Application research of all fiber optic microseismic monitoring technology in monitoring water inrush from floor
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摘要: 目前国内的光纤微震监测系统多是基于光学光栅传感技术，而光纤光栅波长解调限制了系统检测频率与灵敏度，且长时间、连续不间断的微震监测成功案例较少。针对上述问题，提出了一种新型全光纤微震监测系统。以潘二煤矿11023工作面回采过程中底板突水监测为工程背景，使用全光纤微震监测系统与ESG微震监测系统进行对比，得出全光纤微震监测系统具有以下优势：记录的波形频谱特征更清晰，表现出高信噪比优势；对扰动深度的监测范围更大，远距离监测效果更好；震源定位结果分布更加合理，更符合工作面实际开采情况。在监测工作面回采全周期内，分析了11023工作面断层异常区底板破坏与微震活动性关系：在断层和煤层变薄异常区附近，微震事件的数量增多、强度增大；工作面初采期间应力集中释放，受采动影响，底板破坏较深；相对大能量事件主要分布在断层异常区的底板，底板破坏深度约为27 m，微震事件在3煤底板60 m以下没有成线或成面聚集的情况，说明裂隙并未扩展，未形成导水通道，工作面安全回采。Abstract: Currently, most fiber optic microseismic monitoring systems in China are based on optical grating sensing technology. However, fiber optic grating wavelength demodulation limits the detection frequency and sensitivity of the system, and there are few successful cases of long-term, continuous and uninterrupted microseismic monitoring. In order to solve the above problems, a new type of all fiber microseismic monitoring system is proposed. Taking the monitoring of water inrush from the floor during the mining process of Pan'er Coal Mine 11023 working face as the engineering background, a comparison is made between the all fiber optic microseismic monitoring system and the ESG microseismic monitoring system. It is found that the all fiber optic microseismic monitoring system has the following advantages. The recorded waveform spectrum features are clearer, showing a high signal-to-noise ratio advantage. The monitoring range for disturbance depth is larger, and the remote monitoring effect is better. The distribution of seismic source positioning results is more reasonable and more in line with the actual mining situation of the working face. During the monitoring of the entire mining cycle of the working face, the relationship between the floor failure and microseismic activity in the fault abnormal area of the 11023 working face is analyzed. Near the fault and coal seam thinning abnormal area, the number and intensity of microseismic events increase. During the initial mining period of the working face, stress is concentrated and released. Due to the influence of mining, the floor is severely damaged. Relatively high energy events are mainly distributed in the floor of the fault anomaly area, with a depth of about 27 meters of damage to the floor. Micro seismic events do not form a line or accumulate in a plane below 60 meters of the 3 coal seam floor. It indicates that cracks have not expanded and no water conducting channels have been formed. The working face can be safely mined.
