CN106199700A - 一种地下水封储油洞库微震监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种地下水封储油洞库微震监测方法及系统，包括：根据工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测的系统架构；对检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断进行事件触发；采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并通过单纯形法求解震源位置；计算洞库围岩微震的辐射能量，分析微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域；根据微震事件和辐射能量的时空分布特征，建立洞库掌子面三维地质力学模型，并将围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，实时修正洞库围岩的力学参数。通过本发明提供的技术方案，能实现洞库围岩微破裂的实时动态监测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及岩体微震监测技术领域，具体涉及一种地下水封储油洞库微震监测方法及系统。
背景技术
微震监测技术作为一种时空动态的三维“体”监测方法，能够及时捕捉到岩体内部微破裂，并实时分析微破裂萌生、演化、扩展、贯通直至宏观滑面的产生，可作为评价岩体稳定性的重要监测工具。微震监测技术早在七十年代就被前苏联、加拿大、美国等西方国家应用于矿山领域，并取得了良好的经济效益和社会效益。目前在德国、南非、美国、波兰、英国、日本、加拿大和澳大利亚等国高地应力矿山中，微震监测已作为一种行之有效的地压监测手段。国内诸多学者应用微震监测技术对矿山开采领域中的冲击地压、煤与瓦斯突出以及突水问题，石油领域中的水力压裂问题以及水利水电行业中的地下洞室稳定性、深埋隧洞岩爆和高边坡失稳等问题进行了大量卓有成效的研究工作。
现有技术中，地下洞室的微震监测研究多集中于矿业、水利工程领域中，目前地下水封储油洞库监测方面的应用尚无先例。随着地下储油洞库工程规模的逐渐增大，洞室围岩稳定问题越来越成为影响洞库工程成败的重要因素之一。地下水封储油洞库对地质条件具有强烈的依赖性，同时具有高边墙、大跨度、施工断面多和长期处于地下水位以下的特点，关于其在复杂地质条件和工况下的围岩失稳发生机制至今还没有形成统一的认识。如何有效利用微震监测技术进行开挖强卸荷过程和后期运营期间地下水封储油洞库围岩可能出现的微破裂情况进行有效的监测，从而提高对洞库围岩安全稳定性的正确判断，国内外至今仍缺乏相关的研究。开展地下水封储油洞库开挖和运营过程中的微震监测，进而分析岩体力学行为特征无疑对全面评价地下水封储油洞库围岩稳定性具有重要的现实意义。
传统的洞室外观位移监测，都是以变形量或变形速度等指标判断位移曲线的变化趋势从而进行时间概念上的洞室变形、失稳预测研究，该方法无法分析洞室宏观失稳前岩体微破裂的萌生、演化、扩展、相互作用直至贯通对洞室失稳的影响，难以揭示洞室渐进微破裂诱发宏观失稳过程的微震活动性规律和失稳本质。研究认为：岩质洞室的失稳必然与岩体内部的微震活动相关，当洞室外观产生可被监测的宏观变形时，洞室内部岩体已经形成大量微破裂聚集。洞室外观位移的产生滞后于围岩内部微震活动，即：围岩微震活动是岩质洞室发生失稳破坏的前兆。目前广泛应用的多点位移计和收敛计等测量技术以洞室围岩变形表观信息为监测对象，可以对洞室表面位移进行较好的监测，但对于岩体洞室内部可能存在的微破裂往往束手无策，洞室稳定性监测预报的“提前量”不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种地下水封储油洞库微震监测方法及系统，实现地下水封储油洞库围岩微破裂的实时动态监测。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种地下水封储油洞库微震监测方法，包括：
步骤S1、根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在地下水封储油洞库中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测洞库围岩产生的微震信号；
步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt，通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
步骤S4、根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
步骤S5、分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域。
优选地，所述地下水封储油洞库微震监测方法及系统，还包括：
步骤S6、根据地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征及洞库潜在失稳危险区域，确定地下水封储油洞库掌子面的主控结构面，建立地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型，为地下水封储油洞库水封效果和围岩稳定性分析提供模型支持；
步骤S7、根据所述微震事件和微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将地下水封储油洞库围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为地下水封储油洞库的数值分析提供力学修正参数。
优选地，所述步骤S1具体包括：
步骤S10、根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构；
步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；
步骤S12、对地下水封储油洞库现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述弹性波波形中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的弹性波波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt；
步骤S14、若minE(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构包括调整地下水封储油洞库微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
