D0L:10.13374/.issn1001-053x.2013.12.005 第35卷第12期 北京科技大学学报 Vol.35 No.12 2013年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2013 基于D值理论的微震监测台网优化布设 高永涛1,2，吴庆良12区，吴顺川12)，季毛伟1,2)，程爱平12)，杨凯12) 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 ☒通信作者，E-mail:wuqingliangmy@163.com 摘要基于D值理论，考虑矿山工程实际情况，引入微震事件概率因子、监测区域重要性因子和台网布设可行性因子 重新构建了台网优化目标函数.以某磷矿顶板突水的微震监测为例，对全矿区按照监测区域重要性、台网布设可行性等 因素进行分区，采用专家权重法分别给出了相关因子的参考值.按照影响因子取值差异将整个监测区域再次分区，给出 了分区后目标函数的积分形式，其中各监测区域控制点坐标即为相应的积分上下限.基于文中提出的微震监测网络的动 态优化设计原则，最终给出了该磷矿微震监测台网布设方案.爆破试验表明，本文提出的台网布设方案具有一定的合理 性和准确性，三个坐标方向的平均定位误差为6.74m,最大为10.05m,空间定位误差为12.51m,定位精度可满足工程 监测需要 关键词采矿：地震波：微震监测：优化 分类号TD32 Optimization of microseismic monitoring networks based on the theory of D-optimal design GAO Yong-tao.2),WU Qing-liang 2),WU Shun-chuan 1.2),JI Mao-wei2),CHEN Ai-ping2) YANG Kai.2) 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wuqingliangmy@163.com ABSTRACT Considering the actual situation of mines,the microseismic event probability factor,the monitoring area importance factor and the network layout feasibility factor were introduced to rebuild the objective function of monitoring network optimization based on the theory of D-optimal design.Taking microseismic monitoring in a phosphate ore for example,the mining area was zoned according to the importance of the monitoring area,the feasibility of the network layout,etc.,and then the reference values of relevant factors were given by the expert investigation weight method. The monitoring region was rezoned according to the differences of these influence factors,and the integral form of the objective function was given with the control point coordinates of the monitoring region as the corresponding range of integration.The dynamic optimization design principles of microseismic monitoring were proposed,and the optimal plan of a microseismic monitoring network in this phosphate ore was established finally based on the above study.Field blasting test shows that the monitoring network is rational and valid to a certain degree,the average error