工程尺度下微震信号及P波初至自动识别AB算法

 为提高工程噪音环境中低信噪比微震信号的自动识别率及其P波自动拾取准确率,结合Allen算法能快速自动拾取震动信号的优点及Bear算法善于拾取低信噪比震动信号P波初至的优势,在Allen算法的基础上,引入Bear算法的加权因子和特征函数,对Allen算法进行改进,提出适用于工程尺度的微震信号及P波初至自动识别的AB(Allen coupled with Bear algorithm)算法。分析AB算法对信号振幅或频率变化的敏感性以及拾取效果,结果表明：(1) AB算法能准确识别微震信号也能同时准确自动拾取信号的P波初至;(2) AB算法的加权因子K、特征函数CF, 值对频率和振幅变化的敏感性高于Allen算法;(3) AB算法对振幅变化比对频率变化敏感;(4) 工程尺度下AB算法微震信号的拾取率高于Allen算法,且P波自动拾取准确率也高于Allen算法。将AB算法用于分析锦屏深部地下实验室实测微震信号：对于弱信号,基于AB算法拾取结果进行微震源定位,定位结果具有更高的可靠性与稳定性;AB算法是一种行之有效,计算简单,适合实时监测微震信号识别及其P波初至拾取。     

煤层水力压裂微震信号P波初至的自动拾取方法

水力压裂技术是矿山领域防冲、消突以及瓦斯抽采等的绿色技术,煤层水力压裂过程的微震监测可实现对压裂裂缝追踪和效果评价。为了实现对煤层水力压裂微震信号P波初至到时的精确拾取,针对水力压裂微震信号的频域特性,提出一种基于改进小波包阈值去噪(MWPT)的和改进AIC法(IAIC)的初至到时精确拾取方法。该方法首先提出对原有WPT去噪模型进行改造,建立基于多去噪规则的多阈值去噪方法;然后对原AIC算法进行改进,提出构建联合快速搜索和精确拾取两大模块的IAIC快速、精确拾取算法。以典型煤层压裂微震数据为例,以人工拾取结果为参照,利用IAIC,ER,MER,WFM以及PAI-S/K五种算法对该数据进行处理,结果表明:MWPT算法适用于背景干扰少、频率范围集中的煤层水力压裂信号,信噪比提升至12.67 d B,信号能量特征保留高达97.15%;在到时拾取方面,除PAI-S/K外其余4种算法在去噪后的到时拾取精度均得到有效提高,其中尤以IAIC法最为明显,到时平均误差由34.17 ms锐减至7.08 ms;ER,MER,WFM算法对波形的起伏较为敏感,但由于时窗因素影响,其到时往往滞后于手动拾取值。总而言之,IAIC法对去噪结果更为敏感,在12通道波形的拾取精度(约7.08 ms)和速度(约0.124 s)远优于人工拾取和其他4类方法,误差分布方面也较理想(-10~10 ms误差范围内可达62.5%,-20~20 ms范围高达100%)。所提出方法一定程度上提升了煤层水力压裂微震信号P波初至的拾取效率和精度,可为后续的微震自动、高精定位计算提供借鉴。     

矿震P波到时拾取优化与降低震源定位误差应用研究

多通道微震监测系统采用的定位算法一般是基于P波到时与等速度模型,P波到时拾取的准确与否直接影响着定位精度的高低。然而由于地震波传播衰减与应用环境背景噪声的原因,参与定位的一些通道信噪比偏低,P波到时拾取的随意性较大,导致震源定位结果与实际震源位置相差较大,影响了在矿山的实际应用效果。简要介绍了震源定位方法并开发应用了基于小波理论的离散信号滤噪程序,通过对原始信号进行小波分解、给定阀值与重构处理后,提高了原始信号的信噪比,显著地提高了P波到时拾取准确度。结合某矿山特大采空区采场冒顶实例,应用基于小波理论的信号滤噪方法对信噪比偏低的通道进行了滤噪处理,重新优化拾取了P波到时。所得到的定位结果,与处理前相比,定位误差从47~94 m减小到14~23 m,大大提高了微震监测在矿山的实际应用效果。 方法1的P波到时/ms 方法2的P波到时#br# /ms 方法1 方法2     

