摘 要：本文以东北某矿井下首采面顶板岩层裂隙发育微震监测项目为例，主要介绍了其使用的KJ1465矿用微震监测系统的软硬件组成和微震监测技术原理，并结合该矿井下微震事件波形的特征，对微震事件的处理方法开展了研究。主要研究了P波初至拾取和校正的方法，提高了事件定位的精度；基于微震事件发生规律与生产活动的对应关系，并通过对事件波形特征的对比研究，对井下各类事件的波形特征进行了总结；通过对干扰事件的剔除，微震事件的有效分类以及定位精度的提高，对该矿首采面顶板岩层失稳破裂活动趋势和规律进行了判断，并为矿井防治水工作提供了技术依据。
关键词：煤矿开采；岩层失稳破裂；微震监测；波形分析
1、前言
东北某矿目前首采面已经正式进入开采，其工作面开采3号煤层，煤层平均厚度7.0m，煤层结构简单，赋存稳定，区域内煤层整体发育为单斜构造，工作面位于3号煤层顶板石头庙子组砾岩裂隙含水层突水危险性危险区和威胁区内。
为了监测煤层采动导致的顶板导水裂隙带高度是否能导通上覆含水层，该矿特引进了KJ1465矿用微震监测系统，系统自监测之日起，每天记录事件少则几百个，多则上千个，微震事件的发育规律与井下采掘生产活动以及冲击地压显现和岩层破裂活动等多方面因素息息相关，同时由于煤层顶板岩层微破裂活动监测测区面积小、震动频繁、事件能量等特点，因此就要求微震事件定位精度高、数据处理及时、事件分类精确以及能量计算准确。通过对该矿井下微震事件的波形特征进行研究，并结合矿井实际采掘活动，形成了一套适用于该矿微震监测数据处理和分析的方法。
2、微震监测系统的构成
该矿首采面顶板岩层破裂活动微震监测使用KJ1465矿用微震监测系统，系统分为井下部分和地面部分，其中，井下部分中包含KJ1465-F矿用本安型微震监测分站、KDW127/18B电源、传感器、光缆、电缆等；地面部分由授时服务器、地面用光端机、UPS电源、计算机(控制、处理)等组成。该项目共配置井下监测分站2台，拾震传感器20个，成立体环网分别布置在工作面机道、回风道和流水巷中。软件部分主要有微震事件采集系统和波形分析处理系统。
3、微震监测技术介绍
3.1、微震监测原理
采场上方岩层受采动影响断裂，能量以震动和声波的形式向周围传播，到达预先埋设的多组检波器。由于震源(岩层断裂位置)与检波器间的距离不同，震动波传播到检波器的时间也不相同，因此，检波器上的到时是不相同的。根据各检波器不同的到时差，进行震源定位和能量计算，得到此次岩层断裂的位置和能量(如图3-1-1、3-1-2所示)。 3.2、震源定位算法
震源定位精度对应用效果影响很大，不同定位算法有各自的适应条件，微震监测经典定位算法有“盖格法”、“粒子群算法”与“射线追踪定位方法”等，其原理分别如下：
1)盖格法
盖格法(Geiger)是基于地震波到时进行微震定位算法，于上个世纪20年代提出，其原理是建立目标函数求解极小值。Geiger法首先需要求解到时函数的偏导数与逆矩阵，然后推导出迭代公式，通过迭代公式，最后求解出到时误差的极小值，即震源参数。其优点是计算速度快，在相对均值速度模型中定位误差小，收敛快。
2)粒子群算法
粒子群算法是在1995年由Eberhart博士和Kennedy博士一起提出的，它源于对鸟群捕食行为的研究。它的基本核心是利用群体中的个体对信息的共享从而使整个群体的运动在问题求解空间中产生从无序到有序的演化过程，从而获得问题的最优解。其优点搜索速度快、效率高，算法简单，缺点是对离散点的优化处理不佳，容易陷入局部最优。
3)射线追踪定位方法 作为一种正演模拟工具，地震波射线追踪方法主要是为了模拟地震波在地下介质中的传播过程。其主要核心目标是计算能描述地震波在地下介质中传播特性的运动学参数，例如：地震波走时，射线路径等；其理论基础和出发点主要涉及地震波传播满足地震波运动学基本规律和方程，如地震波走时最短原理。试摄法是一种传统的射线追踪方法，根据震源点和接收点的位置，开始从震源点出发，遵循Snell定律，通过不断调整初始射线角度，使从震源出发的射线收敛于接收点，即得到了射线轨迹，其原理如图所示。
射线追踪定位算法优点是考虑到了地震波传播路径效应带来的定位误差，缺点是需要建立准确的速度模型。
4、井下各类微震事件波形特征分析
由于井下拾震传感器通过打孔注浆预埋的方式，安装在岩层内部，因此，周围的震动信号均会被传感器接收到，当事件的能量级别达到触发阈值后，就会被判别为事件，为了捕捉到煤层顶板的岩层微破裂事件，系统在数据采集时设定的触发条件较低，因此，系统实际采集到的事件包含有诸如机械震动干扰、设备自身脉冲电流干扰，生产爆破、岩体破裂活动等事件。在实际的数据处理中，岩爆以及岩层微破裂事件才是我们需要去重点关注的对象。
由于各类事件的发生机理不一样，其波形振动特征往往具有较为明显的差异。本文结合该矿井下的微震事件波形特征对各类事件的波形特征进行总结如下:
