基于层状波速模型的矿山微震定位方法

针对矿山微震定位精度不高的问题,提出采用层状波速模型来代替传统均匀波速模型。采用试射法射线追踪技术来计算微震波在介质中的传播路径,在此基础上,研究了层状波速模型中Geiger定位方法,提出了层状波速模型中Geiger法精确定位的算法流程。通过MATLAB编程,实现了该定位算法,并且数值测试了该定位算法的准确性。数值测试结果表明:不考虑噪声影响到时拾取精度的情况下,新算法的定位精度在1m以内;考虑噪声影响的情况下,新算法的定位误差为9.3m,而采用传统均匀波速模型的定位误差达到28.71m,远远大于新算法的误差。最后,将新算法应用在冬瓜山铜矿,通过对16个微震事件的定位分析,新算法的定位效果优于传统的定位方法,事件位置更加集中。     

微震震源定位可靠性综合评价模型

微震震源定位受定位方法、微震台网布置、波速模型和到时等因素的影响,单一指标很难对震源定位结果进行全面评价,因此提出了一种包含事件残差指标、敏感度指标和触发序列指标的震源定位可靠性综合评价方法。采用改进的L1范数统计准则计算微震事件残差,并根据事件残差的取值范围确定了可评价震源定位精度的事件残差指标;根据给定波速误差后震源定位结果之间差值的大小,提出了敏感度指标,主要对定位稳定性进行评价;基于观测触发序列和计算触发序列匹配度,并结合微震台网布置和有效传感器数量,提出了触发序列指标,该指标能够同时反映定位精度和稳定性;综合以上3种评价指标,建立了微震震源定位可靠性综合评价模型。通过现场试验验证,表明该模型能够对定位精度和稳定性进行全面有效评价,评价结果可以作为衡量微震监测系统定位可靠性的实用依据。     

基于Sigma-Optimal方法的微震监测台网设计及优化

微震监测台网设计是系统能否成功应用的关键,直接决定了微震监测系统的应用效果。本文基于Sigma-Optimal方法对新疆大明矿业天湖铁矿的微震监测台网进行了设计及优化,使重点监测区域的定位误差较小且对较小震级事件具有较高的灵敏度。优化后微震监测台网的定位误差在9m左右,灵敏度可以达到-2.6矩震级,与现场应用情况一致,应用效果良好。     

玲南金矿微震监测系统的建立及应用研究

针对玲南金矿深部开采过程中岩爆等地压灾害频发的现状,建立了深部微震监测系统以实现对岩体的连续监测和岩爆的实时预报。结合传感器布置原则和矿山工程条件,对微震监测系统进行台阵分析,计算微震事件的定位精度和系统的灵敏度,得到最优的传感器布置方案。采用定点爆破进行波速校正。定位结果表明,微震监测系统的平均定位误差为5.7 m,能够满足矿山微震监测的需要。基于玲南金矿的微震监测数据,对微震活动的时空演化规律及民采定位进行研究,取得了初步成果。     

基于L1范数统计的单纯形微震震源定位方法

针对经典定位方法中存在的求解系统发散、定位精度低和定位受微震台网影响大等问题,采用L1范数统计对微震震源定位进行残差分析,推导得到了基于L1范数统计的事件残差计算公式;提出了微震震源定位的误差空间概念,它的实质是微震监测区域中事件残差对震源定位误差的反映;将震源的时间维数从误差空间中分离出去,建立了基于L1范数统计的单纯形微震震源定位方法,该方法不仅对到时和波速等输入数据中误差较大的离群点具有较高的抗干扰性,而且在震源求解时不会发生发散问题,具有很好的稳定性和强健性;通过现场爆破实验对算法的优越性进行了验证。研究结果表明:基于L1范数统计的单纯形算法震源定位结果稳定,定位精度高;而且算法受震源和微震台网相对位置影响较小,能够有效抵抗微震台网扩散效应对震源定位的影响,保证了台网边缘或外部震源定位的稳定性和精度;另外它还能够降低微震台网在方向控制上对定位精度的影响,提高了垂直方向上的震源定位精度。     

