CN102495425A - 一种基于能量的微地震震源自动定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于能量的微地震震源自动定位方法，属于微地震检测领域，涉及微震监测系统中震源定位方法，特别是震源的自动定位方法和提高定位精度的方法。本发明采用地震波动力学方法--基于地震波能量衰减方程的震源定位算法，而地震波的能量不需要复杂的计算，采用最大振幅或振幅的平方和等参数表示能量，根本不需要拾取地震波到时，从而解决了微震震源的自动定位问题；由于采用能量差作为优化变量，而能量衰减与距离直接相关，克服了走时差作为优化变量只和走时差(距离差)有关而与距离本身大小不直接相关的缺陷，提高了外场定位精度，尤其垂直方向的精度，也提高了定位结果的稳定性。

Description

一种基于能量的微地震震源自动定位方法

技术领域

本发明属于微地震检测领域，涉及微震监测系统中震源定位方法，特别是震源的自动定位方法和提高定位精度的方法。

背景技术

微震监测技术作为岩体内部破裂场的监测技术，具有远程、三维和实时的特点，在矿山、岩土、水利水电等工程中具有广阔的应用前景，日益受到人们的重视。而微震监测技术的核心是震源定位，能否进行快速、准确的定位是微震监测系统能否发挥作用的关键。

典型的微震监测系统功能可以描述为：首先依据被检测区域空间特点在岩体中布设多组检波器，检波器实时采集岩体的震动信息，当有微震事件发生时，数据采集系统识别事件并记录地震波形文件，后处理系统进行滤波、到时拾取及事件有效性判别，然后依据到时数据及检波器位置信息构成震源求解方程，最后将震源信息以图形方式进行展示和分析，以便揭示岩体内部微破裂规律。

传统的震源定位方法主要通过求解各个检波器理论到时与观测到时残差和目标方程来进行震源定位，各种具体方法的区别在于到时拾取方法、具体的方程形式及方程的优化求解方法。快速定位甚至自动定位、提高定位精度一直是人们努力的方向，文献1（Volker Oye. Computers & Geosciences.2003,29(7)）采用时窗能量法（计算STA和LTA)进行事件触发，基于AIC准则采用AR模型进行到时的自动选取，从而实现自动定位，但该方法对于能量较小的微震事件仍然难以取得很好的到时拾取效果，而且微震事件的震源距很小，很难区分P波到时和S波到时，而P波速度是S波速度的                                                

倍，导致走时计算中产生较大误差，从而影响定位精度。文献2（赵仲和.地震地磁观测与研究.2005, 26(1)）提到Shearer波形相关方法，其基本思路是通过理论权函数与地震记录波形特征函数的拟合，按照一定判据，在(x，y，z，t)四维空间搜索地震的发震时刻和震源位置，实质上属于一种震源搜索算法(SSA),虽然不用拾取到时，但通过地震波走时方程计算不同地点波形特征函数,并通过比较特征函数值进行震源定位，通常来说，其精度要低于需要拾取到时的算法，所以不适宜需要高精度定位的采矿工程微震监测项目。另外，震源搜素算法是一种计算所有可能震源位置及发震时刻的枚举算法，计算量大、精度低。

综上所述，传统的基于地震波走时方程的震源定位方法难以实现自动定位，已公布的自动拾取到时的方法或无需直接拾取到时的方法其精度和实用性存在不足，无法满足微震监测高精度自动定位的要求。另外，基于走时方程的定位算法受内场定位精度高、外场定位精度低特有规律的制约，当震源发生在外场时定位精度低、定位结果不稳定，这也是基于地震波走时方程定位方法难以克服的缺点，而由于受现场检波器安装技术、经济及安全条件的限制，外场定位的情况是难以避免的。

发明内容

本发明所要解决的关键问题是，改变传统基于地震波走时方程的震源定位算法，解决地震波到时拾取中存在的问题，如人工拾取效率低、偏差大，自动化拾取精度低、适应性差，难以实现自动定位等问题；解决外场定位误差大、定位结果不稳定，尤其矿山采场工作面定位中高度定位误差大的问题。采用地震波动力学方法--基于地震波能量衰减方程的震源定位算法，而地震波的能量不需要复杂的计算，采用最大振幅或振幅的平方和等参数表示能量，根本不需要拾取地震波到时，从而解决了微震震源的自动定位问题；由于地震波的能量与传播距离直接相关，克服了外场定位时走时差与传播距离不敏感的问题，从而提高定位精度和定位结果的稳定性。