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0. 引言
随着浅部煤炭资源的枯竭，国内部分矿井进入了深部开采阶段[1-3]。深部煤炭资源具有底板高承压水、高孔隙压力等特点，底板高承压水防治已成为深部煤炭资源开采所面临的难题之一[4-5]。微震监测技术可通过声波分析岩爆事件的时间、位置和震级（也称时空强三要素），灵敏度较高的微震监测系统还可捕捉岩石微破裂前兆事件，从而为矿井突水预警提供了潜在的可能性[6-14]。
目前我国煤矿动力灾害监测系统多数是从国外引进[15-17]，国内一些科研院所也相继开展了煤矿微震监测系统的研究和应用工作。然而，现有的微震监测系统中，前端传感探头是基于电学理论的压电式、电容式或动圈式等，需要外部供电且易受环境温度、湿度、电磁干扰等影响，在煤矿井下应用受到限制。同时，有的传感探头的信号传输距离短，本底噪声高，且部署时需要建设多个监测分站，成本较高。光纤传感器具有高灵敏度、宽频响应和大动态范围等优点，同时具备前端无需供电的本质安全性，研究学者开始关注全光纤微震监测系统[18-26]。目前国内的光纤微震监测设备（系统）多是基于光学光栅传感技术，而光纤光栅波长解调限制了系统检测频率与灵敏度。另外，由于监测设备的适应性及后续维护管理困难等原因，长时间、连续不间断的微震监测成功案例较少。鉴此，笔者研发了一种新型全光纤微震监测系统[27]。并以淮南矿业（集团）有限责任公司潘二煤矿11023工作面回采过程中底板突水监测为工程背景，验证该新型全光纤微震监测系统的可行性与有效性，从而为煤矿防治水工作提供一种新技术、新选项。
1. 工程地质概况
潘二煤矿11023工作面位于东一采区，东起东一A组煤采区上山，西以西风井工广保安煤柱为界，北临11123回风巷，南以设计标高为准。下阶段11123，11223，11221工作面已回采，上覆11124工作面已回采，下伏临近1煤11121工作面正在掘进。11023回风巷设计长度为580 m，运输巷设计长度为760 m，切眼长130 m，工作面标高为−474.1～−442.8 m，平均约−450 m。工作面沿走向布置，回采走向长605 m，宽125 m。工作面内3煤厚4.0～5.8 m，平均厚5.0 m，煤层倾角为3～15°，平均为9°。回采范围发育断层21条，断层最大落差为5 m，其中落差大于3 m的断层3条；3煤与下伏1煤平均层间距为1.5 m，3煤底板距C3Ⅰ灰岩平均距离为20.4 m，回采期间直接充水水源为底板C3Ⅰ组灰岩岩溶水，根据勘探资料，C3Ⅰ组灰岩包含4层灰岩，从上到下C31、C32为薄层灰岩，不含水，C33上、C33下厚度较大，弱含水。含水C33下灰岩层距离3煤底板约34.5 m，隔水层主要为泥岩、砂质泥岩等，易受开采扰动影响产生底板采动破坏裂隙带，存在煤层底板突水危险。
11023工作面如图1所示，红色线条为工作面内4条影响较大的断层，H为断层落差高度；紫色框区域为工作面内的3个异常区，分别是1号断层异常区、2号断层异常区、3号断层和煤层变薄异常区；绿色为加速度传感探头位置和数据采集分站（端机）位置。
2. 新型全光纤微震监测系统
2.1 系统原理
全光纤微震监测系统包括低噪声窄线宽光纤激光器、微震传感器、高速保真解调模块、定位和解译模块、三维可视化分析系统五大部分，如图2所示。
全光纤微震监测系统的性能指标见表1。该系统通过加速度传感器采集微震信号，经过事件筛选、定位、震源解译与分析预警，可全天候不间断实时在线监测，同时满足从高频低震到低频高震的煤岩体破裂宽频段振动信息的监测。
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图 2 新型全光纤微震监测系统组成及实物Figure 2. Composition and material object of new full-fiber optic microseismic monitoring system表 1 全光纤微震监测系统性能指标Table 1. Performance indicators of full-fiber optic microseismic monitoring system性能指标 参数 最小时间同步精度 0.1 μs 工作环境温度 −10～60 °C 单端机数据采集通道数 16 动态范围 ＞100 dB 采样率 32 kHz 采样数据传输距离 ≥10 km 电压灵敏度 40 V/g 输出值 数字量，32 bit 可观测频带 20 Hz～5 kHz 最小可检测加速度 10−7 g@100 Hz 传感器尺寸（直径×高度） 42 mm×42 mm 2.2 微震震源定位原理
将台站观测到时和计算到时之间的差值记为残差，将所有台站观测走时和计算走时之间的不吻合程度称为微震事件残差。微震震源定位就是寻找监测空间中事件残差最小的点。
设震源坐标为（x0，y0，z0），任意2个微震传感器Ti，Tj坐标分别为（xi，yi，zi），（xj，yj，zj），2个传感器观测到微震波头到达时刻分别为ti和tj，并令ti＜tj，则2个传感器的震源定位方程分别为[28-29]