自震式微震监测技术及其在浅埋煤层动载矿压预测中的应用

震源定位是利用微震监测技术研究煤岩体破裂机制、分析矿震活动规律、预测煤岩动力灾害的基础。为了提高微震监测系统的定位精度,提出一种自震式微震监测技术,利用自激震源发射震动信号反演监测区域波速场,再将反演的波速场应用于微震定位计算。根据自震式微震监测技术研发出KJ768煤矿微震监测系统。在一定的拾振器网度和空间布置条件下,通过煤矿井下定点爆破和同类监测系统对比试验,测得KJ768微震监测系统的定位误差小于10 m。基于开发的KJ768煤矿微震监测系统开展浅埋煤层动载矿压预测,通过现场实测,研究微震监测结果和工作面矿压观测结果的关联关系,选定微震事件数和微震总能量作为周期来压和动载矿压的监测预警指标,并确定了预警阈值,准确预测了3次动载矿压和近20次周期来压,为防治异常矿压显现提供了借鉴。     

矿山开采过程地压活动综合评价分析

以某金矿为研究对象,基于微震监测技术建立地压监测系统,对波速校正后定位结果进行验证,显示定位误差为3.9 m,较好地满足了安全监测需求,基于监测数据对矿山地压活动进行综合评价。监测结果表明,微震事件集中区域与生产集中区相吻合,对微震事件活动率、能量指数和累积视体积进行时间序列分析,揭示了岩体内部应力能量演化规律,并对微震事件参数幂律特征进行分析。研究结果表明,岩体视在刚度、受力水平均较小,微震事件以小震级为主。最终结合微震各参数分析结果,对地压活动进行综合评价,研究成果对类似矿山地压活动评价分析具有一定借鉴意义。     

导水裂隙带发育高度的微震监测研究

基于井-地联合微震监测工作面导水裂隙带发育高度的监测成果,分析了微震事件的空间分布特征和在垂直方向的数量特征,并对微震事件的数量和空间分布特征与导水裂隙带发育高度的关系进行了研究;采用FLAC3D数值模拟技术,对比研究了导水裂隙带发育高度。研究结果表明:井-地联合微震监测具有较高的定位精度;微震事件的平面位置主要集中在采空区和回采巷道附近,垂直方向上主要集中在煤层顶板以上110m范围内,微震事件数量在顶板以上110m后急剧减少;数值模拟结果与微震监测结果基本吻合;研究成果为导水裂隙带发育高度的监测提供了新的方法。     

基于单纯形-最短路径射线追踪的微震震源混合定位算法

震源定位精度是评价微震监测效果的最重要指标。最短路径射线追踪法是一种求解复杂速度模型下地震波走时场及检源路径的算法,是一种重要的地震波走时正演方法。本文将该方法引入到矿山微震监测领域,与基于平均速度模型的常规单纯形定位方法相结合,建立了单纯形-最短路径射线追踪混合定位算法。首先采用最短路径射线追踪方法,计算观测系统中每个检波点到潜在震源点的反向射线路径及走时;然后基于均匀速度模型,采用单纯形算法计算得到一个初始解;最后在初始解的一个小区间内,计算各节点"走时-到时"差之和,取求和值最小值对应的节点作为震源点。层状速度模型和空区速度模型正演模拟实验表明,最短路径射线追踪方法计算得到的检源路径符合地震波传播基本规律。基于神东某矿31101工作面坚硬顶板压裂案例,以标定炮为参考,新方法定位误差4.35m,常规单纯形方法定位误差为19.63m;该方法可为层状及含空区等复杂地层微震监测等提供重要的理论支撑和技术支撑。     

基于光纤光栅加速度传感器的平面震动定位试验

岩石等介质在外力作用下发生变形或开裂破坏过程中,释放弹性能产生微震事件。基于光纤传感技术的微震监测系统采用光纤光栅加速度传感器,在信号传输过程中不受光强影响,传输距离远,本质安全,抗电磁干扰,克服了传统电子类微震传感器的缺点。为验证系统性能,进行了平面震动监测试验,利用最小二乘法实现震源平面定位。试验采集信号波形清晰,高信噪比,高阻尼,传感器布置在震源周围时,定位精度大大提高,震源定位误差并不随采样频率提高而降低。试验结果对光纤传感微震监测系统应用于煤矿井下冲击地压监测具有重要的借鉴意义。     

