防治水微地震監(jiān)測與成像系統(tǒng)

一、技術(shù)背景

1.1應(yīng)用場景

我國是世界產(chǎn)煤最多的國家之一，原煤總產(chǎn)量的絕大部分來自地下開采。然而我國煤田地質(zhì)條件十分復(fù)雜。礦井水害事故破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)、往往導(dǎo)致群死群傷，加之搶救難度大、經(jīng)濟(jì)損失大、礦井恢復(fù)周期長、恢復(fù)期間安全隱患多等特點(diǎn)，因此，水災(zāi)是造成重大經(jīng)濟(jì)損失和群死群傷最為嚴(yán)重的煤礦五大災(zāi)害事故之一，而礦山發(fā)生水害必須具備的 3 個(gè)條件是水源、水量和導(dǎo)水通道。在這 3 個(gè)條件中，作為對(duì)水源和水量起決定作用的含水層，其補(bǔ)給和排泄條件具有區(qū)域性和面狀分布的特點(diǎn)，往往是易于查明和預(yù)測分析的，但導(dǎo)水通道(斷層、陷落柱)具有極強(qiáng)的局部性和隱蔽性，因此大多數(shù)突水災(zāi)害具有導(dǎo)水通道不可預(yù)知的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：

1）原生導(dǎo)水通道的不可預(yù)知性；

2）受采動(dòng)影響新生導(dǎo)水通道的不可預(yù)知性；

3）已探明的斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造活化與否的不可預(yù)知性。

因此，導(dǎo)水通道的形成監(jiān)測成為預(yù)防突水災(zāi)害形成的關(guān)鍵，而微地震監(jiān)測與成像系統(tǒng)作為一種巖體微破裂三維空間監(jiān)測技術(shù)，是描述導(dǎo)水通道孕育、發(fā)展到最終失穩(wěn)過程的有效技術(shù)手段。

1.2現(xiàn)狀分析

近年來，隨著地面三維地震、井下瞬變電磁、槽波地震以及地面水平分支孔等技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸形成了以地面綜合勘探、采掘工作面超前立體探測、井下預(yù)注漿加固隔水層、地面區(qū)域治理改造含水層、突水快速治理、超大排水能力保障等為核心的我國煤礦水害綜合防治技術(shù)體系，并在突水災(zāi)害防治、礦區(qū)水資源保護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用。

然而，由于我國煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件的先天復(fù)雜性，加之越來越多礦井采深不斷加大，煤礦受高壓奧灰水的威脅越來越大，礦井突水事故時(shí)有發(fā)生。綜合分析認(rèn)為，礦井深部導(dǎo)水通道形成機(jī)理不明、小微型突水隱患探查困難、高水壓環(huán)境井下鉆孔施工不安全、工作面底板預(yù)注漿加固及地面區(qū)域治理還不能做到零缺陷、采掘過程中缺乏科學(xué)有效的突水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等，是造成礦井突水災(zāi)害的主要原因。

為了精確定位災(zāi)害性突水通道，提高水害預(yù)警機(jī)制，安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理技術(shù)團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)防治水微震監(jiān)測與成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為一種具有大范圍、全空間、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測功能的技術(shù)，近年來在石油、水電、礦山等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國煤礦在瓦斯、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)等方面，也有大量應(yīng)用。該系統(tǒng)可探查地下水強(qiáng)徑流帶、導(dǎo)水通道（裂隙、斷層和陷落柱）、突水通道、漿液擴(kuò)散過程和采空區(qū)未知水體突水的可行性及預(yù)測預(yù)報(bào)規(guī)律等方面取得良好技術(shù)效果，為進(jìn)一步做好我國煤礦水害防治工作開辟了一條新的技術(shù)途徑。