$$ R_{{\mathrm{i}} }= \sqrt {{{({x_{\mathrm{i}}} - {x_0})}^2} + {{({y_{\mathrm{i}}} - {y_0})}^2} + {{({{\textit{z}}_{\mathrm{i}}} - {{\textit{z}}_0})}^2}} = {v_{\mathrm{p}}}({t_{\mathrm{i}}} - {t_0}) $$ (1) $$ R_{{\mathrm{j}} }= \sqrt {{{({x_{\mathrm{j}}} - {x_0})}^2} + {{({y_{\mathrm{j}}} - {y_0})}^2} + {{({{\textit{z}}_{\mathrm{j}}} - {{\textit{z}}_0})}^2}} = {v_{\mathrm{p}}}({t_{\mathrm{j}}} - {t_0}) $$ (2) 式中：Ri，Rj分别为微震传感器Ti，Tj到震源的距离；vp为P波的波速；t0为待求的起震时刻。
式（2）减式（1），得到微震震源定位的双曲线控制方程：
$$ {R_{\mathrm{j}}} - {R_{\mathrm{i}}} = {v_{\mathrm{p}}}({t_{\mathrm{j}}} - {t_{\mathrm{i}}}) $$ (3) 当传感器的数目大于4时可求解震源位置。一般有效微震传感器的数目n大于所求震源参数的个数m，即n＞m，此时震源定位是一个超定问题，求解超定方程组即可得到微震震源[30-31]。
$$ \begin{split} & \sqrt {{{({x_k} - {x_0})}^2} + {{({y_k} - {y_0})}^2} + {{({{\textit{z}}_k} - {{\textit{z}}_0})}^2}} = {v_{\mathrm{p}}}({t_k} - {t_0}) \\&\qquad \qquad \qquad {k = 1,} 2, \cdots ,n \end{split} $$ (4) 3. 系统现场布置
根据井下微震台网布设原则及潘二煤矿11023工作面地质条件，共布设16个微震监测点，在空间上对11023工作面形成包络，进行全方位监测，如图3所示。运输巷布设8个微震监测点，相邻微震监测点间距约80 m；回风巷布设8个微震监测点，相邻微震监测点间距约85 m。其中，回风巷第1个微震监测点距离切眼约95 m；运输巷第1个微震监测点距离切眼约145 m。数据采集站位于回风巷，通过光纤与传感器、地面建立联系。全光纤微震监测系统安装过程如图4所示。
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图 3 11023工作面全光纤微震监测系统布置Figure 3. Layout of full-fiber optic microseismic monitoring system for 11023 working face![]()
图 4 全光纤微震监测系统安装过程Figure 4. Installation process of full-fiber optic microseismic monitoring system4. 监测成果
4.1 微震事件监测性能对比
2020年1月至2021年5月，使用全光纤微震监测系统与ESG微震监测系统在12123工作面开展监测试验，实际有效处理天数为86 d。全光纤微震监测系统累计采集有效微震事件4 077个，ESG微震监测系统采集到有效微震事件3 800个，全光纤微震监测有效事件数多6.79%，说明其具有良好的适应性。
4.1.1 现场微震波形对比
对系统典型微震监测波形进行频谱分析，先进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）和S变换，再求其最大振幅、持续时长与主频。微震监测波形对比如图5所示，可得出全光纤微震监测系统和ESG微震监测系统监测波形电压幅值范围分别为0.05～0.2 V，0.000 1～0.002 V。
微震监测波形FFT频谱对比如图6所示，可发现全光纤微震监测系统监测波形电压振幅较ESG微震监测系统监测波形电压振幅高出2个数量级。微震监测波形S变换频谱对比如图7所示，可发现全光纤微震监测系统监测的煤矿典型微震事件信号频率主要分布在150 Hz内，ESG微震监测系统监测的微震事件信号主频为100 Hz，持续时长约为100 ms。
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图 6 微震监测波形FFT频谱对比Figure 6. Comparison of FFT spectra of microseismic monitoring waveforms![]()
