煤礦微震監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

叢 森，程建遠，王云宏，房 哲

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦微震監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

叢 森1，程建遠2，王云宏2，房 哲1

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

微震監(jiān)測技術(shù)是一門新興的地球物理實時監(jiān)測技術(shù)，其研究工作主要集中在微震震源定位方法和微震信號初至拾取兩個方面：定位方法以經(jīng)典的Geiger法以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的各種線性、非線性微震震源定位方法為主；STA/LTA法、AIC法、分形維數(shù)法和小波變換法是微震信號初至拾取的主要方法。目前，礦山領(lǐng)域?qū)⑽⒄鸨O(jiān)測技術(shù)主要用于沖擊地壓、突水等災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報；礦山微震監(jiān)測技術(shù)在提高震源定位精度、數(shù)據(jù)精細化處理等方面還有待加強，從基礎(chǔ)理論研究、數(shù)據(jù)信號處理和儀器研發(fā)等方面對礦山微震監(jiān)測技術(shù)進一步研究和發(fā)展方向進行了展望。

微震監(jiān)測；震源定位；初至拾?。粵_擊地壓；突水

隨著煤礦開采深度的不斷增加，微震監(jiān)測技術(shù)已成為煤礦安全生產(chǎn)中的監(jiān)測預(yù)警手段之一。微震監(jiān)測是通過在監(jiān)測區(qū)域不同方位設(shè)置微震傳感器，對微震事件進行實時記錄，分析各種震動參數(shù)(振動能量、振動頻次、震源半徑、震動力矩、壓力降等)，計算破裂發(fā)生的時間和位置，進而推斷煤巖體應(yīng)力狀態(tài)及破壞情況[1]。因此，一般情況下，微震監(jiān)測系統(tǒng)至少包括微震記錄儀器、接收傳感器、信號處理方法、空間定位算法以及可視化分析終端等。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微震監(jiān)測技術(shù)具有遠距離、動態(tài)、三維和實時監(jiān)測的特點，還可以根據(jù)震源情況確定破裂尺度和性質(zhì)，從而為確定煤巖體的破壞程度提供依據(jù)[2]。

本文論述了煤礦微震監(jiān)測技術(shù)的研究歷程和最新進展，并對微震監(jiān)測技術(shù)今后研究和發(fā)展的方向進行了展望。

1 微震監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1910年Hans benndorf對微地震現(xiàn)象進行了最早的描述[3]，但在當(dāng)時并沒有引起人們的注意。直到20世紀30年代末期，美國礦業(yè)局的研究人員利用聲波探測技術(shù)在具有巖爆傾向性的礦井進行巖石力學(xué)的相關(guān)研究時，發(fā)現(xiàn)在拆除聲波發(fā)射器后，接收傳感器仍能接收到聲波信號，自此微地震現(xiàn)象引起了人們的廣泛注意，并展開了大量的研究，目前已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用[4]。微震監(jiān)測技術(shù)的核心是震源定位和微震信號的初至拾取，只有得到高精度的定位數(shù)據(jù)，才能充分發(fā)揮微震監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢。

1.1 微震震源定位技術(shù)

1.1.1 定位算法

微震震源定位是指利用采集到的震動波信號，通過特定的震源定位算法，反演微震事件的空間位置和發(fā)震時刻。震源定位所需要的輸入數(shù)據(jù)包括微震監(jiān)測臺網(wǎng)中各傳感器空間坐標(biāo)、各傳感器接收到的波的到時和監(jiān)測介質(zhì)中地震波的傳播速度等[5-6]。微震震源定位精度，受震源定位算法、微震監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)、到時數(shù)據(jù)和波速模型等因素的影響[7]。

根據(jù)震源定位的原理不同，微震震源定位方法分為兩大類:一類是基于三軸傳感器的震源定位方法;另一類是基于到時不同理論[7-8]，即利用振動波的到時差值、波速和傳感器空間坐標(biāo)進行震源定位的方法。由于三軸傳感器的震源定位方法在小范圍內(nèi)監(jiān)測時難以精確地分離P波和S波，因此該方法在微震監(jiān)測中應(yīng)用較少；而基于到時不同理論的震源定位方法種類繁多，例如經(jīng)典的Geiger法、雙重殘差法等。

