煤矿深部采场爆破地震波传播规律的微震原位试验研究
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3 试验分析及数据处理
(a) 波的“穿层”传播示意图
(b) 波的“顺层”传播示意图
图 3 波的传播过程示意图 Fig.3 Propagation process of seismic waves
3.1 “穿层”传播和“顺层”传播的概念 波的传播过程极其复杂，影响波能量损失的因
素较多。针对小尺度范围内的岩体空间，从原位试 验的实测数据出发，结合测点与爆中空间位置的关 系，笔者提出地震波“穿层”传播和“顺层”传播 的概念。所谓“穿层”传播，就是波从爆源到测点 的传播途中穿过了若干次岩层接触面，如图 3(a)所 示，波每经历一个接触面，就要进行一次的反射过 程，造成波的能量损失；“顺层”传播指的是波从爆 源到测点的传播途中，不经过岩层接触面，即波在 单个岩层中传播，如图 3(b)所示。 3.2 测点实测波形及数据
第 27 卷 第 5 期 2008 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.5 May，2008
煤矿深部采场爆破地震波传播规律的 微震原位试验研究
叶根喜 1，2，姜福兴 1，2，郭延华 1，2，3，王存文 1，2
采集试验。提出了地震波“穿层”和“顺层”传播的概念，得到了地震波振幅的衰减曲线和回归方程。试验结果
表明，振幅随传播距离的增大呈幂级衰减；“穿层”传播的衰减速率远大于“顺层”传播；地震波“穿层”传播
200 m 后，振幅损失严重，初始到时点开始模糊，需对到时进行补偿后方可参与震源定位。该结果进一步证实了
YE Genxi1，2，JIANG Fuxing1，2，GUO Yanhua1，2，3，WANG Cunwen1，2
(1. State Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3. School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China)
笔者所在的课题组具备了在煤矿深部采场进行 原位爆破监测试验的条件和工程经验[18～20]。课题组 拥有具有自主知识产权的本质安全型微震监测系统 (专利号为 CN2687693)，监测主机为课题组与浪潮 集团联合研制的浪潮 CYBF001 型防爆计算机，可 直接在煤矿井下进行连续实时监测。试验在河北省 峰峰集团梧桐庄煤矿 182106 工作面进行，距离地表 550 m。采用 Matlab 和 Excel 软件对实测数据进行 了处理，得到了煤矿深部采场波的传播规律和衰减 特点，并对不同传播路径下的衰减规律做了对比分 析。该试验结论为进一步研究微震监测台网[21]的优 化布置提供了理论依据，也可为煤田地震勘探、音 频电透视等地球物理手段提供波在煤矿深部采场传 播的基础参数。
图 4 监测到爆破地震波形 Fig.4 Seismograms of the monitored geophones
笔者所在课题组与河北省峰峰集团合作，在国 内外第一次利用高精度微地震监测系统进行底板突 水的预测预报。监测区域内布置 5 个顶板测点(站) 和 5 个底板测点，共计 10 个观测点，如图 2 所示， 每个测点的钻孔深部安装[22]一个三分量传感器。
第 27 卷 第 5 期
叶根喜，等. 煤矿深部采场爆破地震波传播规律的微震原位试验研究
中图分类号：TD 324
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)05–1053–06
EXPERIMENTAL RESEARCH ON SEISMIC WAVE ATTENUATION BY FIELD MICROSEISMIC MONITORING IN A DEEP COAL MINE
(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083； 3. 河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)
摘要：采用本质安全型微震监测系统，在煤矿深部采场布置了微震监测台网，对测区内的爆破波信号进行了原位
Abstract：Based on a microseismic monitoring system，a field monitoring experiment on the wave propagation from an explosive source was conducted in a deep coal mine. The results show that seismic attenuation is exponentially related to the propagation distance. After about 200 m of oblique propagation crosses the rock beddings，the amplitude of the seismic wave is significantly reduced；and the first arrival point is not clear at all and there needs to be compensation prior to source location. The experiment also shows that microseismic monitoring with 60 m geophone intervals is good for mine-scale studies. Microseismic monitoring，together with