of the three coordinate directions is 6.74 m,the maximum error is 10.05 m,and the spatial positioning error is 12.51 m.This positioning accuracy can satisfy the field engineering demand. KEY WORDS mining;seismic waves;microseismic monitoring;optimization 收稿日期：2013-03-01 基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(RT0950)
第 35 卷 第 12 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 12 2013 年 12 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec. 2013 基于 D 值理论的微震监测台网优化布设 高永涛1,2)，吴庆良1,2) ，吴顺川1,2)，季毛伟1,2)，程爱平1,2)，杨 凯1,2) 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 通信作者，E-mail: wuqingliangmy@163.com 摘 要 基于 D 值理论，考虑矿山工程实际情况，引入微震事件概率因子、监测区域重要性因子和台网布设可行性因子 重新构建了台网优化目标函数. 以某磷矿顶板突水的微震监测为例，对全矿区按照监测区域重要性、台网布设可行性等 因素进行分区，采用专家权重法分别给出了相关因子的参考值. 按照影响因子取值差异将整个监测区域再次分区，给出 了分区后目标函数的积分形式，其中各监测区域控制点坐标即为相应的积分上下限. 基于文中提出的微震监测网络的动 态优化设计原则，最终给出了该磷矿微震监测台网布设方案. 爆破试验表明，本文提出的台网布设方案具有一定的合理 性和准确性，三个坐标方向的平均定位误差为 6.74 m，最大为 10.05 m，空间定位误差为 12.51 m，定位精度可满足工程 监测需要. 关键词 采矿；地震波；微震监测；优化 分类号 TD32 Optimization of microseismic monitoring networks based on the theory of D-optimal design GAO Yong-tao1,2), WU Qing-liang1,2) , WU Shun-chuan 1,2), JI Mao-wei1,2), CHEN Ai-ping1,2) , YANG Kai1,2) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil & Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: wuqingliangmy@163.com ABSTRACT Considering the actual situation of mines, the microseismic event probability factor, the monitoring area importance factor and the network layout feasibility factor were introduced to rebuild the objective function of monitoring network optimization based on the theory of D-optimal design. Taking microseismic monitoring in a phosphate ore for example, the mining area was zoned according to the importance of the monitoring area, the feasibility of the network layout, etc., and then the reference values of relevant factors were given by the expert investigation weight method. The monitoring region was rezoned according to the differences of these influence factors, and the integral form of the objective