微震震源定位可靠性综合评价模型

微震震源定位受定位方法、微震台网布置、波速模型和到时等因素的影响,单一指标很难对震源定位结果进行全面评价,因此提出了一种包含事件残差指标、敏感度指标和触发序列指标的震源定位可靠性综合评价方法。采用改进的L1范数统计准则计算微震事件残差,并根据事件残差的取值范围确定了可评价震源定位精度的事件残差指标;根据给定波速误差后震源定位结果之间差值的大小,提出了敏感度指标,主要对定位稳定性进行评价;基于观测触发序列和计算触发序列匹配度,并结合微震台网布置和有效传感器数量,提出了触发序列指标,该指标能够同时反映定位精度和稳定性;综合以上3种评价指标,建立了微震震源定位可靠性综合评价模型。通过现场试验验证,表明该模型能够对定位精度和稳定性进行全面有效评价,评价结果可以作为衡量微震监测系统定位可靠性的实用依据。     

矿山微震定位子台网的分布对定位精度的影响

台站数目、最大空隙角、近台震中距和台站高差是微震定位子台网的4个关键参数。在微震定位理论和数值仿真实验研究的基础上,分析了这4个关键参数对定位精度的影响。利用千秋煤矿现场爆破事件的数据,分析了4个参数与平面定位精度和垂直定位精度的关系,最终得出微震定位子台网的分布对定位精度的影响:理论上参与定位的台站数目越多定位精度越高,但是台站数目的增多也必然会导致问题通道数目的增多,因此台站数目以5~9个为宜;垂直离散度系数K可以反映台网垂向分布的优劣,K值越大,垂直定位误差越小;台网最大空隙角越小,震中定位精度越高;近台震中距决定了震源深度的定位精度,因此必须保证最近台站参与定位计算。     

基于单纯形-最短路径射线追踪的微震震源混合定位算法

震源定位精度是评价微震监测效果的最重要指标。最短路径射线追踪法是一种求解复杂速度模型下地震波走时场及检源路径的算法,是一种重要的地震波走时正演方法。本文将该方法引入到矿山微震监测领域,与基于平均速度模型的常规单纯形定位方法相结合,建立了单纯形-最短路径射线追踪混合定位算法。首先采用最短路径射线追踪方法,计算观测系统中每个检波点到潜在震源点的反向射线路径及走时;然后基于均匀速度模型,采用单纯形算法计算得到一个初始解;最后在初始解的一个小区间内,计算各节点"走时-到时"差之和,取求和值最小值对应的节点作为震源点。层状速度模型和空区速度模型正演模拟实验表明,最短路径射线追踪方法计算得到的检源路径符合地震波传播基本规律。基于神东某矿31101工作面坚硬顶板压裂案例,以标定炮为参考,新方法定位误差4.35m,常规单纯形方法定位误差为19.63m;该方法可为层状及含空区等复杂地层微震监测等提供重要的理论支撑和技术支撑。     

井上下微震联合监测震源垂直定位精度优化研究

震源垂直定位位置是煤矿冲击地压机理研究的重要基础数据,对冲击地压灾害的监测与防治研究具有重要意义。对于近水平煤层工作面,由于各微震台站之间高差较小,导致在进行震源定位计算时,震源参数的偏微分矩阵接近奇异,迭代计算无法收敛到准确解。对台站合理高差和无高差两种情况下的煤矿微震台网进行仿真模拟,结果表明当台网内台站处于同一水平面时,震源垂直位置的定位误差较大。为了解决这个难题,笔者在井下微震监测台站的基础上,增加了地面微震监测台站,形成井上下联合监测台网,有效优化了微震监测台网的空间结构,尤其是台站在垂直方向上的分布效果。对红庆河的微震数据进行分析可知对于2次方的微震事件,井上下联合监测系统的监测效能可达90%,3次方及以上的微震事件可达100%。通过对比10组井下断顶爆破引发的微震事件数据,发现井下微震监测系统定位结果基本位于煤层上方30 m的封孔范围内,井上下微震联合监测系统定位结果基本位于煤层上方30～60 m的爆破孔装药长度范围内;与单纯利用井下监测台站的定位结果相比,井上下微震联合监测系统的定位结果普遍距离真实震源更近,表明地面监测台站的加入有效提高了震源的垂直定位精度,解决了近水平煤层微震事件垂直定位误差较大的问题。     