基于时差定位线性算法和Geigei迭代算法的某铁矿声发射源定位精度分析

时差线性定位算法主要参考时间差时,波速等参数构建线性方程组进行代数方法的求解,该法原理和计算过程都较为简单,但缺点是方程组可能会出现无解导致定位计算失败。Geiger迭代定位算法在选取了合适迭代初值的基础上进行多次迭代,得到定位结果,其在原理上比时差线性定位算法更精确,本文对时差定位中的线性定位和Geiger迭代定位两种算法结合云南某大型铁矿的声发射监测系统监测到的声发射事件进行了分析,通过两种定位算法得到的定位结果误差对比分析来具体说明两种方法对于工程实际的适用性和精确度。     

基于井上下微震联合监测技术的矿井防治水应用研究

基于矿井的地质条件和开采条件，构建井上下一体化微震监测台网，提出了一种井上下微震联合监测技术，对井上下联合微震监测结果在垂直方向的空间分布特征和数量特征进行了分析，并对微震事件分布规律与导水裂隙带发育高度的关系进行了研究。研究结果表明：微震事件在平面位置主要集中在工作面两端，且工作面回风巷侧应力集中程度明显高于运输巷侧，垂直方向上微震事件主要集中在煤层上方0～80m范围内，微震事件数量在顶板以上80m后急剧减少，得出导水裂隙带的最大发育高度在煤层上方80m左右范围内|其中，工作面煤层上方0～20m为垮落带，20～80m为采动裂隙带，微震监测结果与理论计算基本相一致。     

基于PCA法的岩体震源破坏面产状分析及工程应用

采用主成分分析法（Principal Component Analysis,PCA）快速获得因岩体破裂微震活动产生的破坏面产状信息,该方法分为空间主成分分析和时间主成分分析两部分。前者根据微震事件的定位,通过PCA法获取一个椭球体来描述定位事件簇的形状与聚集方向,根据椭球体的几何特征来获得破坏面的产状;后者将一个覆盖有固定数量事件的时间窗口在事件群上滑动,求得每个窗口代表的椭球体,将方向不同的椭球体进行分离,获得不同时刻的破坏面产状,从而得到破坏面的演化趋势。以柿竹园多金属矿一次特大爆破诱发的采空区上覆岩体滑移事故为例,根据监测的微震定位数据,利用上述方法分析得到破坏面倾向为NW319.26°,倾角为81.62°,且倾角逐渐减小,与实际测量结果相近。研究表明：PCA方法可以较好地应用于工程微震源的破裂面产状分析,可促进微震监测技术在工程监测中的应用。     

基于波速反演微震监测系统的设计与应用

为了进一步提高微震监测系统的定位精度,提出并设计了一种基于波速反演的微震监测系统。通过频率可调、激振力可控的自激震源及配套的波速反演算法,实现微震定位前波速场的反演与校正,之后用校正后的波速场定位煤岩体破裂产生的微震事件,文中介绍了系统的组成,分站、传感器、自激震源的设计及波速反演的算法。通过煤矿井下定点爆破对比试验结论表明:基于波速反演的微震监测系统的三个方向的定位误差均小于10m,且均优于波兰ARAMIS微震监测系统与加拿大ESG无波速反演功能的传统微震监测系统,为进一步提高微震系统的定位精度提供了新的思路及实现方案。     

基于中长期微震时空特征的采动地压灾害风险分析

地压灾害风险动态评估与分析是制约深井安全高效开采的关键技术之一。针对某矿山千米以深开采地压灾害现状,通过分析矿山开采技术条件,设计并建立了深部地压灾害风险微震监测系统,开展了爆破定位标定试验,优化了重点监测区域系统速度模型,探究了矿山微震事件中长期时空分布规律,提出了基于微震监测的地压灾害风险分布特征。研究结果表明：采用纵波波速5400m/s、横波波速3200m/s,重点监测区域综合定位误差小于7.4m,满足矿山深部地压灾害风险监测需求;微震事件主要分布在施工及回采区域、隔离矿柱区域,微震活动与采动呈现正相关性;分析微震事件时序分布特征,II-1#矿带地压活动风险较大,红尖山易发生突发性、强度较大的地压事件。研究成果为该矿山深部地压灾害风险防控提供了数据支撑。     

