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摘要：矿井基于微震监测数据对冲击地压发生机理的研究和对冲击地压危险的预测预报及防治效果的检测，为保障定位结果的准确性，通过开展震源定位精度分析及标校，确定监测系统合理的波速，实现精准定位，为矿井冲击地压的防治提供可靠信息。

关键词：复杂地质、微震定位、冲击地压、波速校核。

0 引言

冲击地压是指巷道或工作面周围煤（岩）体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤（岩）体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等，它不仅造成井巷破坏、人员伤害、设备损坏、地面建筑物破坏，而且会引发瓦斯、煤尘爆炸等多种次生灾害，直接威胁着矿井的安全生产。由于冲击地压影响因素复杂，导致难以预测冲击灾害发生的时间、位置，不能准确确定其影响区域和破坏程度，为冲击地压的防治带来许多难题。

随着地球物理探测技术的发展，微震监测技术逐渐应用到矿山领域，通过监测煤岩体中的应力波震动，可以实现震源定位，是冲击地压监测预警的有效手段。微震监测技术利用岩体受力变形和破坏后产生的地震波，通过安装在井下拾震传感器接收的直达P波起始点的时间差，在特定条件的波速场条件下进行三维定位，确定震动发生的位置和煤岩破裂的层位，分析震动的方向，确定破坏位置。同时，利用震动相持续时间计算煤岩变形失稳过程中释放的能量和震级，通过数据统计分析，挖掘矿井上覆岩层的断裂信息，描述空间岩层结构运动和应力场的迁移演化规律，实现震动危险的监测预警工作，对矿井冲击矿压危险程度进行评价，为煤矿的安全生产服务。

精准定位震源是准确捕捉矿震信的基础，是为分析冲击危险区域的危险等级和危险状态提供科学的判断依据。通过震源精准定位，识别微震小事件的活动引起大的断裂活动前的微破裂过程和岩层内部应力的变化；反映微震活动在空间分布和迁移规律，推断较大微震活动的发展过程，推测未来大的微震出现的地点；判断底板顶板（以至全部上覆岩层）的活动、构造断裂带的活动区域，根据震源分布特点及相应的地质构造形迹分析所得出的地质构造带划出微震活动带。

微震系统的震源定位精度，在GB/T 25217.4-2019《冲击地压测定、监测与防治方法  第4部分：微震监测方法》中规定，对于空间立体布置的微震监测台网，对震源定位的精度应当达到水平方向±20米、垂深方向±50米之内才能满足矿井范畴内的定位监测需求。

1 工程概况

某某煤矿设计生产能力0.6Ma/年，井田南北长8公里，东西宽0.6～3.5公里，面积12.014平方公里。井田位于华亭复式向斜的中东部，井田的基本构造形态，从北到南为单斜、背斜和向斜、单斜等，煤层倾角6°～30°，矿井开采有二个水平，三个采区交替生产，回采工作面两个，掘进工作面4-6个 。其中2502采区为缓倾斜煤层倾斜分层开采，1502及1504采区为急倾斜煤层水平分层开采。矿井经煤岩冲击倾向性鉴定为强冲击矿井，冲击类型为构造顶板型冲击地压。2007年从波兰矿山研究总院引进16通道SOS微震监测系统，2017年升级为24通道微震监测系统，矿井微震监测系统拾震器布置如图 1。

由于煤矿井下采掘工作面接续的经常变化，拾震传感器随之挪动，工作面地质条件也在不断的变化，导致震动波的波速也在发生变化，因此，要对微震监测系统的定位精度经常的进行校验，通常采用标定炮的方法进行校验。

2 微震监测系统震源定位精度分析

微震监测系统，是实现覆盖全矿井井田范围的局域性监测，要对全矿井井田内发生的所有微震进行连续不间断地测量和记录。针对不同矿井，特别是多水平、多煤层、多采区，多个采掘工作面的地质构造复杂的矿井，要实现多层位连续监测，同时要求对震源定位坐标要准确，能量计算要精确，接收到的震动波形能够清晰地记录小能量的震动，反映原岩变化的整个过程和趋势，因此对定位准确性的要求更高。在GB/T 25217.4-2019《冲击地压测定、监测与防治方法  第4部分：微震监测方法》中规定，对于空间立体布置的微震监测台网，对震源定位的精度应当达到水平方向±20米、垂深方向±50米之内才能满足矿井范畴内的定位监测需求。

2.1 微震震源定位因素

影响微震震源定位准确性的因素主要有：微震台网布置的合理性、台站P波到时读入的准确性、背景噪音的特点和仪器的采样频率、求解震源算法的选择、速度模型和区域异常（如采空区）造成波形传播路径的变化。

（1）微震台网布置的合理性：根据综合指数法确定的矿井危险区域选择拾震器在巷道安装的侯选点，其原则是①危险区域周边应尽量在空间上被候选点均匀包围，候选点数不能少于5个，并避免近似形成一条直线或一个平面，并具有足够和适当的空间密度；②一部分候选点应尽可能接近待测区域，避免较大断层及破碎带的影响；③覆盖矿井采掘范围；④候选点应远离大型电器和机械设备的干扰。

