摘要：
本文簡要介紹了以Sigma4+和DX6地震儀為核心的動態成像預警監測系統在礦山防越界開采中的應用。

一. 技術原理
國內外大量研究資料表明，煤礦越界開采活動會產生地震波動效應，釋放彈性波信息，每一個彈性波信息都包含著越界開采活動狀態變化的豐富信息，通過對接收到的信號進行處理、分析，可作為評價煤礦越界開采活動的依據，原理如圖1-1所示。礦山防越界開采微震與成像動態監測預警系統是將高靈敏度的微震傳感器布設于研究區域處四周，全面、實時、三維監測因越界開采活動產生的采煤放炮及生產活動信號，來獲得越界開采活動發生的位置和時間，并且在越界開采活動引起礦山的外在變化之前通過微震實時監測來實現預警。

礦山防越界開采微震與成像動態監測預警系統涵蓋兩大核心技術，分別為基于微震到時和方位角相結合雙差定位算法的微震定位技術和4D時移成像技術。

1.1 基于微震到時和方位角相結合雙差定位算法的微震定位技術
基于微震到時和方位角相結合雙差定位算法的微震定位技術是通過利用微震事件的絕對到時和相對到時，來實現微震事件定位。如果兩個震源的距離比它們的震中距小的多，那么兩個震源到同一個微震臺站間的路徑可以近似相同，即在同一個微震臺站上觀測到的兩個微震波形的走時差可以近似認為微震位置引起的。該技術不僅使用了傳統的微震到臺站的絕對走時，還利用了一對事件到同一個臺站的相對到時，通過使用迭代反演的方法不斷降低觀測和模擬出的走時差得到微震事件空間定位的結果。通過引入一對微震事件到同一個臺站的相對到時，可以消除微震事件對的共同路徑上速度模型的誤差，從而提高微震定位的精度。

1.2 4D時移成像技術
地下煤巖體在未受開采擾動影響下，區域內地層速度變化差異很小。當有采掘活動，會造成煤巖體的應力載荷平衡受到破壞，煤巖體出現非常多的微小破裂。同時，會以彈性波的方式釋放破裂產生的能量，但是彈性波在含有微小煤巖體破裂的區域傳播過程中，地震縱、橫波存在能量衰減、高頻部分被吸收、速度在降低。此時，針對礦山防越界開采監測，通過根據煤巖體的微破裂產生的微震事件進行地層速度成像分析，獲取監測區域內煤巖體地層速度降低的區域，查看煤巖體微破裂區域的發育范圍，來判斷監測區域內越界開采活動對礦區邊界煤巖體穩定性的影響。
4D時移地震（四維地震）成像是通過利用事件對在同一臺站的到時差數據，實現地震位置以及速度結構的聯合反演，來獲得地下介質在不同時期的速度變化，從而定量化獲得越界開采活動的區域范圍。

二.  礦山防越界開采微震與成像動態監測預警系統

2.1系統硬件
礦山防越界開采微震與成像動態監測預警系統主要由微震監測分站、微震傳感器、地面數據采集服務器組成。
1、微震監測分站
該微震監測分站具有低本底噪聲、微功耗等特點，主要采用美國Seismic Source公司的Sigma系列地震儀和DX6系列地震儀，如圖2-1所示。技術參數如下：

1. 高分辨率：24位 AD轉換；
2. 高采樣率：最大64k sps；
3. 高觸發精度：±1us at all sample rates；
4. 低本底噪音：<0.2 uV RMS@2ms；
5. 適用溫度環境：-40攝氏度~85攝氏度；
6. 適用濕度環境：0~99%；
7. 時鐘同步：GPS結合光纖網絡同步，保證了時間精度，10-6s；
8. 通道數：4（單臺Sigma4-4+）、6（單臺DX6）、擴展（多臺聯合使用）。

2、微震傳感器
微震傳感器是實時監測礦山越界開采活動產生的采煤放炮及生產活動信號，并將數據發送至采集分站。采煤放炮及生產活動信號特點是信號頻率范圍大，從幾十赫茲到幾百赫茲范圍，對采集信號的傳感器性能要求非常高。微震傳感器技術參數如下：
1）單軸、三軸微震傳感器，如圖2-2所示。
2）200V/m/s靈敏度。
3）0.1-1000Hz自然頻率。
4）鉆孔安裝。

3、數據采集服務器
地面數據采集服務器為軟件系統搭建平臺，具有實時顯示、存儲、處理及分析越界開采活動產生的彈性波信號以及控制微震監測分站，如圖2-3所示。


2.2系統軟件

礦山防越界開采微震與成像動態監測預警系統模塊包括：工程配置軟件、實時采集軟件、微震處理軟件、微震三維可視化軟件。

（1）工程配置軟件：工程配置軟件是方便用戶進行建立工程和項目管理的一款軟件，主要功能是幫助用戶將監測區域的采集儀配置參數以及所記錄原始波形數據導入計算機以便進行自動或深入的人工處理和分析。
（2）實時采集軟件：系統會展示實時采集的波形、設備對應的拓撲圖、數字采集儀及傳感器的信息以及設備管理，參數配置的相關信息，監測到的數據實時寫入數據庫。
（3）微震處理軟件：快速處理野外采集回來的微震數據，通過對微震數據的進行濾波，并進行波形變換，拾取其P、S波初至，然后定位計算得到微震事件的定位信息和震源信息。
（4）微震三維可視化軟件：三維展示、分析微震事件時空分布規律（圖2-4）。

三.  礦山防越界開采微震與成像動態監測方案

3.1監測方案


3.2案例介紹

1、陜煤集團防越界開采微震監測

陜煤集團下屬煤礦礦區邊界北部處疑似存在采煤機采煤方式的越界開采活動，通過構建高靈敏度、低本底噪聲的微震監測系統采集地震波信號，獲得越界開采區域微震事件的時-空變化特征，實現了該礦防越界開監測。圖3-3、3-4為該礦2019年6月-7月所監測到的越界開采活動信號，隨時間推移越界開采區域發生變化。 2、太鋼集團防越界開采微震監測

太鋼集團下屬礦山發現礦區西部民采活動頻繁，由于采空區對礦山生產造成的安全隱患。通過在礦區地面安裝傳感器形成微地震監測臺網實時監測民采活動。實現及時發現及時制止，從而保障礦山安全生產。圖3-5為民采活動信號，盜采區域隨時間而遷移。

圖3-5  防越界開采活動監測圖