微震与爆破事件统计识别方法及工程应用

 采用人工识别方法,依托微震监测系统,建立矿山爆破与微震事件样本数据库。统计分析数据库内各事件地震力矩、事件总能量、事件P波能量与S波能量比、事件的静压力降、事件的发生时间、传感器触发数量和拐角频率等震源参数特征;对比分析首次峰值到时、首次峰值幅值、最大峰值到时及最大峰值幅值的概率密度分布特征;通过FFT变换,统计分析2类事件信号的主频分布规律。依据各参数的概率密度分布及其识别效果,结合特征参数获取的难易程度,最终选取事件的地震力矩对数,事件的能量对数,事件的传感器触发数量,首次峰值幅值对数及最大峰值到时对数和信号的主频为特征参数,建立矿山微震与爆破事件自动识别的统计学模型。该模型对样本的回检结果显示,50组建模样本的准确率为100%,50组测试样本的准确率为94%。将该模型应用于采场大块矿石的二次破碎事件识别中,识别结果与实际相符,解决了单纯依靠信号特征识别导致该类事件极易与微震事件混淆的问题。该方法误判率低,特征参数较易获取,是矿山微震与爆破事件识别的一种有效方法,可在实际工程中推广应用。     

基于质量寻优与归一化STA/LTA方法的微震P波到时拾取技术研究

微震信号P波初至拾取是微震数据处理的关键步骤之一。为了实现微震信号P波初至到时的精确拾取,针对微震信号不同信道各时段受噪声污染程度不同的特点,使用归一化后的信噪比、信号的明显程度和信号初至起跳点的明显程度叠加的信噪指数代替单一信噪比来量化微震信号的质量。以信噪指数作为判定条件选取质量较高的信号作为输入来提高P波到时准确度,设计一种基于质量寻优与归一化STA/LTA方法的微震P波初至到时拾取算法(QONSL方法)。为了验证该方法的可行性和有效性,分别对测试数据和阜新市五龙矿微震监测数据进行处理。对测试数据的处理结果表明,在量化微震信号的质量时,信噪指数比信噪比更准确,且信噪指数越大,到时拾取结果越接近准确到时。对阜新市五龙矿三分向数据处理结果表明,QONSL方法可以通过信噪指数快速锁定信号质量较高的信号通道并快速拾取微震P波初至到时,综合120个微震信号的到时拾取结果来看,与准确到时的误差保持在5 ms之内,将86个微震事件的到时误差控制在2 ms以内。与STA/LTA算法相比,QONSL算法拾取精度整体提升72%,整体误差范围波动减少75%。QONSL方法受噪声影响较小,具有较高的拾取...     

基于阻尼耗散能功率的微震P波到时拾取新方法研究

现有微震P波到时拾取算法在实际应用中往往需要根据具体实际情况选择阈值和计算时窗,阈值与计算时窗设置不合理将导致拾取误差变大,基于此提出一种基于追踪阻尼耗散能量功率的方法,以克服传统方法的不足。该方法是将信号转化为具有黏性阻尼的线弹性固定基单自由度振子的响应并提出通过直方图法与AIC法联合追踪阻尼耗散能量功率来拾取P波到时。该方法具有能够识别噪声信号、无需检测阈值、检测时窗设置的优点。利用加噪后的信号测试方法的抗噪性能,结果表明,在不同的信噪比下该方法较传统方法相比具有较优的抗噪性能。应用该方法对实际中监测的40个不同信噪比波形进行P波到时拾取,以局部放大后人工拾取为标准,并将结果与长短时均值比法(STA/LTA)对比分析得到该方法误差均值为1.17 ms,误差2 ms以内占比87.5%,4 ms以内占比100%;STA/LTA法误差均值为3.46 ms,误差2 ms以内占比55%,误差4 ms以内占比82.5%,综合可见所提出该方法更好。柿竹园微震监测应用结果表明:该方法能够显著提高微震事件的定位精度,具有重要的理论与实际意义。     

