赵聪聪，唐绍辉，覃 敏，郭晓强，焦文宇，刘 畅



微震监测系统定位精度试验研究*

赵聪聪1, 2，唐绍辉1, 2，覃 敏1, 2，郭晓强1, 2，焦文宇1, 2，刘 畅1, 2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012)

以云南某铅锌矿微震监测系统为背景，对构建微震监测台网过程中的震源定位精度进行了调试试验，采用人工爆破试验校核系统定位误差，试验确定了2个矿区微震监测系统的最优震动波传播速度，即1#采区P波波速为4400 m/s、S波波速为3810 m/s，爆破定位试验最小精度误差为8.3 m，单向最小偏差为1.2 m；2#采区P波波速为5000 m/s、S波波速为3500 m/s，爆破定位试验最小精度误差为5.6 m，单向最小偏差为0.8 m。通过爆破定位试验，2套微震监测系统均取得了预期的监测效果，达到了矿山的监测要求。

微震监测；震源定位；定位误差；精度调试

0 引 言

微震监测技术在矿业工程、岩土工程、水库大坝、隧道等工程中的应用日渐深广，为安全生产的预防与控制奠定了基础[1−2]。根据微震监测震源定位系统，能够对研究对象的现场工况以及灾害发生进行一定的预测和预判[3]。在研究过程中，震源定位精度的准确性至关重要[4−5]。在震源定位精度实验研究中，基于由Geiger[6]提出的经典算法衍生出诸多其它算法，主要有基于理论基础的数学算法研究[7−8]、基于计算分析软件的程式化研究[9]等，都是在算法理论基础上进行定位精度优化研究。实际工程应用中应由试验到实际工程逐步研究过渡[10]。本文与前述研究方法和对象的主要区别在于：首先，基于经典算法[6]，使用人工爆破的试验方法，在现场试验中不断调试；然后，结合实际工况条件进行实验，寻找最佳调试波速速度；再根据微震监测系统布设台网中的传感器接受到的岩体破坏信号进行定位调试，使符合现场工况条件的定位精度达到最优。

1 微震监测系统构建

微震监测系统台网布设和优化设计对定位精度的调试有着显著影响[11]，本文对该系统的台网布设已做出最优设计。由于1#采区和2#采区间距远大于微震监测系统的常规有效监测与传输距离，不便于操作维护，并且由于线路、设备产生故障等易影响整个系统运行，故对1#采区和2#采区分别建立一套独立的微震监测系统。

本实验研究中监测工程多，分布范围广，结合矿区地质构造特征和矿山工程自身稳定性情况，对监测区域进行优化分类：一类监测区域为采场区域，定位精度不大于10 m，主要监测1#采区+404 m水平~+274 m 水平之间的采场和2#采区+261 m水平~+31 m 水平之间的采场，以及所在采场区域内的主要构筑设施；二类监测区域主要包括+764 m中段大巷、+584 m中段大巷以及主要提升运输竖井和主要回风井。该区域内矿山岩体较为稳固，受布置条件的限制，监测精度要求略低。

该微震监测系统建设由12台数据采集仪和56个传感器组成。其中1#采区由5台数据采集仪和24个传感器组成，形成一套30通道的微震监测系统；2#采区由7台数据采集仪和32个传感器组成，形成一套38通道的微震监测系统。

1#采区井下微震设备分别布置在+274 m中段、+344 m中段、+404 m中段、+584 m中段和+764 m中段，其中：+764 m中段布置1台4通道的数据采集仪和4个单分量传感器，共4通道；+584 m中段布置1台4通道的数据采集仪和4个单分量传感器，共4通道；+404 m中段布置1台8通道的数据采集仪和1个三分量传感器、5个单分量传感器，共8通道；+344 m中段布置1台8通道的数据采集仪和1个三分量传感器、3个单分量传感器，共6通道；+274 m中段布置1台8通道的数据采集仪和1个三分量传感器、5个单分量传感器，共8通道。井下数据交换中心布置在+584 m中段。

2#采区井下微震设备分别布置在+751 m中段、+571 m中段、+261 m中段、+151m中段、+91 m中段和+31 m中段，其中：+751 m中段布置1台4通道的数据采集仪和3个单分量传感器，共3通道；+571 m中段布置1台4通道的数据采集仪和4个单分量传感器，共4通道；+261 m中段布置1台8通道的数据采集仪和1个三分量传感器、5个单分量传感器，共8通道；+151 m中段布置2台数据采集仪，共设7个单分量传感器，共计7通道；+91 m中段布置1台8通道的数据采集仪和1个三分量传感器、5个单分量传感器，共8通道；+31 m中段布置1台8通道的数据采集仪和1个三分量传感器、5个单分量传感器，共8通道。数据交换中心布置在+261 m中段。