微震自动定位与可靠性综合评价系统及应用

为了进一步提高微震自动定位精度,并实时对定位可靠性进行综合评价,首先,研究提出了基于小波分析的微震波形瞬时频率算法和可变分辨率的包络函数,建立了以瞬时频率和包络函数为特征函数序列的微震波形到时自动拾取方法(IFEPM),实现了微震波形高精度到时自动拾取;研究提出了到时差值分析表和台站残差公式,建立了基于到时差值分析和残差分析的微震异常波形自动识别模型(APSIM),对延迟波和外部异常波两种干扰波形进行有效的自动识别和剔除。结合IFEPM和APSIM,采用L1范数和Simplex震源定位算法,建立了微震自动定位方法(AMSLM)。其次,提出了评价微震定位可靠性的事件残差指标R、敏感度指标S、触发序列指标H和综合评分指标I,在此基础上建立了微震定位可靠性综合评价体系(SLRES)。最后,将AMSLM和SLRES相结合,建立了微震自动定位与可靠性综合评价系统(AMLRES),设计开发了AMLRES软件并在煤矿现场进行了爆破试验验证和应用研究。研究结果表明:AMLRES实现了微震的高精度自动定位,并且能够实时对自动定位可靠性进行有效评价,满足现场微震监测需求。     

微震定位精度影响下采场裂隙表征与冲击地压预警

我国深部煤矿高强度开采和复杂地质环境造成冲击地压灾害频发,对矿井安全高效生产造成严重威胁。目前,我国冲击地压矿井配备的微震监测系统在震源定位精度上仍存在不足,冲击地压灾害依然存在“灾源找不准、灾害控不住”的难题。为准确描述采场微震活动空间演化特征,降低震源定位误差对微震预警造成的不利影响,基于冲击地压矿井现有微震监测条件,采用仿真正演试验法探究了煤矿微震台网定位误差矢量分布特征,提出了一种考虑微震定位精度影响的微震裂隙贯通表征方法,并在某矿井回采工作面进行了冲击地压预警实践。研究结果表明：采场不同区域震源定位精度的矢量性差异是造成冲击地压微震预警偏差的重要原因;提出的微震破裂贯通可能性指数Fsum采用与震源能级相关的近场区域半径表征震源破裂尺度,并考虑定位误差对不同距离震源间破裂贯通的影响,最大程度还原了采场煤岩体裂隙扩展贯通可能性的分布规律,与冲击地压危险具有良好对应关系;Fsum在冲击地压危险相关性上显著优于微震频次,同时危险区域识别效率又强于微震能量,可兼顾预警精准率和召回率,是理想的冲击地压周期性预警评价指标。研究成果将为评价微震台网监测能力、提高冲击地压微震预警能力与防治效率...     

基于震源扫描算法的水力压裂微震事件定位精度测试

为了掌握震源扫描算法的定位精度,分析了震源扫描算法的基本原理,选取山西某矿水力压裂微震数据,利用震源扫描算法,对一震源进行了示例定位,并测试了走时无误差和走时随机误差条件下的震源定位精度。基于震源扫描算法的定位基本可满足工程需要,在Z方向添加接收点,可进一步提高定位精度。     

