CN107884822A

CN107884822A - 一种提高矿用微震震源定位精度的方法

Info

Publication number: CN107884822A
Application number: CN201711115157.9A
Authority: CN
Inventors: 戴锐; 张达; 冀虎; 乔莎; 石雅倩; 杨小聪
Original assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: CN107884822B

Abstract

本发明公开了一种提高矿用微震震源定位精度的方法，其通过波速分区，使波速模型更加契合微震监测区域(矿山巷道、空区、矿体、围岩体等)矿山复杂岩体的速度结构特征，使地震波的实际到时提取精度更高，从而提高震源反演定位精度；在震源反演定位过程中，通过检波器空间包络的布设及监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，并根据波形质量在反演时引入加权因子，从而提高震源的定位精度。

Description

一种提高矿用微震震源定位精度的方法

技术领域

本发明涉及微震监测技术领域，尤其涉及一种提高矿用微震震源定位精度的方法。

背景技术

矿山逐步进入深部开采阶段，高应力、高岩压引起的岩爆、塌方等问题，已成为制约矿山安全生产的重大隐患。矿山岩体在变形破坏的过程中伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦，积聚的能量在释放的过程中，产生微震事件。微震监测系统通过在矿山岩体内部分布的检波器接收微震事件(微弱的地震事件)的波形，通过提取微震波形的到时，根据波形质量和矿山现场波速结构特征，选取合适的定位算法，可以定位出微震事件(震源)发生的空间位置、发震时刻及强度，再经过震源参数的分析可以推测矿山岩体内发生变形或破坏的位置及程度。

微震监测系统通过检波器实时接收微震事件波形，通过提取波形到时，建立波速场模型，进行震源定位，对震源参数的进一步分析，得到矿山地压活动的规律，从而对安全隐患进行预测、预报、预警，保证矿山安全生产。

其中，微震事件的高精度定位是监测应用的核心前提，现有定位技术大多以各向同性、均匀介质为计算基础，但实际矿山岩体却是各向异性、非均介质，从而给震源定位带来严重的误差，成为当前微震监测亟待解决的技术难题。

如图1所示，为现有技术中微震震源定位的流程图。在微震发生时向周围岩体释放地震波，对于微震监测区域来说，由于监测区域不大，通常仅拾取地震波的P波初至时刻用于定位。主要过程如下：微震事件发生后(step1)，通过检波器接收波形数据(step2)，采用自动和人工的方法拾取P波波形的到时(step3)，通常采用传统单一速度定位模型，建立均匀波速值模型(step4)，采用合适的绝对定位算法(如Geiger定位)进行微震反演定位(step5)，通过一定次数的迭代，选取最优结果作为微震定位的结果(step6)。

具体实现过程如下：

对于单一速度模型，第i个检波器接收P波初至时刻t_i与震源参数(x₀,y₀,z₀,t₀)之间的关系由(1)式表述：

式中：l_i为震源与第i个检波器之间的空间距离；(x_i,y_i,z_i)为第i检波器空间坐标，m是监测区域内接收到P波的检波器数量；V为监测区域P波波速值。

理论上，微震事件发生时刻与走时之和t₀+Δt_i应同t_i相等，即

ξ_i＝t_i-(Δt_i+t₀)＝0 (2)

但是，在实际工程应用中，由于受到监测仪器以及人为因素的影响，微震信号起跳时刻的拾取存在误差，则ξ_i值不为零。在这样的情况下，为了实现微震震源定位，需使用最优化求解来逼近真值。

因变量为到时的目标函数：

运用线性或非线性优化方法，得到使上述目标函数尽量小的震源参数逼近解作为微震震源参数的最终计算结果。最终，实现震源空间位置、发震时刻(震源参数)的反演定位(已知震源位置，通过计算在任意复杂的速度模型中任一特定震相到地震台的走时，这类问题就是正演问题。反过来，根据震相到地震台的观测到时求震源位置的问题就是反演问题)。

