CN111025380A - 一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿井微地震观测系统设计及面波速度提取方法，针对矿山安全微地震监测领域，在受限制观测空间设计四线交错网格圆形微地震监测台阵观测系统，在微地震事件和采掘工程等强噪声环境中的采集信息，由于微地震信号及环境噪声带有较复杂的时空特性的随机过程，利用空间相关方法从信号记录中有效提取微地震事件和采掘振动产生的面波，并计算面波相速度的频散特征曲线，进一步根据面波频率和相速度计算波长，取频率的波长一半作为测探距离建立初始地层速度模型，通过反复迭代处理获得地层的速度结构特征，由于面波不受高速层屏蔽作用的影响，对煤层等低速层有较强的分辨能力，能够反映工作面的速度结构，从而提高微地震监测资料的利用效果。
Description
技术领域
本发明涉及微地震监测领域，具体涉及矿井微地震观测系统设计及其强噪声环境下提取有效面波的方法。
背景技术
微地震技术已成为地下工程安全监测、石油开采、深部矿山动力灾害致灾因素研究领域等一种基本手段。矿山开采中发生的微地震事件在传播过程中携带丰富的地层弹性波信息，利用微地震监测技术分析岩体失稳与微地震事件关联性，通过震源定位和余震事件变化判断围岩稳定性，确认冲击地压的成因和分析高应力活动区。
然而，现有成果大多数更专注于P波衰减、频谱、速度和旅行时空关系等特征，由此反演微地震震源位置、岩石的损伤状态及其演变过程。事实上，在弹性介质中的激发震源往往会产生P波、S波和面波三种主要波型，当传播一定距离后，面波是主要能量成分，因此面波具有很大的利用价值。另一方面，矿山采掘采掘活动及周围机械振动造成亦是重要震源，其产生的地震波在传播过程同样携带有大量地层弹性波信息。
矿山微地震观测环境受到矿井巷道布置等受限的空间，记录的数据包含体波和面波，还有散射波、绕射波以及强噪声干扰等，微地震事件的重要特点是时间和空间随机性，要想从这个集合体中分离出面波信息比较困难。
发明内容
为了解决上述现有技术所存在的问题，本发明公开了一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法，在煤矿井下煤层中的回采工作面中，此方法可有效的、准确的面波传播的频散特征，并对工作面的速度结构分布进行成像。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。
一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法，包括以下步骤。
1)矿山的微地震信号及环境噪声带有较复杂的时空特性的随机过程，它是来自不同方向波叠加的合成波。其中面波为主成份，忽略各种高阶模式波、体波等；布置现场条件的震动传感器处于同一平面。
限于井下作业空间的有限性和施工作业的困难性，由于无法确定微地震的来源和传播方向，即微地震事件来源可能来自周围任何地点，任何时间，即所观测信号均为时间和空间变化随机信号，根据煤层回采工作面的侧帮高度设计并布置4排交错微地震传感器，并现场布置采集系统长时间记录微地震和矿山采掘机械振动信号。
2)由测线编排的观测数据，需要对其进行解编和抽取,重新编辑为圆形观测道集，该道集是以中心道为0道，然后从水平右向开始依次按逆时针或顺时针对抽取的同圆观测道进行顺序编号，分别记为1,2…N道，同一微地震事件的波到达圆形观测台阵的任意传感器具有相关性，能够从观测记录中分析出微地震波旅行时差。
假定微地震面波传播方向与观测台阵在同一平面，设定水平方向为基准方向，则其他震动传感器的位置相对水平方向用θi表示，微地震波传播方向相对水平方向用φ表示。如果微地震波到在t0时刻达了排列圆周上，以相速度c达到不同震动传感器的时刻为ti，那么时间延迟τi(τi＝ti-t0)用如下公式来矫正。
式中，τ0为微地震波相位到达圆形观测排列中心点的时间延迟。
3)由于微地震记录或环境噪声为长时记录，首先取一定时间间隔记录或一定数量的采样点数据段，然后对数据段进行快速傅里叶变换(FFT)，取一段数据求其自功率谱和互功率谱，同时对每段数据采用窄带滤波方式获得不同频率信号。
4)两个传感器间记录的同一信号记录，计算空间自相关函数S(r,θ)，其公式为
其中，g(ω,r,θi)为空间协方差函数。相应空间协方差函数的方位平均为
式中J0(rk)表示第一类零阶贝塞尔函数。
5)采用窄带滤波方法得到中心频率ω0，并进一步计算该频率对应的空间自相关系数，其计算公式为：
6)由半径为r的圆形数据集得到所有频率的空间自相关系数满足零阶第一类贝塞尔函数，在半径r的圆形台阵上得到的空间自相关系数与频率有关，通过查表得到第一类贝塞尔函数值，计算得到面波频率ω0对应的相速度c(ω0)的频散曲线。
