果进行校验,结果表明微震系统的监测误差明显下降.

采煤工作面 动力灾害 微震系统 奇异值分解法 定位误差 强矿压显现台网布置优化

微震监测系统的定位精度是对冲击地压等动力灾害预测预报的基础.微震事件的定位是矿山微震研究的第一步,也是最重要的一步.微震事件定位的精确性取决于多种因素,比如台站分布、速度模型、震相读取误差、走时区域异常、定位算法、设备运行状态和环境噪音、定位算法等,其中台网布置和走时区域异常是现实中可以人为优化改进的.合理的台网布置可以提高定位精度,增强监测效果,降低设备维护和数据处理成本.可以说,台网的优化布置是利用好所有台站、使网内所有台站有效配合发挥最大作用的关键.

微震系统台网定位误差的计算方法主要包括D值优化法、蒙特卡洛法、动态姿态网组合法等.本文在上述方法的基础上,采用奇异值分解法,通过震源参数的线性相关性评价震源定位结果的优劣,从而对微震台网定位精度进行分析.

古山煤矿三井已出现强矿压显现,而作为矿山动力灾害的主要监测手段,微震监测系统已在古山煤矿取得较好的应用效果,为保证矿震定位和能量计算的准确,提高预测预报矿井冲击地压的可行性,采用奇异值分解法对古山煤矿微震监测系统的现用台网的监测能力进行评价,从而发现微震系统定位误差较大区域,由此对系统进行优化.

1 微震台网监测能力评价原理

假设微震台网包含n个台站,各台站坐标β＝(xi,yi,zi),i＝1,2,…,n.震源坐标为β＝(x0,y0,z0),微震事件震源的发震时刻为t0.震源参数θ＝(x0,y0,z0,t0).当发生一个微震事件时,该台网记录到了m个观测到时tj,j＝1,2,…,m,第i个台站理论走时Ti和到时残差ri.

在震源参数近似值θ∗＝(x∗0,y∗0,z∗0,t∗0)处对走时Ti应用一阶Taylor展开式,并结合观测到时ti可以得到到时残差ri的表达式.使用矩阵表示如下:

式中:A——m×n维微震波走时偏导数矩阵;

b——常量;

m——收到信号的拾震器的个数;

x——待求参数,包括震源坐标(x0,y0,z0)和发震时刻t0.

因为可以进行微震事件震源定位的前提条件是必须最少有4个台站可以判读震相初至,因此此处n≥4.

对矩阵A进行奇异值分解,得到:

式中:U——m×m维矩阵,其列向量为AAT的m个正交归一本征矢量;

V——n×n维矩阵,其列向量为AAT的正交归一本征矢量;

S——m×n维对角奇异值矩阵,元素包括λ1,λ2,…λn;

AT——A的转置;

T——矩阵转置运算.

再由估计参量空间的协方差矩阵推出观测值的协方差矩阵C(r),主对角元素是各观测值的到时方差,可得到估计参量空间的协方差矩阵H.

H的主对角元素是震源参数标准误差的估计值.震中和震源深度的标准误差分别为:

式中:H11、H22、H33——矩阵H的主对角元素;

σxy——震中的标准误差;

σz——震源深度的标准误差.

协方差矩阵H的非对角元素可以用于估计震源参数间的线性相关性,而较高的震源参数线性相关性会导致震源定位迭代过程失稳,对计算结果和收敛速度影响很大.因此,依据式(4)的计算结果绘制云图,对微震台网的定位误差进行评估,从而确定微震台网的监测能力及其优劣性.

2 古山矿三井现用微震台网监测能力评价

首先对古山矿三井现用微震台网监测能力进行评价,微震台网评价取P波平均波速为4000 m/s,到时读取方差为0.05 s,以能量为100 J的微震事件的定位精度作为评价基准.

依据式(4)绘制现有微震监测台网定位误差云图,如图1所示.三井井下共安装9台拾震器.其中,S1、S7拾震器位于东068-1工作面切眼附近,S3、S6拾震器分别位于东068-1回风巷和运输巷中距离石门较近的位置,其余S12、S4、S5、S8、S2拾震器皆位于三井开拓大巷内.由图1可知,现有微震台网存在两个问题.

(1)东068-1工作面切眼处存在定位误差剧烈变化带这是由于切眼处于微震台网包围区域外侧,且该处S1和S7拾震器距离太近,二者相距仅约为110 m;与之对比,S1和S2拾震器的距离约为310 m,其外侧区域就没有定位误差的剧烈变化带.

(2)西068掘进工作面附近区域,尤其是S12拾震器左侧区域定位误差较大且存在误差剧烈变化带.这是由于该区域拾震器布置较少,微震台网对其监测能力较弱,导致定位误差出现了明显的增加.

鉴于上述问题,目前微震台网将不能满足古山三井的监测需求,由此,将对古山矿三井微震台网布置进行优化.

图1 现用台网震中定位误差云图

3 微震台网优化

3.1 优化方案及其定位效果

根据目前矿井采掘情况及现用微震台网存在的问题,提出微震台网布置优化方案.

将S4拾震器移至+320西运输大巷与回风下山交叉处,移除S5,将S6移至东068-1运输巷巷道口处.优化方案需要移动和去除的拾震器详细信息见表1,表中拾震器坐标还要根据实际安装完成后通过井下实测结果进一步修正.

表1 优化方案中需要操作的拾震器信息

依据式(4)绘制优化方案的微震监测台网定位误差云图,如图2所示.

图2 优化方案震中定位误差云图

3.2 优化方案与现用台网定位效果对比

对比图1和图2可知,将S4移至+320西运输大巷与回风下山交叉处后,S12左侧区域的定位误差明显下降,原本S12左侧区域的定位误差最低为70 m,优化后降低至40 m以下,并且误差剧变情况大大减弱,误差剧变带基本消失,这对西068工作面微震事件的监测是有利的.