function was given with the control point coordinates of the monitoring region as the corresponding range of integration. The dynamic optimization design principles of microseismic monitoring were proposed, and the optimal plan of a microseismic monitoring network in this phosphate ore was established finally based on the above study. Field blasting test shows that the monitoring network is rational and valid to a certain degree, the average error of the three coordinate directions is 6.74 m, the maximum error is 10.05 m, and the spatial positioning error is 12.51 m. This positioning accuracy can satisfy the field engineering demand. KEY WORDS mining; seismic waves; microseismic monitoring; optimization 收稿日期：2013-03-01 基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目 (IRT0950) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.005
第12期 高永涛等：基于D值理论的微震监测台网优化布设 1539· 由微震定位原理可知，微震定位误差的形成主 震源H到第个检波器的走时，则有 要是在求解定位方程时，相关参数（到时、波速等） Ti(H,vo,Xi)=ti-to= 确定的不准确等因素引起的.对于某一监测网络， 由于方程组的条件问题，即使初始参数的误差很小， V(-02+(贴-%)2+(2a-20)严 最终求解的误差仍然可能很大.微震监测网络的优 i=1,2,…,n (2 化布置就是为了形成好的定位方程组求解条件，其 最初来源于地震台网优化布设.国外学者在此方面 因此震源参数协方差矩阵为 做了大量研究，并取得显著成果1-，如Kko2-到 提出了基于D值最优设计理论的微震台网设计方 C=K(ATA)-1. (3) 法. D值理论认为检波器测站位置的优化取决于震 式中，k为常数， 个 aT aTi aTi 源参数协方差矩阵2-别.该方法虽然可以用于评价 0x: 00 020 微震监测台网的优劣，但是不能准确反应台网的定 位能力，也没有联系矿山实际工程背景提出确定矿 OTn OTn OTn 山危险监测区域和台站位置候选点的方法.为此国 0x0 8y0020 内学者如巩思园等5-6基于D值优化准则，最终 Kijko及其他专家2-3,7-认为D值理 形成了台网布置优化及评价系统 论可用置信椭球体进行图形解释，方案优劣可 然而在实际工程中，由于地质地形条件的复杂 由与√det(C可成正比的椭球体体积大小来评价. 性、采矿工艺的多样性、微震台网布置现场施工的 √det(C越小，则相应的椭球体体积越小，估计参 可行性、检波器安装经济性、安全性等原因，造成 数的分布就越集中，定位就越准确 在具体某一矿山进行微震监测时，布设方案需考虑 上述方法成功应用到核试验的现场地震台网 多种因素 监测、冬瓜山铜矿深井开采微震监测)等多 本文根据矿山的实际条件，基于D值理论，引 个领域 入监测区域重要性因子、台网布设可行性因子等重 2考虑工程实际的目标函数构建方法 新构建了微震监测台网优化目标函数，最后以某磷 矿为例，对相关影响因子与约束条件进行了补充讨 根据上述分析可知，微震监测台网优化问题可 论，最终在此研究基础上给出了该磷矿微震监测台 转化为求该椭球体体积最小的最值问题.因C的特 网优化布设方案. 征值构成椭圆主轴的长度，故针对某单个微震事件 监测，构造目标函数： 1D值优化设计理论 假设某个微震事件点的震源参数为 min Vs1=入zo(H)入o(H)入zo(H)入to(H).(4) H(x0,0,20,to),编号为i(i=1,2,·,n)的检波 器空间坐标记为X(x,,),d:为震源点与编号 式中，Vs1为置信椭球体体积，入(H)、入o(H)、入o 为i(位=1,2，…，n)的检波器之间的距离，则有 (H)和入to(H)为C的特征值. 