the result of audio perspective drawing indicates that fractured and water-charged regions significantly accelerates seismic attenuation. The results provide an objective theoretical basis for further studying the optimization of seismic monitoring network arrays，which can support other monitoring tools in underground coal mining. Key words：mining engineering；deep coal mine；microseismic monitoring；seismic wave；attenuation law；
(a) 防爆计算机
(b) 三分量传感器
(c) 通讯光缆
(d) 微震监测界面
图 1 本质安全型微震监测仪器 Fig.1 Intrinsic safety system of microseismic monitoring
该系统的最大特点是能直接置于井下进行长达 数月的连续实时监测，避免了长距离数据传输造成 的信号削弱和监测中断；同时传感器拾震灵敏度高， 拾震频率宽。另外，三分量拾震避免了单分量拾震 造成的数据残缺或丢失，传感器密封后置于不锈钢 钢套中，具有防水和防腐蚀的特点。系统主要性能 指标如下：16 位 A/D 转换；采样间隔：0.25～2.00 ms；频带宽度：10～1 500 Hz；记录时间一致性误 差±1 ms；电源电压(AC)：110～240 V；工作环境温 度：－20 ℃～60 ℃。 2.2 试验条件
收稿日期：2007–11–25；修回日期：2008–02–20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40674017)；国家留学基金资助项目(2007 年国家建设高水平大学公派研究生项目) 作者简介：叶根喜(1981–)，男，2004 年毕业于湖南科技大学采矿工程专业，现为北京科技大学/澳大利亚悉尼大学联合培养博士研究生，主要从事 地质动力灾害监测与防治方面的研究工作。E-mail：yegenxineu@126.com
爆破于 2006 年 12 月 22 日 12 点 37 分实施， 一次起爆成功，各测点接收信号正常，如图 4 所示， 爆破后各测点的实测数据如表 1 所示。 3.3 试验数据处理及分析
对数据进行三个模块的处理，即全部数据的回 归分析、“穿层”传播数据的回归分析和“顺层”传 播数据的回归分析；处理工具为 Matlab 和 Excel， 处理的二维对象是距离和振幅(取最大振幅值)，回 归曲线如图 5～7 所示。
百度文库
该监测台网布置的合理性(测点平均间距 60 m)。微震监测和音频电透视结果证明，岩体破裂区和富集水区的存在
加速了波的衰减。这些定性和定量的研究结论将为进一步研究微震监测台网布置的优化方案提供理论依据，也可
为其他地球物理监测或探测手段提供实测的基础参数。
关键词：采矿工程；深部采场；微震监测；地震波；衰减规律；原位试验
• 1054 •
岩石力学与工程学报
2008 年
field experiment
1引言
地震波在岩体中的传播规律一直是地球物理和 岩土工程领域[1～4]备受关注的研究课题。爆破地震 波在单一介质中传播时，将随着几何扩散而发生衰 减。同时，又受到岩体的塑性、非线性和黏性等阻 尼作用[5]，造成能量的迅速衰减。而波在层状岩体 中传播时，还要经历岩层面上的折射和反射过程， 其能量损失程度与层面特性、层面两侧岩层的波阻 抗、播方向与层面的夹角有关。总之，地震波在岩 体中的传播是一个非常复杂的问题，目前还无法从 理论上给出统一的关系表达式[6～9]。高明仕等[5]完 成了浅埋岩土介质中冲击应力波传播规律的现场 试验，分析得出了不同介质中冲击震动波能量衰减 的差异。吴 文等[10～15]分别研究了近场强冲击条件 下应力波在砂岩、岩盐、石灰岩和混凝土等介质 中的传播规律。以上这些研究为单层介质条件下 波的传播规律奠定了理论基础。王玉杰等[16，17]得出 了 15～50 m 近距离范围内波平行岩层走向和和垂 直岩层走向的传播规律。然而，而在煤矿深部采场 更大范围内波的传播规律尚鲜有同行涉足。
2 试验仪器、试验条件和爆破试验参数
2.1 微震监测系统简介 微震监测系统(见图 1)由防爆计算机、前置放大
器、数据采集板(卡)、三分量微震传感器、电缆、 数据通讯调制解调器、专用发爆器和电源组成。防
爆计算机有隔爆型外壳和规定的防爆结合面参 数，符合国家标准《爆炸性气体环境用电气设备》 (GB3836–2000)。系统共设 64 个通道，最后一道 为自检道，可同时安装 21 个三分量传感器或 63 个 单分量传感器，能满足一般工作面推进的全程微震 监测。监测系统可实现数据的自动记录和远距离传 输，还开发有高精度定位软件和三维投影软件。该 微震监测系统整体达到了国内先进水平，定位精度 等一些指标达到了国际水平。
• 1055 •
图 2 测点布置平面图 Fig.2 Schematic diagram of geophones array
2.3 爆破试验参数 182106 工作面平均采深 550 m，面长 120 m，
煤层倾角 11°，煤层厚度 3.4 m，采场周围均为实体 煤。爆破在距离地表 550 m 处的煤层顶板钻孔中进 行，起爆中心距离孔口 32 m，孔直径φ 97 mm，倾 角 60°，乳化炸药药量 16.6 kg，药卷捆绑后直径为 φ 70 mm，药卷总长度 6 m，封孔位置距离药卷底部 0.3 m，一次起爆。
