煤矿孔中微震监测系统研究.pdf

论文题目煤矿孔中微震监测系统研究 专业地球探测与信息技术 姓名张庆庆（签名）） 指导教师程建远（签名）） 解海军（签名）） 摘要 目前，微震监测在石油煤炭领域得到了高度重视。国内一些矿山相继安装了微震监 测系统，主要用于冲击地压灾害的预警，微震监测系统主要安装在井下巷道中，对垂直 方向的定位误差大，不能满足生产需求。因此，如何提高微震监测的垂直定位精度，是 一个急需研究的问题。 本文在对现有微震监测系统调研分析的基础上，构建了三维层状介质模型，对微震 事件定位进行理论分析，在正演算法中选择了射线追踪方法，并对射线追踪方法进行了 优化，提高了正演算法的效率及精度；在经典 Geiger 定位算法基础上，提出了基于 DIRECT 算法的微震定位方法，减少了搜索次数，加快了计算效率，且精度较高。 为了满足煤矿孔中微震监测的要求， 研制了适合于煤矿孔中自动推靠的孔中检波器， 开发了配套的检波器安装技术；研制出可以同时在地面和井下使用的微震监测分站，其 中地面监测分站使用无线网桥传输微震数据和太阳能电源管理方案； 开发了 GPS 和井下 IEEE1588 联合同步，克服了无线网络不适合 IEEE1588 同步协议的问题，满足了地面孔 中微震监测和煤矿井下孔中微震监测联合监测的需求。 对某矿煤层气井地面水力压裂微震监测和回采工作面底板破坏微震监测表明孔中 微震监测数据同步精度高，仪器工作稳定，在垂直方向定位精度高。 关 键 词微震监测；微震定位；井-地-孔联合；数值模拟；孔中检波器 研究类型应用研究 Subject The Research of Microseismic Monitoring System in a Downhole for Coal Mine Specialty Geophysical Prospecting and Ination Technology NameZhang Qingqing（（Signature）））） InstructorCheng Jianyuan（（Signature）））） Xie Haijun（（Signature）））） ABSTRACT At present, the microseismic monitoring is gained importance in the field of oil and mine. Microseismic monitoring is widely used in the coal mine to warn against rock burst. Microseismic monitoring system is mainly lay out in roadway of mining. There are large error location in vertical direction microseismic event. It can not meet the production needs. Therefore, how to improve the vertical positioning accuracy of microseismic monitoring is an urgent need to study. Based on existing microseismic monitoring system, construction of the three-dimensional model of the layered medium were builded. Select a ray tracing algorithm in the positive, improve ray tracing s and enhance the positive algorithm computational efficiency and accuracy. Based on the classic Geiger localization algorithm, choose the location of DIRECT algorithm. The reduce the number of searches, accelerate the computational efficiency and get high precision. In order to meet the coal mine downhole microseismic monitoring requirements, develop a geophone with automatically pushed against the downhole, support the development of geophone installation technology. The monitoring system is designed. The development of microseismic monitoring station can be used in surface and underground. Surface monitoring station can use a wireless bridge to transfer microseismic data and solar power management solutions. This devise joint GPS and IEEE1588 synchronization together. This technology meet the demand in coal mine surface microseismic monitoring and downhole microseismic monitoring. Coal mine methane fracture monitoring and coal face floor failure microseismic monitoringverifythecoalminedownholemicroseismicmonitoringreliabilityand high-precision data synchronization. The instrument is stable high positioning accuracy in the vertical direction. Key wordsmicroseismic monitoring; microseismic positioning; underground-surface-well combination; numerical simulation; geophone used in the hole ThesisApplied Research 目录 I 目录 1 绪论....................