图 7 微震监测波形S变换频谱对比Figure 7. Comparison of S-transform spectra of microseismic monitoring waveforms结合图5−图7可看出，全光纤微震监测系统记录的波形频谱特征更为清晰，表现出高信噪比的优势。
4.1.2 现场监测扰动深度对比
选取监测期间内最长不间断微震监测结果进行扰动深度对比，结果如图8所示。全光纤微震监测系统监测结果显示，底板处扰动深度普遍集中在40 m以下，平均为38.6 m，局部区域有深离散微震事件出现，最大扰动深度约为95 m，主要发生在工作面的开采位置与断层位置，未形成微震事件聚集群。ESG微震监测系统监测结果显示，底板处平均扰动深度约为28 m，监测范围较全光纤微震监测系统小，且远距离监测效果较差。
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图 8 底板扰动深度监测结果对比Figure 8. Comparison of monitoring results of floor disturbance depth4.1.3 定位结果对比
震源定位结果对比如图9所示。可看出，2个系统定位结果大致相同，微震事件多数分布在工作面内，且高能量、高震级事件集中分布在开采线附近，部分微震事件沿运输巷分布。
由图9可知，全光纤微震监测系统成功定位微震事件743个，ESG微震监测系统成功定位微震事件556个，前者多约40%。2个系统监测的微震事件大多分布于开采线后方和开采线附近，只有较少微震事件分布在工作面外，定位结果分布均比较合理。但ESG微震监测系统的定位中，有超过1 000 J的大能量事件在距离工作面300 m以外。结合矿压观测及现场揭露结果可知，全光纤微震监测系统的定位结果分布更加合理，更符合工作面实际开采情况。
4.2 工作面底板破坏与微震活动性关系
4.2.1 微震事件总体分布
11023工作面数据采集周期为2022年10月23日−2023年5月31日，共监测221 d。11023工作面回采期间共监测到有效微震事件5 113个，其中3煤底板共监测到微震事件2 885个。11023回采工作面底板水害情况监测微震事件总体分布俯视图和侧视图如图10所示。
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图 10 11023工作面底板水害情况监测微震事件总体分布俯视图和侧视图Figure 10. Top view and side view of the overall distribution of microseismic events in the monitoring of water damage on the floor of 11023 working face由图10可看出，断层附近事件数量较多，这主要是由于工作面回采活动破坏了断层构造的静平衡状态，断层向外释放大量能量，诱发大量微震动。前期巷道两侧亦有微震事件产生，主要是因为回采扰动引起的围岩应力变化，加上1号断层异常区、2号断层异常区有较多断层由工作面内延伸至工作面外，外侧相对完整的围岩易破碎，在应力扰动下岩石破裂，形成微震事件。微震事件分布在C3II灰岩及以上，大部分分布在3煤底板到C3I灰岩之间和3煤顶板0～20 m内，遇断层、破碎带或回采速度加快会导致底板破坏深度加深。
4.2.2 底板破坏时间域分析
11023工作面3煤底板月微震事件数量与当月进尺平均值关系如图11所示，可见底板月微震事件总数整体呈现减少→增多→减少的趋势。2022年10月−11月底板微震事件较多，工作面开始回采后，回采扰动影响1号断层异常区，造成微震事件较多。由于2022年12月回采速度减小，微震事件减少。随着工作面回采临近2号断层异常区，微震事件逐渐增多。2023年2月回采速度增快，回采对围岩的扰动增大，微震事件增多，2023年3月回采对围岩的扰动变大，同时跨越2号断层异常区，处在3号断层和煤层变薄异常区，因此2023年3月监测的微震事件最多。之后回采速度降低，微震事件减少，2023年5月底回采基本结束，生产对围岩的扰动减小，微震事件数量降至较低水平。2022年12月−2023年3月微震事件呈现增长趋势，主要原因是该时间段内回采工作面在1号断层异常区、2号断层异常区和3号断层和煤层变薄异常区内断层较多，岩石破碎，回采扰动使得围岩更加破碎。2023年4月越过断层异常区后，微震事件逐渐减少。
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图 11 11023工作面3煤底板月微震事件数量与当月进尺平均值关系Figure 11. Relationship between the number of monthly microseismic events and the average footage in 11023 working face 3 coal floor4.2.3 底板破坏空间域分析
