摘要：
本文簡(jiǎn)要介紹了以Sigma4+和DX6地震儀為核心的動(dòng)態(tài)成像預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦山防越界開(kāi)采中的應(yīng)用。

一. 技術(shù)原理
國(guó)內(nèi)外大量研究資料表明，煤礦越界開(kāi)采活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生地震波動(dòng)效應(yīng)，釋放彈性波信息，每一個(gè)彈性波信息都包含著越界開(kāi)采活動(dòng)狀態(tài)變化的豐富信息，通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析，可作為評(píng)價(jià)煤礦越界開(kāi)采活動(dòng)的依據(jù)，原理如圖1-1所示。礦山防越界開(kāi)采微震與成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是將高靈敏度的微震傳感器布設(shè)于研究區(qū)域處四周，全面、實(shí)時(shí)、三維監(jiān)測(cè)因越界開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生的采煤放炮及生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)，來(lái)獲得越界開(kāi)采活動(dòng)發(fā)生的位置和時(shí)間，并且在越界開(kāi)采活動(dòng)引起礦山的外在變化之前通過(guò)微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

礦山防越界開(kāi)采微震與成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)涵蓋兩大核心技術(shù)，分別為基于微震到時(shí)和方位角相結(jié)合雙差定位算法的微震定位技術(shù)和4D時(shí)移成像技術(shù)。

1.1 基于微震到時(shí)和方位角相結(jié)合雙差定位算法的微震定位技術(shù)
基于微震到時(shí)和方位角相結(jié)合雙差定位算法的微震定位技術(shù)是通過(guò)利用微震事件的絕對(duì)到時(shí)和相對(duì)到時(shí)，來(lái)實(shí)現(xiàn)微震事件定位。如果兩個(gè)震源的距離比它們的震中距小的多，那么兩個(gè)震源到同一個(gè)微震臺(tái)站間的路徑可以近似相同，即在同一個(gè)微震臺(tái)站上觀測(cè)到的兩個(gè)微震波形的走時(shí)差可以近似認(rèn)為微震位置引起的。該技術(shù)不僅使用了傳統(tǒng)的微震到臺(tái)站的絕對(duì)走時(shí)，還利用了一對(duì)事件到同一個(gè)臺(tái)站的相對(duì)到時(shí)，通過(guò)使用迭代反演的方法不斷降低觀測(cè)和模擬出的走時(shí)差得到微震事件空間定位的結(jié)果。通過(guò)引入一對(duì)微震事件到同一個(gè)臺(tái)站的相對(duì)到時(shí)，可以消除微震事件對(duì)的共同路徑上速度模型的誤差，從而提高微震定位的精度。

1.2 4D時(shí)移成像技術(shù)
地下煤巖體在未受開(kāi)采擾動(dòng)影響下，區(qū)域內(nèi)地層速度變化差異很小。當(dāng)有采掘活動(dòng)，會(huì)造成煤巖體的應(yīng)力載荷平衡受到破壞，煤巖體出現(xiàn)非常多的微小破裂。同時(shí)，會(huì)以彈性波的方式釋放破裂產(chǎn)生的能量，但是彈性波在含有微小煤巖體破裂的區(qū)域傳播過(guò)程中，地震縱、橫波存在能量衰減、高頻部分被吸收、速度在降低。此時(shí)，針對(duì)礦山防越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)，通過(guò)根據(jù)煤巖體的微破裂產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行地層速度成像分析，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)煤巖體地層速度降低的區(qū)域，查看煤巖體微破裂區(qū)域的發(fā)育范圍，來(lái)判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)越界開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)邊界煤巖體穩(wěn)定性的影響。
4D時(shí)移地震（四維地震）成像是通過(guò)利用事件對(duì)在同一臺(tái)站的到時(shí)差數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地震位置以及速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演，來(lái)獲得地下介質(zhì)在不同時(shí)期的速度變化，從而定量化獲得越界開(kāi)采活動(dòng)的區(qū)域范圍。

二.  礦山防越界開(kāi)采微震與成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)硬件
礦山防越界開(kāi)采微震與成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由微震監(jiān)測(cè)分站、微震傳感器、地面數(shù)據(jù)采集服務(wù)器組成。
1、微震監(jiān)測(cè)分站
該微震監(jiān)測(cè)分站具有低本底噪聲、微功耗等特點(diǎn)，主要采用美國(guó)Seismic Source公司的Sigma系列地震儀和DX6系列地震儀，如圖2-1所示。技術(shù)參數(shù)如下：

