矿山微震源智能定位方法技术

本发明专利技术公开了一种微震源智能定位方法，该方法是一种综合考虑多种影响因素和多种目标，集传感器布置－噪音滤波－微震源定位分析－三维显示于一体的微震源智能定位系统，通过自行开发的程序，实现了矿山井下地质灾害孕育、发展、发生全过程的实时分析与预报，解决了传统传感器布置方法不系统、噪音滤波不完全、微震波速度模型给不准和定位方法易发散的不足，系统具有操作界面友好、噪音滤波性能优良、微震源定位分析精准且方便快捷、结果显示直观形象及应用面广的特点。对于矿业工程、水利水电工程、石油工程、岩土工程以及地下工程等领域具有广泛的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿山微震监测
，更具体涉及一种，该方法可广泛用于矿业工程、水利水电工程、石油工程、岩土工程以及地下工程。
技术介绍
随着我国国民经济的高速增长，深部采矿已成为我国采矿的一个主要发展方向。矿山开采深度的加大，地应力相应增大，开采条件的恶化，导致开采时出现冒顶、片帮等现象明显增多，甚至出现岩爆等动力地压灾害，给国家、矿山企业和人民群众造成了巨大的生命财产和经济损失，严重制约了国民经济和矿山企业的可持续发展。资料统计显示，随着开采深度的增加，红透山铜矿、凡口铅锌矿、铜陵狮子山铜矿、山东玲珑金矿、湘西金矿、冬瓜山矿等矿山的动力灾害明显呈增加趋势，支护翻修工程也大为增加；与世界主要产煤国相比，我国煤矿地质构造复杂，矿井事故多发，平均百万吨死亡率在2-6左右，是美国的100倍左右和南非的30倍左右，年死亡人数6000人左右，是全球其他产煤国家死亡人数总和的3倍。因此，矿山地压与井下地质灾害的监测与预报已成为我国矿山安全亟待解决的难题。研究表明，不管是非煤矿山冲击地压、矿震等动力灾害，还是煤矿的煤与瓦斯突出(或涌出)和煤矿底板突水等灾害，都是矿山开采过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳的结果。监测表明，不管是哪种矿山动力灾害，多数情况下，在动力灾害出现之前，都有微破裂(微震活动)前兆。因此，监测微震活动，获取灾害来临的前兆信息对于矿山地质灾害预报具有极其重要的意义。 对于监测工具及设备，国内外已进行了深入系统的研究，而对于微震监测传感器布置方法、噪音多指标消除技术、微震源高精度智能定位技术的研究，尚需要进一步提高，国内外已有方法主要存在以下不足 1.传感器布置方法 传感器布置不仅影响微震信号的监测，而且对不同的微震定位算法的定位速度、精度及定位结果的唯一性也有不同程度的影响。合理的传感器布置方案不仅能够更大范围地监测到更多有效微震信号，而且能使定位算法快速准确的确定震源位置和发震时间。目前传感器布置主要是根据经验，经验不同的工作人员布置的传感器监测到的微震信号往往差异较大，往往不能使传感器最大程度地监测到有效微震信号，也很难保证传感器形成一个良性阵列，致使微震定位速度及精度受到不同程度的影响，矿震准确预测预报也很大程度上受到了限制。因此，非常有必要对传感器布置进行优化。 2.噪音滤波技术 现场微震监测，噪音消除是一项非常重要的技术措施，是岩爆能否成功预测的决定因素之一。目前的噪音消除方法多采用单一指标(比如门槛值、平均频率或者振铃数等)，但对于多噪音相互交织(施工车辆、锚杆钻机、空压机、TBM工作噪音等)，且噪音信号特征与围岩实际破裂特征较为接近的条件下，单一指标往往无法较好的滤去环境噪音的影响。因此，有必要研究多指标滤波技术，进一步提高有效信号的识别能力。 3.