对3煤微震事件进行空间分析，每个月底板微震事件空间分布如图12所示，其中距3煤底板0～20 m微震事件占比38.80%， 20～40 m微震事件占比18.78%，40～60 m微震事件占比3.31%，60 m以下微震事件占比0.66%。在工作面采动过程中，围岩应力平衡被打破，采场围岩应力重新分布，岩体内部应力集中程度和能量积聚增大，在应力平衡能量释放的过程中，裂隙扩展贯通，产生微破裂事件。在煤层底板发生塑性变形前就有微震事件发生，底板应力扰动范围比底板破坏范围大。
随着工作面向前推进，微震事件空间分布发生变化，回采初期在C3I灰岩微震事件增多，C3II灰岩有部分事件发育，表明在初采期间矿压应力集中释放，底板受到采动破坏发育较深。在正常回采时，应力释放相对舒缓，C3II灰岩微震事件变少。2023年2月回采速度加快，C3I灰岩微震事件再次增多，回采减慢后，底板微震事件逐渐减少，至回采结束，微震事件数降至较低。
4.2.4 底板破坏深度分析
每月底板破坏深度如图13所示，可看出每月底板破坏深度呈现减小→增大→减小→增大的趋势。由于2022年10月−11月的开采速度较快（回采退尺109.25 m），微震事件也较多，且由于开始回采，围岩原始的应力平衡状态被打破，回采对围岩的扰动较深，破坏深度较大。2022年12月，回采扰动逐渐影响1号断层异常区，此时的底板破坏深度较大。2023年3月，回采跨越2号断层异常区，处在3号断层和煤层变薄异常区，从而使得底板破坏深度增大。2023年4月，回采跨过3号断层和煤层变薄异常区，同时开采活动减少，底板破坏深度骤降至较小值。
4.3 工作面断层构造区微震监测分析
在监测全周期内，通过对在11023工作面产生的微震事件进行处理、分析，获取相对能量较大的微震事件分布范围、相对大能量事件的能量及其底板破坏深度。相对大能量事件是所有事件中能量排在前100内的事件，最小能量为804.68 J，最大能量为6 655.89 J。断层构造区微震相对大能量事件分布俯视图、侧视图如图14所示，图中红圈表示微震事件集中。
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图 14 断层构造区微震相对大能量事件分布俯视图和侧视图Figure 14. Top view and side view of microseismic relative large energy events distribution in fault structure area选取能量排在前100内的微震相对大能量事件进行分析。原始底板较顶板破碎，因此相对大能量事件主要分布在断层异常区的底板，且2号断层异常区、3号断层和煤层变薄异常区内大事件较多，底板大能量事件多于顶板。随着回采推进，破坏了围岩原有的应力平衡状态，使应力重新分布。若集中的应力小于岩石强度，围岩处于弹性状态，围岩自行稳定；如果集中的应力大于岩石强度，围岩将发生破裂，这种破裂从周边逐渐向深度扩展，直至达到另一个新的应力平衡状态。在回采过程中，工作面前方会出现应力集中区，在应力作用下，岩石强度相对较低的断层异常区易产生较大、较多微震事件。
在3号断层和煤层变薄异常区前方约50 m处微震事件集中，分析认为主要原因是此处存在断层，落差为3 m，应力易集中，从而形成微震事件集中发育。
对断层构造区内微震相对大能量事件进行能量分析，47%微震事件释放的能量在1 000 J以内，40%微震事件释放的能量为 1 000～3 000 J，10%微震事件释放的能量为3 000～5 000 J，3%微震事件释放的能量在5 000 J以上。底板微震大能量事件分布如图15所示。
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图 15 底板微震大能量事件分布Figure 15. Distribution of large energy events of microseismic on the floor结合现场揭露及矿压观测，分析认为：这些微震事件主要是由于煤层开采造成含断层岩石膨胀，产生采动裂隙，从而引起围岩应变活动。断层构造区内虽相对大能量事件较多，但超过5 000 J以上的微震事件仅占3%，围岩较稳定。值得注意的是，能量大于5 000 J的微震事件均在3煤底板，除了其中1个微震事件距离过远（距离底板约92 m）之外，其他2个微震事件表明底板有裂隙产生且均在距离底板20 m以内，且相对大能量事件的底板破坏深度约为27 m，微震事件在3煤底板60 m以下没有成线或成面聚集的情况，说明裂隙并未扩展，未形成导水通道，工作面安全回采。
5. 结论
1） 回采工作面初采期间矿压应力集中释放，底板受到采动破坏，发育较深。开采速度与微震事件呈现一定相关性：开采速度慢，微震事件少；开采速度快，微震事件多。
2） 11023工作面在回采过程中，工作面前方会出现应力集中区，在应力作用下，岩石强度相对较低的断层异常区和煤层变薄异常区易产生较大、较多微震事件。
