CN109061723B - 一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法及系统，通过可实测空间位置的岩爆事件揭示微震源定位方程中三维速度之间的关系，基于该三维速度关系减少隧洞岩爆孕育过程中微震源定位方程的未知数，从而实现基于三维速度模型的隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位。该方法避免了简化速度参数带来的定位误差，且基于岩爆事件所获取的三维速度关系能够准确恰当用于岩爆孕育过程的微震源定位，从而有效提高了岩爆孕育过程微震源定位的精度。本发明可用于隧洞工程岩爆监测分析。

Description

一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法及系统
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，更具体涉及一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法及系统。
背景技术
微震监测技术利用微震传感器感知与微震采集设备采集岩石破裂产生的弹性波信号，经过分析，获得岩石破裂的空间位置、能量、发生时间等信息，进而科学的解释可能发生的岩石破坏现象。因其具有监测范围广、自动化、信息化、智能化等特点，且能够全方位实时采集隧洞岩爆孕育过程的微破裂信息，已被广泛用于隧洞岩爆的监测分析、预警与控制。
微震源定位是微震监测的基础，是基于微震监测技术揭示潜在岩爆风险位置以及进行岩爆孕育过程分析的重要依据。但在隧洞工程中，因微震源定位方程中未知数过多且参数相互关联，易造成微震源定位求解不稳定甚至难以求解。为提高微震源定位求解的稳定性，常对微震源定位过程中的波速参数进行简化处理，假设微震源到各个微震传感器波速一致，从而减少未知数，使得定位求解相对稳定。但简化后的波速与实际岩体波速将存在差异，因此会降低微震源定位精度，进而影响对岩爆孕育过程的准确分析。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述隧洞岩爆孕育过程的微震源定位不稳定和精度不高的问题，提供一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法及系统。
为了实现上述目的，本发明所设计的隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法，其特殊之处在于：
通过获取岩爆事件参数，建立基于岩爆事件的三维速度模型微震源定位方程：
Figure GDA0002402568330000021
其中：R(a,b,c)为岩爆事件空间坐标，(xi,yi,zi)为第i个微震传感器的空间坐标，
Figure GDA0002402568330000022
第i个微震传感器监测到的P波和S波到时，
Figure GDA0002402568330000023
第i个微震传感器的P波和S波三维速度，tR为岩爆事件发生时间；
对方程(1)进行求解，消除未知数tR，获得基于岩爆事件的三维速度之间的关系
Figure GDA0002402568330000024
其中，u和v分别为第u个和v个微震传感器编号；
利用上述基于岩爆事件的三维速度之间的关系(2)对该次岩爆孕育过程的所有微震事件逐一进行定位。首先对该次岩爆孕育过程中发生的第1个微震事件进行分析，拾取第i个微震传感器对第1个微震事件监测到的P波和S波到时
Figure GDA0002402568330000025
该微震事件到第i个微震传感器的P波和S波三维速度与岩爆事件一样，为
Figure GDA0002402568330000026
记该微震事件的空间位置为(a1,b1,c1)，发生时间为t1。
将第1个微震事件的上述信息代入基于三维速度模型的微震源定位方程，可得
Figure GDA0002402568330000027
通过基于岩爆事件的三维速度之间的关系(2)减少第1个微震事件的微震源定位方程(3)中的未知数，使方程数不小于未知数，进而可对定位方程(3)进行求解，获取极小值，从而精确定位第1个微震事件的空间位置(a1,b1,c1)。
进一步，按照上述岩爆孕育过程中第1个微震事件的定位方法，对第2个直至最后一个微震事件逐一进行定位，从而精确获取岩爆孕育过程的所有微震源空间位置。
本发明还设计了一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位系统，其特征在于：包括微震监测系统、通讯模块、处理器模块、显示模块、人机交互模块；
所述微震监测系统捕捉岩爆孕育过程的微震监测数据；
所述通讯模块将微震监测系统所测微震数据传输给处理器模块，
所述处理器模块利用如上所述的隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法对微震源定位置进行计算，
所述人机交互模块用于输入已知参数，
所述显示模块用于显示微震源位置数据。
进一步度，该系统的处理器模块、显示模块和人机交互模块为工控机，可通过有线或者无线的方式进行数据的传输。
本发明的优点在于：
1、利用岩爆事件揭示定位方程中的三维速度关系，解决了三维速度难以获取的问题。该速度关系有效减少了隧洞岩爆孕育过程中微震源定位方程的未知数，从而使基于三维速度模型的隧洞岩爆孕育过程微震源的定位稳定可行。
2、三维速度模型更符合隧洞岩体非均质性结构条件，避免了简化隧洞岩爆孕育过程的微震源定位波速参数带来的误差，从而大幅度提高岩爆孕育过程的微震源定位精度。
3、岩爆事件与岩爆孕育过程的微震源到微震传感器的震动路径基本一致，保证了基于岩爆事件所获取的三维速度关系能够准确恰当用于岩爆孕育过程的微震源定位，从而进一步有效提高隧洞岩爆孕育过程的微震源定位精度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