微震源定位分析方法 微震源定位方法前人已做了大量研究，实际应用中，根据参与求解的参数的不同一般可分为两类，一是已知速度模型，求解发震时间和微震源位置的经典定位方法；一是微震源位置、发震时间和速度模型一起求解的联合法定位方法。前者，在地震领域、采矿工程中应用最为广泛，速度模型给不准是该方法的最大不足，虽前人对速度模型做了许多研究，但由于岩石材料是复杂的，非均质的，含有大量裂隙、节理和微不连续面的，且事先很难确定这些不良体的位置、尺寸及走向的，也很难划清这些不良体之间的界限，事先合理给定波速模型仍然是困难的，这很大程度上影响了定位算法的稳定性和定位精度；后者较好地解决了速度模型给不准的问题，较大程度上提高了微震源定位精度，但微震源位置、发震时间和介质速度这些参数的相互关联，又带来了定位结果不稳定的问题。另外这些定位算法主要采用最小二乘法进行求解，此类方法最大缺点是求解过程中易发散。为了提高解的稳定性尽管学者们提出了各种改进方法，如奇异矩阵分解法、阻尼最小二乘法等，但各种改进的方法还都属于线形定位的范畴，总是解决了这个问题带来了那个问题。因此，有必要另辟蹊径探索新的定位算法和求解方法。 为此，在采集微震信号，进行微震定位时，必须对传感器位置进行合理优化，使其尽可能监测到更多的有效信息，形成一个良性的传感器阵列；对速度模型进行正确辨识，使其能正确计算微震信号在介质中的传播时间；对多噪音交织信号进行滤波，使其最大程度获取有效信号；对震源定位方法进行改进，尽可能避免微震定位中的解不稳定现象，快速准确的定位微震发生的位置和时间，方便快捷的全方位的显示分析与预报的结果，为矿山地质灾害的预测预报提供更为准确可靠的信息。微震智能定位分析方法就是为了解决这些问题而提出的，该方法不仅可以监测到更多的微震信号，有效消除环境噪音的影响，快速精确定位矿山微震源的位置，而且还可以通过岩石内部裂纹演化实时定位研究裂纹演化规律及机理，是室内(或现场)试验研究岩石破坏规律与模式的重要手段。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供了一种微震源智能定位方法，解决现有方法存在的上述问题和不足，进一步改善微震源时空定位精度，提高了矿山灾害预报的精度。该方法实现了传感器布置自动优化、井下灾害孕育过程实时分析、灾害发生位置和时间高精度预报及传感器布置方案、监控分析和预报结果的动态三维直观显示。该方法不仅可用于矿山地下、露天开采过程中地质灾害孕育、发展、发生全过程的实时监控，还可用于加载过程中硬岩破坏机理、破坏模式及损伤演化规律的室内(或现场)试验研究，同时对于隧道工程、水利水电工程、油气田开采、核废料处置等领域也具有广泛的应用价值。 为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施 1)基于数值分析和粒子群优化方法(Particle Swarm Optimization，PSO)微震源监测传感器布置优化技术；2)微震信号多指标智能滤波技术；3)微震源分层智能定位技术；4)微震分析和预测结果三维动态显示技术。 一种微震源智能定位方法，其步骤是 A、基于数值分析和PSO优化方法微震源监测传感器布置优化技术 1、首先，根据矿山实际采矿工艺(例如有底柱阶段矿房法)，地质条件(例如水平构造应力为主，岩体裂隙发育)，建立数值模拟模型，对矿山开采活动先进行数值分析，整体上把握开采过程中矿山地质灾害有可能出现的区域，作为微震监测传感器布置优化的重点区域。 2、在矿山安全生产关心的开采活动范围内，结合数值分析结果，确定N个(例如N＝100)微震源(三维坐标和发震时间)。 