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。     

无需预先测速的微震震源定位的数学形式及震源参数确定

 为解决传统方法因测量速度误差给定位精度造成的影响,研究3种无需预先测量速度的震源定位的数学形式,按其因变量为到时、到时差、到时差商依次称为TT,TD和TDQ法。通过分析发现,TD法在数学意义上优于TT和TDQ法。对目前广泛使用的需要预先测量速度的微震震源定位传统方法进行总结分析,将其归纳为2种数学形式,按其因变量为到时、到时差依次称为STT和STD法。通过算例分析,对TT,TD及STT以及STD法在速度浮动误差为0,1%,2%,3%,4%,5%的6个水平进行误差分析比较。研究发现,对于在传感器阵列内的震源,TD法的定位精度最高。TT和TD法无需预先给定速度,不受速度的影响,绝对距离误差区间分别为0～1.013 4和0.01～0.014 m。由此可见,TD法较稳定;STT和STD法在给定速度真值时,绝对距离误差为0～0.981 m;但当传统方法在给速度一个较小的误差1%～5%下,会导致较大的定位误差,较大的达到24.27 m。最后,对新方法在建有微震监测系统的冬瓜山铜矿进行验证,通过爆破模拟微震源,微震监测系统接受爆破信号,通过不同区域的3次爆破试验研究发现,TD法的定位精度最高,它在不需要预先测量速度的情况下,无论3个坐标各自的均值还是绝对距离误差均小于STT,STD和TT法。可见,TD法具有较高的定位精度,算法稳定,定位中只需传感器坐标及时间差即可,是合理可靠的,消除传统定位方法中速度误差给定位带来的影响。     

考虑地震波折射的层状介质微震源定位方法

现有的微震源定位方法假设地震波沿直线传播,定位结果往往不能满足精度要求,为此建立一种新的微震源快速定位方法——地震波最小走时面法。该方法考虑波的传播符合斯涅尔定律而提出地震波最小走时路径射线传播平面的假设,通过旋转坐标系,将地震波三维传播路径转换为二维平面传播路径,实现平行分层岩体中相对准确的地震波初至到时计算,并在三层水平模型中采用改进的遗传算法进行微震源的优化求解验证假设的有效性,同时对影响定位精度的因素进行分析。结果表明,最小走时面法所得地震波走时明显优于传统最短几何路径走时计算方法,二者的差值是微震源和传感器连线倾角α和间距L的函数;该算法在多层岩体的微震源定位中具有良好的定位精度,且不受介质波速比的影响。     

微震源定位的两步反演方法研究

 微震源定位是微震监测技术的核心。微震源定位问题中的已知参数几乎都存在误差,现有微震源定位算法通常通过最小化所有检波器的到时(差)值函数,但得到的定位结果往往会偏离震源实际位置。针对现有微震源定位算法的不足,提出一种由两步反演构成的微震源定位新方法;在新方法中,一次反演识别异常检波器,二次反演实现震源空间坐标的精确搜索。基于均匀速度假设,分别建立3参数、4参数和5参数的反演模型。应用多目标遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm–II,简称NSGA–II)实现一次反演,为实现震源的精确搜索和减少计算时间,二次反演建议采用单目标优化算法实现。将提出的方法用于某矿井工程震源定位实例中,计算结果表明：提出方法能够有效的识别异常检波器,定位结果也较未剔除异常检波器时有了大幅度提升,且相对而言,4参数反演模型的定位结果优于5参数模型。该文方法可作为微震源定位的一种参考。     

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     

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。     

未知波速系统中声发射与微震震源三维解析综合定位方法及工程应用

 目前常用的声发射与微震震源定位方法存在的问题有：定位精度严重依赖于迭代算法、迭代初值和预先测定的波速值;已有的解析定位方法因含有平方根亦存在解不唯一的问题。为解决以上两大方面的定位难题,建立了未知波速系统的三维微震或声发射震源定位的控制方程,求得该系统下的解析解,该解析解在传感器数量N = 6时,可以确定唯一的微震或声发射震源坐标,求解方程亦为线性方程,解唯一,与已有的三维定位的解析解相比,其优势在于坐标值计算没有平方根运算,没有虚根,解唯一。当传感器数量大于6时,提出了基于解析解与Log-logistic概率密度函数的综合定位方法。对建立的三维解析综合定位方法用冬瓜山矿爆破试验进行验证,结果表明,定位精度较高。通过与已有方法比较分析发现,三维解析综合定位方法比传统方法的定位结果精度高,综合定位方法的优势在于不需要迭代求解,计算公式简单,物理意义明确,不受波速和迭代算法的影响,较传统方法TT(无需测速到时法)和TD(无需测速到时差法)更具有工程实际应用价值。     