基于MOPSO-SA混合算法的矿山微震震源定位方法

冲击矿压是一种典型的煤矿动力灾害,通过监测煤矿微震来进行冲击矿压的预防预警是一种有效的手段,其中震源位置是微震监测中需要确定的最关键和最基本的参数之一。在微震震源定位过程中,参与定位的通道个数对定位精度具有显著影响。当震动激发的检波探测器个数足够多时,不断增加通道个数并不能有效提高震源的定位精度。基于此,选取合适的震动信号参与定位对提升震源定位精度至关重要。为解决该问题,在设定均勾介质的条件下,基于走时拟合法的震源定位模型,提出一种既考虑定位通道个数、又考虑模型定位精度的微震震源多目标优化定位模型。为求解该模型,结合多目标粒子群优化算法(Multi-Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO)和模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)的互补优势,提出一种基于多目标粒子群-模拟退火(MOPSO-SA)的矿山微震震源混合定位方法。该方法利用多目标粒子群优化算法的全局探索性能,为实现局部搜索的模拟退火算法提供更优的初始解,同时也有效避免寻优过程陷入局部极值。试验结果表明所提算法能够有效地求解多目标震源定位模型,且具有较高的定位精度。     

地震波传播速度原位试验及计算

采用本质安全型微震监测系统,在煤矿深部采场的顶底板中布设微震监测台网,对测区内的校验炮微震信号进行了原位采集实验。分别采用组合法、走时残差优化法、定位误差优化法、定位残差优化法和联合反演法进行了地震波速度的优化计算。通过计算结果的对比分析,认为定位误差优化法计算结果最可靠,定位残差优化法计算结果是不可靠的;这一结论对于缺少校验数据情况下的速度选取具有重要意义,也证明了在存在速度误差的情况下,走时残差最小并不能保证可靠的定位精度;在缺少原位试验数据情况下,速度和震源参数的联合反演结果,对速度参数的选取具有重要意义。通过对顶、底板地震波传播速度分析计算,认为煤层和巷道是造成底板地震波平均速度较低的原因。     

矿井SOS微震监测网络优化设计及震源定位误差数值分析

提出了微震监测网络优化设计的5条一般性原则和运用Powell算法求解定位误差的方法。以平顶山十一矿SOS微震台网的优化布置方案为例,进行了定位误差数值计算,结果表明,定位误差保持在小于50m的水平,能够较准确地提供震源的基本信息和确定冲击危险的局部重点监测区域,表明对该矿微震监测台网的设计能够满足当前开采布局的要求,为下一步矿震活动规律监测和冲击危险的预测预报奠定了基础。     

Solution and simulation algorithm of microseismic events location to three-dimensional model by comprehensive location method based on Matlab

The essential for microseismic monitoring is fast and accurate calculation of seismic wave source location. The precision of most traditional microseismic monitoring processes of mines, using TDOA location method in two-dimensional space to position the microseismic events, as well as the accuracy of positioning microseismic events, may be reduced by the two-dimensional model and simple method, and ill-conditioned equations produced by TDOA location method will increase the positioning error. This article, based on inversion theory, studies the mathematical model of TDOA location method, polarization analysis location method, and comprehensive difference location method of adding angle factor in the traditional TDOA location method. The feasibility of three methods is verified by numerical simulation and analysis of the positioning error of them. The results show that the comprehensive location method of adding angle difference has strong positioning stability and high positioning accuracy, and it may reduce the impact effectively about ill-conditioned equations to positioning results. Comprehensive location method with the data of actual measure may get better positioning results.     

露天矿无线微震监测系统建设及应用分析

我国露天矿逐步进入深部凹陷开采阶段,高陡边坡数量日益增多,滑坡事故已成为露天矿安全生产的重大安全隐患,严重威胁矿山安全生产。微震监测技术作为一种覆盖全矿的有效边坡监测预警手段已被行业广泛认可。通过岩体微破裂感知、弱信号提取、无线传输、数据处理分析等技术形成了无线微震监测方案,在某露天矿完成了无线微震监测系统建设,采用长短时窗结合AIC方法实现了波形到时自动拾取,采用台网自动优选震源定位方法实现了震源自动定位,经爆破验证,台网内震源定位误差为8.15%,台网边缘震源定位误差为8.28%,满足某露天矿危险源震源定位精度要求,实时有效地保障了矿山安全生产。     

