地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法技术

本发明专利技术公开了一种地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，该方法包括获取所有的传感器的坐标点位置及实际震源点的坐标点位置；遍历并计算各传感器到预搭建的三维笛卡尔坐标网格模型内所有网格节点的走时值，并进行求差计算，以建立理论到时差数据库；基于P波的采集初始时间，计算各传感器的到达时间差，建立实际到时差数据库；将理论到时差数据库和实际到时差数据库进行对比，得到h函数值并按照从小到大顺序进行排序；选择目标h函数值，并将各目标h函数值对应的目标网格节点进行标号，计算并输出震源点的空间坐标。该方法能够较为准确地监测到微震事件发生的空间位置，可以提高具有各向异性特征的区域岩体的微震震源定位精度。的微震震源定位精度。的微震震源定位精度。

【技术实现步骤摘要】
地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法


[0001]本专利技术涉及工程安全技术监测领域，尤其涉及一种地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法。

技术介绍

[0002]近年来，人们越来越重视对于深部资源的开发与利用，进而促进了地下工程及隧道工程的发展。许多地下工程项目必须在层状岩体中施工，因为层状岩体在整个地球表面普遍分布。层状岩体是由地壳上预先存在的原始物质形成的。在层状岩体的整个成岩过程中，岩体连续性中的地质成因断裂可导致岩石分层，地震波波速呈现出各向异性。然而复杂的地质环境导致工程开挖过程中众多地质灾害的发生。因此，在工程活动中，对于地下工程的安全监测及工程防灾减灾监测尤为必要。基于地震学和地球物理学的微震监测技术应运而生，在地下工程开挖、边坡稳定性监测等领域取得了良好的应用。其中，使用准确的震源定位算法，获取精确的破裂发生时间及空间位置是微震监测技术的重点。
[0003]微震监测技术是利用岩体破裂过程中产生的弹性波信号来研究和评估岩体稳定性的一种动态的、连续的实时监测技术。震源定位是指微震监测系统利用采集到的微震信号，通过震源定位算法，反演出监测区域范围内微震事件的空间位置和发震时刻，并对震源定位结果的可靠性进行评价的过程。目前，常用的震源定位方法包括基于到时的震源定位和基于三轴传感器的震源定位。基于到时理论的震源定位方法种类繁多，其中经典Geiger算法和Nelder单纯形法等算法应用广泛，并在后来众多学者的研究和改进下取得了良好的定位效果。考虑到P波、S波到时的基于三轴传感器的震源定位方法能够相对稳定地获取到定位结果，但是在小尺度微震监测范围内有局限性。这些传统的定位方法多基于单一波速模型的假设，然而实际工程中的地质条件具有复杂性。在地下工程交叉连通区域，地下硐室的交叉布置使得施工过程变得复杂。随着地下硐室开挖过程的进行，地下工程中形成空洞区域。空洞区域的波速与周围岩体波速相差较大，岩体由于多分层或分块分布因而呈现出明显的各向异性特征。因此在此区域内，震波波速值具有较大的差异，采用单一的波速模型会对定位结果造成较大的误差，很难准确地定位到岩体破裂的真实空间位置。针对于各向异性岩体的定位，考虑到弹性波通过不同岩层时P波波速值的差异以及P波射线路径的变化，传统的震源定位方法无法准确有效地计算层状岩体破裂的震源位置。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，旨在解决传统的震源定位方法无法准确有效地计算层状岩体破裂的震源位置的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其包括：
[0006]S101、获取所有的传感器的坐标点位置及实际震源点的坐标点位置；
[0007]S102、遍历并计算各传感器到预搭建的三维笛卡尔坐标网格模型内所有网格节点
的走时值，并对各传感器到所述三维笛卡尔坐标网格模型内各个网格节点的走时值进行求差计算，以得到计算结果并建立理论到时差数据库Th，其中，所述三维笛卡尔坐标网格模型由预划分的监测区域离散化得到；
[0008]S103、获取P波的采集初始时间，并基于所述P波的采集初始时间，计算各传感器的到达时间差，建立实际到时差数据库Ac；
[0009]S104、用第一矩阵T
ij
表示所述理论到时差数据库Th，并用第二矩阵A
ij
表示实际到时差数据库Ac，其中，所述矩阵A
ij
中的元素ψ
ij
按下式表示：
[0010]ψ
cd
＝p
c
‑
p
d
＝(p
in
+Δp
c
)
‑
(p
in
+Δp
d
)＝Δp
c
‑
Δp
d
(1≤c≤m,1≤d
[0011]≤m)
[0012]其中，m表示监测区域内所有的传感器数量，p
c
和p
d
分别表示第c个传感器和第d个传感器的到时值，p
