CN104502964B - 一种基于空间几何关系的获得微震波速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于空间几何关系的获得微震波速的方法，根据震源点和基站的空间几何关系，构建微震等效波速V的不等式，构建形如开口向上的二次函数的变化规律的时差适应函数，提出一个单调单向搜索算法，求出最佳波速。本方法完好的解决了微震定位中速度模型给不准或不唯一的问题，且不需要任何工程先验经验，依据传感器对微震到时等观测数据即可快速、高精度的解出微震波速，保障了后期微震定位算法的定位精度、提高收敛速度和算法的稳定性，具有很高的实际工程应用价值。

Description

一种基于空间几何关系的获得微震波速的方法

技术领域

本发明涉及微震监测，具体是涉及一种基于空间几何关系的获得微震波速的方法。

背景技术

微震监测是矿山动力灾害的主要监测技术之一，通过震源定位和其发生时刻来确定一个微震事件，计算其释放能量，进而统计微震活动的强弱和频率，并结合微震事件分布位置来判断潜在的矿山灾害活动规律。近年来该技术在矿井、煤矿、隧道、地热工程、核工程等地下工程和边坡、路基、堤坝等露天工程中岩体结构稳定性的监测、监控与评价等领域得到了广泛的应用。

依据传感器对微震到时等观测资料，来确定震源的空间坐标和发震时刻，是微震定位研究的主要内容之一。关于震源定位，国内外学者对微震震源定位进行了大量卓有成效的研究，提出了各种不同的震源定位方法，例如Geiger及各种改进的方法，震源位置和台站联合校正法，相对定位法、台偶时差法，EHB法，双重残差法等,大大促进了震源定位研究的发展。这些方法根据参与求解的不同可分为二类：一类是已知速度模型，求解发震时间和微震源的定位方法，简称经典法；另一类是微震源位置、发震时间和速度模型一起求解的方法，简称联合法。然而在实际工程应用中，前者方法应用最为广泛，尤以Geiger定位方法，最为常用，但速度模型给不准是该类方法的最大不足，虽然前人对速度模型做了许多研究，但仍是影响定位算法稳定性和定位精度的最大因素。后者较好的解决了速度模型给不准的问题，然而需要工程预先测得波速，增加额外工作量和需要专业的工程经验；或者使用董陇军等学者提出无需测速的微震定位方法的拟合形式，以微震定位中的起震时刻、微震坐标、波速等待求量部分或者全部当成未知量，以到时差等为目标函数进行拟合，这些都属于非线性多极值问题，只能使用一些智能优化搜索算法去求解。例如陈炳瑞学者曾采用了粒子群搜索算法进行了求解，然而由于求解过程中各参数的盲目性，在没有大量震源数据约束的情况下，会出现求解过程中为了满足方程目标函数最小而产生与实际严重不符的情况，而且搜索算法的结果本身就具有随机性，有时候甚至需要重新运行好几次，效率也不高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于空间几何关系的获得微震波速的方法，其能够实现无需任何先验经验，即可对微震波速高精度求解。

本发明所采用的技术方案包括如下步骤：

1)根据震源点和基站的空间几何关系，构建微震等效波速V的不等式；

$V\≤\frac{\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}}{|t_i-t_j|}---\left(1\right)$

式中：V为微震的等效波速，(x_i,y_i,z_i)、(x_j,y_j,z_j)为第i、j个基站传感器的坐标，t_i、t_j为微震到第i、j传感器的时间，i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…ni≠j，n为传感器的个数。

2)构建到时差适应函数Q：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{W}_i-\frac{\mathrm{\Δ}{L}_i}{v})}^2---\left(2\right)$

式中：△W_i为第i+1和第i个传感器监测微震到时之差，当i＝n时，△W_n＝W₁—W_n；△L_i＝L_i+1-L_i，其中

$L_{i+1}=\sqrt{{(x_{i+1}-x_0)}^2+{(y_{i+1}-y_0)}^2+{(z_{i+1}-z_0)}^2}---\left(3\right)$

$L_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}---\left(4\right)$

式中：(x₀，y₀，z₀)为震源点坐标，(x_i，y_i，z_i)为基站传感器坐标，i＝1，2,…，n，n为传感器个数；

到时差适应函数Q揭示了到时差适应函数随波速的变化规律，呈现形如开口向上的二次函数的变化规律，存在唯一的最低点，即最佳波速。

3)利用式(1)，计算出等效波速的最大值Vm，赋值v＝Vm，并初始化搜索步长step；

4)根据此时的速度v，依据微震线性定位法计算出相应的震源坐标，再代入到式(2)、(3)、(4)，求出对应的到时差适应值Q_begin；其中用到的微震线性定位法采用已有技术常用的方法，如Geiger定位算法或根据需要改进的线性定位法。