但是，该方案的缺陷在于：1)在实际工程中，微震监测区域岩体并不是均匀介质，不同区域的地震波波速不同，采用传统单一速度定位模型，无法精确计算到时，定位误差大，不适用于矿山复杂岩体环境微震高精度定位。2)传统定位方法对初始迭代值(迭代是重复反馈过程的活动，其目的通常是为了逼近所需目标或结果。每一次对过程的重复称为一次“迭代”，而每一次迭代得到的结果会作为下一次迭代的初始值，初始迭代值就是第一次迭代选取的值)依赖较大，迭代初始值与最终结果偏差过大时容易造成迭代不收敛，导致误差过大，且该方法的计算量过大，微震定位的精度和可定位地震的范围有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高矿用微震震源定位精度的方法，可以提高地震波的实际到时提取精度，从而提高震源反演定位精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种提高矿用微震震源定位精度的方法，包括：

结合微震检测区域的速度结构特征，将微震检测区域划分为n种不同波速区，并自下而上依次编为波速区1、波速区2,...,波速区n；

微震检测区域中布设有若干检波器，当某一波速区的震源引起的微震事件时，利用射线跟踪技术确定地震波从震源所在波速区达到各检波器的实际传播路径，从而计算微震事件P波传播到各检波器的走时；

构建因变量为到时的分区速度定位目标函数，采用最小二乘法方法，并根据检波器布设的空间位置及对监测对象的监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，约束震源深度的范围；同时，根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离，为参与反演定位的检波器的波形数据设定权重因子，从而实现引入加权因子的反演定位算法。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过波速分区，使波速模型更加契合微震监测区域(矿山巷道、空区、矿体、围岩体等)矿山复杂岩体的速度结构特征，使地震波的实际到时提取精度更高，从而提高震源反演定位精度；在震源反演定位过程中，通过检波器空间包络的布设及监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，并根据波形质量在反演时引入加权因子，从而提高震源的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的现有技术中微震震源定位的流程图；

图2为本发明实施例提供的提高矿用微震震源定位精度的方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的微震监测场景示意图；

图4为本发明实施例提供的微震震源定位实施流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种提高矿用微震震源定位精度的方法，如图2所示，其主要包括：

步骤1、结合微震检测区域的速度结构特征，将微震检测区域划分为n种不同波速区，并自下而上依次编为波速区1、波速区2,...,波速区n。

本发明实施例中，结合微震检测区域上岩性、岩石类别、巷道与空区，对微震检测区域的岩体波速分区，智能匹配地震波所通过区域的波速值。

步骤2、微震检测区域中布设有若干检波器，当某一波速区的震源引起的微震事件时，利用射线跟踪技术确定地震波从震源所在波速区达到各检波器的实际传播路径，从而计算微震事件P波传播到各检波器的走时。

假设震源S位于波速区1，地震波在岩体波速结构中传播时是遵从惠更斯原理和费马原理按折线传播，利用射线跟踪技术来确定地震波从波速区1达到波速区n中检波器i的实际传播路径；

确定所述实际传播路径与相邻波速区交界面的交点，包括：实际传播路径与波速区1及波速区2交界面的交点A1、实际传播路径与波速区2及波速区3交界面的交点A2、...、实际传播路径与波速区n-1及波速区n交界面的交点An-1；

计算震源S与交点A1、相邻交点之间，以及交点An-1与检波器i之间的空间距离，依次记为D_i(1,2)、D_i(2,3)、...、D_i(n-1,n)，再结合微震事件P波在波速区1、波速区2,...,波速区n的波速值V₁,V₂,…,V_n来计算微震事件P波传播到波速区n中检波器i的走时Δt_i：

如果震源S与检波器i位于同一波速区，则微震事件P波传播到检波器i的走时Δt_i直接根据震源S与检波器i的空间距离D_i,s以及波速区的波速值V_p来计算：

步骤3、构建因变量为到时的分区速度定位目标函数，采用最小二乘法方法，并根据检波器布设的空间位置及对监测对象的监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，约束震源深度的范围；同时，根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离，为参与反演定位的检波器的波形数据设定权重因子，从而实现引入加权因子的反演定位算法。