对于微震事件相对集中的较小区域内监 d=V(c-0)2+(h-0)2+(a-20严 测，假设第方次微震事件的震源参数为H, (x0j,0j,0j,to),则相应的震源参数协方差矩阵 i=1,2,…,n. (1) 为 记o为震源到各检波器之间岩层中的P波传 Cj=k(ATA)-1 (5) 播速度（与其他波相比，P波在地震波中传播速度 最快，而且初至时间易于识别，确定误差较小，定位 式中，k为常数， 精度较高，故而本文假设均匀速度模型，采用P波 aTi 8T11 aTii Oxoi 8yoj 0201 进行定位)，to为微震的发震时刻，t:为检波器i接 收到P波信号的时间.△t:=t:一to为第i个检波 OTni OTnj 8Tnj 器收到信号与震源产生的时间差，T(H,vo,X)为 8xoj Oyoj 020j
第 12 期 高永涛等：基于 D 值理论的微震监测台网优化布设 1539 ·· 由微震定位原理可知，微震定位误差的形成主 要是在求解定位方程时，相关参数 (到时、波速等) 确定的不准确等因素引起的. 对于某一监测网络， 由于方程组的条件问题，即使初始参数的误差很小， 最终求解的误差仍然可能很大. 微震监测网络的优 化布置就是为了形成好的定位方程组求解条件，其 最初来源于地震台网优化布设. 国外学者在此方面 做了大量研究，并取得显著成果 [1−4]，如 Kijko[2−3] 提出了基于 D 值最优设计理论的微震台网设计方 法. D 值理论认为检波器测站位置的优化取决于震 源参数协方差矩阵 [2−3] . 该方法虽然可以用于评价 微震监测台网的优劣，但是不能准确反应台网的定 位能力，也没有联系矿山实际工程背景提出确定矿 山危险监测区域和台站位置候选点的方法. 为此国 内学者如巩思园等 [5−6] 基于 D 值优化准则，最终 形成了台网布置优化及评价系统. 然而在实际工程中，由于地质地形条件的复杂 性、采矿工艺的多样性、微震台网布置现场施工的 可行性、检波器安装经济性、安全性等原因，造成 在具体某一矿山进行微震监测时，布设方案需考虑 多种因素. 本文根据矿山的实际条件，基于 D 值理论，引 入监测区域重要性因子、台网布设可行性因子等重 新构建了微震监测台网优化目标函数，最后以某磷 矿为例，对相关影响因子与约束条件进行了补充讨 论，最终在此研究基础上给出了该磷矿微震监测台 网优化布设方案. 1 D 值优化设计理论 假 设 某 个 微 震 事 件 点 的 震 源 参 数 为 H(x0, y0, z0, t0)，编号为 i(i = 1, 2, · · · , n) 的检波 器空间坐标记为 Xi(xi , yi , zi)，di 为震源点与编号 为 i (i = 1, 2, · · · , n) 的检波器之间的距离，则有 di = p (xi − x0) 2 + (yi − y0) 2 + (zi − z0) 2, i = 1, 2, · · · , n. (1) 记 v0 为震源到各检波器之间岩层中的 P 波传 播速度 (与其他波相比，P 波在地震波中传播速度 最快，而且初至时间易于识别，确定误差较小，定位 精度较高，故而本文假设均匀速度模型，采用 P 波 进行定位)，t0 为微震的发震时刻，ti 为检波器 i 接 收到 P 波信号的时间. ∆ti = ti − t0 为第 i 个检波 器收到信号与震源产生的时间差，Ti(H, v0, Xi) 为 震源 H 到第 i 个检波器的走时，则有 Ti(H, v0, Xi) = ti − t0 = p (xi − x0) 2 + (yi − y0) 2 + (zi − z0) 2 v0 , i = 1, 2, · · · , n. (2) 因此震源参数协方差矩阵为 C = k(ATA) −1 . (3) 式中，k 为常数， A = 1 ∂Ti ∂xi ∂Ti ∂y0 ∂Ti ∂z0 . . . . . . . . . . . . 1 ∂Tn ∂x0 ∂Tn ∂y0 ∂Tn ∂z0 . Kijko 及其他专家 [2−3,7−9] 认为 D 值理 论可用置信椭球体进行图形解释， 方案优劣可 由与 p det(C) 成正比的椭球体体积大小来评价. p det(C) 越小，则相应的椭球体体积越小，估计参 数的分布就越集中，定位就越准确. 上述方法成功应用到核试验的现场地震台网 监测 [10]、冬瓜山铜矿深井开采微震监测 [7] 等多 个领域. 2 考虑工程实际的目标函数构建方法 根据上述分析可知，微震监测台网优化问题可 转化为求该椭球体体积最小的最值问题. 因 C 的特 征值构成椭圆主轴的长度，故针对某单个微震事件 监测，构造目标函数： min VS1 = λx0 (H)λy0 (H)λz0 (H)λt0 (H). (4) 式中，VS1 为置信椭球体体积，λx0 (H)、λy0 (H)、λz0 (H) 和 λt0 (H) 为 C 的特征值. 对 于 微 震 事 件 相 对 集 中 的 较 小 区 域 内 监 测， 假设第 j 次微震事件的震源参数为 Hj (x0j , y0j , z0j , t0j )， 则相应的震源参数协方差矩阵 为 Cj = k(AT j Aj ) −1 . (5) 式中，k 为常数， Aj = 1 ∂T1j ∂x0j ∂T1j ∂y0j ∂T1j ∂z0j . . . . . . . . . . . . 1 ∂Tnj ∂x0j ∂Tnj ∂y0j ∂Tnj ∂z0j