需要说明的是，所述预设误差范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
优选地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21、采集所述检波器阵列拾取的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于第一触发阈值At；其中，At根据地下水封储油洞库微震监测系统工程现场的背景噪声值确定；
步骤S22、若As大于At，判断所述微震信号是否满足值，若是，则判定所述微震信号存在洞库围岩微震触发事件；其中，STA为微震信号短时能量平均值，LTA为微震信号长时能量平均值，T为第二触发阈值。
优选地，所述步骤S21中At根据如下步骤进行确定：
步骤S210、计算预设时段内地下水封储油洞库微震监测系统工程现场的背景噪声的平均振幅值；
步骤S211、若微震信号初至时的幅值As大于所述平均振幅值，则判定所述微震信号中可能存在洞库围岩微震触发事件；
步骤S212、若被监测地下水封储油洞库围岩实际状态稳定，利用步骤S211判定的可能存在的触发事件每分钟低于30个，且微震信号的信噪比在预设比值范围内，则将所述平均振幅值设为第一触发阈值At；否则，返回步骤S210，调整预设时段的长度重新计算所述平均振幅。
需要说明的是，所述预设比值根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
优选地，所述步骤S3中滤除所述触发事件波形中的噪声信号具体为：
对工程现场大于预设幅值的噪声信号进行快速傅里叶变换，以获取噪声信号的时域和频域特征，建立噪声信号特征库；根据噪声信号特征库中噪声信号的时域和频域特征滤除所述触发事件波形中的噪声信号。
需要说明的是，所述预设幅值根据工程经验和现场监测试验确定的。
优选地，所述步骤S7具体包括：
根据公式计算微震触发事件发生后岩体的损伤变量D；根据损伤变量D，对地下水封储油洞库围岩的力学参数进行修正。
其中，η地震效率，E表示震源尺寸范围内的岩体单元损伤后被微震监测系统拾取的辐射能，Ue为岩体单元可释放总应变能，Ue由公式
计算，其中E0为岩体初始的弹性模量，σ1、σ2和σ3分别为岩体第一、第二和第三主应力，ν为岩体泊松比。
一种地下水封储油洞库的微震监测系统，包括：
构建单元，用于根据地下水封储油洞库微震监测的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在地下水封储油洞库中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测洞库围岩产生的微震信号；
判断单元，用于对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
计算单元，用于滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
所述计算单元还用于根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
分析单元，用于分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域。
优选地，所述地下水封储油洞库微震监测系统，还包括：
建模单元，用于根据所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征及地下水封储油洞库潜在失稳危险区域，确定地下水封储油洞库掌子面的主控结构面，建立地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型，为地下水封储油洞库水封效果和围岩稳定性分析提供模型支持；
转换单元，用于根据所述微震触发事件和微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将地下水封储油洞库围岩微震辐射能量转换为围岩损伤弱化的力学参数，为地下水封储油洞库的数值分析提供力学修正参数。
优选地，所述构建单元具体用于：
根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，进行地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构；
通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；对地下水封储油洞库现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述弹性波波形中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的弹性波波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt；
若minE(vi)的值不在预设误差范围内，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构包括调整地下水封储油洞库微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
本发明提供的这种地下水封储油洞库微震监测方法及系统，通过将检波器阵列安装在地下水封储油洞库中，对检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，并采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并通过单纯形法迭代求解出触发事件的发生位置，根据触发事件的时空分布规律，分析触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，通过设定微震辐射能量释放阈值，从而识别出地下水封储油洞库围岩潜在失稳危险区域。有利于逐步积累和完善复杂地质条件下地下水封储油洞库运营期间的稳定性监测和分析技术，具有可持续的经济效益和社会效益，为我国大型地下石洞油库的建造提供参考意见。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种地下水封储油洞库微震监测方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例提供的一种地下水封储油洞库微震监测方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型；
