郭屯煤矿ARAMIS M/E微震监测台网的优化设计研究

孟圣师 郑义宁 侯祥丁

（临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿，山东 菏泽 274704）

1 引言

冲击地压监测方法包括两种：区域监测和局部监测，区域监测包括微震法、地质动力区划等，局部监测包括钻屑法、地音法、电磁辐射法和煤体应力法等[1]。因局部监测监测范围有限，无法覆盖大面积区域，为实时监测煤矿冲击地压等动力灾害，临沂矿业集团菏泽煤电公司郭屯煤矿与天地科技股份有限公司开采设计事业部合作，引进了波兰24通道版的ARAMIS M/E微震监测系统。

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、定位算法等。合理的台网布置可以有效提高震源定位精度[2]。在台站数目合理的情况下，台站的分布对定位精度具有决定性作用。如何利用好所有台站，使网内所有台站发挥最大作用，这就是台网布置方案的优化设计问题。

2 ARAMIS M/E微震监测系统简介

图1 ARAMIS M/E微震监测系统

ARAMIS M/E微震监测系统由波兰EMAG矿用电气工程及自动化研究与发展中心开发研制，由地面中心站、记录服务器及井下分站等硬件及ARAMIS_WIN、ARAMIS_REJ及HESTIA软件构成。我国2006年首次引进该系统，目前已在国内40多个矿井实现成功应用。

该系统最基本的功能是实时监测振动波形、有效拾取微震事件，并对微震事件进行定位和能量计算，再结合现场的地质条件、回采工艺等因素，对可能发生的冲击地压灾害做出预评价，从而指导现场冲击地压的防治工作[3]。

3 微震震源定位理论

图2示意地震波在均匀介质内的传播。其中从震源传播到台站的最短时间可由式（1）描述。

图2 微震定位示意图

式中：

t0-微震事件的发震时刻；

h=（x0,y0,z0）-震源的三维坐标；

Si=（x0,y0,z0）-第i个微震台站的三维坐标；

εi-第i个台站的到时误差，（i=1,......,n）。

对于均匀和各向同性速度模型，自震源n到第i个台站的走时为：

式中：

vp-P波波速，为已知常数。

综合式（1）和式（2）有 4个未知数，要解这个方程至少需要4个观测站的数据，震源参数t0和h=（x0,y0,z0）可以通过以下函数的最小值来估算：

这里x0=（t0,x0,y0,z0），从1到被激发的台站数量进行求和，p值≥1，一般情况下选择p=2，也就是最小二乘估计。

式中：

δr(n)-在空间内点θ(n)上的时间残差矢量；

A-在θ(n)上计算的式（1）对参数θ的(n×4)偏微分矩阵。

在计算偏微分矩阵A时，必须代入震源位置h和微震台网布置方案s[4]。

4 台网设计的D值最优设计理论

一般情况下，台站的选择应该依赖于一个与给定台站有关的值，然后可以用其最小值来限定这个最佳网络。这个值应该依赖于震源参数x的协方差矩阵。因此大部分情况下，最佳网络的选择可以通过以下描述：

式中：

Cx-震源参数x的协方差矩阵；

s=(s1......,sn)-微震台站坐标；

Ds-可能的台站位置的空间域。

通常在台网安装前，对台网内所有台站总是假设随机误差满足相同的正态分布为单位矩阵，σ为随机误差的方差。

式中：

T—转置运算。

5 微震监测台网测点布置确定原则

微震监测台网的建立是监测工作的第一步，也是关键的一步，微震台网的布置质量直接影响台网定位精度和后续的微震监测和数据分析。因此，根据微震定位理论和D值优化理论，在设计监测台网布置方案时，首先考虑矿井的开采和地质因素，然后利用综合指数法确定各个因素的影响权重，如下表1。

表1 高微震活动区域内矿震发生概率

通过综合指数即可确定各个区域的危险性，然后根据现场实际情况初步确定台站可选点，再通过D值优化准则进行优化组合选择，最终确定台网的布置方案。为尽可能避免随机因素中P波波速和P波到时读入误差的影响，减少震源定位的误差，候选点的选择还要考虑所处的环境因素和开采活动影响[5]。所以确定选择监测点的一般原则为：

（1）矿井需监测的区域必须有4个以上拾震器或探头覆盖，最佳状态为5个以上，以确保某一拾震器或探头出现干扰过大或故障时，仍能保持对微震事件的监测。

（2）拾震器或探头应尽量在空间上包围监测区域，并避免近似形成一条直线或一个平面；确因现场条件限制，无法实现包围的监测区域，要将拾震器或探头在工作面两顺槽内采用菱形布置，距超前支护段的距离不应小于100m。

（3）在保证拾震器或探头密度的同时，不能将拾震器或探头布置的过密，应具有足够和适当的空间密度，否则将导致对远震的监测误差增大。

（4）部分监测点应尽可能接近待测区域，避免较大断层及破碎带的影响，拾震器或探头安装点的岩性要坚硬和完整，为减少波的衰减，拾震器一般安装在巷道底板岩层中，探头一般安装在巷道顶板岩层中。

（5）监测点周围的噪声要低，并应远离大型电器和机械设备的干扰，例如放有移变的配电点、皮带机头、局部通风机等；拾震器尽量放置在巷道硐室内，以减少行人和矿车通过或作业时对监测点的影响。

（6）监测点的布置既要照顾当前开采区域，又要考虑未来一断时间内的矿井开采活动区域。

6 郭屯煤矿微震监测台网的预评价

根据以上理论和原则，郭屯煤矿ARAMIS M/E微震监测台网布设方案如图3所示，计划安装探头14个，拾震器9个。分别监测4302工作面、2301工作面、2302工作面、1307工作面、1314工作面、5300工作面等，后期将根据采掘现场实际情况再有针对性的调整。利用D值优化准则，得出了郭屯煤矿微震监测台网的震中定位精度和震源定位精度云图，分别如图4、图5所示。

微震监测探头包围的区域误差较小，越向外围，误差越大。合理的拾震器布置必须保证重点监测区域全部处于定位误差能满足要求的值域范围内。

震中定位误差决定了微震事件平面定位的精确性。由图3可知，开采工作面基本都处于震中定位误差较小的区域。工作面内震中定位误差大部分都分布在0～20m以内，工作面初采期间误差较大，原因是此处处于台网边缘。

震源定位误差综合反映了震中和震源深度的定位误差。如图4所示，震源定位误差明显要大于震中定位误差。三个工作面基本都处于震源定位误差的低值区，大部分都在0～30m范围内，可见监测效果良好。

图3 郭屯煤矿微震监测台网布设方案平面图

图4 震中定位误差云图

图5 震源定位误差云图

7 结论

（1）利用D值最优设计理论对台网进行数值仿真模拟，以震中和震源定位误差进行评价，可以得出微震台网的整体监测质量。

（2）综合指数法可以确定高危险区域，提前预测高能微震事件的频发区域，有利于指导台网布置。

（3）根据现场实际情况确定最终的台网布置方案，根据后续监测情况可知，微震台网对微震事件的定位精度较高，监测质量较好，郭屯煤矿微震台网很好地满足了现阶段的监测要求。