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义...............................................................................................1 1.1.1 选题背景........................................................................................................1 1.1.2 研究意义........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状和存在的问题..............................................................................2 1.2.1 矿山微震监测的发展现状...........................................................................2 1.2.2 当前微震系统存在的问题...........................................................................3 1.3 研究内容及技术路线...............................................................................................4 1.3.1 研究内容........................................................................................................4 1.3.2 技术路线........................................................................................................5 2 微震事件正演数值模拟......................................................................................................6 2.1 微震事件分析模型构建.......................................................................................... 6 2.2 射线追踪方法原理...................................................................................................7 2.2.1 射线方法的理论基础...................................................................................7 2.2.2 逐段迭代射线追踪原理..............................................................................10 2.2.3 逐段迭代射线追踪实现.............................................................................12 2.3 本章小结..................................................................................................................12 3 微震事件的定位方法........................................................................................................13 3.1 经典 Geiger 定位算法............................................................................................14 3.2 震源扫描算法.........................................................................................................16 3.2.1 震源扫描算法数学原理.............................................................................16 3.2.2 DIRECT 震源扫描定位算法......................................................................17 3.2.3 震源扫描算法实例.....................................................................................20 3.3 本章小结..................................................................................................................23 4 孔中检波器的研制............................................................................................................24 4.1 检波器的选型.........................................................................................................24 4.2 孔中检波器的研制.................................................................................................25 4.2.1 机械推靠装置研制.....................................................................................25 4.2.2 