5)赋值v＝v-step，并重新计算对应的到时差适应值Q_temp，其中step为向下搜索步长；

6)如果Q_temp<Q_begin,则返回步骤4)；如果Q_temp>Q_begin,则进行下一步；

7)如果step<0.001，则输出此时的速度即为最佳等效波速。否则，赋值v＝v+step，缩小更新步长并更新，进行下一步；

8)更新此时速度v相应的到时差适应值为Q_begin1,进入下一步；

9)赋值v＝v+step，并计算对应的到时差适应值Q_temp1；

10)如果Q_temp1<Q_begin1，则返回步骤8)；否则，进一步缩小更新步长并更新，返回步骤4)。

进一步，在步骤3)，初始化搜索步长step＝0.2。

进一步，在步骤7)，缩小更新步长为step＝step/2。

更进一步，在步骤10)，进一步缩小更新步长为step＝step/10。

本发明依据到时差适应函数Q揭示的规律，提出一个单调单向搜索算法，求出最佳波速。所谓单调单向搜索算法就是由于单调，所以可以通过比较，先单向的从最大速度向下找到最佳速度附近的下界，然后从这个下界向上又单向的找到最佳速度附近的上界，如此循环，直到上界和下界的距离小于0.001，根据不等式两边夹原则，最佳波速为其上界或下界。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1.完全避免了起震时间等参数对求解波速的影响，独立求解了微震波速；2.根据给出微震波速的不等式，可以解得微震波速的最大值，微震波速搜索不再具有盲目性，可以大大提高微震波速的求解效率；3.不需要任何工程先验经验，只需依据传感器对微震到时等观测资料，即可快速、高精度的解出微震波速；4.完好的解决了微震定位中速度模型给不准和不唯一的问题，保障了后期定位算法的定位精度、提高了收敛速度和算法的稳定性，具有很高的实际工程应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为到时差函数与微震波速变化关系图；

图3为实例验证应用的微震定位结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的方法过程按图1。图1中描述了步骤3)～10)。

应用本发明的方法的实例验证：

柿竹园多金属矿位于湖南省郴州市东20km，区域内矿产资源丰富，矿物品种达143种，多金属矿床产于花岗岩接触带的矽卡岩、大理岩中，南北走向长为1000～1200m，东西宽600～800m，厚为150～300m，最厚达500m，呈透镜状，自上而下形成4个矿带。目前，主要开采III矿带490m水平以上的315m×313m富矿段，设计采用分段凿岩阶段崩矿，嗣后一次充填采矿法开采。矿房现已全部回采完，矿房采空区未充填处理，由留存矿柱支撑顶板，留下的群采空区体积已达300×10⁴m³，顶板暴露面积达4×10⁴m²。由于空场暴露时间长，受岩体结构面破碎带与岩性穿插体及大爆破振动的影响，加之在采空区未经充填处理的情况下抽采矿柱，部分矿柱失稳跨塌，最大顶板连续暴露面积达1×104m2，给矿山现行生产和矿床的进一步开采造成了较大的威胁，对此已开展了大量研究。

人工震源点选在588m中段，P3巷和C6巷交界处；测量人员现场测定并记录爆破坐标，地表监测人员准时在系统获取爆炸定位点，共计8个传感器获取微震到时用于分析，8个传感器的观测到时如表1所示。

表1

根据上述柿竹园实例，采用不同的微震等效均匀波速v，使用线性定位方法算出的微震源坐标(x₀,y₀,z₀)代入到上面式(2)、(3)、(4)得到时差适应函数与等效波速的关系，结果如附图2所示。

使用柿竹园爆破试验数据代入等效波速模型中，计算得最佳等效波速v＝6.039326m/ms，对比根据工程经验给出的真实均匀波速v＝5.75m/ms，其误差在5％之内，其误差对最后定位误差带来的影响不大，而且这个误差也是不可避免的，误差主要来源于环境噪声对微震监测数据的干扰，岩石材料各向异性的复杂程度导致很难用一个均匀速度去替代等因素。

从附图3结果可以看出，采用本发明方法求出的微震等效波速，应用在线性定位法和Geiger定位算法中成功稳定地定位了爆破点(真实爆破点坐标为：(8732.70，6570.60，511.30))，而且最大误差在4.13之内，尤其是在多次运行粒子群定位算法后(因为粒子群算法解并不稳定，具有随机性)，甚至可以将定位最大误差缩小到1.4m之内，可见本发明方法的可行性和精确性。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于空间几何关系的获得微震波速的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据震源点和基站的空间几何关系，构建微震等效波速V的不等式：

式中：V为微震的等效波速，(x_i,y_i,z_i)、(x_j,y_j,z_j)为第i、j个基站传感器的坐标，t_i、t_j为微震到第i、j传感器的时间，i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…n ，i≠j，n为传感器的个数；

2)构建到时差适应函数Q：

式中：△W_i为第i+1和第i个传感器监测微震到时之差，当i＝n时，△W_n＝W_n+1—W_n；△L_i＝L_i+1-L_i，其中

式中：(x₀，y₀，z₀)为震源点坐标，(x_i，y_i，z_i)为基站传感器坐标，i＝1，2,…，n，n为传感器个数；

3)利用式(1)，计算出等效波速的最大值Vm，赋值v＝Vm，并初始化搜索步长step；

4)根据此时的速度v，依据微震线性定位法计算出相应的震源坐标，代入到式(2)、(3)、(4)，求出对应的到时差适应值Q_begin；

5)赋值v＝v-step，并重新计算对应的到时差适应值Q_temp，其中step为向下搜索步长；

6)如果Q_temp<Q_begin,则返回步骤4)；如果Q_temp>Q_begin,则进行下一步；

7)如果step<0.001，则输出此时的速度v即为最佳等效波速；否则，赋值v＝v+step，缩小更新步长并更新，进行下一步；

8)更新此时速度v相应的到时差适应值为Q_begin1,进入下一步；

9)赋值v＝v+step，并计算此时对应速度v的到时差适应值Q_temp1；

10)如果Q_temp1<Q_begin1，则返回步骤8)；否则，进一步缩小更新步长并更新，返回步骤4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤3)，初始化搜索步长step＝0.2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤7)，缩小更新步长为step＝step/2。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤10)，进一步缩小更新步长为step＝step/10。