目前，震源定位中應(yīng)用較多的是1912年德國科學(xué)家Geiger提出的經(jīng)典方法[9]以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的各種線性方法，如相對定位法、聯(lián)合定位法與雙重殘差法等[10]。其原理是將非線性問題線性化并給出最小二乘解。由于該方法的計算量很大，20世紀70年代隨著計算機技術(shù)的興起，Geiger算法才重新煥發(fā)了強大的生命力。Lee等[11]在Geiger法的基礎(chǔ)上開發(fā)了HYPO71-86系列定位程序，開啟了計算機定位的先河。林峰等[12]分析了Geiger定位方法與線性方程組定位方法的優(yōu)缺點，提出了以線性定位解作為Geiger定位法的迭代初值進行定位求解的聯(lián)合定位方法，該方法顯著提高了求解效率，但線性定位解對聯(lián)合定位法定位精度的影響程度尚缺乏相應(yīng)的論證。張喚蘭[13]利用三分量檢波器的數(shù)據(jù)信號聯(lián)合走時和傳播方向構(gòu)建了矢量目標(biāo)函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上得到了改進的 Geiger 定位算法。由于矢量目標(biāo)函數(shù)綜合考慮了走時和傳播方向，模型數(shù)據(jù)的測試表明這種方法的定位精度優(yōu)于經(jīng)典Geiger定位算法，在對震源深度的定位上有著較大的應(yīng)用空間。

由于線性定位方法對初始值的依賴程度較高，初始值選取不當(dāng)時會使得定位發(fā)散或得不到定位結(jié)果[14]。為了解決這些問題，人們相繼提出了一些非線性方法，如梯度法、牛頓法、全局搜索法、Bayesian法、蒙特卡洛法、單純形算法、模擬退火法與遺傳算法等[15-16]。周運波、楊曉東[15-16]對上述一些非線性方法的基本原理和優(yōu)缺點進行了介紹；周民都等[17]采用遺傳算法對模擬和真實地震事件進行了定位，并與Powell等方法進行對比，發(fā)現(xiàn)遺傳算法給出的定位結(jié)果在發(fā)震時刻和震源深度上更為可靠，并且對非包圍地震定位效果較好。李會義等[18]、李成武等[19]應(yīng)用牛頓迭代法求解非線性方程組，并借助Matlab的強大運算功能進行震源定位研究，使得震源定位速度、精度均得到很大提高；李楠等[20-21]采用基于L1范數(shù)統(tǒng)計準則的單純形算法進行微震震源定位研究，通過現(xiàn)場爆破試驗與其他方法對比研究表明：該方法定位結(jié)果穩(wěn)定，定位精度高，并且算法受震源和臺網(wǎng)相對位置的影響較小。

20世紀90年代，Waldhauser和Ellsworth[22]提出了雙差分定位法。該算法的思想是計算同一臺站接收的、兩個相鄰地震的觀測走時差，減去理論計算值的走時差后得到的殘差(雙差)來確定其相對位置，該方法的突出優(yōu)點在于它可以利用頻譜中的互相關(guān)分析法讀取事件的到時差，大大提高了到時數(shù)據(jù)的精確度，從而使定位結(jié)果比常規(guī)定位方法提高了一個數(shù)量級[23-24]。張喚蘭在雙差分定位法的基礎(chǔ)上提出了混合差定位法，這種方法在不影響定位精度的情況下，降低了算法的存儲量和對微地震事件群的初始質(zhì)心位置的敏感度，提高了計算效率[13]。目前，微震震源定位的算法較多，但大多沒有從根本上解決求解的發(fā)散與求解效率等問題。震源定位的影響因素較多，在完善定位算法的同時應(yīng)綜合考慮算法與速度模型、臺網(wǎng)布置等影響因素之間的相互關(guān)系，在提高算法穩(wěn)定性與定位精度的同時應(yīng)合理評價其他因素對定位精度的影響。

1.1.2 觀測系統(tǒng)