孔口控制装置的研制.................................................................................26 4.3 孔中检波器安装技术与工艺................................................................................29 4.4 孔中检波器性能测试.............................................................................................29 西安科技大学硕士学位论文 II 4.5 本章小结...................................................................................................................32 5 微震监测分站的研制.........................................................................................................33 5.1 系统设计..................................................................................................................33 5.1.1 系统设计要求..............................................................................................33 5.1.2 系统方案与工作原理.................................................................................33 5.2 监测分站设计..........................................................................................................34 5.2.1 监测分站电源设计......................................................................................35 5.2.2 采集模块设计..............................................................................................36 5.2.3 控制模块设计..............................................................................................37 5.3 基于 GPS 和 IEEE1588 同步研究........................................................................38 5.3.1 IEEE1588 同步原理.....................................................................................39 5.3.2 GPS 时间同步原理.....................................................................................40 5.3.3 IEEE1588 和 GPS 联合时间同步设计.....................................................41 5.4 监测分站对环境干扰的抑制................................................................................42 5.5 本章小结..................................................................................................................43 6 孔中微震监测系统的工程应用.......................................................................................44 6.1 煤层气井水力压裂微震监测................................................................................44 6.1.1 微震事件个数分析......................................................................................45 6.2.2 微震事件定位结果......................................................................................46 6.2 工作面底板破裂微震监测....................................................................................47 6.2.1 观测系统布置...............................................................................................47 6.2.2 微震事件分析...............................................................................................48 6.2.3 微震事件定位结果......................................................................................50 6.3 本章小结..................................................................................................................51 7 结论与建议.........................................................................................................................52 