二、技術(shù)方案

2.1 技術(shù)路線

礦井水害的形成和發(fā)生都有一個(gè)從孕育、發(fā)展到發(fā)生的變化過程，在這一變化過程中的不同階段都有其對(duì)應(yīng)的前兆。防治水微震監(jiān)測與成像系統(tǒng)就是要找到導(dǎo)水通道的具體參數(shù)，包括時(shí)空位置、能量和通道類型，并根據(jù)水源、水量、水溫等因素的變化情況，結(jié)合礦山壓力、水文地質(zhì)等多學(xué)科理論，進(jìn)行突水的超前預(yù)測預(yù)警。監(jiān)測系統(tǒng)圖和技術(shù)路線，如圖下圖。

防治水監(jiān)測系統(tǒng)圖

技術(shù)路線圖

2.2 核心技術(shù)

1、坍塌網(wǎng)格搜索定位法

坍塌網(wǎng)格搜索定位法具有原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)，能夠快速確定真解的大概位置，其的基本思想是把模型空間劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，其次在模型空間按較粗網(wǎng)格進(jìn)行快速搜索，得到誤差分布，然后基于Gaussian誤差分布假設(shè)，對(duì)全局最小區(qū)域進(jìn)行加密搜索；通過多次加密最終得到全局最小值，即震源位置，如下圖。

網(wǎng)格搜索法原理

網(wǎng)格搜索法結(jié)合每個(gè)檢波器拾取的旅行時(shí)、射線路徑和建立的精細(xì)速度模型計(jì)算。假定在特定的網(wǎng)格中搜索到的極小值不是局部最小值，將重新建立新的網(wǎng)格密度。

2、雙差CT成像技術(shù)

雙差CT地震成像（Zhang 和 Thurber, 2003）是由雙差定位方法（Waldhauser 和 Ellsworth, 2000）發(fā)展得到，該方法同時(shí)用到絕對(duì)和相對(duì)到時(shí)，用更加精確的相對(duì)到時(shí)減少系統(tǒng)誤差，產(chǎn)生更加精確的速度模型，并且減少了之前傳統(tǒng)定位成像方法的簡化假設(shè)，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，證明了該方法能提高地震定位的質(zhì)量和速度模型的準(zhǔn)確性。

雙差成像方法示意圖

三、實(shí)施方案

項(xiàng)目名稱：防治水微地震監(jiān)測與成像系統(tǒng)在礦山涌水（突水）中的應(yīng)用

3.1、項(xiàng)目實(shí)施的目的

涌（突）水是礦山施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，也是礦山運(yùn)營中的重大難題。底板涌突水問題更是現(xiàn)階段我國科技攻關(guān)的難題，尤其是在高水壓、富水、巖溶發(fā)育地區(qū)施工隧洞或者巷道遇構(gòu)造發(fā)育段時(shí)，構(gòu)造發(fā)育使巖體破碎，巖體或者煤層具有一定的貯水空間，滲透性大又具有導(dǎo)水通道的功能，在這樣的地段，有發(fā)生涌突水的可能。

本項(xiàng)目使用防治水微地震監(jiān)測與成像系統(tǒng)，監(jiān)測礦山涌突水補(bǔ)給通道中的水聲和激蕩信號(hào)，利用這些信號(hào)特征使用微地震定位方法，精確定位這些信號(hào)發(fā)生的時(shí)間和空間位置，獲取礦山突涌水災(zāi)害的補(bǔ)給通道，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，采取工程措施合理治理，保障工作面回采過程中現(xiàn)場生產(chǎn)活動(dòng)安全和高效推進(jìn)。

3.2、設(shè)計(jì)方案

3.2.1 臺(tái)陣布設(shè)

突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)布設(shè)圖

3.3、現(xiàn)場實(shí)施

3.3.1 “一致性”測試

按照公司微震監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)施規(guī)范，監(jiān)測設(shè)備到達(dá)目的地現(xiàn)場后首先進(jìn)行整套設(shè)備的復(fù)檢和原位試驗(yàn)。由于微震事件定位對(duì)于到時(shí)的依賴程度較高，各檢波器之間的道間一致性對(duì)于事件到時(shí)的標(biāo)定及最終定位結(jié)果至關(guān)重要。