项目编号：2021AQGX001

项目名称：面向矿山安全的高性能光纤微震监测预警系统关键技术研发与示范

项目承担单位：山东省科学院激光研究所

项目主管部门：济宁高新区科技创新局

项目起止时间：2021 年11 月——2023 年12月

l)高灵敏宽频响光纤／MEMS微震检波技术

目前矿用光纤光栅微震传感器频带普遍在百Hz以下， 严重影响了高频微震事件的监测效果。 拟研发的新型光纤／MEMS微震检波器基本组成如图7所示。 检波器基于差分电容原理和体硅MEMS敏感结构， 利用高精度数据采集技术，将加速度原位数字化， 再通过光纤传输至监测分站， 其频率带宽可达lkHz, 分辨率为ug量级， 可实现对煤岩破裂源微震信号的高保真探测。 光纤／MEMS微震检波器可批量制造、 成本低、 体积小、 产品重复性好。 此外， 由于微震系统对于时间精度很敏感， 各微震检波器之间要求严格时间同步。 因此， 需要进一步解决高精度数据采集、 解调算法优化、 时钟同步等问题。

2)微震事件自动识别和定位技术

矿井下环境复杂多变，干扰因素众多，单个矿井每天微震事件约几百个，需要进行定位处理的也有几十甚至上百，有效事件的筛选和定位耗费很大的人力和时间；监测过程中由于起伏不清晰、起跳不干脆等影响，易造成定位困难，影响精度；手动定位受人员操作水平、经验因素影响较大，处理标准不统一。因此如何快速自动识别出岩石破裂信号，并进行自动震源定位，对于增强微震监测系统的实用性，提高灾害预警的及时性和准确性具有重要意义。一方面，围绕岩石破裂信号的自动识别，拟采用STA/LTA算法和快速傅里叶变换提取爆破、岩石破裂、锚杆钻机等信号的数据特征，并对每个特征样本进行特征类别标记，然后通过随机森林分类器对微震波进行判别，最后结合每个特征样本对应输出概率值准确地识别微震信号。
另一方面，拟采用基于粒子群与牛顿选代的震源自动定位方法。牛顿迭代法擅长处理局部搜索性问题，而粒子群算法擅长快速处理全局优化问题，将上述两种算法结合并充分地利用了其各自优势，同时采用随机森林算法获取初至波到时并代入此方法求解定位结果，有效的克服了牛顿选迭代法需要准确的选择初始值得缺陷，摆脱了粒子群算法在后期不收敛的束缚。

3)微震三维成像及智能分析平台

以微震综合监测数据为基础， 结合RDS云数据库技术和三维可视化技术， 可实现微震定位结果的平面、 剖面、 空间的精确显示， 实现基于时间范围、 能量范围、 区域范围的各种筛选展示， 实现微震数据结果的各种统计分析等。
通过监测矿区大范围微震活动的空间分布， 并利用系统可视化工具圈定地压活动集中区，对集中区内微震事件进行量化处理， 分析其地震学参数的时间变化过程， 同时监测集中区局部工程处的岩体位移、 应力变化趋势。 基于随机森林、 机器学习和回归算法， 把多种传感器数据拟合分析， 风险叠加判断， 态势变化推演；通过平台核心算法， 运算工作面风险等级和矿井区域风险等级， 实现了地压灾害危险区域快速辨识、 动态圈定及智能评价。

主要创新点：
l) 创制了基于差分电容原理和折叠梁敏感结构的宽频响低噪声光纤／MEMS 微震传感器， 解决了岩体破裂源高保真探测难题。
2)研发了微震震源自动识别技术， 攻克了微震事件难以自动辨识的难题， 将震源辨识效率从现有通用方法的小时级提升到秒级。
3)基于实时的微震震源位置及类型， 提出了采场微震实时连续智能监测预警方法， 以震源精准定位与辨识为基础， 通过震源参数及其时序特征实现了大震级微震事件的有效预警。

先进性：

本项目在光纤微震传感技术及应用研究基础上， 结合 MEMS 传感、 机器学习、 云数据库等先
进技术， 分别在高灵敏宽频呴光纤／MEMS 微震检波、 微震事件自动识别和定位、 微震三维成像及智能分析等关键核心技术方面实现重点突破， 形成新 代矿用高性能光纤微震与成像系统技 术和装备体系。 本项目研制完毕， 可为矿山动力灾害监测预警提供一种新型、 可靠和有效的技术手段。