1. 高分辨率：24位 AD轉(zhuǎn)換；
2. 高采樣率：最大64k sps；
3. 高觸發(fā)精度：±1us at all sample rates；
4. 低本底噪音：<0.2 uV RMS@2ms；
5. 適用溫度環(huán)境：-40攝氏度~85攝氏度；
6. 適用濕度環(huán)境：0~99%；
7. 時(shí)鐘同步：GPS結(jié)合光纖網(wǎng)絡(luò)同步，保證了時(shí)間精度，10-6s；
8. 通道數(shù)：4（單臺(tái)Sigma4-4+）、6（單臺(tái)DX6）、擴(kuò)展（多臺(tái)聯(lián)合使用）。

2、微震傳感器
微震傳感器是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山越界開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生的采煤放炮及生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至采集分站。采煤放炮及生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)是信號(hào)頻率范圍大，從幾十赫茲到幾百赫茲范圍，對(duì)采集信號(hào)的傳感器性能要求非常高。微震傳感器技術(shù)參數(shù)如下：
1）單軸、三軸微震傳感器，如圖2-2所示。
2）200V/m/s靈敏度。
3）0.1-1000Hz自然頻率。
4）鉆孔安裝。

3、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器
地面數(shù)據(jù)采集服務(wù)器為軟件系統(tǒng)搭建平臺(tái)，具有實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、處理及分析越界開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生的彈性波信號(hào)以及控制微震監(jiān)測(cè)分站，如圖2-3所示。


2.2系統(tǒng)軟件

礦山防越界開(kāi)采微震與成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)模塊包括：工程配置軟件、實(shí)時(shí)采集軟件、微震處理軟件、微震三維可視化軟件。

（1）工程配置軟件：工程配置軟件是方便用戶(hù)進(jìn)行建立工程和項(xiàng)目管理的一款軟件，主要功能是幫助用戶(hù)將監(jiān)測(cè)區(qū)域的采集儀配置參數(shù)以及所記錄原始波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)以便進(jìn)行自動(dòng)或深入的人工處理和分析。
（2）實(shí)時(shí)采集軟件：系統(tǒng)會(huì)展示實(shí)時(shí)采集的波形、設(shè)備對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋱D、數(shù)字采集儀及傳感器的信息以及設(shè)備管理，參數(shù)配置的相關(guān)信息，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。
（3）微震處理軟件：快速處理野外采集回來(lái)的微震數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)微震數(shù)據(jù)的進(jìn)行濾波，并進(jìn)行波形變換，拾取其P、S波初至，然后定位計(jì)算得到微震事件的定位信息和震源信息。
（4）微震三維可視化軟件：三維展示、分析微震事件時(shí)空分布規(guī)律（圖2-4）。

三.  礦山防越界開(kāi)采微震與成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案

3.1監(jiān)測(cè)方案


3.2案例介紹

1、陜煤集團(tuán)防越界開(kāi)采微震監(jiān)測(cè)

陜煤集團(tuán)下屬煤礦礦區(qū)邊界北部處疑似存在采煤機(jī)采煤方式的越界開(kāi)采活動(dòng)，通過(guò)構(gòu)建高靈敏度、低本底噪聲的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集地震波信號(hào)，獲得越界開(kāi)采區(qū)域微震事件的時(shí)-空變化特征，實(shí)現(xiàn)了該礦防越界開(kāi)監(jiān)測(cè)。圖3-3、3-4為該礦2019年6月-7月所監(jiān)測(cè)到的越界開(kāi)采活動(dòng)信號(hào)，隨時(shí)間推移越界開(kāi)采區(qū)域發(fā)生變化。 2、太鋼集團(tuán)防越界開(kāi)采微震監(jiān)測(cè)

太鋼集團(tuán)下屬礦山發(fā)現(xiàn)礦區(qū)西部民采活動(dòng)頻繁，由于采空區(qū)對(duì)礦山生產(chǎn)造成的安全隱患。通過(guò)在礦區(qū)地面安裝傳感器形成微地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)民采活動(dòng)。實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)制止，從而保障礦山安全生產(chǎn)。圖3-5為民采活動(dòng)信號(hào)，盜采區(qū)域隨時(shí)間而遷移。

圖3-5  防越界開(kāi)采活動(dòng)監(jiān)測(cè)圖