基于时域分析法的微震波到时拾取研究

微震波到时拾取是实现微震监测精确定位与实时预警的必要前提。在收集整理国内外相关资料的基础上,从微震波的波形特征、到时拾取方法等方面总结了目前微震波到时拾取方法的优缺点,指出不准确的特征函数与经验性的阈值参数是导致微震波到时拾取存在较大误差的原因。到时拾取算法需要与现场微震定位相互验证,并根据波形特征建立自适应信噪比具有调节性的特征函数。将STA/LTA法与AIC法相结合,提高了微震波到时拾取速度与准确性,实现了微震监测的时效性,更适用于工程应用。     

岩石破裂声发射压缩波到时拾取方法及其优化改进研究EI北大核心CSCD

岩石破裂过程中的微震及声发射监测技术已广泛应用于岩石工程领域。P波到时自动拾取是进行岩石破裂源定位和矩张量反演等声发射(AE)技术研究的基础与关键,为提高到时拾取精度,分析Allen拾取法、Baer-Kradolfer改进拾取法、高阶统计量拾取法以及AR-AIC拾取法对模拟正弦信号振幅、频率与相位突变识别的敏感性。基于加拿大原子能公司地下实验室(URL)的隧道密封试验现场监测数据,对比分析几种拾取方法对不同信噪比(SNR)水平的信号拾取结果,研究表明。Allen拾取法、Baer-Kradolfer拾取法和高阶统计量拾取法具有更广的信噪比识别范围,特别对低信噪比水平的信号具有较强识别能力,进而提出对AR-AIC拾取法的改进思路。利用改进AR-AIC拾取法对真实声发射信号进行到时拾取,得到影响拾取精度的关键因素以及适用于工程尺度的局部范围的声发射信号的合理参量,进而成功对信噪比水平小于10的声发射信号进行自动到时拾取,研究认为高阶统计量法中的峰度拾取法是应用改进AR-AIC法初拾阶段的最优方法,其自动拾取与人工识别结果时差小于5μs的准确率为94%,表明提出的改进AR-AIC拾取法在实际应用中,特别是对低信噪比水平信号进行到时拾取具有良好的适用性。     

岩石破裂声发射压缩波到时拾取方法及其优化改进研究

 岩石破裂过程中的微震及声发射监测技术已广泛应用于岩石工程领域。P波到时自动拾取是进行岩石破裂源定位和矩张量反演等声发射(AE)技术研究的基础与关键,为提高到时拾取精度,分析Allen拾取法、Baer-Kradolfer改进拾取法、高阶统计量拾取法以及AR-AIC拾取法对模拟正弦信号振幅、频率与相位突变识别的敏感性。基于加拿大原子能公司地下实验室(URL)的隧道密封试验现场监测数据,对比分析几种拾取方法对不同信噪比(SNR)水平的信号拾取结果,研究表明。Allen拾取法、Baer-Kradolfer拾取法和高阶统计量拾取法具有更广的信噪比识别范围,特别对低信噪比水平的信号具有较强识别能力,进而提出对AR-AIC拾取法的改进思路。利用改进AR-AIC拾取法对真实声发射信号进行到时拾取,得到影响拾取精度的关键因素以及适用于工程尺度的局部范围的声发射信号的合理参量,进而成功对信噪比水平小于10的声发射信号进行自动到时拾取,研究认为高阶统计量法中的峰度拾取法是应用改进AR-AIC法初拾阶段的最优方法,其自动拾取与人工识别结果时差小于5 ?s的准确率为94%,表明提出的改进AR-AIC拾取法在实际应用中,特别是对低信噪比水平信号进行到时拾取具有良好的适用性。     