应用背景

煤矿作为能源行业的重要组成部分，其安全生产始终备受关注。目前，大多数矿井已逐步进入深部开采阶段，煤层普遍表现出高地应力、强瓦斯吸附性及低渗透性等特征。掘进工作面（又称掘进迎头）因地质条件复杂、采掘作业频繁以及施工人员安全意识相对薄弱等因素，易诱发围岩失稳灾害，如塌方、岩爆、大变形及涌水等。围岩失稳灾害一旦发生，不仅会严重威胁作业人员的生命安全，造成难以估量的风险，还将导致工期延误，带来巨大的经济损失[93,94]。在井下巷道掘进过程中，施工活动会引起围岩内部应力发生变化，这种应力变化进而诱发围岩微破裂现象。微破裂会激发一种弹性波并迅速向周围岩体传播，该现象被称为“微震”[95]。因此，为保障煤矿开采过程的安全稳定，必须在煤矿掘进工作面采用稳定、先进的监测技术，对围岩状态进行及时、准确的监测，通过采集并分析岩体破裂过程中释放的弹性波，获取围岩破裂的位置及发生时间，进而判断围岩的稳定状态及潜在动力灾害活动。

随着该煤矿开采深度的不断增加，采掘过程中围岩破裂响动现象频发。应矿方要求，采用微震监测系统对8003掘进工作面进行监测，捕捉强矿压、煤与瓦斯突出、断层活化等煤岩破裂的前兆信息，分析井下围岩破裂事件的发生时间及空间分布，及时对掘进工作面实施卸压解危措施，保障煤矿掘进工作的正常推进。该研究对指导煤矿安全生产及财产保护具有重要的指导意义。

掘进工作面概况

8003运输巷掘进工作面位于山西某煤矿3号煤层，煤层平均厚度为5.54 m，底板标高为100~500 m，顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，瓦斯含量随煤层埋藏深度的增加而增大。该掘进工作面地表位于西周村、东元垴村与西元垴村之间，地处80采区南部；其北部为80-0203底抽巷，东部为80采区胶带运输巷，西部为8002回风巷放水巷，南部为实煤体。巷道采掘对象主要为中下部3#煤层，沿巷煤层倾角为−1~−5.5°，平均−3°。邻近601、701钻孔的煤层赋存稳定，平均厚度5.45 m，含两层夹矸，分三个自然分层。煤体结构为原生结构煤，煤岩类型以亮煤为主，暗煤次之，煤质为贫瘦煤。随着8003运输巷掘进工作面的不断推进，煤岩体内部应力难以保持平衡，加之断层活动产生的挤压作用对煤体形成挤压，致使巷道围岩破裂活动频发。采掘工程平面图如下图所示。

掘进工作面微震监测方案设计

微震系统组成

将微震监测仪器应用于掘进工作面，能够实时、同步、连续地通过多通道捕获并分析微震信号。该系统主要由现场采集设备与远程主机设备构成，其中现场采集设备包括微震传感器、微震采集分站、传输电缆及数据通讯（光缆、无线等）等部分，系统拓扑图如图5.2所示。微震传感器与采集分站之间通过专用电缆连接，每个采集分站具有8至16个通道，最多可扩展至64个通道，并通过光缆或无线方式分别接入以太环网，各分站之间严格时间同步。监测主机安装微震监测软件，接收来自各分站的微震数据，实现参数设置、数据通讯、波形显示、信号处理及震相识别等功能。数据分析主机安装微震分析软件，对微震事件波形进行进一步分析处理，实现到时拾取、震源定位及能量计算等功能。

软件系统

软件系统包括微震数据采集软件与微震分析软件。其中，微震数据采集软件作为监测系统的核心部分，为后续分析工作提供数据基础。通过微震数据采集软件，可获取传感器安装通道信息，并对传感器采集到的微震信号以波形形式进行实时展示，从而确定微震信号的波形变化形态。该软件可将微震数据转换为数字信号，并提供一键导出功能，便于后续信号分析。微震数据采集软件的界面设计如图所示。

微震分析软件可对导入的信号数据作进一步分析，如拾取微震波初至到时、对信号进行频谱分析及能量计算等。如图所示，可观察到信号的波形图及其频谱图。