防治水微地震監測與成像系統

一、技術背景

1.1應用場景

我國是世界產煤最多的國家之一，原煤總產量的絕大部分來自地下開采。然而我國煤田地質條件十分復雜。礦井水害事故破壞性大、突發性強、往往導致群死群傷，加之搶救難度大、經濟損失大、礦井恢復周期長、恢復期間安全隱患多等特點，因此，水災是造成重大經濟損失和群死群傷最為嚴重的煤礦五大災害事故之一，而礦山發生水害必須具備的 3 個條件是水源、水量和導水通道。在這 3 個條件中，作為對水源和水量起決定作用的含水層，其補給和排泄條件具有區域性和面狀分布的特點，往往是易于查明和預測分析的，但導水通道(斷層、陷落柱)具有極強的局部性和隱蔽性，因此大多數突水災害具有導水通道不可預知的特點，具體表現在：

1）原生導水通道的不可預知性；

2）受采動影響新生導水通道的不可預知性；

3）已探明的斷層、陷落柱等地質構造活化與否的不可預知性。

因此，導水通道的形成監測成為預防突水災害形成的關鍵，而微地震監測與成像系統作為一種巖體微破裂三維空間監測技術，是描述導水通道孕育、發展到最終失穩過程的有效技術手段。

1.2現狀分析

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的快速發展，逐漸形成了以地面綜合勘探、采掘工作面超前立體探測、井下預注漿加固隔水層、地面區域治理改造含水層、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體系，并在突水災害防治、礦區水資源保護等方面發揮了重要作用。

然而，由于我國煤礦區水文地質條件的先天復雜性，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，礦井突水事故時有發生。綜合分析認為，礦井深部導水通道形成機理不明、小微型突水隱患探查困難、高水壓環境井下鉆孔施工不安全、工作面底板預注漿加固及地面區域治理還不能做到零缺陷、采掘過程中缺乏科學有效的突水監測預警技術等，是造成礦井突水災害的主要原因。

為了精確定位災害性突水通道，提高水害預警機制，安徽萬泰地球物理技術有限公司聯合中國科學技術大學地球物理技術團隊合作研發防治水微震監測與成像系統，該系統作為一種具有大范圍、全空間、實時、連續監測功能的技術，近年來在石油、水電、礦山等領域得到廣泛應用。我國煤礦在瓦斯、沖擊地壓等動力災害監測預報等方面，也有大量應用。該系統可探查地下水強徑流帶、導水通道（裂隙、斷層和陷落柱）、突水通道、漿液擴散過程和采空區未知水體突水的可行性及預測預報規律等方面取得良好技術效果，為進一步做好我國煤礦水害防治工作開辟了一條新的技術途徑。

二、技術方案

2.1 技術路線

礦井水害的形成和發生都有一個從孕育、發展到發生的變化過程，在這一變化過程中的不同階段都有其對應的前兆。防治水微震監測與成像系統就是要找到導水通道的具體參數，包括時空位置、能量和通道類型，并根據水源、水量、水溫等因素的變化情況，結合礦山壓力、水文地質等多學科理論，進行突水的超前預測預警。監測系統圖和技術路線，如圖下圖。

防治水監測系統圖

技術路線圖

2.2 核心技術

1、坍塌網格搜索定位法

坍塌網格搜索定位法具有原理簡單、實現方便等特點，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則的網格，其次在模型空間按較粗網格進行快速搜索，得到誤差分布，然后基于Gaussian誤差分布假設，對全局最小區域進行加密搜索；通過多次加密最終得到全局最小值，即震源位置，如下圖。

網格搜索法原理

網格搜索法結合每個檢波器拾取的旅行時、射線路徑和建立的精細速度模型計算。假定在特定的網格中搜索到的極小值不是局部最小值，將重新建立新的網格密度。

2、雙差CT成像技術

雙差CT地震成像（Zhang 和 Thurber, 2003）是由雙差定位方法（Waldhauser 和 Ellsworth, 2000）發展得到，該方法同時用到絕對和相對到時，用更加精確的相對到時減少系統誤差，產生更加精確的速度模型，并且減少了之前傳統定位成像方法的簡化假設，經過一系列的數據驗證，證明了該方法能提高地震定位的質量和速度模型的準確性。