本发明的技术方案为：

（1）在被检测区域布设检波器，尽量构成内场定位环境。保证检波器与岩体的紧密耦合，准确测量记录各检波器位置坐标、敏感度等参数；

（2）信息采集系统自动识别微震事件，记录微震事件波形数据；

（3）对波形数据进行滤波、事件有效性判别及参数计算，主要参数包括代表能量的各检波器位置处地震波最大振幅V_i，代表到时的事件触发时间t。由于到时不用于定位计算，只是用来表示地震发生时间，所以其精度只要求到秒，而用于定位计算的到时精度至少到毫秒。直接使用精确到秒的事件触发时间作为发震时间也是工程实践中的通常做法。

（4）设置能量衰减参数

基于地震波运动学震源定位的关键参数是能量（速度）的衰减系数。各检波器位置处质点震动速度理论峰值表示为：

式中，为检波器位置处质点最大振速计算值，V₀为震源处质点最大振动速度，

为震源距，α为地震波衰减系数，α大于1。

式中，（x_i，y_i，z_i）为检波器位置坐标，（x₀，y₀，z₀）为震源坐标。

地震波能量衰减系数有两种设置方式：

① 事先指定衰减系数。对现场标定数据或典型微震事件数据进行回归分析，采用负指数回归模型，用最小二乘法回归出衰减系数，并作为监测区域地震波衰减系数。在监测过程中，该参数应根据监测区域介质特性重新标定并进行必要的调整，对于没有条件进行现场标定的项目，可以借鉴类似介质的地震波衰减系数。在能够准确计算衰减参数的情况下，事先指定参数的定位精度要高于联合反演结果。

② 衰减系数与震源位置联合反演。与震源位置参数一起作为未知参数，在迭代求解震源的过程中反演得出衰减系数。在介质复杂、衰减系数变化大或没有可借鉴参数的情况下，联合反演通常可以得出满意的定位结果。

（5）构造震源定位的目标方程

以理论计算能量值与实测能量值的残差和最小为目标进行优化求解，计算震源位置。

目标方程有两种方式，即

      （1）

或

       （2）

式中，V_i为第i个检波器的峰值震动速度，n为有效检波器个数。由于检波器坐标、实测峰值速度、衰减系数等参数存在误差，致使系统存在振速残差。当残差遵循Gauss分布时，用最小二乘法，即L2准则,通过方程（1）可以取得最佳优化结果；但这一前提条件在实际工程中常常得不到满足，当系统中存在粗差时，使用L1准则，通过方程（2）可有效降低较大的振幅残差对最终结果的影响，取得更好的计算结果。

目标函数中的参数包括震源的位置坐标（x₀，y₀，z₀）、震源振幅（V₀）共4个参数，与衰减系数联合反演时还包括衰减系数α，通常需要4个及以上的清晰波形数据构成优化目标方程。

（6）震源的迭代求解

震源定位问题属于无约束最优化问题，有多种求解方法，其中单纯形加速法是一种不使用导数求解无约束极小化问题的直接搜索方法，而且有现成的程序代码可供调用。

（7）震源的图形展示及分析

将震源结果与工程图形结合，以图形化的方式展示岩体内部微破裂场、内部应力场的空间形态及变化趋势，进而实现安全评估、风险预测等监控目的。

总之，本发明采用基于能量的微地震自动定位系统从根本上解决了制约微震定位的核心问题，即自动定位和定位精度问题。由于仅需要振幅，不需要拾取到时，所以便于实现自动定位；由于采用能量差作为优化变量，而能量衰减与距离直接相关，克服了走时差作为优化变量只和走时差(距离差)有关而与距离本身大小不直接相关的缺陷，提高了外场定位精度，尤其垂直方向的精度，也提高了定位结果的稳定性。

附图说明

图1为微震检波器水平投影图；

图2为微地震波形图；

图3 地震波能量衰减曲线。

具体实施方式

以某煤矿开采工作面微震监测项目为工程背景，介绍基于震源能量定位系统的主要实施步骤。

（1）布设检波器

本项目监测重点是底板岩层的断裂活动情况以及构造活化情况，为保证测区能形成合理的空间监测结构，同时考虑到现场施工条件及监测线路维护的方便，沿上下顺槽在顶底板中布置检波器，检波器的水平投影图如图1所示。