（2）台站P波到时读入的准确性；应选择比较容易辨认的纵波（P波）进行定位，与其他波相比，P波首次到达时间的确定误差较小，定位精度较高

（3）背景噪音的特点和仪器的采样频率要求：在设备监测过程中，既有矿震信号，又有背景噪音（例如列车、行人、施工、机器设备等造成的振动信号），这些噪音信号混入有用信号中后，一方面造成P波初次到时标记的困难，另一方面也造成能量计算的不准确。所以，从采集到的震动信号中剔除或减弱噪声信号可保证纵波到时标记和震源定位计算精确性。由于背景噪音和震动信号具有不同的特性，微震信号震动频率多处于0～50HZ范围，而背景噪音信号的频率多高于此范围，所以通过频带的不同可消除或减弱背景噪音，通过低通滤波器，即记录信号中的低频信号可以通过，而高频信号则被滤除，提取有用的微震信号。为实现记录震动信号的除噪，并提取出掩盖在背景噪音下的微弱信号。所需要的仪器的采样频率如达到不到相应宽度，将监测不到所有类型及频带宽度的矿震波形信号。根据中华人民共和国国家标准GB/T 25217.4—2019要求微震监测系的采样频率不低于500Hz。

（4）求解震源算法的选择：合理的求解算法是保证震源求解的重要依据。如SOS微震监测系统采用了修正POWELL算法、DFP算法和单纯形法求解，它们都具有极强的搜索能力，运算速度快，精度高等优点。

（5）速度模型和区域异常（如采空区）所导致的传播路径的变化：系统在使用过程中需要具备修改每个台站的波速的功能，根据井下标定炮测定的区域波速设置该区域的波速参数，才能确保矿震在复杂条件下的不同介质传播途径下的传播速度，从而确定震源的准确位置。

具体的说，速度模型和区域异常等因素是通过联合震中测定技术来消除，而P波到时读入准确性和震源到台站几何特征等随机因素则无法根本消除，只能通过优化台网布置和降低随机因素大小等手段降低求解震源的非线性方程组的条件数，提高台网的容差能量，提高求解系统的精确性。

2.2 震源定位精度计算方法

为分析震动集中的区域，预测震动趋势，如图2，给出了准确性定位震源的原理。

通常选择比较容易辨认的纵波（P波）进行定位（图3），与其它波相比，P波首次到达时间的确定误差较小，定位精度较高。由于采用任意传播速度来确定传播时间是非产困难的，实际应用中，多假设处于均质、各向同性介质，即P波在各个传播方向上保持速度不变，为一定值。从震源传播到台站的最短时间可由下式描述：

方程（2.1）中有（x0，y0，z0，t0）四个未知数，要解这个方程至少需要4个观测站的数据，目前在各个矿区使用的SOS微震系统，一般采用16个台站的布置形式，所以最多可以列出16个类似于上式的方程，为进行震源定位，目标函数可写成如下形式：

当p=2时，目标函数（2.2）为L2标准。当p=1时，为L1标准，当在部分台站上标记的时间误差较大时，L1标准在定位上要优于L2标准，但这需要在P波标记时选取更多的通道，否则将产生很多局部极值。

针对不同的目标函数形式，根据Pp标记结果（P波首次到达时间），震源的定位实际上就是求目标函数的最小值，震源定位过程中，在震动波形的选择上，首先要选择比较清晰的波形；另外，在震源点附近选择6个全部或几乎全部包围震源点的通道传输的波形；再次，避免选择三个或以上的拾震器在布设上由于客观条件限制在一条直线或接近一条直线的。

3 震源定位精度校验效果

矿井经过多年的微震监测，总结出台网布置变化后，解决定位精度偏差的经验，现就不同条件下的台网布置方案，利用爆破定位技术进行系统定位精度校核，方案及结果如表1所示：

设置定位放炮位置三个，分别为：1#、2#和3#标定炮，1#标定炮在250208上综采工作面运输顺槽Y18点以外27.1m处，距离始采线870.0m，距离当前工作采止线378.7m；2#标定炮在250208上综采工作面材料顺槽C08-18点以外19.6m，距离始采线901.0m。3#标定炮在150214工作面施工爆破孔后，每孔装药量5kg，实施放炮进行校准。

列举其中一个标定炮定位方法：

SOS微震监测系统在2020年05月06日13：55：02接收到一个震动信号。1#、3#、6#、7#、8#、9#、12#、13#、16#、20#通道接收到了清晰震动信号。根据SOS微震监测系统定位原理对其中6个清晰的波形通道进行P波首次到时标记，7个通道在震动波形图上到时标记结果为750ms、582 ms、456ms、440ms、764ms、828ms。

P波首次到时标记结束后，用Multilok软件调整波速参数进行震源定位。通过不同波速计算的震源位置与真实放炮位置进行对比从而确定最接近真实震源的波速作为最优波速参数。定位效果对比详见爆破信号在递增波速下震源定位位置及误差表。使用3600m/s的波速下，验证定位精度能够控制在30米之内。

4 结论

1）某某煤矿目前的采掘范围分布在矿井的三个不同区域，根据SOS微震监测系统台网对监测精度的影响分析结合这三次标定炮验证结果表明：1#、2#标定炮波速设定在3600m/s定位精度最高，3#标定炮波速设定在3700m/s定位精度较高。震源定位误差能控制在30m以内。

2）受矿井实际条件限制台网的布置各不相同，由于近水平工作面的巷道间距符合微震台网布置的最佳条件，所以250208上综采工作面的标定炮验证结果更为准确，150214工作面的台网布置无法达到包围监测，所以定位验证的精度相对250208上综采工作面较低。所以也验证了台网布置对震源定位精度的影响十分关键，布置在不同开采布局条下的微震台网对相同设备的定位精度存在一定影响。

3）综合以上三种标定炮测试结果，根据SOS微震监测系统定位原则及整个台网对矿井采场范围内的强矿震定位精度要求，某某煤矿微震监测系统波速取3650m/s，定位矿震较为合理，对矿井范围内发生的震动，定位结果准确。