利用同步挤压变换检测微地震信号

针对低信噪比微地震监测资料识别和检测微地震事件的难题,利用同步挤压小波变换(SWT)对微地震监测资料进行处理。结果表明,同步挤压小波变换具有较高的时间和频率分辨率,可将时域微震监测信号转化成高分辨率的时频谱,精细刻画了微地震监测信号的时频特征。分析微地震信号和噪声的时频特征,设计二维时频域滤波器,在时频域进行滤波,去除噪声,保留微地震信号时频谱,然后对滤波结果进行同步挤压小波反变换,恢复微地震波形,从而实现对微震事件的检测;同时,利用微地震信号的时频分布变化特征确定微地震到达时间。利用同步挤压小波变换对模拟信号和实测油田压裂微震资料的微地震信号进行检测,结果表明,同步挤压变换具有较好的应用效果,且优于S变换和带通滤波。     

用非强迫共振法研究饱和岩石的黏弹性响应

 通过Metravib热机械分析仪,用正弦振动对岩样进行加载,并以饱和岩石对正弦振动传播的黏弹响应,来模拟地震波在饱和岩石中传播时的黏弹性响应,以获取地震波在饱和岩石中传播时的黏弹行为。试验时固定静载为120 N,正弦波动载荷为80 N;在温度－40 ℃～100 ℃,频率5～400 Hz的范围内,对2种孔隙度的泵油饱和彭山砂岩样品进行单轴循环加载试验,以得到泵油饱和彭山砂岩的衰减、弹性模量、弹性波速度与温度的关系。由此研究饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、杨氏模量和弹性波波速随温度的变化规律。研究结果表明：随频率的增高,饱和多孔岩石的能量衰减峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫规律。利用阻尼衰减机制,解释了随振动频率提高,衰减峰的强度降低的试验结果。这些试验结果与低频共振的驻波试验得到的热激活弛豫规律一致,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。与此同时,得到弹性模量和波速随温度升高而逐渐下降的一般规律,以及随频率的增高而增大的频散特性,但是样品的频散效应随温度升高有减弱的趋势。该频率和温度范围的研究结果对岩石理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用意义。饱和岩石的衰减研究对地震工程和勘探地球物理具有特殊的意义,尤其对勘探地热蒸汽库或天然气库有很好的实用价值。     

多段微差爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析

爆破振动分析是研究爆破振动危害控制的基础,也是控制爆破振动危害的前提。根据爆破振动信号具有短时非平稳的特点,利用小波包分析技术对满足分析要求的多段微差爆破振动信号的能量分布特征进行研究。首先,简略地介绍了小波变换与小波包分析的特点;其次,对6条多段微差爆破振动信号进行小波包分析,得到了爆破振动信号在不同频带上的能量分布图;最后,总结了多段微差爆破振动信号频带能量的分布特征。该分析手段为综合研究爆破地震效应特别是为将来构建振动速度–频率相关安全准则提供了一种有效的分析技术。     

基于微震信号多重分形特征的岩石边坡变形预警研究

依托白鹤滩水电站左岸岩石边坡工程,引入多重分形去趋势波动分析法(MF-DFA)估算微震波形多重分形谱,以岩石破裂微震波形多重分形时变响应特征为基础,揭示岩石边坡变形预警信号。研究表明,左岸边坡岩石微破裂与爆破振动波形多重分形特征明显,且爆破振动波形多重分形谱宽度远大于岩石微破裂波形多重分形谱宽度。边坡裂缝增大前,岩石微破裂波形多重分形时变响应特征表现出很强的规律性,可作为变形预警信号,即:岩体在发生变形破坏前,多重分形谱宽度△α呈现增大趋势,微震波形多重分形谱△f(α)呈现减小趋势,可视为变形预警前兆信号;发生变形破坏时,△α呈现减小趋势,△f(α)呈现增大趋势,可视为变形破坏期;发生变形破坏后,△α和△f(α)均呈现平稳趋势,△f(α)整体将处于零线附近,可视为稳定期。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(I)：一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明：一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅰ):一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明:一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