图4为本发明一实施例提供的地下水封储油洞库微震监测的系统架构结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的一种地下水封储油洞库微震监测系统的示意框图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1，本发明一实施例提供的一种地下水封储油洞库微震监测方法，包括：
步骤S1、根据地下水封储油洞库微震监测的工程要求及实施条件，确定地下储油洞库微震监测的系统架构(参见图4)；其中，所述系统架构包括检波器阵列在地下水封储油洞库中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测地下水封储油洞库围岩产生的微震信号；图4中，S1、S2、S3、S4、S5、S6为检波器；
步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
步骤S4、根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
步骤S5、根据所述微震触发事件的辐射能量，分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域。
需要说明的是，所述步骤S5中，微震辐射能量释放阈值根据工程经验和现场勘查进行设置。设定微震辐射能量释放阈值后，若某个被监测区域的地下储油洞库的微震辐射能量大于微震辐射能量释放阈值，则判定该被监测区域为潜在失稳危险区域。
由上述技术方案可知，本发明提供的这种地下水封储油洞库微震监测方法及系统，通过将检波器阵列安装在地下水封储油洞库中，对检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，并采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并通过单纯形法迭代求解出微震事件的发生位置，同时计算微震事件辐射能量，并根据微震事件的辐射能量，分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，通过设定微震辐射能量释放阈值，从而识别出地下水封储油洞库室内潜在失稳危险区域。有利于逐步积累和完善复杂地质条件下地下水封储油洞库运营期间的稳定性监测和分析技术，具有可持续的经济效益和社会效益为我国大型地下石洞油库的建造提供参考意见。
参见图2，优选地，所述地下水封储油洞库微震监测方法及系统，还包括：
步骤S6、根据地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征及洞库潜在失稳危险区域，确定地下水封储油洞库掌子面的主控结构面，建立地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型(参见图3)，为地下水封储油洞库水封效果和围岩稳定性分析提供模型支持；图3中，1为储油洞室，2为掌子面，3为水幕巷道，4为地质结构面。
步骤S7、根据所述微震触发事件和微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将地下水封储油洞库围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为地下水封储油洞库的数值分析提供力学修正参数。
优选地，所述步骤S1具体包括附图中未示出的：
步骤S10、根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构；
步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；
步骤S12、对地下水封储油洞库现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述弹性波波形中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的弹性波波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt；
步骤S14、若minE(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整地下储油洞库微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整地下储油洞库微震监测系统的系统架构包括调整地下储油洞库微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
需要说明的是，所述预设误差范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
可以理解的是，检波器的安装方式及安装位置不仅影响微震信号的监测，还影响不同微震定位算法的定位速度、精度及定位结果的唯一性。合理的检波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地确定震源位置和发震时间。目前，检波器布置主要是根据经验，不同经验的工作人员布置的检波器监测到的微震信号往往差异较大，不能使检波器最大程度地监测到有效微震信号，也很难保证检波器形成一个良性的阵列，致使微震定位速度及精度受到不同程度的影响。
由于地下水封储油洞库在开挖卸荷和后期运营过程中会诱发围岩微破裂的萌生和发展，常伴随着岩石弹性应变能的释放，并以弹性波的形式在岩石内传播。本发明提供的这种地下水封储油洞库微震监测方法，利用岩体整体波速模型，对检波器阵列的布置位置进行优化搜索，从而使检波器阵列更精准更快速地获取微震信号。
可以理解的是，岩体整体波速模型可通过测定场区岩体弹性波的波速来获取，并根据现场试验进行调整，减小定位误差。
优选地，所述步骤S2具体包括附图中未示出的：
步骤S21、采集所述检波器阵列输出的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于第一触发阈值At；其中，At根据地下储油洞库微震监测系统工程现场的背景噪声值确定；
步骤S22、若As大于At，判断所述微震信号是否满足值，若是，则判定所述微震信号存在洞库围岩微震触发事件；其中，STA为微震信号短时能量平均值，LTA为微震信号长时能量平均值，T为第二触发阈值。
其中，T根据地下水封储油洞库现场微震触发试验来确定，以保证触发事件判定的准确度。
可以理解的是，对检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法共同判断是否存在洞库围岩微震触发事件，可以提高触发事件判断的准确性。
优选地，所述步骤S21中At根据如下附图中未示出的步骤进行确定：
步骤S210、计算预设时段内地下水封储油洞库微震监测系统工程现场的背景噪声的平均振幅值；