.1540 北京科技大学学报 第35卷 引入微震事件概率因子P,(H),即一个事件出现在 西区第2-12号勘探线515水平以上区域顶板和矿 H(x05,0j,0j,to)邻域的概率函数，则目标函数变 柱的稳定性.目前采场范围为：走向长度700m,深 为 度400m,倾向长度800m. min Vs2= 矿区监三效果图 地表标高：725-767m p [B(L)A(LAn,(4)A(H）A,(H.(⑥ j=1 基岩面标高：546-602m 式中，甲为被监测的微震活跃区域内微震事件 数，入zo,(H)入o,(H)入o,(H）和o,(H)为C3的 开采矿体 特征值. 515开采水平 470开采水平 在实际工程中，由于监测区域较大，断层及破 425开采水平 碎带的存在，采矿工艺的多样性等原因造成微震事 380开果水 件呈局部集中、全区离散分布，有些区域的微震事 件活动规律、分布特征等与矿方生产、安全等直接 相关，需重点监测，应增加传感器数量：而在有些 图1矿山总体工程空间分布图 区域只需监测矿震等大能级事件，周围布置少许几 Fig.1 General design of the mine structure 个传感器即可.考虑以上因素，引入微震事件监测 区域重要性因子Ik(H),目标函数变为 现以该矿为例，对相关影响因子与约束条件进 行了补充讨论，并在此研究基础上给出该矿微震监 min Vs3= -上三[(L)P(a,入（A(· 测台网优化布设方案 入o,(H)入o,(H】 (7) 3.1微震事件概率因子分析 采矿扰动下岩体微破裂事件较多，分布规律复 式中，n,为按照监测区域重要性，把整个区域2细 杂.由于是在该矿区首次安装微震监测设备，前 分为小监测区域的块数. 期没有微震监测结果可供参考，国内外有关强含 由于地质地形条件、开采活动等的复杂性，在 水层下磷矿开采的微震活动规律的定性定量监测结 某些区域并不具备布置微震监测台网的施工条件， 果也很少，因此在本次应用中采纳已有研究结论建 如检波器在深孔安装时需考虑钻孔作业条件等，此 议，假设各区域内微震发生概率相同以简化计算. 外还需考虑监测台网布设的经济性、检波器候选点 随着开采工作面的推进，检波器需要移组时，则以 周围的环境因素等，因此引入微震事件监测可行性 此段时间内的微震活动规律作为参考，优化该矿区 因子F(H),目标函数变为 的下一步监测台网布设方案.全矿区微震事件概率 min4=览是咒En(H4(H) 函数总是满足 m=1k=1j=1 P(H)入zo,(H)入o,(H)入2o,(H)入o,(H】. (8) 式中，p为按照微震台网布设可行性，把整个监测 B(4dA,=1, (9) 区域2细分为小监测区域的块数 3.2监测区域重要性因子分析 矿区微震台网的布设主要是为了监测515水平 3影响因子与约束条件 以上区域顶板和矿柱的稳定性，控制采场顶板大面 某磷矿矿体顶板直接分布在第四系中更新统 积沉降和塌陷，防止Q2隔水层和护顶隔离矿柱破 含黏性土砾石含水层中，厚度较大，透水性较强， 坏，保护地下水资源和生态环境，预防突水淹井事 矿区资源开采过程中，顶板存在破裂和突水淹井的 故发生，因此将①区作为重点监测区域，如图2所 危险.矿山总体工程空间分布如图1所示.为防止 示：此外为了保护作业人员生命财产安全，并合理 Q2含水层地下水涌入矿坑，降低开发风险，保护地 开发利用矿产资源，需监测当前采矿方法对采场附 质环境，合理开发利用矿产资源，并检验当前采矿 近岩体的扰动影响情况，即采场围岩三维破裂场和 方法对顶板含水层与隔水层的扰动影响情况，安装 应力场的变化情况，故将②区作为次重点监测区域： 微震监测系统对其进行监测研究.主要目的是监测 最后将整个矿区①、②区以外的区域划为③区