饱水岩样声波传播规律的试验研究

先将板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩3种岩样烘干后在3个方向进行声波试验，然后将上述岩样在饱水条件下进行同样测试，通过纵横波透射测试得到岩石内部结构的一些信息，从而对3种岩样的饱水和烘干条件下声波传播规律进行研究。通过对岩石岩样声波波形、波幅衰减规律和波谱特征分析发现：（1）3种岩样吸水率均较低，平均饱和吸水率一般为0．100％～0．212％，其纵横波波速受水的影响较小。（2）3种岩样饱水后纵波的衰减速率大大降低，而横波饱的衰减速率明显增强，饱水对纵横波衰减速率的影响趋势截然相反。（3）板岩和黑云母片麻岩的声波衰减各向异性特征明显：而花岗岩片麻岩声波衰减各向异性特征不明显；3种岩样的声波衰减各向异性特征差异很大，岩样种类不同，则饱水对声波衰减速率的影响也完全不同。（4）3种岩样饱水状态下纵横波主频明显比烘干状态下要降低许多；对声波信号3层db1小波包分解后发现，3种岩样饱水后最低频率范围内纵波信号能量所占比例增加，较高频率段纵波信号能量所占比例降低。     

含单组节理的双重非线性弹性岩石介质中的P波传播规律

为研究含单组节理的双重非线性弹性岩石介质中的P波传播规律,在空间域内设置许多间距极小、刚度极大的假节理。对特定节理位置赋予节理非线性变形BB模型,结合非线性波传播的特征线方程,得到一维P波传过含单组不同条数节理的双重非线性弹性岩石介质时透射波的时域半数值解。编写有限差分程序,利用已有计算实例对程序进行验证,并通过计算模拟作进一步参数研究。详细讨论P波参数、节理力学参数、节理条数、节理间距和岩石非线性系数对透射波首波与后续波波形、首波透射系数、首波与后续波能量的影响。研究结果表明,随着传播距离的增大,大振幅且低频的P波波形发生畸变;小振幅且低频的P波对岩石的非线性作用不敏感。节理间距和岩石非线性系数对首波透射系数、首波能量和后续波能量产生不同程度的影响。振幅较小、频率较高的P波传过条数较多的单组节理时,节理表现出明显的滤波和分解能量的作用。     

软土地基支撑机械拆除及临近建筑动力响应研究

以上海市某大型基坑内支撑机械拆除为例,在大量振动监测的基础上,研究了基坑内支撑机械拆除过程中产生的振动在基坑内部和基坑边缘挡土墙、高层建筑物竖直方向上的传播规律,监测同时考虑了临近建筑对机械振动的动力响应。研究表明:机械拆除基坑内支撑对周围建筑物所产生的振动速度较小,不足以影响构筑物结构安全,但由于振动信号的主频较低,接近于建筑物的固有频率,地震效应仍应该引起足够重视;利用小波包技术可得到振动信号各频带上的能量分布,从能量角度研究振动信号可以直观地了解信号在传播过程中的衰减特性。     

危桥车辆振动对邻近景观石窟动力影响测试分析

为了研究危桥车辆振动对邻近景观石窟的影响,以宜昌市三游洞摩崖石窟为工程依托,设置了石窟主体区动态信号采集系统,采用重型车辆作为振动源,现场测试跳车、急刹车和自然极限车辆状况时石窟穹顶、题刻岩石处、危桥桥台以及振动源路面处的振动波速和频率,分析石窟在各种车辆振动源作用下的振动波速及传播规律,并与理论计算结果对比分析。结果表明:车辆在危桥运行时,振动源到石窟穹顶的振动波速在50m范围内呈非线性衰减趋势;桥面跳车引起的石窟振动效应大于急刹车和自然极限车流状况;30km/h时急刹车、跳车以及自然极限车辆状况下,三游洞石窟穹顶最大竖向振动速度为分别为0.088、0.115和0.100mm/s,但振动速度均小于规范值;古石窟特征振动频率为49.805Hz。实测值与理论值吻合较好,现场实测数据有效、可信。     

爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究

 以矿山现场微震数据为基础,选取矿山爆破震动信号与岩石破裂微震信号对比研究。首先,运用Matlab的小波包分析模块对微震信号进行5层多尺度分解,分别求取各节点处重构信号的小波包频带能量,对爆破震动信号与岩石破裂信号的频带能量分布特征进行研究;其次,通过建立新的频带空间,对比二者的能量分布特征。结果表明,矿山现场微震信号的频带能量分布特征为：岩体破裂信号的能量多集中于S5,0～S5,7低频频带(0～125 Hz),爆破震动信号的能量则在S5,24～S5,31频带(375～500 Hz)表现得较为集中。该分析方法为矿山识别爆破震动事件与岩石破裂事件提供了一种思路,利用二者能量分布差异大、特征对比明显的特点,通过对比新频带空间内的能量分布特征,可以实现对两类微震波形的初步辨识。     

中尺度复杂岩体应力波传播特性的微震试验研究

采用全数字型多通道微震监测系统,对深部复杂采空区岩体和上部露天台阶絮渣岩体分别进行了现场爆破应力波传播特性试验,利用P波触发时间和传播距离组成的离散点进行线性拟合,得出应力波传播速度,结果显示深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体明显出现两个层状速度模型。利用应力波振幅和传播距离组成的离散点进行曲线拟合,并对应力波信号进行频谱分析和滤波处理,研究应力波的衰减特性。试验结果表明,应力波振幅随传播距离的增加而减小,且在数值上呈乘幂衰减;应力波衰减系数和应力波频率成正比,数值上呈三次多项式关系,高频成分应力波衰减更加明显。利用试验数据,分别计算出深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体的平均品质因子,计算结果分别为4.055和2.478,两者远小于一般原岩的岩体品质因子,说明复杂采空区和絮渣的存在对应力波的传播有很大影响。     

岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

Attenuation characteristics of impact-induced seismic wave in deep tunnels: An in situ investigation based on pendulum impact test

The radiated seismic energy is an important index for the intensity assessment of microseismic (MS) events and the early warning of dynamic disasters. However, the energy of MS signals is significantly attenuated due to the heterogeneity and viscous damping of rock media. Therefore, the study on attenuation characteristics of MS signals in underground engineering has practical significance for the accurately estimation of radiated seismic energy. Based on a pendulum impact test facility and MS monitoring system, an in situ investigation was carried out to explore attenuation characteristics at a deep tunnel. The results show that the seismic energy and peak particle velocity (PPV) attenuation are exponentially related to the propagation distance. The attenuation coefficient of energy is larger than that of PPV. With the increase in the input impact-energy, the seismic energy attenuation coefficient decreases as a power function. An empirical relationship between energy attenuation coefficient and wave impedance of rock mass was established in this scenario. Moreover, the time-frequency characteristics and energy distribution laws of impact-induced signals were investigated by the continuous wavelet transform (CWT) and wavelet packet analyses, respectively. The dominant frequency of signals decreases gradually as the propagation distance increases. Based on the energy attenuation characteristics, a new method was proposed to calculate the released source energy of MS events in the field. This study can provide an insight into energy attenuation characteristics of seismic waves and references for attenuation correction in seismic energy calculation.     

煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别

 利用微震监测系统,采集平煤十一矿3次煤柱型冲击地压发生前后的微震信号,分析3次冲击地压期间微震信号的时序特征,并利用FFT方法、分形几何原理研究微震信号的频谱特征和分布变化规律。得到如下结论：(1) 煤柱形冲击地压发生前均有一段明显的微震活跃期,表明围岩系统正与外界交换能量,围岩结构处于非稳态的调整期,冲击地压为当次调整期中能量最大的震动,冲击地压发生后,微震活动程度明显下降,出现震后平静期。(2) 冲击地压的主震信号20 Hz以下低频成分占比例较多,波形图中尾波明显且持续时间长,震动能量级别较大。(3) 冲击地压前震主要频谱成分集中在40～100 Hz,前震发生时间距离主震越近,低频成分越多。(4) 微震事件分维值在大的震动(矿震或冲击地压)发生前会持续下降,在大震临近时会降到某个临界值以下。上述规律对确定预测冲击地压的预警指标以及对提高冲击危险程度判别的准确性具有重要意义。     

顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征

 揭示顶板破断过程中的微震活动规律,采用频谱演变来评价顶板动力危害的强度,并进一步监测顶板的破断。采用SOS微震监测系统,针对坚硬以及软弱顶板破断来压的过程进行了实测,取得如下结论：(1) 顶板破断之前,低频段微震幅值逐渐增加,来压时信号的幅值达到最大值,之后产生突降。同时微震前兆信号主频与来压强度呈负相关。(2) 软弱顶板破断之前,微震信号主频开始向低频段移动,但前兆主频均大于20 Hz,来压之后主频又开始向高频段移动。(3) 坚硬顶板破断过程极其短暂,主震信号幅值较高,但主频小于5 Hz,来压前后低频微震信号的幅值较低,前兆效应不明显。利用上述规律,可以对顶板破断的过程及其强度进行有效的评价和预测。     

基于小波分形特征与模式识别的矿山微震波形识别研究

在前人研究的基础之上,探讨,验证了矿山微震信号的分形特征,并根据微震信号的特征确立了相关的无标度区间及分形盒维数算法.利用矿山爆破振动,岩石破裂及电磁干扰3类信号频谱分布不同这一特征,结合小波分析与分形理论,通过MATLAB编制相应程序,对3类信号进行了5层小波包分解,求取了指定特征频带上重构信号的分形盒维数.以该盒维数为信号特征,建立23维特征向量,通过SVM支持向量机对300组矿山现场微震信号进行了训练和分类识别.研究结果表明特征频带上的分形盒维数与信号的整体盒维数接近,表明特征频带上的分形盒维数表征了整体的分形特征;3类信号具有明显分形特征,电磁干扰信号最为明显;SVM识别网络识别微震信号,识别正确率高,但运算速度及识别效率仍有待提高.     

岩体爆破累积损伤效应声波频谱特征分析

为揭示岩体爆破损伤累积扩展规律及其与岩体声学变化特性之间的内在联系,在某地下工程围岩中进行了10次小药量爆破岩体损伤的现场声波测试。为充分利用岩体声波测试信号中的有效信息,弥补单纯声波速度分析的不足,基于快速傅立叶变换(FFT)探讨了声波在爆破损伤岩体中传播时的衰减特性,分析了主频、频域内最大振幅等岩体声学参数随爆破次数不断增加的变化特性。研究结果表明,随着爆破次数增加,岩体声波频谱特征呈现如下变化规律:(1)岩体爆生裂隙不断增加和扩展,声波测试信号中的高频成分不断被吸收,低频成分所占比例增加,主频向低频方向偏移,频谱曲线畸变程度增加;(2)声波主频比和频域最大振幅比均呈非线性降低趋势,频域最大振幅比对岩体爆破损伤的敏感性高于声波主频比;(3)随着爆心距的增大,岩体声波频谱变化程度逐渐减弱。     

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。     

三函数四指标矿震信号S波到时拾取方法及应用

 S波到时拾取是微震监测技术中基础而又关键的环节,其拾取速度和精度直接影响到矿山震源机制分析、微震活动预测以及岩体应力重分布等后续工作的效率和精度。基于国内外微震监测系统的S波自动识别不够精确,需技术人员二次识别,随机且效率低的考虑,对矿山微震数据的短时平均过零率、短时平均振幅、短时能量3个时域特征函数进行分析得到4个S波识别指标,进而形成“三函数四指标”的S波到时算法。根据实际微震事件信号确定S波到达的经验阈值,并编制成自动程序应用于实例分析中。自动识别结果与人工拾取结果对比表明：时差在25 ms内的准确率可达88%,时差在12.5 ms内的准确率达到74%,其中短时能量的识别效果最优,短时平均过零率识别效果较好、短时平均振幅识别效果较差。本文提出的三函数四指标的时域分析方法是一种行之有效、计算简单、适合实时监测的S波到时拾取算法。