7.1 结论..........................................................................................................................52 7.2 建议..........................................................................................................................52 致谢.....................................................................................................................................53 参考文献.................................................................................................................................54 附录.....................................................................................................................................58 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 近年来，全球一次性能源消费持续增长，煤炭占全球一次性能源消费的 30.3[1]。 中国是一个煤炭产销大国，煤炭储量占全球煤炭储量的 33.8，产量位居世界第一位， 煤炭的消费量也稳居第一位[2]。为了保证我国高速的经济增长及其对能源的强劲需求， 在未来几十年煤炭仍将是我国的主导能源[3]。 目前，我国中东部地区浅部煤炭资源已经基本枯竭，深部开采已经成为煤炭开采的 必然趋势。许多老矿井开采深度已达 800m 以下，且以每 10 年 100250m 的速度向深部 发展[4]。例如邢台邢东矿开采深度为 1197m、徐州张小楼煤矿为 1100m、开滦赵各庄矿 为 1159m 等[5]。深部开采中地质灾害较多，如冲击地压、突水、煤与瓦斯突出等，而勘 探难度也越来越大，这已经成为深部开采所面临的重大安全问题[6,7]。如果把煤炭资源勘 探和煤炭生产过程的灾害监测相结合，把主动勘探和被动监测结合起来，就有可能预防 深部开采中出现的安全事故。 在矿井生产过程中， 受开采活动的影响， 煤岩会在应力作用下发生破裂形成微震动。 微震监测技术可以监测到这种微震动，可以记录得到微震震源位置、发生时间、能级大 小、破裂发育规律等[8-10]。因此，基于对微震数据的分析，可以对冲击地压、突水、煤 与瓦斯突出等重大灾害做出预警。可见，微震监测技术对深部开采地质灾害的预防具有 重要的作用。 微震监测技术在岩体稳定性监测中有着广泛的应用。国外一些研究机构已经开发出 了 ESG、SOS 等一些主流微震监测系统。近年来，我国进入深部开釆的矿山正在逐渐增 多，冲击地压等灾害时有发生。在矿山安全生产要求下，我国部分深井矿山安装了微震 监测系统，开展了一系列的应用研究，取得了很好的应用成果。 随着计算机、地球物理学和地震学的技术进步，微震监测技术得了快速发展。微震 监测技术在我国煤炭领域的应用主要集中在煤矿井下，没有形成立体的井-地-孔的联合 微震监测。如何充分利用井-地-孔联合立体微震监测数据，开展顶板“两带”发育高度的 监测是煤矿防治水工作面临的新问题。 1.1.2 研究意义 近几年来，微震监测技术在应力监测、煤与瓦斯突出监测等方面取得良好的应用效 西安科技大学硕士学位论文 2 果，为矿山安全生产提供了一定的指导作用[11,12]。 在国外，微震监测技术已经成为矿山安全开采的一个重要组成部分，如美国等一些 发达国家的深部开采矿山，大部分已经安装了微震监测系统。微震监测在冲击地压等地 质灾害的监测中使用广泛，是矿山地质灾害预测预警的主要技术手段[13]。其实现过程是 在矿井内布置检波器，把岩体破裂所产生的地震波信号转换为电信号，经过微震监测系 统的分析判断，定位微震事件发生的位置，统计出微震事件并研究其规律，可以预防预 警潜在的地质灾害[14-15]。 我国引进了国外的一些先进微震监测系统，在消化吸收的基础上发展成为适用于我 国矿山的微震监测系统，并取得了良好的应用效果。随着微震监测技术的发展，微震监 测也不只是局限在监测冲击地压和应力变化，还用于监测矿井顶板“两带”发育高度、导 水裂隙发育高度和底板破坏深度等。但是，现有的微震监测系统只能布置在地面或井下 一个平面内，其在垂直方向的定位精度不能满足要求。因此，把检波器布置在孔中、组 建井-地-孔联合微震监测系统将对煤矿微震精确定位发挥重要作用。 孔中微震监测技术是井-地-孔联合微震监测系统的重要组成部分，也是其中的关键 技术之一，孔中微震监测能有效提高微震垂直方向的定位精度，为煤矿灾害预警提供技 术依据。 1.2 国内外研究现状和存在的问题 1.2.1 矿山微震监测的发展现状 微震监测和自然地震监测相类似[16-19]，微震是 20 世纪 30 年代由美国 L.阿伯特及 W. L. 杜瓦尔发现的[20]。 微震是矿井开采过程中在采掘活动附近由于应力变化引发的岩体破 裂或者局部地震现象[21]。国外很早就开始研究矿山开采引起的微震活动，如美国、加拿 大、英国、德国、波兰等发达国家已经把微震监测作为矿山安全生产必不可少的技术手 段[22]。 早在 1908 年，Mintrop 在德国 Ruhr 煤田建立了世界上首个观测矿山地震波的台站。 1910 年，南非在 Witwatersrand 矿区安装了水平向维歇尔特地震仪。1920 年，波兰在上 西里西亚煤矿安装了一个观测系统，用来监测和分析煤矿局部地震特性[23,24]。1939 年， 南非为了进行矿震定位研究，在矿区安装了机械式微地震定位台站，第一次分析了深部 金矿开采和微震的关系。美国在 1940 年开始研究利用微震来监测矿山灾害。20 世纪后 期，英国的科学家 P.Young 等在 KEELE 大学应用地震实验室，对微震技术做了很多研 究。1992 年，澳大利亚利用微震监测技术对矿震进行监测研究，并在大量矿区安装微震 监测系统，2000 年时，已经在 13 个煤矿安装使用，取得了良好效果，积累了大量现场 经验。近年来，加拿大 ESG、南非 ISS 和波兰的 ARAMIS 等公司开发了更加先进的、高 1 绪论 3 精度的微震监测系统，在世界各地得到广泛应用。2010 年，ESG 已经开发出第七代微震 监测系统，该系统设计国际领先，得到行业的好评。