· 1540 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 引入微震事件概率因子 Pj (Hj ), 即一个事件出现在 Hj (x0j , y0j , z0j , t0j ) 邻域的概率函数，则目标函数变 为 min VS2 = nXP j=1 £ Pj (Hj )λx0j (Hj )λy0j (Hj )λz0j (Hj )λt0j (Hj ) ¤ . (6) 式中， nP 为被监测的微震活跃区域内微震事件 数，λx0j (Hj )λy0j (Hj )λz0j (Hj ) 和 λt0j (Hj ) 为 Cj 的 特征值. 在实际工程中，由于监测区域较大，断层及破 碎带的存在，采矿工艺的多样性等原因造成微震事 件呈局部集中、全区离散分布，有些区域的微震事 件活动规律、分布特征等与矿方生产、安全等直接 相关，需重点监测，应增加传感器数量；而在有些 区域只需监测矿震等大能级事件，周围布置少许几 个传感器即可. 考虑以上因素，引入微震事件监测 区域重要性因子 Ik(Hj )，目标函数变为 min VS3 = nPI k=1 nPP j=1 £ Ik(Hj )Pj (Hj )λx0j (Hj )λy0j (Hj ) · λz0j (Hj )λt0j (Hj ) ¤ . (7) 式中，nI 为按照监测区域重要性，把整个区域 Ω 细 分为小监测区域的块数. 由于地质地形条件、开采活动等的复杂性，在 某些区域并不具备布置微震监测台网的施工条件， 如检波器在深孔安装时需考虑钻孔作业条件等，此 外还需考虑监测台网布设的经济性、检波器候选点 周围的环境因素等，因此引入微震事件监测可行性 因子 F(Hj )，目标函数变为 min VS4 = PnF m=1 PnI k=1 PnP j=1 [Fm(Hj )Ik(Hj )· Pj (Hj )λx0j (Hj )λy0j (Hj )λz0j (Hj )λt0j (Hj ) ¤ . (8) 式中，nF 为按照微震台网布设可行性，把整个监测 区域 Ω 细分为小监测区域的块数. 3 影响因子与约束条件 某磷矿矿体顶板直接分布在第四系中更新统 含黏性土砾石含水层中，厚度较大，透水性较强， 矿区资源开采过程中，顶板存在破裂和突水淹井的 危险. 矿山总体工程空间分布如图 1 所示. 为防止 Q2 含水层地下水涌入矿坑，降低开发风险，保护地 质环境，合理开发利用矿产资源，并检验当前采矿 方法对顶板含水层与隔水层的扰动影响情况，安装 微震监测系统对其进行监测研究. 主要目的是监测 西区第 2-12 号勘探线 515 水平以上区域顶板和矿 柱的稳定性. 目前采场范围为：走向长度 700 m，深 度 400 m，倾向长度 800 m. 图 1 矿山总体工程空间分布图 Fig.1 General design of the mine structure 现以该矿为例，对相关影响因子与约束条件进 行了补充讨论，并在此研究基础上给出该矿微震监 测台网优化布设方案. 3.1 微震事件概率因子分析 采矿扰动下岩体微破裂事件较多，分布规律复 杂. 由于是在该矿区首次安装微震监测设备，前 期没有微震监测结果可供参考，国内外有关强含 水层下磷矿开采的微震活动规律的定性定量监测结 果也很少，因此在本次应用中采纳已有研究结论建 议 [6]，假设各区域内微震发生概率相同以简化计算. 随着开采工作面的推进，检波器需要移组时，则以 此段时间内的微震活动规律作为参考，优化该矿区 的下一步监测台网布设方案. 全矿区微震事件概率 函数总是满足 Z Ω Pj (Hj )dHj ≡ 1. (9) 3.2 监测区域重要性因子分析 矿区微震台网的布设主要是为了监测 515 水平 以上区域顶板和矿柱的稳定性，控制采场顶板大面 积沉降和塌陷，防止 Q2 隔水层和护顶隔离矿柱破 坏，保护地下水资源和生态环境，预防突水淹井事 故发生，因此将①区作为重点监测区域，如图 2 所 示；此外为了保护作业人员生命财产安全，并合理 开发利用矿产资源，需监测当前采矿方法对采场附 近岩体的扰动影响情况，即采场围岩三维破裂场和 应力场的变化情况，故将②区作为次重点监测区域； 最后将整个矿区①、②区以外的区域划为③区
第12期 高永涛等：基于D值理论的微震监测台网优化布设 1541. 器器品 160 {x1,x2,…,xn},评估指标为m个，第i位专家对 Q 第j个指标重要性评估值为，得到专家意见集 中矩阵R为 Q, 1112..· y1m Q 21 y22 y2m 00 R- (10) : Yn1 Yn2 ynm 470水平 考虑各专家的主观权重，可得到最终的专家对 425水平 各个指标的综合权重值W: 3802水 W=【w1w2…wm]=【z1 1112 .y1m 418.00 2122··y2m 429.6g (11) 图2监测区域重要性分区示意图 yn1yn2·.·ynm Fig.2 Schematic diagram of monitoring importance zoning 根据矿山实际需要，结合矿区相关技术部门的 意见，并将计算结果进行归一化处理，确定该矿微 根据相关专家建议，采用专家权重法1-12 震台网监测区域①、②和③区重要性因子参考取值 确定各因子取值.设共有n位专家参加评判各 分别为0.45、035和0.20，各专家权重系数及评估值 影响因子取值，各专家的主观权重记为U= 见表1. 