本发明实施例中，所述构建因变量为到时的分区速度定位目标函数为：

上式中，m为检波器总数，λ_i为检波器i的加权因子，每个检波器的加权因子可以根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离而设定；t_i为波形达到时刻，Δt_i为波形的走时，t₀为发震时刻。

实施例一

如图3所示，假定微震监测区域(矿山巷道、空区、矿体、围岩体等矿山复杂岩体结构)的速度结构特征由三种不同波速的平行岩层和巷道组成，自下而上依次编为波速区1、波速区2与波速区3(图3中编号对应为①、②和③)。对应的波速区的波速值分别表示为V₁、V₂和V₃，巷道穿过第二层，地震波的传播不经过巷道中空区。实际地震波在不同介质间传播时是遵从惠更斯原理和费马原理按折线传播，本发明实施例通过自适应波速分区，结合矿上岩性、岩石类别、巷道、空区，将矿山岩体波速分区，智能匹配地震波所通过区域的波速值，使波速模型更加契合矿山复杂岩体结构(矿山巷道、空区、矿体、围岩体等)的速度结构特征，使地震波P波实际到时提取精度更高。对应在各层岩体中的波形走时由相应的空间距离以及分区波速值表示出来，然后求和得到地震波总走时。

以检波器M接收到在波速区1发生的震源S引起的微震事件P波走时为例，推导其走时关系式如下：

通过震源S与检波器M的空间直线为SABM，其中A和B分别为路径与岩体交界面的交点。(x₀,y₀,z₀)为震源S的空间坐标；(x₁,y₁,z₁)为检波器M的空间坐标，根据检波器布设的空间深度和监测范围，约束震源深度范围h₁≤z₀≤h₂，从震源S到检波器M两点间空间直线距离为：

如图3所示，地震波在岩体波速结构中传播时是遵从惠更斯原理和费马原理按折线传播，利用射线跟踪技术方法(例如，文献：非均匀介质中地震波走时与射线路径快速计算技术，赵爱华；三维复杂介质中转换波走时快速计算，赵爱华)，能够得到地震波实际传播路径SHLM，其中，实际传播路径和波速区1及波速区2交界面的交点为H，实际传播路径和波速区2及波速区3交界面的交点为L。

经过推导，波速区3的检波器M接收到发生在波速区1中的微震事件P波走时Δt_M3：

式中，D_M(1,2)、D_M(2,3)和D_M(3,4)分别表示SH、HL和LM之间的空间距离，如式(6)所示，其中，(x_H,y_H,z_H)为交点H的空间坐标，(x_L,y_L,z_L)为交点L的空间坐标：

以此类推，将波速区域扩充到n个，微震事件P波传播到第n区检波器i的走时Δt_i可以由(7)式表示为：

式(6)和(7)中：从震源发出的微震事件P波传播到编号i传感器所经过的波速区依次编号为1,2,…,n；分区速度依次为V₁,V₂,…,V_n；D_i(1,2)为震源S和“实际传播路径与波速区1及波速区2交界面的交点”的空间距离，例如图3中的SH；D_i(n-1,n)为“实际传播路径与波速区n-1及波速区n交界面的交点”与检波器i之间的空间距离，例如图3中的LM；D_i(1,2)与D_i(n-1,n)的元素，则为相邻交点之间的空间距离。

式(7)的原理就是计算地震波在各个波速区的走时的总和，其中，D_i(1,2)是位于波速区1中的一段距离，之后的D_i(2,3)则位于波速区2中的一段距离。本实施例假设了震源S位于波速区1的情况，当然，上述式(7)也适用于震源S位于非波速区1的情况，例如，震源S位于波速区2，那么震源S和“实际传播路径与波速区1及波速区2交界面的交点”的空间距离D_i(1,2)不存在，也即为0。