(1)设备自身脉冲信号干扰事件，由于是脉冲信号，其振动持续时间极短，且各通道传感器基本在同一时间触发，如下图： (2)机器运转干扰事件，如皮带运行、钻机打钻等机械工作产生的震动，其振动持续时间长，一直伴随着机械工作，且在波形振动谱上，其信号随着时间的变化没有明显的能量跳动，比较平均，如下图： (3)生产爆破事件，其主要特点是能量大，且震源为瞬间爆破，因此在波形谱上，多为单一波形，且能量较大，主要以冲击波的方传播，p波起跳快速，振幅急速衰减。
爆破多为多孔多药联合一次爆破，不同孔的炸药由于爆破延时，可能存在多次连续爆破等情况，这类爆破在地震波形谱中就呈现为多个形状相同的波形，且能量均较大，衰减极快，频率主要集中在100-200HZ之间，如下图： (4)岩体破裂活动事件，其波形特征与爆破波形特征比较接近，但由于其与爆破事件的发生机理不一致，其波形特征也不一样，其主频主要集中在50-100HZ之间，如下图： 通过对井下各类事件的波形特征进行分析，尤其是岩体破裂事件的震级、能量以及波形特征进行分析，就可以分离出对矿井生产安全具有意义的岩体破裂活动。
5、微震事件定位
当震动事件发生后，震动信号会被周围布设的传感器接收到，由于震源位置离各个传感器的距离不一样，因此，每个传感器的地震波到时也不一样，通过给定的地震波传播速度，利用各传感器P波到时可以计算出震源发生的位置。
微震事件定位的精度取决于P波初至拾取的精准度，在P波初至拾取时，由于地震波成分复杂，尤其是地震事件本身能量较弱，其信号同背景场噪声信号叠加在一起，造成了P波初至事件根本识别不出来。另外，由于接收到同一震动事件的传感器较多，其各传感器的背景噪声环境也不一样，其接收到的微震事件信号质量不一样，有的甚至根本不能用，因此，如何选取传感器并对每个传感器的P波初至进行拾取对微震事件的定位处理尤其重要。
根据地震波传播规律和微震监测技术原理，结合该矿井下微震事件的实际处理经验，对微震事件的定位提出了以下几个有效的方法。
5.1、剔除异常波形
一个事件产生的地震波可能被多个传感器接收，各传感器接收到的波形大体形状应该一致，在没有噪声的干扰下，大多数传感器接收到的波形都是单一的，个别传感器记录的波形异常可能是受噪声的影响，在事件定位时可剔除异常波形，避免其对整个事件定位的影响。
5.2、正确确定P波到达时刻
井下作业环境复杂，事件的产生常伴随着其它活动的噪声(如图5-2-1)，这时确定P波的起始位置就要非常仔细。当事件信号未到时，传感器接收到的噪声信号能量幅值基本不发生变化，当地震波P波到达时，传感器记录的地震道波形会发生明显起跳，波形第一个起跳的位置就是P波初至位置，但是在P波拾取的过程中，要观察各道传感器的波形特征，尽量保证每个P波起始位置波形的相似性。 在实际的数据处理中，通过观察各传感器波形特征和P波到时，优先选择P波先到的几个传感器，一般来说，离震源越近的传感器其接收到地震波也越早，其事件信号信噪比也越高，事件定位的精度也会有所提高。
其次，由于各道传感器都是接收的直达波，在地震波传播速度设定一致的情况下，将各道传感器信号按照P波到时早晚进行排序，各传感器的地震波P波初至连接起来理论上应该是一条直线(如图5-2-2)，其斜率应该是速度的倒数，当发现某些传感器的P波到时偏离直线远时，需要对该传感器的P波初至进行校正，如果发现某些传感器的信号偏离直线较远，则剔除该传感器，不让其参与定位计算。 5.3、案例分析
图5-3-1为井下11月12日13点17分19秒系统采集到的一个事件波形，发现其能量特别大，其信号同时被井下20多个传感器触发。 在对该事件定位的时候，通过分析该事件各道传感器的波形特征和P波初至规律，发现各道传感器P波到时按时间早晚分别是19#、12#、18#、13#、20#、11#、6#、5#等传感器，且这几个传感器的数据质量相对更好，因此，在数据处理时，优先选择了这几道传感器，并根据地震波传播规律，对这几道传感器的P波初至进行了一定的校正，并利用校正后的P波初至对事件进行了定位，事件定位位置位于井下流水巷与机道之间的联络巷巷道附近。
由于该事件能量较大，引起矿方的高度重视，在通过现场排查等工作后，在井下事件定位位置未发现大规模自然岩爆活动，结合事件发生时间，发现该事件与矿方在联络巷当日掘进头的爆破放炮事件高度重合，其炸药量为6公斤，爆破位置为联络巷进尺20m处迎头，通过对比事件真实位置与定位位置误差发现，二者相差基本很小，误差在5m范围之内，由此可见，通过分析各传感器的波形特征，并结合地震波传播规律对井下各传感器的P波初至进行校正对事件定位的精度提升有着良好的效果。表5-3-1为事件定位偏差表，图5-3-2为校正后的各道传感器P波初至关系图，图5-3-3为事件定位位置与实际位置相对位置图。 6、结语
通过对该矿微震系统监测到的事件波形特征进行分析研究，总结出了快速、准确处理煤矿井下微震事件分类和定位的方法。这不仅明显提高了事件定位精度，而且加快了手工处理数据的速度，也为煤矿井下微震事件波形特征分析以及数据处理提供了一些可供参考的经验和思路。