CN110297271B - 一种用于矿震报警的单分量探头p波初至到时修正方法 - Google Patents

一种用于矿震报警的单分量探头p波初至到时修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，尤其适用于煤矿开采和煤矿安全技术领域使用。采用P波初至拾取方法分析单分量探头对应通道上的震动波形的P波初至到时；截取震动波形在开始记录时间段的波形作为背景噪音信号，计算背景噪音信号平均值用于平移震动波形获得平移后的震动信号波形；计算在时间段的波形包络线，并根据包络线计算标准值；判断是否满足标准值要求，最从而确定修正后的P波初至到时。其提高了各单分量探头上波形P波初至识别和矿震震源定位的准确性和可靠性，该方法实用性强，结果可靠，适用范围广。

Description

一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法
技术领域
本发明涉及一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，尤其适用于煤矿开采和煤矿安全技术领域使用。
背景技术
强矿震发生后短时间内易诱发冲击地压灾害或可能诱发瓦斯突出等次生灾害，严重影响矿井的安全生产工作，因此对矿震震源位置的准确自动定位，及时警示管理者实施紧急救援及避让工作，以防止可能造成的伤亡，其意义重大。目前P波初至拾取方法中的能量分析法、偏振分析法、高阶统计量方法、分形分维法、AIC法、频谱分析法或人工神经网络法等大部分都存在识别到时略微延时的弊端，从而导致震源定位和能量计算精度较低，特别是在微震台网布设条件较差时，无法满足现场对矿震准确报警的要求。当前，大多数学者都只注重提高P波初至到时拾取算法的计算精度，而忽略了算法无法针对各种复杂信号精确计算初至到时的客观事实，因此对P波初至到时进行修正是不可或缺的。
发明内容
发明目的：本发明的目的是要克服传统P波初至到时拾取中存在延时的弊端，提供一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，从而提高矿震定位的准确性和可靠性。
技术方案：为实现上述发明目的一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其于步骤如下：
首先采用P波初至拾取方法自动分析确定某单分量探头对应通道上震动波形x(tj)的P波初至到时tp，截取震动波形x(tj)在开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波形作为背景噪音信号，计算所有的背景噪音信号的平均值，通过平移获得震动波形信号x1(tj)；采用希尔伯特变换计算平移后的震动信号波形x1(tj)在时刻t1至(t1+tp)/2时间段的波形包络线y(t)，计算标准值Q；当满足|x1(tp)|＞Q条件时，从初至时刻tp向前搜索直至到tq，直至恰好满足|x1(tq)|≤Q条件，从而确定tq为修正后的P波初至到时。
具体步骤如下：
(1)在煤矿安装SOS微震监测系统，SOS微震监测系统包括井上采集记录设备和井下安装的多个单分量探头；其中多个单分量探头安装在垂直巷道底板的锚杆上，利用SOS微震监测系统采集采掘生产中诱发的矿震信号并记录存储起来，利用井上采集记录设备对矿震信号采用P波初至拾取方法自动分析，从而确定某一个单分量探头对应通道上震动波形x(tj)的P波初至到时tp；
(2)对某通道单分量探头采集的震动波形信号x(tj)，截取震动波形信号x(tj)在开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波段作为背景噪音信号，计算背景噪音信号的平均值a，利用背景噪音信号的平均值a，平移震动波形x(tj)得到平移后的震动信号波形x1(tj)；
(3)采用希尔伯特变换计算平移后的震动信号波形x1(tj)，在震动波形信号x(tj)的开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波形包络线y(tj)，然后利用波形包络线y(tj)计算修正初至到时tp的标准值Q；
(4)当满足条件|x1(tp)|＞Q时，从初至时刻tp向后搜索直至修正初至到时tq(p＞q)，修正初至到时tq恰好满足|x(tq)|≤Q，最终确定tq为修正后的P波初至到时。
所述的P波初至拾取方法为：任选能量分析法、偏振分析法、高阶统计量方法、分形分维法、AIC法、频谱分析法或人工神经网络法中的一种方法，计算某一个单分量探头对应通道的震动波形x(tj)的P波初至到时为tp，开始记录时刻其中
Figure BDA0002107949380000021
tj与tj+1之间相差一个采样间隔为
Figure BDA0002107949380000022
f为采样频率，
Figure BDA0002107949380000023
为第p个采样点对应的采集时刻。
所述的平移后的震动信号波形x1(tj)的计算方法为：首先从震动波形x(tj)中截取时刻t1至tn的波形作为背景噪音信号，其中tn＝(tp+t1)/2，
Figure BDA0002107949380000024
floor为向下取整函数，利用公式：
Figure BDA0002107949380000025
计算背景噪音信号的平均值a，最后利用公式：x1(tj)＝x(tj)-a得到平移后的震动信号波形。
所述的标准值Q计算方法为：采用希尔伯特变换得到波形x1(tj)在tj∈[t1tn]范围的复向量Z(tj)＝x1(tj)+ix2(tj)，式中x2(tj)为复向量的虚部，i为复数的表达形式，tn＝(tp+t1)/2，
Figure BDA0002107949380000026
计算复向量Z的模，即求解包络线
Figure BDA0002107949380000027
最后利用公式：
Figure BDA0002107949380000028
计算包络线的平均值，并取平均值的m倍作为标准值Q＝mb，其中m＝1.5。
修正后P波初至到时tq的计算方法为：当条件|x1(tp)|＞Q时，则执行while循环，p＝p-1，即从识别的P波初至到时tp向后搜索直至tq，此时恰好满足|x(tq)|≤Q，退出循环得到q＝p和修正到时tq。