為提高震源定位精度，在震源定位算法研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)一些學(xué)者對微震監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)化布置進行了大量研究。唐禮忠等[25]在冬瓜山銅礦設(shè)計了15個微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器站網(wǎng)空間布置方案，通過綜合分析計算確定了最佳監(jiān)測系統(tǒng)配置方案，爆破試驗對震源定位精度和靈敏度進行了測定，取得了可靠有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)；鞏思園等[26]對大規(guī)模臺網(wǎng)布置組合優(yōu)化問題建立了臺網(wǎng)優(yōu)化布置目標(biāo)函數(shù)，提出了包括多個優(yōu)化模塊在內(nèi)的臺網(wǎng)布置方案求解模型，現(xiàn)場試驗表明該方法能夠快速尋得最優(yōu)方案，顯著降低誤差。高永濤等[27]基于D值優(yōu)化設(shè)計理論并引入相關(guān)概率因子，結(jié)合礦山實際情況重新構(gòu)建了臺網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，由該目標(biāo)函數(shù)確定的臺網(wǎng)布設(shè)方案，經(jīng)爆破試驗表明具有一定的合理性和準確性，可滿足工程監(jiān)測需要；鞏思園等[28]應(yīng)用微震定位理論和D值優(yōu)化設(shè)計理論并結(jié)合煤礦實際條件與影響定位精度的因素，形成了一套臺網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化及評價系統(tǒng)，現(xiàn)場應(yīng)用表明該系統(tǒng)能夠快速確定臺網(wǎng)最優(yōu)布設(shè)方案，準確評價臺網(wǎng)定位能力。李楠通過實驗研究了不同微震臺網(wǎng)布設(shè)、波速和到時誤差對震源定位可靠性的影響，并總結(jié)出了相應(yīng)的規(guī)律，對微震監(jiān)測臺網(wǎng)的布設(shè)方案和提高定位精度具有重要指導(dǎo)意義[6]。

目前，微震監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計研究尚處于探索階段，臺網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計受礦山實地監(jiān)測條件的限制較為明顯，應(yīng)根據(jù)礦山實際情況，確定合理的臺網(wǎng)布置方案，提高定位精度。

震源定位是微震監(jiān)測技術(shù)中最基本的問題之一，其數(shù)學(xué)實質(zhì)就是求由觀測到時和理論到時之差所構(gòu)造的、以假想震源位置為函數(shù)的目標(biāo)函數(shù)的極小值，基于對目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造、處理和求解極小值方法的不同，產(chǎn)生了各種定位方法[14]。由于影響震源定位精度的因素很多，各種方法解決的側(cè)重點也有所不同，目前多數(shù)定位方法均假定P波的傳播速度為勻速，忽略了不同地層對速度的影響和S波及其他異常波的干擾，但在礦山微震監(jiān)測中這種影響是客觀存在的，并且有時是較大的。因此，在今后的微震震源定位研究中應(yīng)更多地考慮多因素的綜合影響，實現(xiàn)快速、準確的震源定位。

1.2 微震信號初至拾取與分析

煤礦井下環(huán)境十分復(fù)雜，干擾因素較多，微震監(jiān)測系統(tǒng)接收到的信號中包括爆破振動信號、電磁干擾信號、機械振動信號和巖石破裂產(chǎn)生的微震信號等。煤礦井下的微震監(jiān)測要求對監(jiān)測信號進行實時、快速的拾取與定位，以滿足安全生產(chǎn)的需要。因此，如何從紛繁復(fù)雜的接收信號中快速拾取出有效的微震信號是一個技術(shù)難題。目前，微震信號初至拾取的手段主要有人工拾取和自動拾取兩類。人工拾取方法是依靠技術(shù)人員處理，工作效率很低，加之微震信號波形復(fù)雜、干擾因素眾多等原因，經(jīng)常會產(chǎn)生較大的誤差，從而影響定位精度；微震信號的自動拾取技術(shù)主要借鑒了天然地震中的自動拾取方法，王彩霞等[29]對當(dāng)前常用的各種震相初至自動拾取檢測方法進行了歸納總結(jié)。在微地震信號初至自動拾取領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的方法有：STA/LTA法、AIC法、分形維數(shù)法和小波變換法等。

