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[摘 要]本文基于Armis M/E微震监测系统，以现场定点试验的方式，研究影响微震定位精度的几个因素下震源定位误差规律。通过通道优化选择可知，选择小源检距、低离散度和适当增加定位通道数的通道组合方式可以提高震源定位精度；通过分析软件自动-人工辅助拾取初至差值分布及定位误差情况可知，自动拾取有一定科学性和准确性，且人工辅助定位精度要高于软件自动定位；通过分析均一-随距离变速度模型下定位误差情况，可以看出随距离变速度模型下定位精度明显高于匀速模型。
[关键词]微震监测 定位精度 最优通道组合 初至拾取 变速模型
中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0017-01
1 前言
近些年国内煤矿逐渐进入深部高强度开采阶段，冲击地压灾害开始成为煤矿主要灾害之一。国内外电子、通讯设备及计算机等技术的发展促使微震监测成为煤矿冲击地压监测预警的重要手段。冲击地压发生前后往往伴随着大量富含大破裂时空前兆信息的微震事件，对这些微震事件的精确定位，将是冲击地压监测预警技术中最重要的基础内容。由微震定位原理可知，影响煤矿微震定位精度主要有微震台网空间布置、波形信号初至拾取、合理波速模型假设三大因素。
在现场应用过程中，受矿区采掘空间各种条件限制，台网最终设计结果常常会偏差理论最优值[4]；数据分析过程中，定位软件执行初至自动拾取时往往很难考虑到各种复杂噪音的干扰并会导致初至拾取精确度不稳定，而且均一速度模型不能真实反映煤岩体震波传播速度特征。因此，本文基于Armis M/E微震监测系统，以现场定点试验的方式，研究微震监测软件定位过程中不同通道组合方式、自动-人工辅助拾取初至及均一-变速度模型下震源定位误差规律，分析总结出有利于提高定位精度的因素指标值，最终达到指导现场提高定位精度的目的。
2 试验原理
微震监测技术就是记录一定频率范围的弹性波信号，确定已经发生的微震事件参数，包括事件的发生时间、震源三维坐标位置以及释放的能量等。微震源的时空参数可用微震源的空间坐标（x，y，z）和微震事件的起始时间t表示。假定岩体介质P波速度为v，则微震源与第i个传感器之间走时方程为：
式中，（xi，yi，zi）为第i个拾震器坐标；ti为观测到时；m为拾震器个数；满足4个及以上拾震器有效就可以算得微震源时空参数（x，y，z，t）。
试验在现场已知空间位置实施定点爆破，利用微震系统对监测到的爆破信号在多种条件下进行定位，比较定位结果与实际爆破位置的误差。3个条件为：①拾震器组合选取；②软件自动-人工辅助拾取初至；③均一-变速度模型。试验过程中，当进行其中一条件定位时，其它条件保持不变。试验流程如下：
（1）不同通道组合选取：首先计算微震震源到各拾震器距离并按距离从小到大排序；然后从4个通道参与定位开始，相同通道数目下按源检距从小到大的组合来对微震进行定位，统计各组合源检距平均值及标准差与对应误差的关系；最后依据相同通道数目最佳位置组合关系，统计从小到大不同数目通道组合下的定位精度，确定最优定位通道个数。
（2）软件自动-人工辅助拾取初至：首先对于某一试验点，分别用软件自动、人工辅助方式拾取波形初至；然后计算软件自动与人工辅助拾取的初至时间差，统计每个时间差区间所占比例以分析软件自动-人工辅助拾取初至可靠性；最后统计对比分析两种初至拾取方法下定位误差关系。
（3）均一-变速度模型：首先根据试验点统计分析出源检距与p波速度的关系曲线；然后根据前者关系曲线建立随距离变速模型；最后对比均一-速度模和随距离变速模型下定位误差。
3 现场定点试验
某矿Aramis M/E微震监测系统有15个井下拾震器可以正常使用，分布在井田范围三个作业区内，如图1所示。为了进一步提高监测系统对危险区域内微震事件的监测能力，根据前文理论，对影响定位精度的三个主要因素进行现场试验分析，总结分析出有利于提高定位精度的因素指标值。选择21141工作面作为定点爆破试验场地，在运输顺槽两帮设计4个震源点，编号为1#、2#、3#和4#。
3.1 不同通道组合选取
定位人员分析微震数据时，采用均一速度模型，拾取初至后按通道组合优化步骤，对每个试验点从4个拾震器参与定位开始，由近到远分析不同通道组合下三维定位误差，并计算分析各组合源检距平均值及标准差与对应误差的关系。分析可知，选择不同源检距组合定位，其误差范围为16.43～64.41m，定位精度较高；从4个拾震器参与定位开始，参与定位的拾震器与震源的距离均值越大定位误差越大，拾震器约离散定位精度越低；随参与定位通道数增加不同源检距组合定位误差变化更加稳定；7个及以上通道参与定位时定位效果最佳，增加定位拾震器个数可以提高震源的定位精度并能一定程度上保证定位结果的稳定性。