基于MSFM的复杂速度岩体微震定位研究

快速精准的微震震源定位方法是微震监测技术更好地发挥岩体稳定性预测预警作用的基础。精确的初至波走时计算是提高微震定位精度的关键。针对实际工程中带有空洞和速度分区的复杂波速岩体,引入速度快、精度高和对复杂模型适应性强的多模板快速行进法multi-stencils fast marching methods(MSFM)用于初至波走时计算。该方法利用坐标旋转的方式生成新的计算模板,使网格对角邻点参与计算,提高了the Fast Marching Method(FMM)在对角方向的计算精度。首先,对比分析了一、二阶FMM和MSFM计算精度和效率,表明二阶MSFM具有更高的计算精度;其次,在分层速度岩体和带空洞岩体中分别采用单一速度模型和二阶MSFM计算初至波走时,通过与解析解对比发现,二阶MSFM较单一速度模型的计算绝对误差平均减小了97.65%和95.18%;然后,建立速度分层且带有隧洞的岩体模型,验证了二阶MSFM算法对复杂速度模型适应性极强的特点;最后,提出了基于MSFM的复杂速度岩体微震定位算法,并将其应用到白鹤滩水电站左岸边坡微震定位。通过对现场采集的4个爆破事件进行定位试算,得到使定位误差平均值最小(9.6 m)的相对最优层速度组合并用于考虑空洞的速度模型构建,爆破事件走时正演验证了本速度模型的可靠性。对2015年5月的128个微震事件分别采用单一速度模型和提出的定位算法进行定位,通过对比定位效果,发现后者定位的事件较前者在岩体主要损伤区(层内错动带LS331和LS337)附近有更明显呈条带状分布的聚集现象。研究表明MSFM算法作为走时正演方法具有很好的应用价值,提出的基于MSFM的微震定位方法能够有效地提高震源定位精度。     

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。     

公路隧道微震监测信号到时拾取研究

依托某公路隧道工程中的微震监测信号,从微震波的波形特征等方面总结分析了目前微震波到时拾取方法的优缺点,通过对依托工程微震监测信号采用多种到时拾取方法对比分析可知,将STA/LTA法与AIC法有机结合,可实现数据的快速处理与高效拾取,具有重要的工程应用价值。     

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。     

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。     

矿山尺度下微震定位精度及稳定性控制初探

对微震定位精度和稳定性控制一直是矿山微震监测工程的一个难题。通过对微震监测系统误差的深入剖析,提出了“统一定位误差”的概念,将微震定位的误差条件进行了前置性统一；结合非线性定位的特点,对微震定位参数进行了非线性变换,提出了降维定位的基本思路及实现方法,解释了平面截割定位的几何原理,揭示了微震定位（平面截割法）的基本实质,并研究了内、外场定位的定位稳定性及控制方法。研究表明,“统一定位误差”是实现对微震定位精度控制的前置杠杆及控制尺度,指出微震定位结果的精度从属于几何定位,单一数值解（迭代极小值或最优化极小值）不具备绝对工程意义。理论分析及试验结果证实,平面截割定位是控制内、外近场定位尺度条件下的控制定位稳定性的有效途径。     

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。     

基于高密度台阵的小尺度区域微震定位研究

准确的震源定位是微震研究的基础。针对微震定位误差较大的情况,探究了台阵密度同定位误差之间的联系。通过建立了立体监测体系模型,以到时差为变量建立目标方程,采用粒子群算法进行定位求解,研究了定位方法、波速误差和震源位置对定位的影响;根据现场试验,分析了台阵密度对定位的影响。研究发现,波速误差对定位误差有着极大影响,且定位波速过小带来的误差更大;台站包络范围内的定位效果好于外部,波速误差越大,效果越明显。台阵密度对定位的影响体现在两方面:第一,台站阵面数量,定位精度从高到低依次是多阵面,近震源单阵面,远震源单阵面;第二,台站的数量,采用多阵面定位时,震源定位误差同台站数量呈负指数相关。研究成果可以为矿山微震监测和中小尺度微震的研究提供一定的参考作用。