2 微震监测系统定位精度试验方案

2.1 试验目的

微震监测系统现场安装工程完成后，需要进行人工爆破试验，主要目的有：

(1) 调试系统参数，主要是P波波速和S波波速设置；

(2) 校核系统定位误差。

2.2 试验要求

为了使爆破定位试验取得预期效果，应达到以下基本要求：

(1) 爆破试验位置应选在监测范围内的中间岩体稳定区域，同时，要便于施工与爆破作业；

(2) 爆破点最好不少于3个，分别位于不同的位置，爆破点之间要相距一定的距离，应不小于100 m；

(3) 爆破钻孔直径40 mm左右，每次爆破药量应不小于2 kg，最好用泡泥填塞一段孔口，保证爆破质量；

(4) 准确测量爆破点坐标，误差不大于1 m；

(5) 爆破工应按照微震监测技术人员的要求进行各爆破点的爆破试验，并准确记录爆破相关参数，如炸药量、放炮时间及放炮点位置等。

2.3 试验步骤

为保证微震监测系统爆破定位试验准确有效，一般按照以下步骤开展试验：

(1) 提前做好打眼及钻孔坐标测量等准备工作；

(2) 做好对接协调工作，确定好现场负责人及对接方式；

(3) 装药前，电话沟通确认系统运行正常；

(4) 爆破后，电话沟通确认是否成功爆破以及系统是否有效采集。

2.4 注意事项

为了保证微震监测系统爆破定位试验准确有效，需要注意以下几点：

(1) 钻孔应选在稳定性较好的岩体中，钻孔成孔应圆、直；

(2) 炸药应保质保量，避免哑爆；

(3) 爆破人员每次爆破前应与微震监测技术人员电话沟通，确认后方可起爆；

(4) 每次爆破试验点应与矿山采掘爆破间隔开一段时间，至少大于10 min。

3 微震监测系统定位精度试验

系统参数设置情况，含系统默认波速等参数，金属矿山通常P波波速为4000~6000 m/s，S波波速为2500~4500 m/s，由于不同工程和岩体介质的差异性，需要通过现场定位试验，修订和调整系统参数设置，提高微震事件定位精度。一般初始设定P波波速为5500 m/s，S波波速为3500 m/s，然后对波速进行反演、调整、验证，直至确定对应矿区最优波速等参数，达到有效定位精度。

3.1 试验内容

1#采区分别在5月4日、5月8日和5月11日成功地进行了爆破试验，有效爆破共4次，具体爆破试验参数见表1，爆破事件系统定位参数见表2。

表1 1#采区爆破试验参数

表2 1#采区微震监测系统爆破事件定位参数

2#采区分别在5月7日和5月13日成功地进行了爆破试验，有效爆破共3次，具体爆破试验参数见表3，爆破事件系统定位主要参数见表4。

3.2 定位调试结果及分析

(1) 1#采区定位调试结果及分析。根据1#采区爆破试验数据，对该矿区的震动波传播速度进行了校核，确定了最优波速，即P波波速为4400 m/s，S波波速为3810 m/s。结合表1和表2，分析计算4次有效爆破试验结果见表5。

表3 2#采区爆破试验参数

表4 2#采区微震监测系统爆破事件定位参数

表5 1#采区爆破试验定位情况

1#采区微震监测台网布设及精度调试定位比较，如图1所示。

由表5、图1可知，1#采区一类监测区域最小定位精度误差为8.3 m，单向最小偏差为1.2 m，其中第3次爆破试验定位精度误差为14.1 m，可能原因是爆破点坐标未准确测量、爆破信号受到其它震源信号干扰、信号传输介质复杂等；二类监测区域由于监测区域大，布置传感器少，且工程条件受限未能形成基本的包络状，定位精度相对较低。整体上，此次1#采区爆破定位试验成功完成，取得了预期的监测效果，达到了矿山的监测要求。

四面体—传感器；球体—爆破事件和系统定位事件

(2) 2#采区定位调试结果及分析。根据2#采区爆破试验数据对该矿区的震动波传播速度进行了校核，确定了最优波速，即P波波速为5000 m/s，S波波速为3500 m/s。3次有效爆破试验定位情况见表6。

2#采区微震监测台网布设及精度调试定位比较，如图2所示。

表6 2#采区爆破试验定位情况

四面体—传感器；球体—爆破事件和系统定位事件

2#采区最小定位精度误差为5.6 m，单向最小偏差为0.8 m，其中第二次爆破试验定位精度误差为13.8 m，可能原因是爆破点坐标未准确测量、爆破信号受到其它震源信号干扰、信号传输介质复杂等。另外，+571 m水平以上监测范围内的中间区域没有合适的爆破试验点，因此，未取得该区域内的有效爆破事件。但对2#采区微震监测系统的有效监测无影响。同时，+571 m水平以上监测区域大，布置传感器少，且工程条件受限未能形成基本的包络状，相对矿山二类监测区域包络状条件更差一些，定位精度会相对较差。整体上，2#采区爆破定位试验成功完成，取得了预期的监测效果，达到了矿山的监测要求。

4 结 论

定位精度实验研究表明：不同矿山的工况条件大不相同，实际波速传播影响因素不同，需要现场测试调试才具有实际工程应用价值；在有效监测范围内，不同区域的监测效果因台网布设的具体情况而不同，因而定位精度在不同分区内应用更有效，无法确保其是否能够满足其它矿山的实际应用。

(1) 1#采区和2#采区共进行7次有效爆破试验，均已成功完成了定位精度调试试验。

(2) 确定了两个矿区微震监测系统的最优震动波传播速度。即1#采区P波波速为4400 m/s、S波波速为3810 m/s；2#采区P波波速为5000 m/s、S波波速为3500 m/s。

(3) 人工爆破实验调试至最佳定位精度。1#采区爆破定位试验最小精度误差为8.3 m，单向最小偏差为1.2 m；2#采区爆破定位试验最小精度误差为5.6 m，单向最小偏差为0.8 m。

(4) 通过人工爆破定位试验，两套微震监测系统均取得了预期的监测效果，达到矿山的监测要求。

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中国五矿集团有限公司科技专项计划项目(2016-2017年度战略前沿技术研究).

(2018−11−01)

赵聪聪(1992—)，男，河南南阳人，在读硕士研究生,主要研究矿山安全与岩体力学，Email：1175707689@ qq.com。