1.2.1 STA/LTA法

STA/LTA(Short-Term to Long-Term Average)法最早由Stevenson[30]提出，并將其應(yīng)用于地震波初至到時拾取。為提高該方法拾取的準確度，Allen、McEvilly和Majer、Bear和Kradolfer、Earle和Shearer等相繼對該方法進行了改進[31-35]。STA/LTA法對高信噪比的微震資料拾取效率高、精度高，是目前應(yīng)用較多的微震信號自動拾取方法。國內(nèi)的學(xué)者對其進行了較多的研究：劉超等[36]根據(jù)加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)的STA/LTA觸發(fā)及閾值原理，提出了一套識別與標(biāo)定有效微震事件的綜合分析方法；段建華等[37]研究發(fā)現(xiàn)，STA/LTA法能夠快速準確地自動識別微地震有效信號，濾除冗雜信號，從而為微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線實時傳輸提供了可能，也減少了數(shù)據(jù)存儲所需要的磁盤空間，取得了較好的應(yīng)用效果；姜福興等[38]采用經(jīng)典STA/LTA算法拾取微震事件波形的到時與終時，提出了一種基于微震單事件多通道聯(lián)合識別方法，現(xiàn)場實驗表明該方法能夠有效提取波形特征，并能對單事件多通道波形的各類噪聲進行快速識別。STA/LTA法具有簡單易行、效率高等優(yōu)點；但也有明顯的缺陷：受短時窗的影響不能準確拾取地震波初值；難以在低信噪比數(shù)據(jù)中分辨出微地震信號[39]。

1.2.2 AIC法

AIC(Akaike information criterion)法是基于自回歸(Autoregressive，AR)模型假設(shè)的一種算法，1999年Sleeman和Orild[40]提出了基于自回歸模型下的Akaike(Autoregressive Akaike In-formation Criteria，AR-AIC)信息準則。AIC法具有拾取速度快、效率高等優(yōu)點；但也有缺陷：無論微地震數(shù)據(jù)中是否存在有效事件，都會出現(xiàn)AIC的最小值，這使得無法只利用AIC法對有效事件進行識別[39]。

1.2.3 分形維數(shù)法

1996年Boschetti[41]首先提出將分形理論應(yīng)用于地震波初至到時拾取，通過分析分形維數(shù)值隨時間的變化來進行初至的自動拾取。分形維數(shù)法的拾取精度較高，但拾取的效率很低，不能實現(xiàn)微震事件初至的快速拾取，難以滿足礦山監(jiān)測需要。AIC法和分形維數(shù)法由于自身算法存在的缺點不適合單獨對低信噪比微震信號初至拾取，但可與其他方法聯(lián)合使用，充分發(fā)揮各自優(yōu)點來提高拾取的精度。段建華[42-43]研究發(fā)現(xiàn)對于低信噪比微震事件使用分形維數(shù)法和AIC法的拾取精度均高于STA/LTA法，可以用STA/LTA法確定事件初至的大概范圍，然后在該范圍內(nèi)用分形維數(shù)法和AIC法拾取事件初至，以充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)點，實現(xiàn)微震事件快速、準確的自動拾取。

1.2.4 小波變換法

小波變換具有良好的時頻分辨能力，目前基于小波變換的震相識別和到時拾取算法主要是把地震信號做小波變換，結(jié)合現(xiàn)有的檢測方法，重新構(gòu)建特征函數(shù)，根據(jù)某種準則判定震相到時[44]。因此可以利用小波變換對微震資料進行預(yù)處理，提取出微震數(shù)據(jù)中的各種干擾信號，然后再使用其他方法進行微震信號初至拾取。許大為等[45]應(yīng)用小波變換理論提出了對不同頻率范圍的信號和噪聲進行濾波處理的方法，該方法可用于微震信號的預(yù)處理。朱權(quán)潔等[46]在小波變換理論基礎(chǔ)上，對爆破振動信號和巖石破裂信號的能量分布特征，利用Matlab的小波包分析模塊進行了研究，并對二者的能量分布特征進行了對比，得出了二者的能量分布頻帶，進而通過能量頻帶在空間的分布特征來區(qū)分兩種信號波形。徐宏斌等[47]還采用Matlab小波閾值去噪理論，成功實現(xiàn)了對微震信號中有效信號與干擾信號的有效分離。張軍華等[48]將小波變換和STA/LTA法聯(lián)合進行初至波的拾取，利用小波變換進行分頻處理，挑選出最具有初至波特征的通道，在利用STA/LTA法進行初至的拾取。這種聯(lián)合法對初至波拾取的精度和效率均較高。