3.2 软件自动-人工辅助拾取初至
分别用软件自动、人工辅助方法为4个爆破事件数据进行初至拾取，误差范围满足定位要求。计算两种方法拾取到的到时差，总共52个到时数据差值范围为0～52.70ms，这些差值中有近80%集中在10ms内，说明自动拾取有一定科学性和准确性，在初至起跳明显时完全能达到定位精度要求。另外，对比分析软件自动-人工辅助拾取初至条件下定位误差，可知人工辅助定位误差要稍小于软件自动定位，且误差范围波动小。
3.3 均一-变速度模型
根据已知4个爆破试验点坐标及定位软件记录到各通道与最近通道到时之差，可以计算出不同距离拾震器接受到的P波速度，根据散点图拟合得源检距与P波速度成递增的线性关系：y=0.0007x+3.0425。依据拟合得的线性关系式建立随距离变化速度模型，统计分析均一-随距离变速模型下定位误差情况，可以看出随距离变速速度模型下定位精度明显高于匀速模型。
4 结论
本文基于Armis M/E微震监测系统，以现场定点试验的方式，研究影响微震定位精度的几个因素下震源定位误差规律，主要结论如下：
（1）在优化井下现场拾震器布置基础上，选择小源检距、低离散度和适当增加定位通道数的通道组合方式，可以提高震源定位精度。
（2）通过分析软件自动-人工辅助拾取初至差值分布及定位误差情况可知，自动拾取有一定科学性和准确性，且人工辅助定位精度要高于软件自动定位。
（3）统计分析均一-随距离变速模型下定位误差情况，可以看出随距离变速速度模型下定位精度明显高于匀速模型。
参考文献
[1]杨志国，于润沧，郭然等.基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究[J].岩土力学与工程学报，2009，28 （2）：3632-3637.
[2]巩思园，窦林名，曹安业，等.矿山微震监测台优化布设研究[J].地球物理学报，2010，53（2） ： 457-465.
[3]夏永学，潘俊锋，王元杰等.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究[J].煤炭学报，2011，32（2）：239-243.
[4]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[关键词]微震监测 定位精度 最优通道组合 初至拾取 变速模型
中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0017-01
1 前言
近些年国内煤矿逐渐进入深部高强度开采阶段，冲击地压灾害开始成为煤矿主要灾害之一。国内外电子、通讯设备及计算机等技术的发展促使微震监测成为煤矿冲击地压监测预警的重要手段。冲击地压发生前后往往伴随着大量富含大破裂时空前兆信息的微震事件，对这些微震事件的精确定位，将是冲击地压监测预警技术中最重要的基础内容。由微震定位原理可知，影响煤矿微震定位精度主要有微震台网空间布置、波形信号初至拾取、合理波速模型假设三大因素。
在现场应用过程中，受矿区采掘空间各种条件限制，台网最终设计结果常常会偏差理论最优值[4]；数据分析过程中，定位软件执行初至自动拾取时往往很难考虑到各种复杂噪音的干扰并会导致初至拾取精确度不稳定，而且均一速度模型不能真实反映煤岩体震波传播速度特征。因此，本文基于Armis M/E微震监测系统，以现场定点试验的方式，研究微震监测软件定位过程中不同通道组合方式、自动-人工辅助拾取初至及均一-变速度模型下震源定位误差规律，分析总结出有利于提高定位精度的因素指标值，最终达到指导现场提高定位精度的目的。
2 试验原理
微震监测技术就是记录一定频率范围的弹性波信号，确定已经发生的微震事件参数，包括事件的发生时间、震源三维坐标位置以及释放的能量等。微震源的时空参数可用微震源的空间坐标（x，y，z）和微震事件的起始时间t表示。假定岩体介质P波速度为v，则微震源与第i个传感器之间走时方程为：
式中，（xi，yi，zi）为第i个拾震器坐标；ti为观测到时；m为拾震器个数；满足4个及以上拾震器有效就可以算得微震源时空参数（x，y，z，t）。