将拾震器S6移至东068-1运输巷口后,定位误差小于30 m的区域随之向左侧增加,扩展至拾震器S12上,对西068掘进工作面上下两巷的监测精度进一步提高.

4 现场爆破校验

在工作面回采过程中,采用煤层卸压爆破和顶板预裂爆破作为冲击危险区域的解危措施,微震监测系统记录到这些爆破事件的波形.统计10个能量大于103J的典型放炮事件,对微震监测系统优化前后实际监测误差与计算误差进行比较,微震系统的计算误差由式(4)计算,如表2所示.首先,对比实际的震中和震源误差与计算得出的震中和震源误差,已知微震监测系统震中误差允许范围为± 20 m,震源误差允许范围为±50 m,则震中吻合率为75%,震源吻合率为90%.可知本文对定位精度的评价方法可信度较高,可以为现场提供可靠参考.然后,对比微震监测系统台网优化前后监测的实际误差,可知通过微震监测系统台网优化监测误差下降了8%～19%.

利用奇异值分解技术相结合的方法对微震监测台网进行定位误差计算,由此对微震台网布置进行优化,对保证微震系统的监测精度以及对冲击地压灾害的预测预报具有重要的指导意义.

表2 系统优化前后能量大于103J的放炮事件监测与计算误差对比

5 结论

(1)微震台网的布置和拾震器安装均对微震定位的精确性起着重要作用.首先,微震台网布置优良,将会大幅减少甚至消除定位误差较大区域,提高定位精度和速度.其次,拾震器安装基础越好,噪音越低,接收的震动波越清晰,将有利于确定P波初至时刻,同时还可增加拾震器监测范围.

(2)以微震事件的定位精度作为评价基准,对古山矿三井现用微震台网的监测能力进行评价,发现了古山矿三井已用微震台网存在的问题.

(3)针对古山矿三井现用微震台网存在的问题,基于微震台网的优化布置原则,对现用台网进行优化.通过优化,微震监测误差下降了8%～19%.

(4)通过井下爆破对本文的计算结果进行校验,由校验结果可知本文的评价方法可信度较高,可以为现场提供可靠参考.

[1] 王元杰,邓志刚,王传朋.提高深部开采微震事件定位精度的研究[J].中国煤炭,2011(12)

[2] 印海南.高精度三维地震勘探在山西晋城矿区的应用[J].中国煤炭,2011(2)

[3] 焦远碧,吴开统等.我国地震台网监测能力及台网观测条件质量评定[J].中国地震,1990(4)

[4] 朱元清,赵仲和.提高地震定位精度新方法的研究[J].地震地磁观测与研究,1997(5)

[5] 姜长宁.江苏数字地震台网地震定位能力分析[J].地震学刊,2001(2)

[6] 郭飙.首都圈数字地震台网的微震定位实验[J].地震地质,2002(3)

[7] 张玲,梁向军,董春丽等.山西数字地震台网监测能力分析[J].山西地震,2010(4)

[8] 巩思园,窦林名,曹安业等.煤矿微震监测台网优化布设研究[J].地球物理学报,2010(2)

[9] Sato Y,Skoko D.Opimum distribution of seismic observation pointⅡ[J].Bull of earthquake Res Inst Tokyo Univ,1965(43)

[10] 潘俊锋,秦子晗,冯美华等.岩浆岩床下伏短壁综放面集中静载荷型冲击启动原理[J].岩土力学, 2015(9)

[11] 刘少虹.动载冲击地压机理分析与防治实践[D].北京:煤炭科学研究总院,2013

[12] 李宏鉴,斯图尔特.微震台网的原理及应用[M].北京:地震出版社,1984

[13] 朱介寿.地震学中的计算方法[M].北京:地震出版社,1988

[14] 田玥,陈晓非.地震定位研究综述[J].地球物理学进展,2002(1)

[15] 陈祥熊.地震精确定位问题综述[J].福建地震, 2007(1～2)

[16] 陈法兵,王颖,任文涛等.基于奇异值分解法的微震子台网监测能力分析[J].地震地磁观测与研究,2015(1)

[17] 杨志国,于润沧,郭然等.基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究[J].岩土力学与工程学报, 2009(2)

[18] 黄庆国,高润平.特厚煤层综放面高精度微震监测技术的应用[J].中国煤炭,2008(8)

Optimization of monitoring ability of microseismic system in Gushan Mine based on singular value decomposition method

Hou Jingmin1,Li Yan2,3,Liu Weidong4,Guo Yingjie1,Yu Qingbo1,Liu Shaohong2,3
(1.Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co.,Ltd.,Chifeng,Inner Mongolia 024076,China; 2.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 3.Coal Mining Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 4.Gushan Mine,Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co.,Ltd.,Chifeng,Inner Mongolia 024076,China)

Microseismic monitoring system had been the main monitoring method of mine dynamic disaster in Gushan Coal Mine.To ensure the system localization and energy calculation, singular value decomposition was adopted to evaluate the monitoring ability of current network of microseismic system,which had found out the area with larger location error,so monitoring system optimum proposal for network layout was worked out.Field blasting tests for verifying the optimizing results showed that the monitoring error of microseismic system declined obviously.

coal mining face,dynamic disaster,microseismic system,singular valued composition method,location error,strong strata behaviors,network layout optimization

TD326

A

侯敬民(1974-),男,赤峰平庄人,汉族,高工,从事采矿工程与煤矿安全科研及管理工作。

(责任编辑 张毅玲)

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目(KJ-2015-TDKC-05、KJ-2015-TDKC-11、KJ-2016-TDKC-01)