矿山微震监测的传感器优化布置研究

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摘 要：微震监测台网的布置是提高微震定位精度的重要方法之一。文章通过分析矿山微震监测的特点，提出影响微震记录分辨率的三个主要因素：岩层结构、系统的宽频带特征以及到时的不规律性。并通过对主频和传播速度的分析，建立了传感器间距计算模型。以河南某矿某工作面为例，通过多次校验炮获得工作面的波速及有效波形主频，确立传感器布置间距约为30 m。该方法为微震拾震传感器的布置提供了理论依据。

关键词：观测系统；微地震；地震波频率；传感器布置；主频

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）20-0001-02

微震监测技术作为目前矿山安全监控最有效的监测手段之一，在矿山安全中的应用愈来愈受到人们的重视。随着微震技术应用领域的不断拓宽，对定位精度的要求也越来越高。微震台网的布置是提高微震定位精度的重要方法之一。

1 影响微震记录分辨率的因素

在微地震监测岩层破裂运动的实践中，为了提高震源的定位精度，除了定位算法外，如何准确拾取地震波的初始到时同样是影响定位精度的重要因素。根据地震原理和地震波传播理论，影响原始微地震记录分辨率的因素主要有以下几个方面：

①岩性不同，地震波的折射、反射造成信号叠加，影响信号的质量。

②传播介质的差异，造成信号频率及振幅衰减的差异。

③到时的不规律性。不同道间接收到的地震波到时是不同的。检波器布置的间距，影响了初始到时拾取的可靠性。

2 微震波的主频与传播速度分析

同一类型的地震波在除了传播距离不同而高频成分吸收不同外，在不同的传播介质中由于吸收系数的不同，地震波的高频成分吸收程度也不尽相同。当产生微地震事件处的岩层岩性及其地震波传播介质的岩性变化相对较小时，地震波的频率就相对稳定，此时，地震波的传播速度也相对稳定。反之，则传播的速度变化起伏。

将矿山微地震监测的全空间划分成三层，上覆岩层和底板、基底岩层以及煤层。地震波在本层传播时，为顺层传播，稳定性较好；跨层传播时，为穿层传播，介质不一，稳定性较差。通过前期分析监测区域地震波传播的稳定性，可以为选择监测目标区域与检波器埋置的提供依据。

现场校验时，可利用标定炮进行参数标定。通过不同激发环境和接收环境的组合，对接收到的地震波记录进行速度分析和频谱分析，求出对应组合的地震波传播速度v和主频f，为微震系统的现场布置提供依据。

3 检波器间距的确定

假设S点是微地震震源位，xi和xi+1是相邻两个检波器的位置，如图1所示。根据地震波传播的运动学理论，震源S点到相邻两个检波器Ri和Ri+1组成的线段RiRi+1及其延长线组成一个三维空间内的平面SRiRi+1。

假设在该平面SRiRi+1内，震源S点到线段RiRi+1及其延长线的垂足为Pi点，法向距离为hi。因此，地震波从震源位置S到达两个检波器Ri和Ri+1的时距关系为：

假设该地质体边缘上有一点S距离两个相邻检波器连线RiRi+1及其延长线的最小法向距离为himin，在观测系统参数xmi和Δxi不变的情况下，由公式（3）可知，监测目标区域内任何一点发生的微地震事件，地震波传播到两个检波器之间的时差Δtis不大于点Sp发生的地震波传播到两个检波器之间的时差Δtip，即：

根据地震波传播原理，地震记录分辨率取决于地震有效波到达相邻检波器的时差Δts和干扰波的干扰程度。假设有效波在地震记录上的视周期为T，当地震有效波到达相邻检波器的时差Δti不大于视周期T的一半时，便能可靠地辨认同一有效波的相同相位，反之，就不能可靠地分辨出同一有效波的相同相位。由于有效波的视周期T与有效波的主频f互为倒数，因此便有：

4 工程应用

基于上述研究，对河南某矿某工作面的微震监测方案进行设计。

①为了获得该工作面的波速及主频，在工作面底板进行数次标定炮作业（爆破用药量约为0.3 kg），求取合理的微震波速。通过现场监测标定求得，平均波速约为4.93 m/ms。

②对埋在顶板岩层中的1#检波器和埋在底板岩层中2#检波器分别做主频f为基准的带通滤波，求得有效波形的主频约为75.2 Hz。

③利用上式求解可得，Δxi为32.8 m。考虑到两传感器过近，则到时时差较小，定位计算时误差较大。因此，最终选择35 m间距。

5 结 论

本文针对煤矿微震系统的布设，提出了基于微震波主频与传播速度的传感器间距计算方法。主要进行了如下研究：

①通过分析矿山微震监测的特点，提出影响微震记录分辨率的三要素。

②建立了基于标定炮检验方法的传感器间距计算模型。

③通过河南某矿的现场验证，确立该矿某工作面的传感器布置间距约为30 m。

参考文献：

[1] 逄焕东，姜福兴.微地震监测中传感器的布置方法[J].有色金属，2003，（6）.

[2] 刘向峰，于永江，梁鑫.地震波频率对巷道围岩动力响应的影响[J].辽宁工程技术大学学报，2006，（4）.

[3] 姜福兴，宋广东，孔令海，等.微地震波在煤矿岩层中的传播特征研究[J].岩石力学与工程学报，2009，（1）.