经过半个世纪的努力发展，微震监 测技术得到了研究机构和矿山领域的重视和认可。 1959 年， 中科院地球物理所使用自主研制的微震监测仪在北京门头沟煤矿进行了矿 震和岩爆的监测。1976 年，唐山地震后，在一些矿井安装了地震仪，用于矿震的监测。 1984 年，中国地震局对地音信号进行数据采集并对震源进行分析，获得了丰硕的成果。 随着我国矿震灾害在很多矿山的大量涌现，一些煤矿陆续引进国外的微震监测系统，如 波兰 SAK-SYLOK。 上个世纪 90 年代， 北京矿冶研究总院研制开发了矿山声发射定位系 统，并在多个矿区进行了应用研究，积累了大量的经验。长沙矿山研究院运用加拿大微 震监测设备在凡口铅锌矿建立了监测冲击地压的微震监测系统[25-30]。1995 年，国家地震 局地球物理研究所在华丰煤矿等对矿震进行监测研究。1999 年，国家地震局地球物理研 究所使用引进的微震监测设备对矿山地震形成原因进行研究[31-35]。2003 年，山东科技大 学姜福兴等[36]与澳大利亚联合，结合我国微震监测特点，研制出了一套适合我国矿山应 用的微震监测系统，并在多个矿山进行安装应用。2004 年以来，大连理工大学唐春安等 [37-39]和加拿大 ESG 公司合作，改进了加拿大的微震监测，并对 ESG 设备进行了煤安认 证，得到了很好的推广。2006 年中南大学唐礼忠等[40]与南非厂商合作，引进了南非的仪 器设备，并在冬瓜铜矿安装了微震监测系统用于岩爆的监测。2009 年，中国矿业大学窦 林名等[41]与波兰合作，在波兰微震监测系统的基础上开发了一套独特微震监测系统，已 经在我国十几个矿井安装使用，成功预测预警了多次冲击地压事件，使矿井冲击地压灾 害得到提前预警。2011 年，中煤科工集团煤炭科学研究总院引进了波兰 ARAMIS 微震 监测系统，开展冲击地压研究。2014 年，中煤科工集团西安研究院有限公司自主开发了 KJ959 微震监测系统，用来开展回采工作面“两带”发育高度等地质灾害的监测。 国际上著名的微震监测系统主要有南非的 ISS 系统、加拿大的 ESG 系统、澳大利亚 的 IMS 系统、波兰的 SOS 和 ARAMIS M/E 系统；国内微震监测系统主要有北京科技大 学 BMS 系统、中煤科工集团煤科总院有限公司 KJ768、徐州福安科技有限公司 KJ522、 中煤科工集团西安研究院有限公司 KJ959 等。 1.2.2 当前微震系统存在的问题 这些系统的共同特点是都具有集成化综合分析功能，这样就能够连续监测深部岩体 活动情况。但是，这些系统同时也存在一些问题。 1 只是集中在井下监测，未形成井下、孔中和地面的立体监测。这样的监测系统 对垂直方向发育的微震事件定位误差大，不能满足生产需求； 2 检波器安装在底板和锚杆上，采集到的信号环境干扰比较大，数据信噪比比较 低； 西安科技大学硕士学位论文 4 3 由于缺乏有效的孔中微震监测检波器， 配套相应的安置方法和监测方法的研究， 煤矿开采中基于钻孔的微震监测技术也没有太多的发展。 相反，在石油领域，水力压裂微震监测方法已经相当成熟，石油井的压裂监测是在 相邻钻孔中进行的，其灵敏度高，对压裂产生的微震信号能有效提取[42-45]，但是其钻孔 孔径大，监测时间短，无法直接移植到煤矿井孔中。 1.3 研究内容及技术路线 1.3.1 研究内容 论文开展了孔中微震监测系统的研究，通过建立三维模型对孔中微震监测做了相应 的数值模拟， 选择了合适的微震事件定位方法， 设计了煤矿孔中微震监测推靠型检波器， 构建了孔中微震监测系统，其中主要是对微震监测系统分站做了适应性设计，以同时满 足地面和井下联合监测，并对这套系统开展了工程应用。主要研究内容如下 1 微震事件正演数值模拟 首先构建微震事件分析模型，在模型中布置了垂向检波器来模拟孔中检波器串，对 微震事件进行射线追踪，最终选择射线追踪的正演方法，并改进该方法使之适用于孔中 微震监测，通过数值模拟得出孔中微震是井-地联合监测中的重要组成部分。 2 微震事件定位算法研究 在对现有的微震算法优缺点分析的基础上，选择了 DIRECT 震源扫描定位算法，该 定位算法在计算过程中能减少了搜索次数，加快计算效率，提高定位精度；同时，设计 了孔中微震监测模型，用传统网格搜索法和 DIRECT 微震扫描算法同时定位计算，得出 了 DIRECT 微震扫描算法明显优于传统网格搜索法。 3 孔中检波器的研制 设计了一种适用于煤矿的孔中检波器，此检波器成本低廉，易于重复回收利用，电 机控制驱动电路能使孔中检波器耦合可靠，并配套研究相应的孔中检波器的安装技术和 工艺。经过现场钻孔试验，该检波器满足微震监测要求。 4 孔中微震监测系统的研究 煤矿监测孔可以是地面垂直监测孔，也有可能是井下监测钻孔，因此需要设计一种 适合地面使用和井下使用，也适应地面、井下同时使用的微震监测系统。地面监测分站 大多要布置在无市电的野外，所以要设计一种持续供电电源管理系统。地面不利于布设 通信电缆，设备之间的通信也需要考虑；井下授时和地面授时是两种不同方式，需要融 合两种授时使地面仪器和井下仪器时间严格同步。 5 孔中微震监测技术的应用 利用设计制造的煤矿孔中检波器和孔中微震监测系统在煤矿开展应用研究，验证了 1 绪论 5 系统的可行性和实用性。 1.3.2 技术路线 图 1.1 为研究工作的技术路线图。 图 1.1 研究技术路线图 西安科技大学硕士学位论文 6 2 微震事件正演数值模拟 微震资料处理解释，存在着正演和反演两类问题。微地震波场模拟属于正演问题； 震源定位属于反演问题。微震事件正演，即在已知微震源、地质模型和岩石物性等参数 的前提下， 研究地震波场的参数特征和空间分布 [46]。微震事件正演主要是研究在不同速 度介质模型中震源到拾振器的时间等参数的计算[47]。2007 年，Talwani 提出了微震事件 和水力压裂中压裂液压力变化的对应关系[48]。2008 年，Hummel 在地球物理学年会报告 中详细阐述了水力压裂压力和裂隙发育特性关系研究，用微震事件的分布特点间接反映 了流体对孔隙的压力[49]。 2.1 微震事件分析模型构建 综合考虑微震监测过程中，观测系统与地层的相对关系，构建了三层介质的地质模 型，在此模型的基础上对微震事件进行正演模拟。 如图 2.1 所示，模型共分三层，有一个 10 级垂直孔中检波器和 6 级水平检波器的微 震监测系统。具体参数设置及说明如下 1 垂直孔检波器共 10 级， XY 平面内的坐标都是40,220， 第 1 级检波器 Z 坐标为 -30m，第 10 级检波器 Z 坐标为-210m，检波器垂直间距均为 20m； 2 水平层位检波器共 6 级，YZ 平面内的坐标都是（150，-220） ，第 1 级检波器 X 坐标为 50m，第 6 级检波器 X 坐标为 150m，检波器水平间距均为 20m； 3 微震事件共 1 个，位于层 3； 4 地层为三层，不考虑底边界所以只存在两个界面。其中层 2 为水平层，水平界 面由三个任