張華 胡賓鑫 朱峰 王紀(jì)強(qiáng) 宋廣東

摘要：光纖微震監(jiān)測技術(shù)通過觀測分析生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的微小振動事件，對其進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，具有無源、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。傳感器垂直安裝在巷道幫部錨桿上，監(jiān)測分站安裝在硐室內(nèi)，傳感器與監(jiān)測分站通過敷設(shè)的光纜形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。采用單純形法進(jìn)行震源定位，此方法在定位計算過程中不會出現(xiàn)發(fā)散問題，穩(wěn)定性高，在求解過程中不需要求解偏導(dǎo)和逆矩陣，降低了運(yùn)算量，提高了運(yùn)算效率，每只傳感器可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同波速進(jìn)行計算，更加符合實(shí)際情況。光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝于山西五陽煤礦，進(jìn)行了初步的監(jiān)測應(yīng)用，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠監(jiān)測礦山活動，發(fā)揮預(yù)警功能，對安全生產(chǎn)起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：光纖加速度傳感器；微震監(jiān)測；單純形法；監(jiān)測預(yù)警

中圖分類號：TD326?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2023）05-0060-07

Optical fiber microseismic monitoring system and its application research in Wuyang Coal Mine

ZHANG Hua， HU Binxin， ZHU Feng，WANG Jiqiang，SONG Guangdong

（Laser Institute， Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250103， China）

Abstract∶Optical fiber microseismic monitoring technology is used to monitor and alert the microvibration events generated during production activities through observation and analysis with passivity and high reliability. Herein， the sensors are vertically installed on the side bolts along the roadway， and the monitoring substation is installed in the chamber. The sensors and the monitoring substation constitute a monitoring network through the laid optical cables. Besides， the simplex method is used to locate the seismic source. This method is free from divergence problems in the location calculation and is highly stable. Moreover， in this method， the solution of the partial derivative and inverse matrix is not required， which reduces the calculation amount and improves the calculation efficiency. Additionally， each sensor can use different wave velocities during the calculation based on the actual situation. The optical fiber microseismic monitoring system was installed in Shanxi Wuyang Coal Mine for preliminary monitoring and application， and the monitoring results were analyzed. The results show that the system can monitor mine activities and warn early， thereby playing a positive role in safe production.

Key words∶optical fiber acceleration sensor; microseismic monitoring; simplex method; monitoring and early warning

煤炭長期以來是我國的主要能源，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，大規(guī)模深部礦產(chǎn)資源開采逐漸成為我國采礦行業(yè)的趨勢。隨著開采深度不斷加大，地應(yīng)力明顯增大，同時產(chǎn)生大量的微震活動，誘發(fā)深部巷道的高強(qiáng)度動力災(zāi)害，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。以煤與瓦斯突出、突水、隧道巖爆為主的動力災(zāi)害已成為工業(yè)安全領(lǐng)域的主要災(zāi)害[1-2]。這些動力災(zāi)害已經(jīng)成為制約我國煤炭行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。巖體微破裂萌生、擴(kuò)展和貫通是煤與瓦斯突出、巖爆形成的重要前兆信息，對前兆信息的精確捕捉、測量、分析已成為動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警防治亟待突破的關(guān)鍵問題。研究和實(shí)踐表明，微震監(jiān)測技術(shù)是用巖體變形和破壞后本身發(fā)出的彈性波來監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法，是巖體破裂監(jiān)測的有效手段。

于群等[3]和王創(chuàng)業(yè)等[4]引進(jìn)加拿大ESG（Engineering Seisnology Group）微震監(jiān)測系統(tǒng)后，分別將其應(yīng)用于錦屏水電站、大崗山水電站、洋山隧道等，研究微震事件分析方法，對動力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。Ma等[5]和辛崇偉等[6]對系統(tǒng)軟硬件改進(jìn)，設(shè)計了井下微震定位系統(tǒng)，在華豐煤礦等處實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。竇林名等[7]與波蘭礦業(yè)研究院合作引進(jìn)波蘭SOS（seismological observation system）微震監(jiān)測系統(tǒng)，在桃山煤礦等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

但是，上述微震監(jiān)測系統(tǒng)中前端傳感探頭均是基于壓電式、電容式等電學(xué)理論，使用過程需要供電，易受電磁干擾，在煤礦等易燃易爆環(huán)境應(yīng)用時受到限制。而光纖傳感器具有靈敏度高、頻響寬、動態(tài)范圍大、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，由此本文設(shè)計了基于懸臂梁式加速度傳感器的光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在五陽煤礦。