步骤S211、若微震信号初至时的幅值As大于所述平均振幅值，则判定所述微震信号中可能存在地下水封储油洞库微震触发事件；
步骤S212、若被监测地下水封储油洞库围岩实际状态稳定，但利用步骤S211判定的可能存在的触发事件每分钟低于30个，且微震信号的信噪比在预设比值范围内，则将所述平均振幅值设为第一触发阈值At；否则，返回步骤S210，调整预设时段的长度重新计算所述平均振幅。
需要说明的是，所述预设比值范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
优选地，所述步骤S3中滤除所述触发事件波形中的噪声信号具体为：
对工程现场大于预设幅值的噪声信号进行快速傅里叶变换，以获取噪声信号的时域和频域特征，建立噪声信号特征库；根据噪声信号特征库中噪声信号的时域和频域特征滤除所述触发事件波形中的噪声信号。
需要说明的是，所述预设幅值根据工程经验和现场监测试验确定的。
针对地下水封储油洞库开挖强卸荷过程而言，检波器所得到的信号具有多样性、突发性和不确定性，微震信号在传输过程中，除了带有有用的信息外，同时还会夹杂如机械噪音、电磁设备噪音、环境噪音等干扰无用信号，因此对触发事件波形进行滤波，有利于提高后续微震监测结果的准确度。
优选地，所述步骤S7具体包括：
根据公式计算微震触发事件发生后岩体的损伤变量D；根据损伤变量D，对洞库围岩的力学参数进行修正。
其中，η地震效率，E表示震源尺寸范围内的岩体单元损伤后被微震监测系统拾取的辐射能，Ue为岩体单元可释放总应变能，Ue由公式
计算，其中E0为岩体初始的弹性模量，σ1、σ2和σ3分别为岩体第一、第二和第三主应力，ν为岩体泊松比。
参见图5，另外，本发明还提出了一种地下水封储油洞库的微震监测系统100，包括：
构建单元101，用于根据地下水封储油洞库微震监测的工程要求及实施条件，确定地下储油洞库微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在地下水封储油洞库中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测地下水封储油洞库围岩产生的微震信号；
判断单元102，用于对所述检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
计算单元103，用于滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据地下水封储油洞库围岩整体最优波速通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
所述计算单103还用于根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
分析单元104，根据所述微震事件的辐射能量，分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域。
优选地，所述地下水封储油洞库微震监测系统，还包括：
建模单元105，用于根据地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征及洞库潜在失稳危险区域，确定地下水封储油洞库掌子面的主控结构面，建立地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型，为地下水封储油洞库水封效果和围岩稳定性分析提供模型支持；
转换单元106，用于根据所述微震事件和微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将地下水封储油洞库围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为地下水封储油洞库的数值分析提供力学修正参数。
优选地，所述构建单元101具体用于：
根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构；
通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；
对地下水封储油洞库现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述弹性波波形中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的弹性波波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为地下水封储油洞库围岩最优波速vopt；
若minE(vi)的值不在预设误差范围内，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构包括调整地下水封储油洞库微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
Claims (10)
1.一种地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1、根据地下水封储油洞库微震监测的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在地下水封储油洞库中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测地下水封储油洞库围岩产生的微震信号；
步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
步骤S4、根据公式计算所述触发事件发生时的辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
步骤S5、分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域。
2.根据权利要求1所述的地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，还包括：
步骤S6、根据地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征及洞库潜在失稳危险区域，确定地下水封储油洞库掌子面的主控结构面，建立地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型，为地下水封储油洞库水封效果和围岩稳定性分析提供模型支持；
步骤S7、根据所述微震触发事件和微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将地下水封储油洞库围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为地下水封储油洞库的数值分析提供力学修正参数。