3） 全光纤微震监测技术在潘二煤矿A组煤底板突水监测预警中得到了较好的应用，可为工作面底板水害防治提供技术指导。
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图 2 新型全光纤微震监测系统组成及实物
Figure 2. Composition and material object of new full-fiber optic microseismic monitoring system
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图 3 11023工作面全光纤微震监测系统布置
Figure 3. Layout of full-fiber optic microseismic monitoring system for 11023 working face
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图 4 全光纤微震监测系统安装过程
Figure 4. Installation process of full-fiber optic microseismic monitoring system
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图 6 微震监测波形FFT频谱对比
Figure 6. Comparison of FFT spectra of microseismic monitoring waveforms
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图 7 微震监测波形S变换频谱对比
Figure 7. Comparison of S-transform spectra of microseismic monitoring waveforms
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图 8 底板扰动深度监测结果对比
Figure 8. Comparison of monitoring results of floor disturbance depth
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图 10 11023工作面底板水害情况监测微震事件总体分布俯视图和侧视图
Figure 10. Top view and side view of the overall distribution of microseismic events in the monitoring of water damage on the floor of 11023 working face
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图 11 11023工作面3煤底板月微震事件数量与当月进尺平均值关系
Figure 11. Relationship between the number of monthly microseismic events and the average footage in 11023 working face 3 coal floor
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图 14 断层构造区微震相对大能量事件分布俯视图和侧视图
Figure 14. Top view and side view of microseismic relative large energy events distribution in fault structure area
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图 15 底板微震大能量事件分布
Figure 15. Distribution of large energy events of microseismic on the floor
表 1 全光纤微震监测系统性能指标
Table 1 Performance indicators of full-fiber optic microseismic monitoring system
性能指标 参数 最小时间同步精度 0.1 μs 工作环境温度 −10～60 °C 单端机数据采集通道数 16 动态范围 ＞100 dB 采样率 32 kHz 采样数据传输距离 ≥10 km 电压灵敏度 40 V/g 输出值 数字量，32 bit 可观测频带 20 Hz～5 kHz 最小可检测加速度 10−7 g@100 Hz 传感器尺寸（直径×高度） 42 mm×42 mm 
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