微震波自动拾取与多通道联合定位优化

依托河北某煤矿的科研项目,进行了以微震波初始到时自动拾取和高精度定位为目的的研究。在采用经验模态分解（EMD）法消噪、滤波的前提下,通过改进传统滑动时窗能量法,加入边界检测因子和稳定因子约束,实现对“起跳模糊、起跳不干脆以及背景干扰过大”波形到时的准确拾取。建立多通道内微震波的联合识别体系,提出利用“到时-振幅”与“时-距差速度”判断法剔除异常波形,拾取有效微震事件。现场监测数据验证表明,以改进滑动时窗能量法拾取初始到时,可有效拾取到时不清晰波形的到时,减少因人工拾取带来的误差;通过多通道内波形的联合识别、定位,削弱“远波先至”、“到时紊乱”等异常事件的干扰,实现了对震源的高精度定位。     

玲南金矿微震监测系统的建立及应用研究

针对玲南金矿深部开采过程中岩爆等地压灾害频发的现状,建立了深部微震监测系统以实现对岩体的连续监测和岩爆的实时预报。结合传感器布置原则和矿山工程条件,对微震监测系统进行台阵分析,计算微震事件的定位精度和系统的灵敏度,得到最优的传感器布置方案。采用定点爆破进行波速校正。定位结果表明,微震监测系统的平均定位误差为5.7 m,能够满足矿山微震监测的需要。基于玲南金矿的微震监测数据,对微震活动的时空演化规律及民采定位进行研究,取得了初步成果。     

基于Matlab的偏振分析在微地震三维定位中的应用

当前微地震震源定位软件多数是基于时差定位算法,其根据是检波器测得的p波或s波的到时,而偏振分析法多数应用在对检波器测到的微地震波形去噪声。其实同样可以根据p波振幅在空间上的三分量对震源定位,其原理是根据p波的振动方向与传播方向相同,从而确定震源相对于台站的空间位置,在台站点与震源点之间就可以得到一条唯一确定的方向射线,显然所有方向射线的交点即为震源点位置。结合Matlab软件在矩阵计算上的优势,可以体现出偏振分析定位算法在计算速度和定位精度上的优势,其实用性比较强。根据模拟演算可以验证偏振分析定位方法能够在一定的精度范围内确定微地震事件的位置,为定位方法提供了另一种研究思路。     

基于层状波速模型的矿山微震定位方法

针对矿山微震定位精度不高的问题,提出采用层状波速模型来代替传统均匀波速模型。采用试射法射线追踪技术来计算微震波在介质中的传播路径,在此基础上,研究了层状波速模型中Geiger定位方法,提出了层状波速模型中Geiger法精确定位的算法流程。通过MATLAB编程,实现了该定位算法,并且数值测试了该定位算法的准确性。数值测试结果表明:不考虑噪声影响到时拾取精度的情况下,新算法的定位精度在1m以内;考虑噪声影响的情况下,新算法的定位误差为9.3m,而采用传统均匀波速模型的定位误差达到28.71m,远远大于新算法的误差。最后,将新算法应用在冬瓜山铜矿,通过对16个微震事件的定位分析,新算法的定位效果优于传统的定位方法,事件位置更加集中。     

基于Sigma-Optimal方法的微震监测台网设计及优化

微震监测台网设计是系统能否成功应用的关键,直接决定了微震监测系统的应用效果。本文基于Sigma-Optimal方法对新疆大明矿业天湖铁矿的微震监测台网进行了设计及优化,使重点监测区域的定位误差较小且对较小震级事件具有较高的灵敏度。优化后微震监测台网的定位误差在9m左右,灵敏度可以达到-2.6矩震级,与现场应用情况一致,应用效果良好。