表1监测区域的重要性因子参考取值 Table 1 Reference values of importance factors for the monitoring area 专家i 专家主观权重x 监测区域重要性评估值 ① ② ③ 生产副矿长 2.5 5 3 总工程师 20 2 外聘微震专家1 外聘微震专家2 2 4 2 生产部主任 1 4 3 技术骨干 0.5 5 0 3.3台网布设可行性因子分析 器 器品 -160° 由于矿区地处盆地东南部，盆地四周为中低山 Q 环绕，且基岩之上第四系地层厚度达300余m,从 交通和经济的角度考虑，基本不具备从地面钻孔安 Q 装检波器的可行性，如图3所示C区：至今，矿区已 Q, 在+515、+470、+425和+380m四个水平，进行了 00 Q 主巷和川巷的拓展工程，基本具备台网铺设的可行 性，如图B区：然而由于在地下操作、空间狭小时 C 检波器安装深度不可能太大，且矿方迫于生产任务 的压力，建议系统布置是在不耽误生产的前提下利 25水 用现有矿区条件，在考虑多方面因素后，最终确定 380水平 监测台网布置的首选区域是④区，即+470和+425 m水平中段（当前开采区域） 418.00 42969 综合考虑多方建议与意见，同样采用专家权重 法1-12确定该矿微震台网布设区域④、B和C区 图3台网布设可行性分区示意图 Fig.3 Schematic diagram of network layout feasibility zon 可行性因子参考取值分别为0.70、0.25和0.05， ing
第 12 期 高永涛等：基于 D 值理论的微震监测台网优化布设 1541 ·· 图 2 监测区域重要性分区示意图 Fig.2 Schematic diagram of monitoring importance zoning 根据相关专家建议， 采用专家权重法 [11−12] 确定各因子取值. 设共有 n 位专家参加评判各 影响因子取值， 各专家的主观权重记为 U = {x1, x2, · · · , xn}，评估指标为 m 个，第 i 位专家对 第 j 个指标重要性评估值为 yij，得到专家意见集 中矩阵R为 R = y11 y12 . . . y1m y21 y22 . . . y2m . . . . . . . . . . . . yn1 yn2 . . . ynm n×m . (10) 考虑各专家的主观权重，可得到最终的专家对 各个指标的综合权重值 W: W = [ w1 w2 · · · wm ] = [ x1 x2 · · · xn ]· y11 y12 . . . y1m y21 y22 . . . y2m . . . . . . . . . . . . yn1 yn2 . . . ynm . (11) 根据矿山实际需要，结合矿区相关技术部门的 意见，并将计算结果进行归一化处理，确定该矿微 震台网监测区域①、②和③区重要性因子参考取值 分别为 0.45、035 和 0.20，各专家权重系数及评估值 见表 1. 表 1 监测区域的重要性因子参考取值 Table 1 Reference values of importance factors for the monitoring area 专家 i 专家主观权重 xi 监测区域重要性评估值 ① ② ③ 生产副矿长 2.5 5 3 2 总工程师 20 4 4 2 外聘微震专家 1 2 5 3 2 外聘微震专家 2 2 4 4 2 生产部主任 1 4 3 3 技术骨干 0.5 5 5 0 3.3 台网布设可行性因子分析 由于矿区地处盆地东南部，盆地四周为中低山 环绕，且基岩之上第四系地层厚度达 300 余 m，从 交通和经济的角度考虑，基本不具备从地面钻孔安 装检波器的可行性，如图 3 所示 区；至今，矿区已 在 +515、+470、+425 和 +380 m 四个水平，进行了 主巷和川巷的拓展工程，基本具备台网铺设的可行 性，如图 区；然而由于在地下操作、空间狭小时 检波器安装深度不可能太大，且矿方迫于生产任务 的压力，建议系统布置是在不耽误生产的前提下利 用现有矿区条件，在考虑多方面因素后，最终确定 监测台网布置的首选区域是 区，即 +470 和 +425 m 水平中段 (当前开采区域). 综合考虑多方建议与意见，同样采用专家权重 法 [11−12] 确定该矿微震台网布设区域 、 和 区 可行性因子参考取值分别为 0.70、0.25 和 0.05， 图 3 台网布设可行性分区示意图 Fig.3 Schematic diagram of network layout feasibility zoning
