摘要：
本文简要介绍了以Sigma4+和DX6地震仪为核心的动态成像预警监测系统在矿山防越界开采中的应用。
一. 技术原理
国内外大量研究资料表明，煤矿越界开采活动会产生地震波动效应，释放弹性波信息，每一个弹性波信息都包含着越界开采活动状态变化的丰富信息，通过对接收到的信号进行处理、分析，可作为评价煤矿越界开采活动的依据，原理如图1-1所示。矿山防越界开采微震与成像动态监测预警系统是将高灵敏度的微震传感器布设于研究区域处四周，全面、实时、三维监测因越界开采活动产生的采煤放炮及生产活动信号，来获得越界开采活动发生的位置和时间，并且在越界开采活动引起矿山的外在变化之前通过微震实时监测来实现预警。
图1-1 越界开采活动事件及定位原理示意图
矿山防越界开采微震与成像动态监测预警系统涵盖两大核心技术，分别为基于微震到时和方位角相结合双差定位算法的微震定位技术和4D时移成像技术。
1.1 基于微震到时和方位角相结合双差定位算法的微震定位技术
基于微震到时和方位角相结合双差定位算法的微震定位技术是通过利用微震事件的绝对到时和相对到时，来实现微震事件定位。如果两个震源的距离比它们的震中距小的多，那么两个震源到同一个微震台站间的路径可以近似相同，即在同一个微震台站上观测到的两个微震波形的走时差可以近似认为微震位置引起的。该技术不仅使用了传统的微震到台站的绝对走时，还利用了一对事件到同一个台站的相对到时，通过使用迭代反演的方法不断降低观测和模拟出的走时差得到微震事件空间定位的结果。通过引入一对微震事件到同一个台站的相对到时，可以消除微震事件对的共同路径上速度模型的误差，从而提高微震定位的精度。
1.2 4D时移成像技术
地下煤岩体在未受开采扰动影响下，区域内地层速度变化差异很小。当有采掘活动，会造成煤岩体的应力载荷平衡受到破坏，煤岩体出现非常多的微小破裂。同时，会以弹性波的方式释放破裂产生的能量，但是弹性波在含有微小煤岩体破裂的区域传播过程中，地震纵、横波存在能量衰减、高频部分被吸收、速度在降低。此时，针对矿山防越界开采监测，通过根据煤岩体的微破裂产生的微震事件进行地层速度成像分析，获取监测区域内煤岩体地层速度降低的区域，查看煤岩体微破裂区域的发育范围，来判断监测区域内越界开采活动对矿区边界煤岩体稳定性的影响。
4D时移地震（四维地震）成像是通过利用事件对在同一台站的到时差数据，实现地震位置以及速度结构的联合反演，来获得地下介质在不同时期的速度变化，从而定量化获得越界开采活动的区域范围。
二. 矿山防越界开采微震与成像动态监测预警系统
2.1系统硬件
矿山防越界开采微震与成像动态监测预警系统主要由微震监测分站、微震传感器、地面数据采集服务器组成。
1、微震监测分站
该微震监测分站具有低本底噪声、微功耗等特点，主要采用美国Seismic Source公司的Sigma系列地震仪和DX6系列地震仪，如图2-1所示。技术参数如下：
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高分辨率：24位 AD转换；
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高采样率：最大64k sps；
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高触发精度：±1us at all sample rates；
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低本底噪音：<0.2 uV RMS@2ms；
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适用温度环境：-40摄氏度~85摄氏度；
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适用湿度环境：0~99%；
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时钟同步：GPS结合光纤网络同步，保证了时间精度，10-6s；
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通道数：4（单台Sigma4-4+）、6（单台DX6）、扩展（多台联合使用）。
图2-1微震监测分站图
2、微震传感器
微震传感器是实时监测矿山越界开采活动产生的采煤放炮及生产活动信号，并将数据发送至采集分站。采煤放炮及生产活动信号特点是信号频率范围大，从几十赫兹到几百赫兹范围，对采集信号的传感器性能要求非常高。微震传感器技术参数如下：
1）单轴、三轴微震传感器，如图2-2所示。
2）200V/m/s灵敏度。
3）0.1-1000Hz自然频率。
4）钻孔安装。
图2-2 微震传感器图
3、数据采集服务器
地面数据采集服务器为软件系统搭建平台，具有实时显示、存储、处理及分析越界开采活动产生的弹性波信号以及控制微震监测分站，如图2-3所示。
图2-3 地面数据采集服务器图
2.2系统软件
矿山防越界开采微震与成像动态监测预警系统模块包括：工程配置软件、实时采集软件、微震处理软件、微震三维可视化软件。
（1）工程配置软件：工程配置软件是方便用户进行建立工程和项目管理的一款软件，主要功能是帮助用户将监测区域的采集仪配置参数以及所记录原始波形数据导入计算机以便进行自动或深入的人工处理和分析。
（2）实时采集软件：系统会展示实时采集的波形、设备对应的拓扑图、数字采集仪及传感器的信息以及设备管理，参数配置的相关信息，监测到的数据实时写入数据库。
（3）微震处理软件：快速处理野外采集回来的微震数据，通过对微震数据的进行滤波，并进行波形变换，拾取其P、S波初至，然后定位计算得到微震事件的定位信息和震源信息。
（4）微震三维可视化软件：三维展示、分析微震事件时空分布规律（图2-4）。
图2-4 微震三维可视化软件界面图
三. 矿山防越界开采微震与成像动态监测方案
3.1监测方案
1、监测现场，设置多个微震监测点组成矿山防越界开采微震与成像动态监测预警台网。每个监测点为独立微震数据采集点：包含1台采集分站、1支三轴微震传感器、4G无线传输及供电系统，如图3-1所示。优势：无人为活动干扰，运行安全、稳定。
图3-1 地面微震监测点系统图
2、微震监台网：各相邻地面布设微震监测点间距约500m。图3-2是针对1km2矿山越界开采区域进行微震台网设计，共9个微震监测点。
图3-2 矿山防越界开采微震监测台网图
3、矿山防越界开采微震监测台网各微震监测点采用4G无线传输方式，实现实时监测的命令下发和数据传输。
4、本次防越界开采监测预警采样率设置为1000Hz。
5、微震事件空间定位误差小于5米。
3.2案例介绍
1、陕煤集团防越界开采微震监测
陕煤集团下属煤矿矿区边界北部处疑似存在采煤机采煤方式的越界开采活动，通过构建高灵敏度、低本底噪声的微震监测系统采集地震波信号，获得越界开采区域微震事件的时-空变化特征，实现了该矿防越界开监测。图3-3、3-4为该矿2019年6月-7月所监测到的越界开采活动信号，随时间推移越界开采区域发生变化。
图3-3 2019年6月越界开采活动微震事件空间分布图
图3-4 2019年7月越界开采活动微震事件空间分布图
2、太钢集团防越界开采微震监测
太钢集团下属矿山发现矿区西部民采活动频繁，由于采空区对矿山生产造成的安全隐患。通过在矿区地面安装传感器形成微地震监测台网实时监测民采活动。实现及时发现及时制止，从而保障矿山安全生产。图3-5为民采活动信号，盗采区域随时间而迁移。
图3-5 防越界开采活动监测图
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