3.根据权利要求1所述的地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
步骤S10、根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，确定地下储油洞库微震监测系统的系统架构；
步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；
步骤S12、对地下水封储油洞库现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述弹性波波形中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的弹性波波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt；
步骤S14、若minE(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构包括调整地下水封储油洞库微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
4.根据权利要求1所述的地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21、采集所述检波器阵列拾取的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于第一触发阈值At；其中，At根据地下水封储油洞库微震监测系统工程现场的背景噪声值确定；
步骤S22、若As大于At，判断所述微震信号是否满足值，若是，则判定所述微震信号存在洞库围岩微震触发事件；其中，STA为微震信号短时能量平均值，LTA为微震信号长时能量平均值，T为第二触发阈值。
5.根据权利要求4所述的地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，所述步骤S21中At根据如下步骤进行确定：
步骤S210、计算预设时段内地下水封储油洞库微震监测系统工程现场的背景噪声的平均振幅值；
步骤S211、若微震信号初至时的幅值As大于所述平均振幅值，则判定所述微震信号中可能存在洞库围岩微震触发事件；
步骤S212、若被监测地下储油洞库实际状态稳定，但利用步骤S211判定的可能存在的触发事件每分钟低于30个，且微震信号的信噪比在预设比值范围内，则将所述平均振幅值设为第一触发阈值At；否则，返回步骤S210，调整预设时段的长度重新计算所述平均振幅。
6.根据权利要求1所述的地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，所述步骤S3中滤除所述触发事件波形中的噪声信号具体为：
对工程现场大于预设幅值的噪声信号进行快速傅里叶变换，以获取噪声信号的时域和频域特征，建立噪声信号特征库；根据噪声信号特征库中噪声信号的时域和频域特征滤除所述触发事件波形中的噪声信号。
7.根据权利要求2所述的地下水封储油洞库微震监测方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
根据公式计算微震触发事件发生后岩体的损伤变量D；根据损伤变量D，对地下水封储油洞库围岩的力学参数进行修正。
其中，η地震效率，E表示震源尺寸范围内的岩体单元损伤后被微震监测系统拾取的辐射能，Ue为岩体单元可释放总应变能，Ue由公式
计算，其中E0为岩体初始的弹性模量，σ1、σ2和σ3分别为岩体第一、第二和第三主应力，ν为岩体泊松比。
8.一种地下水封储油洞库微震监测系统，其特征在于，包括：
构建单元，用于根据地下水封储油洞库微震监测的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在地下水封储油洞库中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测洞库围岩产生的微震信号；
判断单元，用于对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在洞库围岩微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
计算单元，用于滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据地下水封储油洞库围岩整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
所述计算单元还用于根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
分析单元，用于分析地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出地下水封储油洞库潜在失稳危险区域。
9.根据权利要求8所述的地下水封储油洞库微震监测系统，其特征在于，还包括：
建模单元，用于据地下水封储油洞库微震辐射能量的时空分布特征及洞库潜在失稳危险区域，确定地下水封储油洞库掌子面的主控结构面，建立地下水封储油洞库掌子面三维地质力学模型，为地下水封储油洞库水封效果和围岩稳定性分析提供模型支持；
转换单元，用于根据所述微震触发事件和微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将地下水封储油洞库围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为地下水封储油洞库的数值分析提供力学修正参数。
10.根据权利要求8所述的地下水封储油洞库微震监测系统，其特征在于，所述构建单元具体用于：
根据地下水封储油洞库微震监测系统的工程要求及实施条件，确定地下水封储油洞库微震监测系统的系统架构；
通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；
对地下水封储油洞库现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述弹性波波形中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的弹性波波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速即为地下水封储油洞库围岩最优波速vopt；
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