非均匀介质条件下矿震震波三维传播模型构建及其应用

为了研究速度模型对矿震定位误差的影响,基于惠更斯原理建立了矿震波在层状非均匀介质中的三维传播模型,通过现场爆破振动试验,采用矿山微震定位监测系统进行监测。对矿震震波的正演建立了矿震震波传播的三维波动方程,并给出了矿震波在介质分界面上传播速度计算公式,由此对经典线性定位方法进行合理改进,使得基于均匀介质的线性定位方法适合于非均匀分层介质。将理论推导结果应用于矿山微震监测定位系统中,进行实际矿震定位计算。试验表明,速度模型对定位的影响较大,运用所建立的三维传播模型应用于矿震定位,有效提高了定位精度。     

基于距离约束的井下目标定位方法

煤矿井下巷道为狭长的条状结构,信号衰减较大,地面已有的目标定位方法和技术难以直接应用于井下,现有的矿井目标定位主要采取基于时间和信号强度的测距方法,而这些方法并没有考虑到井下巷道的条状结构特点,定位误差较大,依据矿井巷道的条状结构特点,提出一种基于距离约束的井下目标定位方法。在巷道内每4个锚节点构成1个矩形区域,将固定的两锚节点之间的距离作为约束条件,结合垂直向量乘积为零的原理,矩形对角线的长度已知,通过基于RSSI的测距原理获得移动节点到矩形区域两对角线上锚节点的距离之比公式,进而通过合理的近似运算和向量乘法定理得到向量方程组,通过求解向量方程组可以得到移动节点的坐标,仿真实验表明该方法可以有效地降低定位误差。     

微震波自动拾取与多通道联合定位优化

依托河北某煤矿的科研项目,进行了以微震波初始到时自动拾取和高精度定位为目的的研究。在采用经验模态分解（EMD）法消噪、滤波的前提下,通过改进传统滑动时窗能量法,加入边界检测因子和稳定因子约束,实现对“起跳模糊、起跳不干脆以及背景干扰过大”波形到时的准确拾取。建立多通道内微震波的联合识别体系,提出利用“到时-振幅”与“时-距差速度”判断法剔除异常波形,拾取有效微震事件。现场监测数据验证表明,以改进滑动时窗能量法拾取初始到时,可有效拾取到时不清晰波形的到时,减少因人工拾取带来的误差;通过多通道内波形的联合识别、定位,削弱“远波先至”、“到时紊乱”等异常事件的干扰,实现了对震源的高精度定位。     

基于微震监测的金属矿山地压规律分析及监测研究

为探寻金属矿山地压活动规律,及时对其进行监测,以中关铁矿为研究对象,设计并布置了12通道高精度微震监测系统,通过多参数综合分析明确了微震活动性特征,进而揭示了地压活动规律,应用多指标综合分析得到了中关铁矿地压活动活跃期。结果表明：设计布置的微震监测系统校准了监测精度在其规定区域内时间、空间上的准确性结果与现场实际一致,监测结果有效可靠;结合微震事件发生位置和事件数,对微震活动性、累积视体积和能量指数等多参数进行分析,发现在同一时间轴下各参数变化规律及显著特征分布基本一致,在监测期间地压活动较为频繁;通过微震b值、EV值,确定了中关铁矿地压活动活跃期为2022-08-28—08-30、2022-09-14—09-17和2022-09-22—09-28,应加强观测,以便及时响应,这为基于微震监测技术在地压活动方面的监测提供了技术支撑。     

矿山深部开采岩体稳定性监测技术研究

针对矿山深部开采过程中易发生地压动力灾害的问题,基于微震监测技术,结合矿山实际特点建立岩体稳定性监测系统。优化台网设计,通过定点爆破的方法进行波速校正,最终建立了定位误差在10m,灵敏度在-2.2的监测台网。对监测数据进行波形拾取,分析微震事件时空演化特征,圈定潜在危险区域,并对潜在危险区域围岩变形损伤进行分析。最终总结出微震事件大幅度上升且处于较高水平、空间分布高度集聚、能量指数突然下降而累计视体积迅速上升的动力灾害预警前兆。研究结果可为深部开采岩体稳定性监测提供参考。