國內(nèi)一些學(xué)者還對不同微震信號的波形進行了研究，曹安業(yè)等[49]以時頻分析技術(shù)為手段，總結(jié)提煉出了上覆煤柱高應(yīng)力區(qū)的不同微震信號波形特征；陸菜平等[50-51]分析了煤層頂板卸壓爆破、煤層卸壓爆破振動信號的功率譜和幅頻特性的關(guān)系，并對沖擊地壓微震信號、頂板爆破微震信號的振幅-時間曲線和幅頻曲線進行了對比研究，得出了不同微震信號的各自特征，為微震信號的辨識提供了一個新的方向。

目前，對微震信號初至拾取與分析的研究仍處在不斷探索和完善階段，由于煤礦井下環(huán)境十分復(fù)雜，有效微震信號受外界干擾嚴重，還沒有一種單獨的方法能夠?qū)Ω鞣N條件下的微震信號進行精確的初至自動拾取。對微震數(shù)據(jù)預(yù)處理后，應(yīng)用小波理論并通過其他方法自動拾取或者多種方法的聯(lián)合使用具有一定的研究價值。

2 微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在煤礦災(zāi)害防治領(lǐng)域，微震監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)開展了積極的探索和應(yīng)用，如沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)報、頂板“三帶”發(fā)育高度的監(jiān)測、底板破壞深度的監(jiān)測、煤(巖)與瓦斯突出前兆的監(jiān)測、煤礦被困人員位置的輔助定位和小煤窯非法超層越界開采的監(jiān)測等。

2.1 預(yù)防沖擊地壓

沖擊地壓是指井巷或工作面周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生突然破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象[1]。煤礦井下一旦發(fā)生沖擊地壓將會造成巷道的破壞、生產(chǎn)設(shè)備的損毀和人員傷亡，對煤礦安全高效生產(chǎn)造成了極大的威脅。據(jù)統(tǒng)計：1985年我國沖擊地壓煤礦有32個，截至2011年底，我國發(fā)生沖擊地壓的礦井就多達142個[52]。隨著開采深度的增加，我國已經(jīng)成為受沖擊地壓危害最為嚴重的國家。實踐證明：沖擊地壓能夠引起礦震，礦震同樣能夠誘發(fā)沖擊地壓。因此，要對沖擊地壓進行有效的監(jiān)測預(yù)報就要充分監(jiān)測和分析巖層活動，而微震監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對巖層活動的有效監(jiān)控。

20世紀40年代，美國礦業(yè)局就提出應(yīng)用微地震法來監(jiān)測沖擊地壓，但由于所需儀器價格昂貴并且精度不高、監(jiān)測結(jié)果不明顯等原因而未能推廣。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字化地震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，20世紀80年代，國外就開始應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng)進行沖擊地壓的防治工作，如南非、波蘭、捷克和加拿大等國已經(jīng)形成了國家型礦山微震監(jiān)測臺網(wǎng)，并在沖擊地壓預(yù)測預(yù)報中起到了顯著的作用。

微震監(jiān)測沖擊地壓的重點應(yīng)放在預(yù)警指標(biāo)的建立上，即總結(jié)出不同類型沖擊地壓的微震前兆信息。陸菜平等[51]通過實驗室測定和現(xiàn)場監(jiān)測總結(jié)出了三河尖煤礦沖擊地壓發(fā)生前的微震頻譜前兆特征，即“微震信號的頻譜向低頻段移動，且振幅逐漸增加”；袁瑞甫等[53]應(yīng)用分形理論計算了微震事件空間分布的分維值，通過對分維值變化規(guī)律的研究，總結(jié)出了煤柱型沖擊地壓發(fā)生的微震前兆信息；趙毅鑫等[54]應(yīng)用地震學(xué)研究中常用的震級與頻度關(guān)系(簡稱G-R關(guān)系)來定量描述微震事件震級與頻度間的關(guān)系，應(yīng)用G-R關(guān)系中的常數(shù)b值、日累計能量值和頻譜變化特征等，分析了“兩硬”條件下沖擊地壓發(fā)生的微震前兆信息；夏永學(xué)等[55]優(yōu)選和完善了5個物理意義明確且具有應(yīng)用價值的危險預(yù)測指標(biāo)，初步建立了沖擊地壓危險預(yù)測的方法與指標(biāo)。