1 微震監(jiān)測技術(shù)

1.1 微震監(jiān)測原理

巖石在受到外力或內(nèi)力作用時，其內(nèi)部將會產(chǎn)生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當(dāng)能量積累到臨界值之后，將引起巖體微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展伴隨著彈性波或應(yīng)力波的釋放并在周圍巖體內(nèi)快速傳播，這種彈性波就稱為微震。微震監(jiān)測技術(shù)是通過觀測、分析生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的微小振動事件，以監(jiān)測其對生產(chǎn)活動的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)三維空間連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測，定位精度高、可靠性強(qiáng)[8-10]。當(dāng)巖石或煤層因?yàn)橥饨缫蛩匕l(fā)生破裂或移動時，產(chǎn)生微弱的微震信號向周圍傳播，微震傳感器可以接收這些信號，記錄微震信號的到達(dá)時間、傳播方向等信息，利用定位算法確定破裂點(diǎn)，即震源位置。

本文設(shè)計懸臂梁式加速度傳感器，其基于慣性原理實(shí)現(xiàn)加速度測量，采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，光纖布拉格光柵黏貼在懸臂梁上，當(dāng)外界發(fā)生振動或沖擊時，傳感器的外殼和質(zhì)量塊會發(fā)生振動，使黏貼在懸臂梁上的光纖發(fā)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖的中心波長發(fā)生移動。該項(xiàng)目監(jiān)測設(shè)備采用的是自主研發(fā)生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括5支光纖微震傳感器、微震監(jiān)測分站、光纜、交換機(jī)、同步時鐘、主站等，安裝示意圖如圖2所示。

傳感器垂直安裝在巷道幫部錨桿上，監(jiān)測分站安裝在硐室內(nèi)，傳感器與監(jiān)測分站通過敷設(shè)的光纜形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。5通道微震監(jiān)測系統(tǒng)可對8003回風(fēng)巷的開采面產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測，傳感器將獲得的微震信號通過光纜傳送至微震監(jiān)測分站，監(jiān)測分站接收各通道的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)傳送至地面主站，計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，形成報告。

1.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)定位

震源事件的定位是微震監(jiān)測技術(shù)研究的主要內(nèi)容，震源事件的定位能夠確定煤巖體破裂的時間和坐標(biāo)，是煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)。微震監(jiān)測定位方法較多，通常根據(jù)定位原理分為兩大類：一是基于三分量傳感器的震源定位方法；二是基于不同到時原理的震源定位方法。第二種是目前微震定位監(jiān)測中應(yīng)用最廣的一類震源定位方法，例如經(jīng)典的Geiger法、粒子群算法、Powell算法、單純形法等[11-16]。經(jīng)典的Geiger法屬于特殊的線性定位算法，將非線性方程組采用牛頓高斯法進(jìn)行線性化，計算出方程組的最小二乘解，使觀測到時間與計算到時間之間的到時殘差最小。Geiger法采用多支傳感器進(jìn)行定位，極大程度上提高了定位的準(zhǔn)確性，但是此算法過度依賴初始值的選取，若選擇不當(dāng)，易出現(xiàn)定位不準(zhǔn)或無法定位的問題。單純形法是一種適用于求解多維無約束優(yōu)化問題的一種數(shù)值搜索方法，在連續(xù)改變幾何圖形的過程中，相互比較單純形各頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，逐步以目標(biāo)函數(shù)值較小的頂點(diǎn)取代目標(biāo)函數(shù)值較大的頂點(diǎn)，在迭代過程中將單純形逐漸向最優(yōu)點(diǎn)移動，從而進(jìn)行優(yōu)化。而單純形法在定位計算過程中不會出現(xiàn)發(fā)散問題，穩(wěn)定性高，在求解過程中不需要求解偏導(dǎo)和逆矩陣，降低了運(yùn)算量，提高了運(yùn)算效率，每只傳感器可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同波速進(jìn)行計算，更加符合實(shí)際情況，所以本文采用的是單純形法進(jìn)行定位計算，算法步驟如下：