试验在现场已知空间位置实施定点爆破，利用微震系统对监测到的爆破信号在多种条件下进行定位，比较定位结果与实际爆破位置的误差。3个条件为：①拾震器组合选取；②软件自动-人工辅助拾取初至；③均一-变速度模型。试验过程中，当进行其中一条件定位时，其它条件保持不变。试验流程如下：
（1）不同通道组合选取：首先计算微震震源到各拾震器距离并按距离从小到大排序；然后从4个通道参与定位开始，相同通道数目下按源检距从小到大的组合来对微震进行定位，统计各组合源检距平均值及标准差与对应误差的关系；最后依据相同通道数目最佳位置组合关系，统计从小到大不同数目通道组合下的定位精度，确定最优定位通道个数。
（2）软件自动-人工辅助拾取初至：首先对于某一试验点，分别用软件自动、人工辅助方式拾取波形初至；然后计算软件自动与人工辅助拾取的初至时间差，统计每个时间差区间所占比例以分析软件自动-人工辅助拾取初至可靠性；最后统计对比分析两种初至拾取方法下定位误差关系。
（3）均一-变速度模型：首先根据试验点统计分析出源检距与p波速度的关系曲线；然后根据前者关系曲线建立随距离变速模型；最后对比均一-速度模和随距离变速模型下定位误差。
3 现场定点试验
某矿Aramis M/E微震监测系统有15个井下拾震器可以正常使用，分布在井田范围三个作业区内，如图1所示。为了进一步提高监测系统对危险区域内微震事件的监测能力，根据前文理论，对影响定位精度的三个主要因素进行现场试验分析，总结分析出有利于提高定位精度的因素指标值。选择21141工作面作为定点爆破试验场地，在运输顺槽两帮设计4个震源点，编号为1#、2#、3#和4#。
3.1 不同通道组合选取
定位人员分析微震数据时，采用均一速度模型，拾取初至后按通道组合优化步骤，对每个试验点从4个拾震器参与定位开始，由近到远分析不同通道组合下三维定位误差，并计算分析各组合源检距平均值及标准差与对应误差的关系。分析可知，选择不同源检距组合定位，其误差范围为16.43～64.41m，定位精度较高；从4个拾震器参与定位开始，参与定位的拾震器与震源的距离均值越大定位误差越大，拾震器约离散定位精度越低；随参与定位通道数增加不同源检距组合定位误差变化更加稳定；7个及以上通道参与定位时定位效果最佳，增加定位拾震器个数可以提高震源的定位精度并能一定程度上保证定位结果的稳定性。
3.2 软件自动-人工辅助拾取初至
分别用软件自动、人工辅助方法为4个爆破事件数据进行初至拾取，误差范围满足定位要求。计算两种方法拾取到的到时差，总共52个到时数据差值范围为0～52.70ms，这些差值中有近80%集中在10ms内，说明自动拾取有一定科学性和准确性，在初至起跳明显时完全能达到定位精度要求。另外，对比分析软件自动-人工辅助拾取初至条件下定位误差，可知人工辅助定位误差要稍小于软件自动定位，且误差范围波动小。
3.3 均一-变速度模型
根据已知4个爆破试验点坐标及定位软件记录到各通道与最近通道到时之差，可以计算出不同距离拾震器接受到的P波速度，根据散点图拟合得源检距与P波速度成递增的线性关系：y=0.0007x+3.0425。依据拟合得的线性关系式建立随距离变化速度模型，统计分析均一-随距离变速模型下定位误差情况，可以看出随距离变速速度模型下定位精度明显高于匀速模型。
4 结论
本文基于Armis M/E微震监测系统，以现场定点试验的方式，研究影响微震定位精度的几个因素下震源定位误差规律，主要结论如下：
（1）在优化井下现场拾震器布置基础上，选择小源检距、低离散度和适当增加定位通道数的通道组合方式，可以提高震源定位精度。
（2）通过分析软件自动-人工辅助拾取初至差值分布及定位误差情况可知，自动拾取有一定科学性和准确性，且人工辅助定位精度要高于软件自动定位。
（3）统计分析均一-随距离变速模型下定位误差情况，可以看出随距离变速速度模型下定位精度明显高于匀速模型。
参考文献
[1]杨志国，于润沧，郭然等.基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究[J].岩土力学与工程学报，2009，28 （2）：3632-3637.
[2]巩思园，窦林名，曹安业，等.矿山微震监测台优化布设研究[J].地球物理学报，2010，53（2） ： 457-465.
[3]夏永学，潘俊锋，王元杰等.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究[J].煤炭学报，2011，32（2）：239-243.
[4]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.