（2）校验炮及波形图

为校验微震监测系统各环节的工作状态，获取地震波在特定介质中的传播参数，进行了放炮标定，即通过人工震源激发地震波，然后进行各种反演分析，通过比较反演结果与已知震源的符合度进行系统标定。系统通过时窗能量法获取校验炮微震事件，并记录下地震波形，如图2所示。系统自动计算各波形最大振幅，如表1所示。其中振幅是系统记录数据，称为特征值，实际所表示的质点震动速度值应进行转换，转换公式为：

表1 

检波器	震源距(m)	最大振幅
			A1	186	4069
A2	136	16954
			A3	71	7598
B1	33	32060
			B2	70	13809
C1	71	12531
			C2	122	5011
C3	122	7312
			D1	196	2378
E1	137	7352

（3）回归计算地震波能量衰减规律

首先分析波形数据有效性，剔除异常值A2。选用负指数回归模型，采用最小二乘法回归计算地震波能量衰减规律，回归曲线如图3所示。计算得到衰减系数为1.33。

（4）构造震源优化求解方程，并通过程序反演震源

将检波器坐标(x_i,y_i,z_i)、地震波衰减系数α、各检波器位置处质点最大振幅V_i代入公式：

用单纯型加速法迭代程序优化计算，得到震源坐标P₀'（23009.4, 18738.6,-355.0），与已知震源坐标P₀（23005，18737，-351）相比，距离差ΔL=6.14m，其中Δx=4.4m，Δy=1.6m，Δz=-4.0m，具有很高的定位精度。

Claims (6)

1.一种基于能量的微地震震源自动定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在被检测区域布设检波器，准确测量记录各检波器位置坐标、敏感度参数；

（2）利用信息采集系统，对识别微震事件，记录波形数据；

（3）对波形数据进行滤波、事件有效性判别及参数计算，主要参数包括代表能量的各检波器地震波最大振幅Vi，代表到时的事件触发时间t； 

（4）设置能量衰减参数，各检波器位置处地震波理论速度振幅表示为：

式中，

为检波器位置处质点最大振速计算值，V₀为震源处质点最大振动速度，

为震源距，α为地震波衰减系数，α大于1；

式中（xi，yi，zi）为检波器位置坐标，（x₀，y₀，z₀）为震源坐标；

（5）构造震源定位的目标方程；

（6）震源的迭代求解；

（7）震源的图形展示及分析；将震源结果与工程图形结合，以图形化的方式展示岩体内部微破裂场、内部应力场的空间形态及变化趋势。

2.如权利要求1所述的基于能量的微地震震源自动定位方法，其特征在于：所述的能量衰减系数设置方式为事先指定衰减系数，对现场标定数据或典型微震事件数据进行回归分析，采用负指数回归模型，用最小二乘法回归出衰减系数，并作为监测区域地震波衰减系数。

3.如权利要求2所述的基于能量的微地震震源自动定位方法，其特征在于：在监测过程中，根据监测区域介质特性对所述的能量衰减系数重新标定并进行必要的调整。

4.如权利要求1所述的基于能量的微地震震源自动定位方法，其特征在于：所述的能量衰减系数设置方式为衰减系数与震源位置联合反演，与震源位置参数一起作为未知参数，在迭代求解震源的过程中反演得出衰减参数。

5.如权利要求1所述的基于能量的微地震震源自动定位方法，其特征在于：所述的震源定位的目标方程为：

式中，F(v)为地震波震动速度差的平方和；

为第i个检波器的峰值震动速度计算值；Vi为第i个检波器的峰值震动速度测量值；V₀为震源的峰值振动速度；n为有效检波器个数，（x_i，y_i，z_i）为第i个检波器位置坐标；（x₀，y₀，z₀）为震源坐标。

6.如权利要求1所述的基于能量的微地震震源自动定位方法，其特征在于：所述的震源定位的目标方程为：

式中，F(v)为地震波震动速度差的绝对值的和；Vi为第i个检波器的峰值速度；

为第i个检波器的峰值震动速度计算值；Vi为第i个检波器的峰值震动速度测量值；V₀为震源的峰值振动速度；n为有效检波器个数，（x_i，y_i，z_i）为第i个检波器位置坐标；（x₀，y₀，z₀）为震源坐标。

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