7)由于圆形观测台阵的检波器的耦合条件、记录仪器的频率特性总存在差异，求取空间自相关系数时应将各测点得到的功率谱密度函数规格化，规格化空间自相关系数公式为
式中
是在圆周测点(o,r)将长时间记录的原始信号通过中心频率ω0的窄带滤波所的信号，空间自相关系数就是在圆形台阵中心的与圆周上观测信号对特定频率ω0相关的方位平均。
由此，可得到微地震面波信号所有频率对应的相速度，即微地震面波的频散特征曲线。
由实测面波频率和相速度计算波长，取该波长的一半作为测探距离建立初始速度模型，从而反演获得地层的速度结构特征。
同样，亦可以对对O点和半径为r的圆周上任一测点A(r,θ)的微地震信号实施傅里叶变换后，在频率域求取空间相关系数。
本发明具有以下优点：针对矿井微地震观测环境受限且存在强噪声干扰观测环境，设计四线交错网格数据观测系统，此方法可有效的提取微地震资料中面波频散特征，由于面波不受高速层屏蔽作用的影响，对煤层等低速层有较强的分辨能力，能够反映工作面的速度结构，其成像特征与煤层厚度分布具有良好的一致性，结合微地震的纵横波信息提高微地震监测资料的利用效果，达到煤矿井下掘进巷道、工作面超前地质条件精细探测的精度。此外，在微地震在其他领域的观测设计和数据处理均具有较好的适用性。
附图说明
图1是本方法的结构框图。
图2某煤矿15050工作面平面示意图。
图3某煤矿15050工作面侧帮微地震观测系统设计。
图4a微地震事件形成的微地震记录。
图4b采掘机械振动形成的微地震记录。
图5圆形观测台阵及记录相位延迟计算示意图。
图6a微地震事件形成的微地震记录的空间自相关函数-频率关系曲线。
图6b采掘机械振动形成的微地震记录的空间自相关函数-频率关系曲线。
图7a微地震事件形成的微地震记录频散特征图。
图7b采掘机械振动形成的微地震记录频散特征图。
图8工作面内层析速度分布面波反演成像图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明一种矿井微地震观测系统中面波提取方法，具体运算中通常要进行加载观测系统、剔除异常道、提取圆形观测数据集、窄带滤波、空间自相关系数计算、计算相速度、拟合出相速度频散曲线等前期处理过程，然后根据初始速度模型通过反复迭代方法反演计算，基本处理流程见如图1所示。
实测记录分成若干个数据段，剔除明显干扰大的数据段，将各数据段通过中心频率不同的窄带滤波处理，分别提取各个频率成分；对各个频率成分分别计算中心测点与圆周上各点之间的空间自相关系数并进行方向平均；提取微地震数据的相速度频散曲线包括空间自相关函数的计算及其Bessel函数拟合等步骤。利用自相关系数计算相速度，根据分布趋势拟合出相速度频散曲线。
下文针对某煤矿15050工作面微地震观测系统设计及面波提取方法实例开展具体描述，其基本步骤如下：
如图2所示，回风巷和运输巷相邻为监测的15050采煤工作面，长1000m，宽度500m。根据已有勘探资料，煤层厚度变化范围2.0m-2.3m，巷道高度与煤层厚度变化基本一致。
限于井下作业空间的有限性和施工作业的困难性，为了提高微地震监测数据采集效率，分别在回风巷和运输巷的采煤工作面侧帮分别垂直平面布置4排交错微地震传感器，其中回风巷测线命名为L1、L2、L3和L4，距底板高度分别为0m、0.65m、1.3m、1.95m，传感器间距2.22m，如图4所示，由此可形成以L2和L3交错同心圆状的微地震观测台阵，例如以 L3-S2为圆心，水平方向为极坐标0°，则在半径1.3m的30°、150°、210°、270°和330°的不同方位角分别有L4-S3、L4-S1、L2-S1、L1-S2和L2-S3处5个微地震传感器，从而形成一组观测台阵；L2和L3测线的同心圆监测台阵与此类似，如图3所示。
同样，运输巷测线命名为H1、H2、H3和H4，距底板高度与回风巷基本一致。
采用该观测方式应用在某煤矿15050工作面进行井下实际微地震监测工作过程中，同时记录矿山采掘机械振动等信号。
由测线编排的观测数据，需要对其进行解编和抽取,重新编辑为圆形观测道集,简称“圆道集”,该道集是以中心道为0道,然后从水平右向开始依次按逆时针(或顺时针)对抽取的同圆观测道进行顺序编号,分别记为1,2…N道。总的记录编号方法可以为:标识-线-站-道,例如由LSC-4-3-0、LSC4-3-1、…、LSC-4-3-N,由其中LSC为圆形观测道集的标识，“-”为分割符，分割后第一个数字为线编号，分割后第二个数字为圆道集台站编号、分割后第三个数字为同一圆道集内的道编号。