基于到时差值的微震波异常信号识别方法

延迟信号和外部异常信号严重影响微震震源定位精度,为了对它们进行有效识别,基于震源定位理论和微震台网几何特性,建立震源定位的双曲线和双曲面控制方程,揭示到时不同震源定位方法所确定的震源轨迹是一系列二维平面中的双曲线或三维空间中的双曲面,且双曲线或双曲面的形状和位置与到时差值密切相关。论证传感器观测到时之间存在P波到时差值理论极限和延迟信号到时差值理论极限,根据到时差值、微震台网布设和监测空间几何特征,构建2种理论极限的求解模型,建立到时差值分析表,提出根据观测到时差值和2种到时差值理论极限内在关系识别延迟信号和外部异常信号的全新方法。现场爆破实验表明：基于到时差值的微震波异常信号识别方法能够对延迟信号和外部异常信号进行有效识别,在剔除2种异常信号后的震源定位精度得到极大提高,实现对震源的高精度定位,满足现场微震监测需求。     

基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法

 针对微震经典定位法速度模型给不准和联合定位法震源位置、发震时间和微震传播速度相互关联,解不唯一的问题,提出一种微震源定位分层处理方法,先对微震信号进行消噪、分波、到时修正和劣质信号剔除等一系列处理,初步获取正确的有效信号;然后以相邻两传感器监测到时之差与计算到时之差的残差平方和最小为目标,利用粒子群算法,识别微震源位置和速度模型;接着,根据识别到的微震源位置和速度模型,以传感器监测到时和计算到时的残差平方和最小为目标,直接求解微震源发震时间的解析解;最后,再次结合矿山实际开采现状反分析有效微震信号选取的正确性和微震源定位的准确性,必要时再次对微震信号进行处理和定位,较好地解决经典法速度模型给不准和联合法解不唯一的问题。与经典法相比提高了微震定位精度,与联合法相比提高收敛速度和解的稳定性;关联性分析表明某些震源坐标在使用分层法定位时和速度具有一定的关联性,并给出震源坐标和速度相互关联的必要条件和相互关联的几个特殊位置;算法性能分析表明为了进一步提高算法的收敛速度、定位精度和解的稳定性,传感器布置要尽量：(1) 使重点关注的区域位于传感器阵列之内,且距离传感器尽量近,(2) 避免可能发生微震的震源处于能使震源坐标和速度相互关联的位置上。现场爆破试验进一步验证微震源分层定位方法的可行性;最后讨论几种速度模型的选取,分析几种速度模型的优劣及工程应用的可能性。     

矿震震动传播与响应规律

针对距离震源不同距离的采掘区域冲击地压显现响应程度不同的问题,采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压多参量过程监测系统开展了矿震发生与响应过程规律研究,并通过井下爆破激发震动试验研究了震动传播衰减规律。结果表明:(1)冲击地压多参量过程监测系统监测到矿震的单参量(煤体应力)、多参量(煤体应力、围岩位移及锚杆受力)的响应过程,实现了震动与响应信号捕捉与记录;(2)矿震单参量响应规律,响应时间短(368 ms),响应过程引起距震源75 m的煤体应力最大升高0.9 MPa,响应终值为煤体应力升高0.5 MPa,矿震的响应并非都是多参量同时响应;(3)矿震引起多参量响应规律,响应时间不同步,响应时间几百毫秒至几分钟不等,响应过程引起距震源150 m的煤体应力整体降低0.7~0.8 MPa、锚杆受力降低7~8 k N、顶煤位移增加4 mm,且捕捉到矿震发生10 h前的岩层位移信息,持续时间1000 ms,位移量最大24 mm,可作为矿震前兆信息;(4)矿井围岩介质中震动能量传播呈指数E=E0eηD关系衰减,距震源200 m范围能量衰减快;震动主频的衰减变化规律也呈指数f=f0eηD关系。距离震源200 m范围的采场、巷道对矿震响应比较显著,与矿震诱发冲击显现区域比较吻合。矿震发生至响应的传播衰减过程的定量关系研究,对进一步提高冲击地压监测预警与防治技术水平具有一定的现实意义。     