第一步 計算每支傳感器之間獲取信號的到時差值以及各支傳感器的坐標(biāo)，選取5支信號完整的傳感器，作為5個頂點(diǎn)構(gòu)造初始的單純形。通過線性定位初步計算微震震源的位置，得到初始定位坐標(biāo)p0x0，y0，z0；

第二步 根據(jù)微震傳感器的坐標(biāo)，計算每個傳感器的殘差。設(shè)微震發(fā)生的時刻為t0，震源坐標(biāo)為Sx0，y0，z0，第i支微震傳感器的坐標(biāo)為Tixi，yi，zi，其中i表示探測到微震有用信號的微震傳感器個數(shù)，第i支微震傳感器的微震波初至到時時刻為ti，微震波到達(dá)第i支微震傳感器的波速為vi，則震源定位方程可表達(dá)為

根據(jù)最小二乘法原理，震源定位的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

其中，γi為微震傳感器的殘差，即觀測到時和計算到時之間的差值，可用式（3）表示，

γi=ti－t0+tti，（3）

式中，tti為第i支微震傳感器的計算到時；

第三步 比較5個點(diǎn)的殘差，選出最大值和最小值，通過映射、擴(kuò)展、壓縮、收縮等4種形式在誤差空間中將原單純形中的頂點(diǎn)替換成新的單純形；

第四步 不斷重復(fù)第三步，得到新的單純形，使單純形朝著空間內(nèi)目標(biāo)函數(shù)值最小的方向移動，直到找到最佳的震源位置，得到定位結(jié)果。

算法流程圖見圖3。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

五陽煤礦位于山西省長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)，微震監(jiān)測設(shè)備安裝在8003回風(fēng)巷，地表位于西周村、東元垴村、西元垴村之間，地面標(biāo)高為+925～+958 m。8003回風(fēng)巷位于80采區(qū)南部，工作面標(biāo)高為+283～+408 m，其南部為80-0305底抽巷，東部為80采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷，西部為8006放水巷，北部為實(shí)煤體。煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤，煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，煤質(zhì)為貧瘦煤。8003回風(fēng)巷總設(shè)計長度1 789 m，現(xiàn)已掘進(jìn)1 232 m，剩余557 m。向前掘進(jìn)時選擇合適位置，開始留設(shè)頂煤，在相對穩(wěn)定層位，沿中煤（頂煤不超1 m）掘進(jìn)至切眼設(shè)計位置停掘，若因煤層酥軟或受到80-0305底抽巷造穴孔影響，無法留住頂煤時，仍改為沿頂板掘進(jìn)至切眼設(shè)計位置。

2.1 微震數(shù)據(jù)處理

光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測到的有效信號進(jìn)行保存，在震源定位前首先對信號進(jìn)行濾波和去噪，圖4是微震傳感器采集到的信號。對這些信號濾波，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析之后，得到震源的位置坐標(biāo)和能量見表1。

將震源位置在礦圖上進(jìn)行標(biāo)記，微震事件基本發(fā)生在采煤區(qū)，多是因?yàn)槊旱V開采引起的，與礦上開采活動時間對應(yīng)，監(jiān)測效果較好。

2.2 微震監(jiān)測結(jié)果分析

通過對微震事件的部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計分析，繪制出折線柱狀圖，如圖5所示。

2022年5月1日至2日，微震事件頻次較低，5月3日至5月4日，微震事件數(shù)量頻次升高，監(jiān)測到大量的微震事件信號，5日至7日微震事件數(shù)量下降。對單日微震事件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，繪制柱狀圖如圖6所示。從圖6可以看出，微震活動主要集中在3個時期，分別為8～10時、11～13時和16～18時。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)活動情況，這3個時間段主要為礦山的作業(yè)生產(chǎn)事件，發(fā)生小規(guī)模爆破活動，從而引起巖體的擾動和損傷，導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生微破裂。這說明微震事件的產(chǎn)生大部分是由礦山開采活動引起的。

3 小結(jié)

本文采用光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行了初步的監(jiān)測應(yīng)用研究，結(jié)果證明該系統(tǒng)性能良好，能夠監(jiān)測礦山活動，發(fā)揮預(yù)警功能，滿足礦山微震監(jiān)測的要求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)對五陽煤礦的地壓監(jiān)測、安全生產(chǎn)等提供了技術(shù)手段，對安全生產(chǎn)起到積極作用，推動了安全生產(chǎn)管理水平的發(fā)展。

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