有益效果：本发明能够对于矿震报警的单分量探头P波初至拾取方法识别的P波初至到时滞后实际到时的弊端进行修正，提高了各单分量探头上波形P波初至识别和矿震震源定位的准确性和可靠性。本方法简单，方便，可操作性强，且便于计算机编程。
附图说明
图1为本发明使用的单分量探头上波形P波初至到时修正流程图；
图2为锚杆上的某单分量探头对应通道上的原始波形图和平移后波形图；
图3为检测到背景噪音信号平移后的背景噪音信号和采用希尔伯特变换生成的包络线图；
图4为本发明用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法生成的P波初至到时的修正示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其步骤如下：
首先采用P波初至拾取方法自动分析确定某单分量探头对应通道上震动波形x(tj)的P波初至到时tp，截取震动波形x(tj)在开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波形作为背景噪音信号，计算所有的背景噪音信号的平均值，通过平移获得震动波形信号x1(tj)；采用希尔伯特变换计算x1(tj)在时刻t1至(t1+tp)/2时间段的波形包络线y(t)，然后计算标准值Q；当满足|x1(tp)|＞Q时，从初至时刻tp向前搜索直至到tq，此时恰好满足|x1(tq)|≤Q，最终确定tq为修正后的P波初至到时。
具体步骤如下：
(1)在煤矿安装SOS微震监测系统，SOS微震监测系统包括井上采集记录设备和井下安装的多个单分量探头；其中多个单分量探头安装在垂直巷道底板的锚杆上，利用SOS微震监测系统采集采掘生产中诱发的矿震信号并记录存储起来，利用井上采集记录设备对矿震信号采用P波初至拾取方法自动分析，从而确定某单分量探头对应通道上震动波形x(tj)的P波初至到时tp；
所述的P波初至拾取方法为：任选能量分析法、偏振分析法、高阶统计量方法、分形分维法、AIC法、频谱分析法或人工神经网络法中的一种方法，计算某单分量探头对应通道的震动波形x(tj)的P波初至到时为tp，开始记录时刻其中
Figure BDA0002107949380000041
tj与tj+1之间相差一个采样间隔为
Figure BDA0002107949380000042
f为采样频率，
Figure BDA0002107949380000043
为第p个采样点对应的采集时刻；
(2)对某通道单分量探头采集的震动波形信号x(tj)，截取震动波形信号x(tj)在开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波段作为背景噪音信号，计算背景噪音信号的平均值a，利用背景噪音信号的平均值a，平移震动波形x(tj)得到平移后的震动信号波形x1(tj)；
所述的平移后的震动信号波形x1(tj)的计算方法为：首先从震动波形x(tj)中截取时刻t1至tn的波形作为背景噪音信号，其中tn＝(tp+t1)/2，
Figure BDA0002107949380000044
floor为向下取整函数，利用公式：
Figure BDA0002107949380000045
计算背景噪音信号的平均值a，最后利用公式：x1(tj)＝x(tj)-a得到平移后的震动信号波形；
(3)采用希尔伯特变换计算平移后的震动信号波形x1(tj)，在震动波形信号x(tj)的开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波形包络线y(tj)，然后利用波形包络线y(tj)计算修正初至到时tp的标准值Q；
标准值Q计算方公式为：
Q＝mb
Figure BDA0002107949380000046
Figure BDA0002107949380000047
Z(tj)＝x1(tj)+ix2(tj)
其中，m＝1.5，
Figure BDA0002107949380000048
复向量Z(tj)＝x1(tj)+ix2(tj)是平移信号x1(tj)在tj∈[t1 tn]范围通过希尔伯特变换计算得到，x2(tj)为复向量的虚部；
(4)当满足条件|x1(tp)|＞Q时，从初至时刻tp向后搜索直至修正初至到时tq(p＞q)，修正初至到时tq恰好满足|x(tq)|≤Q，最终确定tq为修正后的P波初至到时；
修正后P波初至到时tq的计算方法：当条件|x1(tp)|＞Q时，则执行while循环，p＝p-1，即从识别的P波初至到时tp向后搜索直至tq，此时恰好满足|x(tq)|≤Q，退出循环得到q＝p和修正到时tq。
实施例1
如图2所示，某矿区SOS微震监测系统记录的某单分量探头对应通道上的原始矿震信号波形x(tj)，采样频率f＝500Hz，对单分量探头记录的波形数据采用本发明方法进行P波初至到时修正，实施步骤如下：
A.选取AIC法自动分析确定该单分量探头对应通道的震动波形x(tj)的P波初至到时
Figure BDA0002107949380000051
B.如图2，确定震动波形中背景噪音信号的截取时间范围为[0.002 1.252]s，
Figure BDA0002107949380000052
并计算背景噪音信号的平均值
Figure BDA0002107949380000053
Figure BDA0002107949380000054
平移震动波形x(t)得到x1(tj)＝x(tj)+5.279676×10-5；
C.采用希尔伯特变换计算得到平移信号x1(tj)在tj∈[t1 tn]＝[0.002 1.252]s范围的复向量Z；计算复向量Z的模，即包络线
Figure BDA0002107949380000055
如图3所示；最后计算包络线的平均值
Figure BDA0002107949380000056
并取平均值的1.5倍作为标准值Q＝1.7861×10-6m/s。
D.从自动识别的P波初至到时tp＝1251＝2.502s向后搜索，执行while循环，当条件|x(tp)|＞Q时，p＝p-1，直至恰好满足条件|x(tq)|≤Q，循环退出后得到q＝p＝1245和修正到时tq＝1245＝2.490s，具体如图4所示。