还有一个特例，即震源与检波器i位于同一波速区，此时可以直接根据震源S与检波器i的空间距离D_i,s以及波速区的波速值V_p来计算走时Δt_i：

之后就可以建立目标函数来进行震源定位。

构建因变量为到时的分区速度定位目标函数，其中λ_i为检波器i的加权因子：

以微震检测区域坐标系内某一点作为初始震源参数，通过式(9)建立反演迭代过程，采用最小二乘法方法，并根据检波器布设的空间位置及对监测对象的监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，约束震源深度的范围。同时，根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离，为参与反演定位的检波器的波形数据设定权重因子，从而实现引入加权因子的反演定位算法。通过约束震源深度范围和引入加权因子的反演定位算法，从而提高震源的反演定位精度。

基于上述原理，整个实施流程可以参见图4。

1)如图4的step1所示，矿山岩体在变形破坏的过程中伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦，积聚的能量在释放的过程中，产生微震事件；矿山安装检波器接收微震事件波形。

2)如图4的step2所示，微震监测系统通过在矿山岩体内部分布的检波器接收微震事件的波形。

3)如图4的step3所示，结合矿上岩性、岩石类别、巷道、空区，将矿山岩体波速进行初步分区，拾取微震事件波形的P波到时信息，并计算走时(即利用前文式(7)、式(8)计算出的走时)。

4)如图4的step4所示，建立波速分区目标函数，以矿山坐标系内某一点作为初始震源参数，并根据传感器布设的空间位置及对监测对象的监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，约束震源深度z的范围。通过式(9)建立反演迭代过程，如图4的step5所示，反演迭代求解震源参数。

5)如图4的step6所示，以上一步迭代求解的震源参数作为下一步反演迭代的初值，并结合step5反演定位求解过程中的收敛方向、收敛速度等因素进行自适应智能匹配波速，采用引入加权因子(根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离，为参与反演定位的检波器的波形数据设定权重因子，从而实现引入加权因子的反演定位算法)的反演方法，优化最终反演结果。通过约束震源深度范围和引入加权因子的反演定位算法，从而提高震源的反演定位精度。

本发明实施例上述方案主要具有如下技术效果：

1)由于微震监测区域(矿山)存在各向异性速度模型，根据不同矿山的空区，围岩体，巷道等进行自适应波速分区，通过自适应波速分区，使波速模型更加契合微震监测区域(矿山巷道、空区、矿体、围岩体等)矿山复杂岩体的速度结构特征。从而，使地震波的传播路径更加接近真实传播路径，进一步提高地震波的实际到时提取精度，从而提高震源反演定位精度。

自适应波速分区：结合矿上岩性、岩石类别、巷道、空区，将矿山岩体波速分区，智能匹配地震波所通过区域的波速值。

2)在震源反演定位过程中，通过传感器布设的空间位置及对监测对象的监测范围，包络的布设及监测范围，设置初始迭代震源参数深度阈值，反演定位时自动收敛到设置的深度范围，为反演定位提供初始迭代震源参数的深度阈值。同时，引入给参与反演定位的检波器波形数据设置权重，引入加权因子。通过约束震源深度范围和引入加权因子的反演定位算法，从而提高震源的反演定位精度。

加权因子的引入：根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离，为参与反演定位的检波器的波形数据设定权重因子，从而实现引入加权因子的反演定位算法。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种提高矿用微震震源定位精度的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种提高矿用微震震源定位精度的方法，其特征在于，所述计算微震事件P波传播到各检波器的走时包括：

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3.根据权利要求1所述的一种提高矿用微震震源定位精度的方法，其特征在于，所述构建因变量为到时的分区速度定位目标函数为：

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其中，m为检波器总数，λ_i为检波器i的加权因子，每个检波器的加权因子可以根据检波器接收的波形质量及检波器与震源反算的空间距离而设定；t_i为波形达到时刻，Δt_i为波形的走时，t₀为发震时刻。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高矿用微震震源定位精度的方法，其特征在于，

结合微震检测区域上岩性、岩石类别、巷道与空区，对微震检测区域的岩体波速分区，智能匹配地震波所通过区域的波速值。