3、根据矿山不同性质矿岩波速试验、采空区波速试验及不同性质岩层的分布，确定微震波传播速度模型及取值范围。 4、接着，根据矿山实际采矿工艺，确定传感器布置的范围，并在范围内利用混合同余法随机产生X组(例如X＝16)传感器位置(三维坐标)，每组M个(例如M＝30)传感器位置。 5、对每组传感器，判断震源微震信号传播到传感器所经历的断层和采空区，并计算微震信号在其中传播的距离，自动选择合适的速度模型，根据公式(a)计算得到N×M个(100×30＝3000个)传感器监测到时。 其中，tij为第j个检波器接收到第i个微震源发出的信号的时间，Ti为第i个微震源发震时刻，V为波在介质中传播的等效波速，Lij为第i个微震源到第j个检波器的距离，计算公式如下 式中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微震源智能定位方法，其步骤是：Ａ、基于数值分析和ＰＳＯ方法微震源监测传感器布置：（１）、根据矿山实际采矿工艺，地质条件，建立数值模拟模型，对矿山开采活动先进行数值分析，整体上把握开采过程中矿山地质灾害出现的区域，作为微震监测传感器布置区域；（２）在矿山开采活动范围内，结合数值分析结果，确定Ｎ个微震源；（３）根据矿山不同性质矿岩波速试验、采空区波速试验及不同性质岩层的分布，确定微震波传播速度模型及取值范围；（４）接着，根据矿山实际采矿工艺，确定传感器布置的范围，并在范围内利原理，由公式（ｃ）计算粒子的值，判断事先设定的飞行次数和定位精度，满足，进行本节第（６）步；ｆ＝＊［Ｔ↓［ｋ］↑［Ｍ］－Ｔ↓［ｋ］↑［Ｃ］］↑［２］（ｃ）式中，Ｔ↓［ｋ］↑［Ｍ］和Ｔ↓［ｋ］↑［Ｃ］分别是第ｋ个传感器监测和计算到时；（５）将识别到的微震源坐标和速度模型代入式（ｆ）得到微震源发震时间ｔ；ｔ＝＊（ｗ↓［ｋ］－Ｌ↓［ｋ］／Ｖ）／ｎ（ｆ）（６）判断微震信号传播到传感器穿过断层、空区，穿过剔除该信号，返回本节第（２）步重新定位；Ｄ、三维显示技术，该部分是在ＶＣ＋＋环境下集成ＡｕｔｏＣＡＤ动态链接库开发成的，是将监测结果、分析结果及工程三维立体模型形象显示，由监测信息数据库，几何模型信息数据库和分析结果存储数据库组成，三个数据库分别用来存储微震设备监测的各种波形信息及特征、岩土工程各个部位的具体几何尺寸、位置及测点布置信息特征数据和利用上述智能处理分析的结果，三者相互联系，信息互通。用混合同余法随机产生Ｘ组传感器位置，每组Ｍ个传感器位置；（５）对每组传感器，判断震源微震信号传播到传感器所经历的断层和采空区，并计算微震信号在其中传播的距离，自动选择速度模型，根据公式计（ａ）算得到Ｎ×Ｍ个传感器监测到时：ｔ↓［ｉｊ］＝Ｔ↓［ｉ］＋Ｌ↓［ｉｊ］／Ｖ（ａ）其中，ｔ↓［ｉｊ］为第ｊ个检波器接收到第ｉ个微震源发出的信号的时间，Ｔ↓［ｉ］为第ｉ个微震源发震时刻，Ｖ为波在介质中传播的等效波速，Ｌ↓［ｉｊ］为第ｉ个微震源到第ｊ个检波器的距离，计算如下：Ｌ↓［ｉｊ］＝＊＊＊式中，（ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ，］ｚ↓［ｉ］）第ｉ个微震源位置坐标，（ｘ↓［ｊ］，ｙ↓［ｊ］，ｚ↓［ｊ］）为第ｋ个检波器位置坐标；（６）对计算到时按公式（ｂ）进行随机扰动，获得Ｎ×Ｍ个虚拟监测到时：ｔ↓［Ｖ］＝（１＋３ｃ（－１）↑［ｘ］ａ↓［０］）ｔ↓［ｃ］（ｂ）其中，ｔ↓［ｃ］为虚拟监测...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炳瑞，冯夏庭，徐速超，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]