(a) 波的“穿层”传播示意图
(b) 波的“顺层”传播示意图
图 3 波的传播过程示意图 Fig.3 Propagation process of seismic waves
3.1 “穿层”传播和“顺层”传播的概念 波的传播过程极其复杂，影响波能量损失的因
素较多。针对小尺度范围内的岩体空间，从原位试 验的实测数据出发，结合测点与爆中空间位置的关 系，笔者提出地震波“穿层”传播和“顺层”传播 的概念。所谓“穿层”传播，就是波从爆源到测点 的传播途中穿过了若干次岩层接触面，如图 3(a)所 示，波每经历一个接触面，就要进行一次的反射过 程，造成波的能量损失；“顺层”传播指的是波从爆 源到测点的传播途中，不经过岩层接触面，即波在 单个岩层中传播，如图 3(b)所示。 3.2 测点实测波形及数据
第 27 卷 第 5 期 2008 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.5 May，2008
煤矿深部采场爆破地震波传播规律的 微震原位试验研究
叶根喜 1，2，姜福兴 1，2，郭延华 1，2，3，王存文 1，2
采集试验。提出了地震波“穿层”和“顺层”传播的概念，得到了地震波振幅的衰减曲线和回归方程。试验结果
表明，振幅随传播距离的增大呈幂级衰减；“穿层”传播的衰减速率远大于“顺层”传播；地震波“穿层”传播
200 m 后，振幅损失严重，初始到时点开始模糊，需对到时进行补偿后方可参与震源定位。该结果进一步证实了
YE Genxi1，2，JIANG Fuxing1，2，GUO Yanhua1，2，3，WANG Cunwen1，2
(1. State Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3. School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China)
笔者所在的课题组具备了在煤矿深部采场进行 原位爆破监测试验的条件和工程经验[18～20]。课题组 拥有具有自主知识产权的本质安全型微震监测系统 (专利号为 CN2687693)，监测主机为课题组与浪潮 集团联合研制的浪潮 CYBF001 型防爆计算机，可 直接在煤矿井下进行连续实时监测。试验在河北省 峰峰集团梧桐庄煤矿 182106 工作面进行，距离地表 550 m。采用 Matlab 和 Excel 软件对实测数据进行 了处理，得到了煤矿深部采场波的传播规律和衰减 特点，并对不同传播路径下的衰减规律做了对比分 析。该试验结论为进一步研究微震监测台网[21]的优 化布置提供了理论依据，也可为煤田地震勘探、音 频电透视等地球物理手段提供波在煤矿深部采场传 播的基础参数。
图 4 监测到爆破地震波形 Fig.4 Seismograms of the monitored geophones
笔者所在课题组与河北省峰峰集团合作，在国 内外第一次利用高精度微地震监测系统进行底板突 水的预测预报。监测区域内布置 5 个顶板测点(站) 和 5 个底板测点，共计 10 个观测点，如图 2 所示， 每个测点的钻孔深部安装[22]一个三分量传感器。
第 27 卷 第 5 期
叶根喜，等. 煤矿深部采场爆破地震波传播规律的微震原位试验研究
中图分类号：TD 324
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)05–1053–06
EXPERIMENTAL RESEARCH ON SEISMIC WAVE ATTENUATION BY FIELD MICROSEISMIC MONITORING IN A DEEP COAL MINE
(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083； 3. 河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)
摘要：采用本质安全型微震监测系统，在煤矿深部采场布置了微震监测台网，对测区内的爆破波信号进行了原位
Abstract：Based on a microseismic monitoring system，a field monitoring experiment on the wave propagation from an explosive source was conducted in a deep coal mine. The results show that seismic attenuation is exponentially related to the propagation distance. After about 200 m of oblique propagation crosses the rock beddings，the amplitude of the seismic wave is significantly reduced；and the first arrival point is not clear at all and there needs to be compensation prior to source location. The experiment also shows that microseismic monitoring with 60 m geophone intervals is good for mine-scale studies. Microseismic monitoring，together with the result of audio perspective drawing indicates that fractured and water-charged regions significantly accelerates seismic attenuation. The results provide an objective theoretical basis for further studying the optimization of seismic monitoring network arrays，which can support other monitoring tools in underground coal mining. Key words：mining engineering；deep coal mine；microseismic monitoring；seismic wave；attenuation law；