由于沖擊地壓類型較多、發(fā)生機理十分復(fù)雜，各地區(qū)地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件等差異巨大，很難得出統(tǒng)一的沖擊地壓微震監(jiān)測前兆信息的判別標(biāo)準，因此需不斷加強對沖擊地壓發(fā)生機理的研究，進而為其預(yù)防提供理論依據(jù)；同時，還應(yīng)加強對微震信號的分析，從大量的微震信號中提取出有效信號，分析總結(jié)出不同類型沖擊地壓發(fā)生時的信號特征，更好地指導(dǎo)對沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報。

2.2 礦山水害防治

礦山突水災(zāi)害是我國礦山主要災(zāi)害之一，全國600余處國有重點煤礦中受水害威脅的礦井達285處，受水害威脅的儲量達250億t[56]。礦山發(fā)生突水災(zāi)害必須具備三個條件，分別是水源、水量和導(dǎo)水通道。水源通常易于查明，但導(dǎo)水通道(頂?shù)装辶严丁鄬?、陷落?具有一定的隱蔽性和不可預(yù)知性。礦井水害的形成和發(fā)生都有一個從孕育、發(fā)展到發(fā)生的過程，在這一變化過程中的不同階段都有其相應(yīng)的前兆。微震監(jiān)測就是試圖結(jié)合礦山壓力、水文地質(zhì)等多學(xué)科理論，進行突水的超前預(yù)測預(yù)警[57]。

國內(nèi)外將微震監(jiān)測技術(shù)用于防治礦井突水災(zāi)害的研究較少。微震監(jiān)測技術(shù)在未來煤礦防治水的工作中，可在以下四個方面開展研究工作：①上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度的監(jiān)測；②底板破裂深度的監(jiān)測；③斷層、陷落柱等隱伏構(gòu)造的活化強度、裂度以及導(dǎo)水可能性的監(jiān)測；④老空區(qū)突水可能性的監(jiān)測。

汪華君等[58]將魯西煤礦應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)得到的覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度與其他監(jiān)測方法得到的數(shù)據(jù)進行對比，兩者結(jié)果基本一致，說明微震監(jiān)測技術(shù)確定導(dǎo)水裂隙帶高度是可靠的、有效的；姜福興等[57]應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)對梧桐莊煤礦的大斷層、陷落柱等隱伏構(gòu)造進行了實時監(jiān)測，通過對定位結(jié)果的三維展示和分析，得到地質(zhì)構(gòu)造的活化規(guī)律、底板破裂深度、頂板破裂高度、合理煤柱尺寸等實測參數(shù)，實現(xiàn)了對突水危險性的預(yù)測預(yù)報；竇林名等[56]針對采空區(qū)突水災(zāi)害的預(yù)防，提出了能量釋放率、能量密度的概念和計算方法，實現(xiàn)了利用微震監(jiān)測突水災(zāi)害的量化分析。

目前，礦井突水災(zāi)害的微震監(jiān)測尚屬起步階段，實際應(yīng)用的案例相對較少。今后，應(yīng)充分發(fā)揮微震監(jiān)測技術(shù)實時、連續(xù)、動態(tài)等優(yōu)點，及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險，尤其是在工作面帶壓開采過程中對底板破裂情況的監(jiān)測和對可能活化的構(gòu)造的監(jiān)測。

3 微震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展展望

3.1 微震震源定位基礎(chǔ)理論的研究

影響微震震源定位精度的因素較多，目前的研究主要集中在某一方面對定位精度的影響或通過某一方面的改進來提高定位精度。若從根本上提高定位精度，應(yīng)跨學(xué)科跨專業(yè)組建相應(yīng)的科研攻關(guān)團隊，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合分析各因素對定位精度的影響機制，通過系統(tǒng)深入的理論與實驗研究，揭示這些影響因素對定位精度的影響程度和影響規(guī)律，奠定微震震源定位的理論基礎(chǔ)，提高定位的精度；同時，還應(yīng)對定位的精度建立一套合理可靠的誤差分析方法，并對定位的精度進行全面評價，以滿足高精度微震監(jiān)測技術(shù)的需要。

3.2 打造國產(chǎn)微震監(jiān)測儀器品牌

目前，國內(nèi)礦山應(yīng)用的微震監(jiān)測設(shè)備絕大部分來自國外，國內(nèi)微震監(jiān)測儀器生產(chǎn)廠家眾多，但市場占有份額很低。國內(nèi)微震儀器研發(fā)基礎(chǔ)較弱，研發(fā)力量相對分散，在當(dāng)前形勢下應(yīng)大力整合各方研發(fā)力量，充分發(fā)揮優(yōu)勢資源，提高產(chǎn)品的性能，加快產(chǎn)品升級換代進程，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、優(yōu)質(zhì)高效的微震監(jiān)測儀器。