in
表示发震时间，Δp
c
和Δp
d
分别表示震源传至第c个传感器和第d个传感器的走时值；
[0013]S105、按下式将理论到时差数据库Th和实际到时差数据库Ac进行对比，得到h函数值：
[0014][0015]其中，T
ijk
表示第k个网格节点处的理论到时差矩阵；
[0016]S106、在得到所有的所述h函数值后，将所有的所述h函数值按照从小到大顺序进行排序；
[0017]S107、选择前q个目标h函数值，并将各目标h函数值对应的目标网格节点进行标号，其中，标号格式为(X
q
,Y
q
,Z
q
)；
[0018]S108、按照下式计算并输出震源点的空间坐标(X
o
,Y
o
,Z
o
)：
[0019][0020]其中，(X
p
,Y
p
,Z
p
)表示所有目标网格节点中任一网格节点的坐标值。
[0021]另外，本专利技术要解决的技术问题是还在于提供一种地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位装置，其包括：
[0022]获取单元，用于获取所有的传感器的坐标点位置及实际震源点的坐标点位置；
[0023]理论到时差数据库建立单元，用于遍历并计算各传感器到预搭建的三维笛卡尔坐标网格模型内所有网格节点的走时值，并对各传感器到所述三维笛卡尔坐标网格模型内各个网格节点的走时值进行求差计算，以得到计算结果并建立理论到时差数据库Th，其中，所
述三维笛卡尔坐标网格模型由预划分的监测区域离散化得到；
[0024]实际到时差数据库建立单元，用于获取P波的采集初始时间，并基于所述P波的采集初始时间，计算各传感器的到达时间差，建立实际到时差数据库Ac；
[0025]表示单元，用于用第一矩阵T
ij
表示所述理论到时差数据库Th，并用第二矩阵A
ij
表示实际到时差数据库Ac，其中，所述矩阵A
ij
中的元素ψ
ij
按下式表示：
[0026]ψ
cd
＝p
c
‑
p
d
＝(p
in
+Δp
c
)
‑
(p
in
+Δp
d
)＝Δp
c
‑
Δp
d
(1≤c≤m,1≤d
[0027]≤m)
[0028]其中，m表示监测区域内所有的传感器数量，p
c...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其特征在于，包括：S101、获取所有的传感器的坐标点位置及实际震源点的坐标点位置；S102、遍历并计算各传感器到预搭建的三维笛卡尔坐标网格模型内所有网格节点的走时值，并对各传感器到所述三维笛卡尔坐标网格模型内各个网格节点的走时值进行求差计算，以得到计算结果并建立理论到时差数据库Th，其中，所述三维笛卡尔坐标网格模型由预划分的监测区域离散化得到；S103、获取P波的采集初始时间，并基于所述P波的采集初始时间，计算各传感器的到达时间差，建立实际到时差数据库Ac；S104、用第一矩阵T
ij
表示所述理论到时差数据库Th，并用第二矩阵A
ij
表示实际到时差数据库Ac，其中，所述矩阵A
ij
中的元素ψ
ij
按下式表示：ψ
cd
＝p
c
‑
p
d
＝(p
in
+Δp
c
)
‑
(p
in
+Δp
d
)＝Δp
c
‑
Δp
d
(1≤c≤m,1≤d≤m)其中，m表示监测区域内所有的传感器数量，p
c
和p
d
分别表示第c个传感器和第d个传感器的到时值，p
in
表示发震时间，Δp
c
和Δp
d
分别表示震源传至第c个传感器和第d个传感器的走时值；S105、按下式将理论到时差数据库Th和实际到时差数据库Ac进行对比，得到h函数值：其中，T
ijk
表示第k个网格节点处的理论到时差矩阵；S106、在得到所有的所述h函数值后，将所有的所述h函数值按照从小到大顺序进行排序；S107、选择前q个目标h函数值，并将各目标h函数值对应的目标网格节点进行标号，其中，标号格式为(X
q
,Y
q
,Z
q
)；S108、按照下式计算并输出震源点的空间坐标(X
o
,Y
o
,Z
o
)：其中，(X
p
,Y
p
,Z
p
)表示所有目标网格节点中任一网格节点的坐标值。2.根据权利要求1所述的地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其特征在于，所述步骤S102中“所述三维笛卡尔坐标网格模型由预划分的监测区域离散化得到”，包括：S20、将预先划分的监测区域离散化为三维笛卡尔坐标网格模型；
S21、采集所述监测区域的微震纵波波速，并将所述微震纵波波速分解成岩层方向的第一波速v
p
和垂直于岩层方向的第二波速v
v
，且将所述监测区域内开挖的空洞的波速表征为第三波速v
k
；S22、基于所有的所述第一波速、第二波速和第三波速，分别建立第一矩阵V
P
、第二矩阵V
V
、第三矩阵V
k