(a) 防爆计算机
(b) 三分量传感器
(c) 通讯光缆
(d) 微震监测界面
图 1 本质安全型微震监测仪器 Fig.1 Intrinsic safety system of microseismic monitoring
该系统的最大特点是能直接置于井下进行长达 数月的连续实时监测，避免了长距离数据传输造成 的信号削弱和监测中断；同时传感器拾震灵敏度高， 拾震频率宽。另外，三分量拾震避免了单分量拾震 造成的数据残缺或丢失，传感器密封后置于不锈钢 钢套中，具有防水和防腐蚀的特点。系统主要性能 指标如下：16 位 A/D 转换；采样间隔：0.25～2.00 ms；频带宽度：10～1 500 Hz；记录时间一致性误 差±1 ms；电源电压(AC)：110～240 V；工作环境温 度：－20 ℃～60 ℃。 2.2 试验条件
收稿日期：2007–11–25；修回日期：2008–02–20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40674017)；国家留学基金资助项目(2007 年国家建设高水平大学公派研究生项目) 作者简介：叶根喜(1981–)，男，2004 年毕业于湖南科技大学采矿工程专业，现为北京科技大学/澳大利亚悉尼大学联合培养博士研究生，主要从事 地质动力灾害监测与防治方面的研究工作。E-mail：yegenxineu@126.com
爆破于 2006 年 12 月 22 日 12 点 37 分实施， 一次起爆成功，各测点接收信号正常，如图 4 所示， 爆破后各测点的实测数据如表 1 所示。 3.3 试验数据处理及分析
对数据进行三个模块的处理，即全部数据的回 归分析、“穿层”传播数据的回归分析和“顺层”传 播数据的回归分析；处理工具为 Matlab 和 Excel， 处理的二维对象是距离和振幅(取最大振幅值)，回 归曲线如图 5～7 所示。
百度文库
该监测台网布置的合理性(测点平均间距 60 m)。微震监测和音频电透视结果证明，岩体破裂区和富集水区的存在
加速了波的衰减。这些定性和定量的研究结论将为进一步研究微震监测台网布置的优化方案提供理论依据，也可
为其他地球物理监测或探测手段提供实测的基础参数。
关键词：采矿工程；深部采场；微震监测；地震波；衰减规律；原位试验
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岩石力学与工程学报
2008 年
field experiment
1引言
地震波在岩体中的传播规律一直是地球物理和 岩土工程领域[1～4]备受关注的研究课题。爆破地震 波在单一介质中传播时，将随着几何扩散而发生衰 减。同时，又受到岩体的塑性、非线性和黏性等阻 尼作用[5]，造成能量的迅速衰减。而波在层状岩体 中传播时，还要经历岩层面上的折射和反射过程， 其能量损失程度与层面特性、层面两侧岩层的波阻 抗、播方向与层面的夹角有关。总之，地震波在岩 体中的传播是一个非常复杂的问题，目前还无法从 理论上给出统一的关系表达式[6～9]。高明仕等[5]完 成了浅埋岩土介质中冲击应力波传播规律的现场 试验，分析得出了不同介质中冲击震动波能量衰减 的差异。吴 文等[10～15]分别研究了近场强冲击条件 下应力波在砂岩、岩盐、石灰岩和混凝土等介质 中的传播规律。以上这些研究为单层介质条件下 波的传播规律奠定了理论基础。王玉杰等[16，17]得出 了 15～50 m 近距离范围内波平行岩层走向和和垂 直岩层走向的传播规律。然而，而在煤矿深部采场 更大范围内波的传播规律尚鲜有同行涉足。
2 试验仪器、试验条件和爆破试验参数
2.1 微震监测系统简介 微震监测系统(见图 1)由防爆计算机、前置放大
器、数据采集板(卡)、三分量微震传感器、电缆、 数据通讯调制解调器、专用发爆器和电源组成。防
爆计算机有隔爆型外壳和规定的防爆结合面参 数，符合国家标准《爆炸性气体环境用电气设备》 (GB3836–2000)。系统共设 64 个通道，最后一道 为自检道，可同时安装 21 个三分量传感器或 63 个 单分量传感器，能满足一般工作面推进的全程微震 监测。监测系统可实现数据的自动记录和远距离传 输，还开发有高精度定位软件和三维投影软件。该 微震监测系统整体达到了国内先进水平，定位精度 等一些指标达到了国际水平。
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图 2 测点布置平面图 Fig.2 Schematic diagram of geophones array
2.3 爆破试验参数 182106 工作面平均采深 550 m，面长 120 m，
煤层倾角 11°，煤层厚度 3.4 m，采场周围均为实体 煤。爆破在距离地表 550 m 处的煤层顶板钻孔中进 行，起爆中心距离孔口 32 m，孔直径φ 97 mm，倾 角 60°，乳化炸药药量 16.6 kg，药卷捆绑后直径为 φ 70 mm，药卷总长度 6 m，封孔位置距离药卷底部 0.3 m，一次起爆。