大规模深井开采微震监测系统站网布置优化

冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大、具有岩爆危害的大型硬岩金属矿山。采用微震监测系统实现该矿岩爆的实时监测和预报，为此，进行微震监测系统站网布置优化研究。分析该矿采用多盘区多采场同时开采条件下的岩爆分布特点，确定微震监测系统的监测范围；针对监测范围、井下巷道工程和微震监测系统技术性能，设计多个微震监测系统传感器站网空间布置方案，对各方案计算事件震源定位误差和系统灵敏度；在综合分析计算结果、工程条件和经济性的基础上，确定满足该矿首采区微震监测要求的最佳监测系统配置方案；系统建立之后进行事件震源定位精度和灵敏度测定的爆破试验，证明该监测系统站网布置满足矿山监测要求，保证监测数据的可靠性和有效性。     

矿井不明水体突出过程的微震辨识技术

 以采动岩体微破裂产生的弹性波为信息源,应用弹性波与岩体破裂的相关理论与技术,探索地下采空区不明水体的蓄积和成灾过程。经研究发现,在突水灾害前存在确切的弹性波波速比VP/VS低值异常、振幅比VSH/VPH高值异常、震动主频低值异常、波形变异以及隔水岩墙主破裂发生前的微震频度异常。由此提出应用地面微震遥测技术,通过在线监测和分析采动岩体破裂被动震源或增设爆破主动震源所携带的信息,预测矿井不明水体突出灾害的技术思路,达到空间上控制全矿井范围的宏观监测、时间上在线连续监测和远离危险源的安全监测之目的。     

Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring

Rock mass damage assessment is required for many applications in rock engineering practice including support design, contamination transport control, stope design, amongst others. While various methods such as displacement measurement, seismic refraction, and direct observation using borehole camera have been used, relatively few efforts have been made to use microseismic monitoring to quantify the rock mass damage. From laboratory tests, it is well known that microseismic events are indicators of fracturing or rock damage as the rock mass is brought to failure at high stress. By capturing the microseismic events, underground excavation induced rock mass degradation or damage can be located but can the amount of damage in terms of changes to strength or deformation properties be measured?

In the present study, a method of characterizing rock mass damage near excavations based on microseismic event monitoring is developed and a damage-driven numerical model is presented that takes the microseismic data as input to determine the damage state described by fracture density. The approach is built on the discovery that a realistic crack size corresponding to a seismic event can be established by applying a tensile cracking model instead of the traditional shear model, commonly used in earthquake analysis. The rock mass is softened by the introduction of cracks and this is simulated by a micro-mechanics based constitutive model. The material property input for the model are Young's modulus, Poisson's ratio of the intact rock, and information obtained from the monitoring of microseismic events such as the location and the source size of each event calculated from source parameters. Using data from the Atomic Energy of Canada Limited Mine-by Experiment, this model has been verified by investigating the linkage between microseismicity, rock mass damage and ground deformation. It is found that when damage related softening based on microseismic data is considered, predicted rock mass displacements are in good agreement with extensometer measurements.     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

微地震监测揭示的矿震诱发冲击地压机理研究

在对朝阳煤矿^#3201工作面进行冲击地压高精度微地震监测过程中,测到了到时靠后的震动波幅值反而较大的异常现象,并且当时井下震感强烈。针对这一异常现象,介绍了高精度微地震监测系统的现场测区布置及系统标定情况,通过对该异常波形数据进行分析研究及初步定位,发现定位结果较为离散,不符合定位精度的要求,从而否定了把记录的微震数据当作一个震源进行定位的基本假设,在此基础上提出了矿震诱发冲击地压的震动破坏机制假设,并对该假设进行了初步验证、初始震源与诱发震源的时间相关性验证、原位岩体实测波形验证等。最后结合矿山压力与岩层控制的理论和长期的微地震监测结果,发现诱发震源的位置正好处于采动应力场和构造应力场耦合下的高应力区,这就证明了矿震诱发冲击地压是通过初始震源的震动破坏机制实现的,并且被诱发的冲击地压震源处于各种耦合因素影响下的高应力区内。