某隧洞发生一起中等岩爆后，经测量其空间坐标为R(127.61,7.6,-33.04)。共有8个微震传感器监测到该次岩爆发生时的震动信号，8个微震传感器的空间坐标依次分别为(32,9.9,-37.2)、(34,0.3,-28.3)、(30,-9.7,-37.8)、(33,-0.4,-46.3)、(75,10.2,-37.8)、(72,0.3,-29.7)、(76,-9.6,-37.5)和(73,-0.5,-47.1)，8个微震传感器监测到的P波和S波到时依次分别为(50.01679440,50.02900851)、(50.01656291,50.02860867)、(50.01823320,50.03149370)、(50.01683596,50.02908029)、(50.00881481,50.01511110)、(50.00954002,50.01635432)、(50.01055402,50.01809260)和(50.00951394,50.01630961)。记岩爆位置到第i个微震传感器的P波和S波三维速度为
Figure GDA0002402568330000041
岩爆事件发生时间为tR。
将以上信息代入基于三维速度模型的微震源定位方程后，可得
Figure GDA0002402568330000042
Figure GDA0002402568330000043
Figure GDA0002402568330000044
Figure GDA0002402568330000045
Figure GDA0002402568330000046
Figure GDA0002402568330000047
Figure GDA0002402568330000048
Figure GDA0002402568330000049
对方程(1)进行求解，消除未知数tR后，获得基于岩爆事件的三维速度之间的关系
Figure GDA0002402568330000051
进一步，利用上述基于岩爆事件的三维速度之间的关系(2)对该次岩爆孕育过程的所有微震事件逐一进行定位。首先对该次岩爆孕育过程中发生的第1个微震事件进行分析，拾取8个微震传感器对第1个微震事件监测到的P波和S波到时，分别为(0.01702404,0.02940516)、(0.01682144,0.02905521)、(0.01852366,0.03199542)、(0.01708883,0.02951708)、(0.00902658,0.01547414)、(0.00980215,0.01680368)、(0.01089018,0.01866889)和(0.00976144,0.01673390)，该微震事件到第i个微震传感器的P波和S波三维速度与岩爆事件一样，为
Figure GDA0002402568330000052
记该微震事件的位置为(a1,b1,c1)，发生时间为t1。
将第1个微震事件的上述信息代入基于三维速度模型的微震源定位方程后，可得
Figure GDA0002402568330000053
Figure GDA0002402568330000054
Figure GDA0002402568330000055
Figure GDA0002402568330000056
Figure GDA0002402568330000057
Figure GDA0002402568330000058
Figure GDA0002402568330000059
Figure GDA00024025683300000510
通过基于岩爆事件的三维速度之间的关系(2)减少第1个微震事件的微震源定位方程(3)的未知数，使方程数不小于未知数，进而可对定位方程(3)进行求解，从而精确定位出第1个微震事件的位置(128.95,9.10,-33.17)。
进一步，按照上述岩爆孕育过程中第1个微震事件的定位方法，对第2个直至该次岩爆孕育过程的最后一个微震事件逐一进行定位，从而精确获取岩爆孕育过程的所有微震源空间位置。
本发明所设计的隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位系统，包括微震监测系统、通讯模块、处理器模块、显示模块、人机交互模块；
所述微震监测系统捕捉岩爆孕育过程的微震监测数据，
所述通讯模块将微震监测系统所测微震数据传输给处理器模块，
所述处理器模块利用权利要求1所述的方法对微震源定位置进行计算，
所述人机交互模块用于输入已知参数，
所述显示模块用于显示微震源位置数据。
该系统的处理器模块、显示模块和人机交互模块为工控机，可通过有线或者无线的方式进行数据的传输。使用者将岩爆坐标和微震传感器坐标通过人机交互模块输入本系统，其他数据可通过微震监测系统和通讯模块获取，系统获取数据后，利用上述隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法计算得出微震源的空间位置，并将结果呈现在显示模块上。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位方法，其特征在于：
通过获取岩爆事件参数，建立基于三维速度模型的微震源定位方程：
Figure FDA0002402568320000011
其中：R(a,b,c)为岩爆事件空间坐标，(xi,yi,zi)为第i个微震传感器的空间坐标，
Figure FDA0002402568320000012
第i个微震传感器监测到的P波和S波到时，
Figure FDA0002402568320000013
第i个微震传感器的P波和S波三维速度，tR为岩爆事件发生时间；
对方程(1)进行求解，消除未知数tR，获得基于岩爆事件的三维速度之间的关系
Figure FDA0002402568320000014
其中，u和v分别为第u个和v个微震传感器编号；
对待定位的微震源进行所述的三维速度模型的微震源定位方程的建立，并利用所述的岩爆事件的三维速度之间的关系对微震源进行定位计算，获取待定位微震源基于三维速度模型的微震源定位方程的极小值，从而获得微震事件的空间位置。
2.一种隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位系统，其特征在于：包括微震监测系统、通讯模块、处理器模块、显示模块、人机交互模块；
所述微震监测系统通过通讯模块将所获数据传输给处理器模块，
所述处理器模块利用权利要求1所述的方法对微震源定位置进行计算，
所述人机交互模块用于输入已知参数，
所述显示模块用于显示微震源位置数据。
3.根据权利要求2所述的隧洞岩爆孕育过程的微震源高精度定位系统，其特征在于：该系统的处理器模块、显示模块和人机交互模块为工控机。
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