.1542 北京科技大学学报 第35卷 各专家权重系数及评估值见表2. 所示，即为目标函数（⑧）的边界约束条件，联立即 3.4约束条件取值 可求出满足该矿目前采区微震监测要求的最佳检波 测量可得各个分区（图4）的控制点坐标如表3 器布设方案 表2台网布设的可行性因子参考取值 Table 2 Reference values of the network layout feasibility factor 专家i 专家主观权重： 台网布设可行性评估值 A B C 生产副矿长 2.5 9 0 总工程师 2.0 9 0 外聘微震专家1 2.0 分 外聘微震专家2 2.0 5 生产部主任 1.0 f 技术骨干 0.5 0 340 器器 影器瑞 ① ② 41s) 水层 ☐杂岩体 ☐化水 Q~Q品土相时 解水 图4监测区域重要性与台网布设可行性分区示意图 Fig.4 Schematic diagram of monitoring importance and network layout feasibility zoning 表3各个分区的边界控制点坐标值 Table 3 Coordinate values of each partition boundary control point 监测区域编号 大致方位 边界控制点坐标 x/m V/m 2/m 西北 66327.3866 52206.7829 ③&C 西南 66529.6535 51605.7746 +700+300 东南 67754.0767 52016.9522 东北 67552.3970 52617.5233 ② 西北 66561.4938 52072.2224 +400+530 西南 66808.7884 51603.3399 ① 东南 67644.8660 52072.4625 +530+660 东北 67383.7601 52535.0518 西北 66690.7753 52022.7869 B 西南 66768.2995 51789.1702 +380+580 东南 67540.8208 52022.7869 东北 67467.3769 52261.8365 西北 67010.9564 52075.1560 ④ 西南 67066.6091 51932.3868 +425+560 东南 67359.2499 52041.6196 东北 67303.6002 52189.1797
· 1542 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 各专家权重系数及评估值见表 2. 3.4 约束条件取值 测量可得各个分区 (图 4) 的控制点坐标如表 3 所示，即为目标函数 (8) 的边界约束条件，联立即 可求出满足该矿目前采区微震监测要求的最佳检波 器布设方案. 表 2 台网布设的可行性因子参考取值 Table 2 Reference values of the network layout feasibility factor 专家 i 专家主观权重 xi 台网布设可行性评估值 生产副矿长 2.5 9 1 0 总工程师 2.0 9 1 0 外聘微震专家 1 2.0 5 4 1 外聘微震专家 2 2.0 4 5 1 生产部主任 1.0 8 1 1 技术骨干 0.5 7 3 0 图 4 监测区域重要性与台网布设可行性分区示意图 Fig.4 Schematic diagram of monitoring importance and network layout feasibility zoning 表 3 各个分区的边界控制点坐标值 Table 3 Coordinate values of each partition boundary control point 监测区域编号 大致方位 边界控制点坐标 x/m y/m z/m ③＆ 西北 66327.3866 52206.7829 西南 66529.6535 51605.7746 +700∼+300 东南 67754.0767 52016.9522 东北 67552.3970 52617.5233 ② 西北 66561.4938 52072.2224 +400 ∼+530 西南 66808.7884 51603.3399 ① 东南 67644.8660 52072.4625 +530∼+660 东北 67383.7601 52535.0518 西北 66690.7753 52022.7869 西南 +380∼+580 66768.2995 51789.1702 东南 67540.8208 52022.7869 东北 67467.3769 52261.8365 西北 67010.9564 52075.1560 西南 +425∼+560 67066.6091 51932.3868 东南 67359.2499 52041.6196 东北 67303.6002 52189.1797