Claims (6)

1.一种用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其特征在于步骤如下：
首先采用P波初至拾取方法自动分析确定某单分量探头对应通道上震动波形x(tj)的P波初至到时tp，截取震动波形x(tj)在开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波形作为背景噪音信号，计算所有的背景噪音信号的平均值，通过平移获得震动波形信号x1(tj)；采用希尔伯特变换计算平移后的震动信号波形x1(tj)在时刻t1至(t1+tp)/2时间段的波形包络线y(tj)，计算标准值Q；当满足|x1(tp)|＞Q条件时，从初至时刻tp向前搜索直至到tq，直至恰好满足|x1(tq)|≤Q条件，从而确定tq为修正后的P波初至到时。
2.根据权利要求1所述用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)在煤矿安装SOS微震监测系统，SOS微震监测系统包括井上采集记录设备和井下安装的多个单分量探头；其中多个单分量探头安装在垂直巷道底板的锚杆上，利用SOS微震监测系统采集采掘生产中诱发的矿震信号并记录存储起来，利用井上采集记录设备对矿震信号采用P波初至拾取方法自动分析，从而确定某一单分量探头对应通道上震动波形x(tj)的P波初至到时tp；
(2)对某通道单分量探头采集的震动波形信号x(tj)，截取震动波形信号x(tj)在开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波段作为背景噪音信号，计算背景噪音信号的平均值a，利用背景噪音信号的平均值a，平移震动波形x(tj)得到平移后的震动信号波形x1(tj)；
(3)采用希尔伯特变换计算平移后的震动信号波形x1(tj)，在震动波形信号x(tj)的开始记录时刻t1至(tp+t1)/2时间段的波形包络线y(tj)，然后利用波形包络线y(tj)计算修正初至到时tp的标准值Q；
(4)当满足条件|x1(tp)|＞Q时，从初至时刻tp向前搜索直至修正初至到时tq(p＞q)，修正初至到时tq恰好满足|x1(tq)|≤Q，最终确定tq为修正后的P波初至到时。
3.根据权利要求2所述用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其特征在于所述的P波初至拾取方法为：任选能量分析法、偏振分析法、高阶统计量方法、分形分维法、AIC法、频谱分析法或人工神经网络法中的一种方法，计算某一单分量探头对应通道的震动波形x(tj)的P波初至到时为tp，开始记录时刻其中
Figure FDA0002477961370000021
tj与tj+1之间相差一个采样间隔为
Figure FDA0002477961370000022
f为采样频率，
Figure FDA0002477961370000023
为第p个采样点对应的采集时刻。
4.根据权利要求2所述用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其特征在于：所述的平移后的震动信号波形x1(tj)的计算方法为：首先从震动波形x(tj)中截取时刻t1至tn的波形作为背景噪音信号，其中tn＝(tp+t1)/2，
Figure FDA0002477961370000024
floor为向下取整函数，利用公式：
Figure FDA0002477961370000025
计算背景噪音信号的平均值a，最后利用公式：x1(tj)＝x(tj)-a得到平移后的震动信号波形。
5.根据权利要求2所述用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其特征在于所述的标准值Q计算方法为：采用希尔伯特变换得到波形x1(tj)在tj∈[t1 tn]范围的复向量Z(tj)＝x1(tj)+ix2(tj)，式中x2(rj)为复向量的虚部，i为复数，tn＝(tp+t1)/2，
Figure FDA0002477961370000026
Figure FDA0002477961370000027
计算复向量Z的模，即求解包络线
Figure FDA0002477961370000028
最后利用公式：
Figure FDA0002477961370000029
计算包络线的平均值，并取平均值的m倍作为标准值Q＝mb，其中m＝1.5。
6.根据权利要求2所述用于矿震报警的单分量探头P波初至到时修正方法，其特征在于修正后P波初至到时tq的计算方法为：当条件|x1(tp)|＞Q时，则执行while循环，p＝p-1，即从识别的P波初至到时tp向前搜索直至tq，此时恰好满足|x1(tq)|≤Q，退出循环得到q＝p和修正到时tq。
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