3.3 有效微震信號的識別與反演的研究

礦山井下干擾因素較多，微震信號中包含著大量干擾信號，有效信號的拾取是微震數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)工作。以傳統(tǒng)地震勘探數(shù)據(jù)處理技術(shù)為依據(jù)，以有效信號與干擾信號屬性的差異為切入點，對包含大量干擾信號的微震數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，降低有效信號拾取的難度。針對目前使用單一方法難以精確拾取信號初至的缺點，深入研究信號初至前后有效信號與干擾信號在振幅、頻率、偏振等屬性方面的顯著差異，挖掘現(xiàn)有拾取方法間聯(lián)合拾取的潛力，形成一種抗干擾能力強，拾取精度高、效率高的綜合拾取方法。通過完善不同微震信號的特征比較指標(biāo)，建立一套具有標(biāo)準特征、方便實用的信號波形識別技術(shù)。

微震監(jiān)測信號中蘊含著煤巖體結(jié)構(gòu)的重要信息，通過對這些信號的反演可以實現(xiàn)對煤巖體的破壞過程的再現(xiàn)，還可以對傳播路徑的煤巖結(jié)構(gòu)、賦存構(gòu)造和應(yīng)力狀態(tài)進行反演。今后，應(yīng)以傳統(tǒng)地震勘探技術(shù)為基礎(chǔ)，開展對微震信號的精細處理與解釋工作，從而更好地指導(dǎo)工程實踐。

3.4 依托地震臺網(wǎng)建立區(qū)域性的微震監(jiān)測臺網(wǎng)

目前加拿大、波蘭、南非等國依托自主研制的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，形成了全國礦山微震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對礦山災(zāi)害的防治起到了巨大的作用。早在“十一五”期間我國就已經(jīng)建成了由國家數(shù)字地震臺網(wǎng)、區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)、火山地震臺網(wǎng)和流動地震臺網(wǎng)組成的數(shù)字地震觀測系統(tǒng)，我國的地震觀測已經(jīng)進入了數(shù)字時代。

隨著開采深度的增加，我國已成為礦山災(zāi)害最為嚴重的國家，為了更加有效的防治礦山災(zāi)害，應(yīng)盡快建立為礦山安全生產(chǎn)服務(wù)的地震監(jiān)測臺網(wǎng)。礦山企業(yè)應(yīng)以國家的各級地震臺網(wǎng)為依托，以礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)為主要工具，根據(jù)我國企業(yè)實際情況盡快建立井下與地面聯(lián)合的礦山地震監(jiān)測臺網(wǎng)，尤其是已經(jīng)進入深部開采的礦區(qū)，建立礦山地震監(jiān)測臺網(wǎng)已經(jīng)刻不容緩。

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The development review of mining microseismicmonitoring technology and its future outlook

CONG Sen1，CHENG Jianyuan2，WANG Yunhong2,FANG Zhe1

(1.College of Geology & Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Xi’an Research Institute，China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi’an 710077，China)

Microseismic monitoring technology is a new geophysical monitoring technology whose theoretical research mainly is focused on the source location method and microseismic signal recognition.All kinds of linear and nonlinear localization methods are developed based on the classical Geiger method.STA/LTA，AIC，fractal dimension and wavelet transform is the main method of microseismic first-break picking method.Microseismic monitoring is widely applied in mining engineering fields，such as rock bursting and mine water inrush disaster prevention and forecast.Mine microseismic monitoring technology needs to be strengthened in the improving source location precision and data refinement processing,The mine microseismic monitoring technology further research direction was prospected from the of basic theory research, data signal processing and Instrument research.

microseismic monitoring；source location；first-break picking；rock burst；mine water inrush

2016-09-01

國家科技重大專項項目資助(編號：2011ZX05040-002)；科技部科研院所專項基金項目資助(編號：2013EG122200)；國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAK04B04)

叢森(1987-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士研究生，主要從事微震監(jiān)測技術(shù)的研究，E-mail：congsenck@163.com。

TD76

A

1004-4051(2016)12-0087-07