，其中，基于所述第一矩阵的三个维度行、列、页的数目，确定所述三维笛卡尔坐标网格模型的网络格点数；S23、按下式计算所述三维笛卡尔坐标网格模型的长度Lx、宽度Ly和高度Lz：其中，ux、vy和wz分别表征所述三维笛卡尔坐标网格模型的x轴、y轴和z轴方向的网格大小。3.根据权利要求2所述的地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其特征在于，所述步骤S102中“所述遍历并计算各传感器到所述三维笛卡尔坐标网格模型内所有网格节点的走时值”之前，包括：S30、获取当前传感器的坐标点位置，并将当前传感器作为初始点，且将与当前传感器相邻的网格节点作为相邻点；S31、基于初始点的坐标点位置，按下式计算所有相邻点所对应的邻点坐标(i,j,k)，以得到对应的狭长域：其中，h
x
、h
y
、h
z
分别是在x轴、y轴和z轴方向上的步长；S32、在所述邻点坐标中i、j、k的数值均大于0且所述相邻点对应的网格节点类型为未计算点时，将步长按下式设置：h
x
＝h
y
＝h
z
＝hS33、判断所述初始点和相邻点是否同位于所述三维笛卡尔坐标网格模型中的x轴、y轴构成的平面，若同位于所述三维笛卡尔坐标网格模型中的x轴、y轴构成的平面，则按照公式(1)进行计算所述相邻点的横向走时值，若不位于同一所述三维笛卡尔坐标网格模型中的x轴、y轴构成的平面，则按照公式(2)进行计算所述相邻点的纵向走时值：轴、y轴构成的平面，则按照公式(2)进行计算所述相邻点的纵向走时值：其中，p(i,j,k)表示网格节点(i,j,k)的走时值，p(x,y,z)表示网格节点(x,y,z)的走时值；S34、获取相邻点的历史走时值t(i,j,k)，并按下式比较所述历史走时值与计算得到的当前走时值：
S35、在得到所述狭长域中所有的相邻点的走时值后，选择所述狭长域中当前走时值最小的相邻点作为拓展点，且标记并存储为已计算点。4.根据权利要求3所述的地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其特征在于，所述步骤S102，包括：S40、获取所述拓展点的相邻点，并判断所述相邻点的网格节点类型，若所述相邻点的网格节点类型为已计算点，则不对所述相邻点的走时值进行更新，并继续对下一相邻点进行判断；S41、若所述相邻点的网格节点类型为待定点，则判断所述初始点和相邻点是否同位于所述三维笛卡尔坐标网格模型中的x轴、y轴构成的平面，若同位于所述三维笛卡尔坐标网格模型中的x轴、y轴构成的平面，则按照公式(4)进行计算所述相邻点的横向走时值，并按照公式(3)对相邻点的走时值进行更新；若不位于同一所述三维笛卡尔坐标网格模型中的x轴、y轴构成的平面，则按照公式(2)进行计算所述相邻点的纵向走时值，并按照公式(3)对相邻点的走时值进行更新：若所述相邻点的网格节点类型为未计算点，则按照公式(4)或公式(2)计算所述相邻点的走时值，并将所述相邻点的网格节点类型更新为待定点；S42、在对所述拓展点所有的相邻点的网格节点类型进行更新后，新的待定点组成一条新的狭长域；S43、获取所述新的狭长域中的走时值最小的网格节点，基于所述走时值最小的网格节点进行邻点走时计算、更新邻点的节点类型、确定新的狭长域步骤，直至所有的网格节点的类型全部为已计算点。5.根据权利要求4所述的地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其特征在于，所述步骤S102，包括：S50、获取所述初始点的相邻点和拓展点的相邻点，并判断所述相邻点的网格节点类型，若所述相邻点的网格节点类型为已计算点，则继续对下一相邻点进行判断；S51、若所述相邻点的网格节点类型为待定点，则按照公式(5)计算所述相邻点的走时值，并按照公式(3)更新相邻点的走时值，若所述相邻点的网格节点类型为为未计算点，则按公式(5)所述相邻点的走时值，并将所述相邻点的网格节点类型更新为待定点：其中，n表示O
‑
与O
+
的阶数，P
a,b,c
表示网格节点(a,b,c)的走时值，Q
a,b,c
表示网格节点(a,b,c)的倒速度，其中，所述倒速度Q
a,b,c
用按下式获取：其中，V
a,b,c
表示网格节点(a,b,c)处的等效波速，所述网格节点(a,b,c)处的等效波速
按下式获取：其中，β表示岩层与地震波传播方向之间的夹角；其中，在x轴方向上，O
‑
P与O
+
P的一阶、二阶和三阶形式分别用下式表示：其中，所述网格节点(a,b,c)处的走时值P
a,b,c
通过上式(5)计算得到。6.根据权利要求5所述的地下工程交叉连通区域波速各向异性岩体破裂定位方法，其特征在于，所述步骤S51中：“所述按公式(5)所述相邻点的走时值”，包括：S60、若O
‑
P与O
+
P的阶数为1，按下式获取在x轴方向上的O
‑
P与O
+
P：其中，P
x
、P
y

【专利技术属性】
技术研发人员：李昂，戴峰，刘燚，段忠岚，蒋若辰，宋丁然，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：