矿山围岩破裂过程发出微地震事件和矿山采掘活动的振动都可以作为微地震监测的震源，地震波在地层中传播过程中都携带地层的速度信息，并采用空间相关分析方法提取有效的面波信息。当无采掘工程活动时，岩石破裂产出的微地震能量比噪声能量较强时，可以从监测记录中明显的识别微地震事件，抽取圆形观测道集如图4(a)所示，微地震事件造成记录2500ms左右具有明显的振幅变大特征。当有采掘工程活动时，监测记录中并不能明显的识别有效的机械振动或微地震事件的信号特征，抽取圆形观测道集如图4(b)所示。
图5给出了微地震波时间延迟校正示意图，假定微地震面波传播方向与观测台阵在同一平面，设定水平方向为基准方向，则其他震动传感器的位置相对水平方向用θi表示，微地震波传播方向相对水平方向用φ表示。如果微地震波到在t0时刻达了排列圆周上，以相速度c 达到不同震动传感器的时刻为ti，那么时间延迟τi(τi＝ti-t0)用如下公式来校正
式中，τ0为微地震波相位到达圆形观测排列中心点的时间延迟。
此外，两个不同记录点间距离越长，获得更长周期的微震波的相速度的精度越好，则可以以任意传感器为中心，与更远距离的传感器进行空间相关处理，提高长周期的面波提取精度，提高获得更远距离地层速度的计算精度。
由于微地震记录或环境噪声为长时记录，首先取一定时间间隔记录或一定数量的采样点数据段，然后对数据段进行快速傅里叶变换(FFT)，并求其自功率谱和互功率谱；同时对每段数据采用窄带滤波方式获得不同频率信号，并计算对应频率的自相关系数；若长时间记录，可计算多个数据段的空间自相关结果的平均值和标准方差。由此，对微地震事件形成的记录和采掘机械振动形成的波形记录采用公式分别计算自相关函数，绘制自相关函数与频率关系曲线，若对多条空间自相关函数求和平均可获得标准差小比较的光滑曲线，围岩破裂过程发出微地震事件和矿山采掘活动的振动自相关函数-频率关系如图6a和图6b所示，其中虚线为标准方差。
由半径为r的圆形数据集得到所有频率的空间自相关系数满足零阶第一类贝塞尔函数，通过拟合的贝塞尔函数值进一步计算多个频率对应的面波相速度，并绘制频散曲线。微地震事件和采掘机械振动的实际数据进一步计算所得的频散曲线如图7a和图7b所示。
通过设置初始反演模型，并对单个观测台阵频散特征曲线进行反演计算，由此可获得对应一维地层模型的面波速度等相关参数，通过对所有观测台阵的一维速度结构相邻的地层内插法处理，从而获得整个工作面的速度分布图，如图8所示。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，改进或等同替换等，均应在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法，其特征在于，步骤如下：
1)微地震观测信号可能来自周围任何地点、任何时间的随机信号，根据煤层回采工作面的侧帮高度设计并布置4排交错微地震观测系统，并对矿井微地震事件和采集振动等等震源信号进行长时间记录；
2)由测线编排的观测数据，对其进行解编和抽取，重新编辑为圆形观测道集，该道集是以圆中心为0道,然后从水平右向开始依次按逆时针或顺时针对抽取的同圆观测道进行顺序编号，分别记为1,2…N道，由于同一微地震事件的波到达圆形观测台阵的任意传感器具有相关性，能够从观测记录中分析出微地震波旅行时差；
3)假定微地震面波传播方向与观测台阵在同一平面，设定水平方向为基准方向，则振动传感器的极坐标角度为θi，微地震波传播方向相对相对极坐标角度为φ，传感器到圆心的半径为r，如果微地震波到在t0时刻达了排列圆周上，以相速度c达到不同震动传感器的时刻为ti，用如下公式来校正；
式中，τ0为微地震波相位到达圆形观测排列中心点的时间延迟；
3)由于微地震记录或环境噪声为长时记录，首先取一定时间间隔记录或一定数量的采样点数据段，然后对数据段进行快速傅里叶变换(FFT)，取一段数据求其自功率谱和互功率谱，同时对每段数据采用窄带滤波方式获得不同频率的微地震信号；
4)若采用窄带滤波方法得到中心频率ω0的面波信号，那么对于两个传感器记录的同一信号，经过时间延迟校正后，计算空间自相关函数S(r，θ)，公式为
其中g(ω,r,θi)为空间协方差函数，公式为
相应空间协方差函数的方位平均公式为
其中
式中J0(rk)为第一类零阶贝塞尔函数；
5)并进一步计算该频率对应的空间自相关系数，其计算公式为：
6)由半径为r的圆形数据集得到所有频率的空间自相关系数满足零阶第一类贝塞尔函数，在半径ω0的圆形台阵上得到的空间自相关系数与频率有关，通过查表得到第一类贝塞尔函数值，计算得到面波频率ω0对应的相速度c(ω0)；
由于圆形观测台阵的检波器的耦合条件、记录仪器的频率特性总存在差异，求取空间自相关系数时可将各测点得到的功率谱密度函数进行规格化，规格化空间自相关系数公式为
式中
是在圆周测点(o,r)将长时间记录的原始信号通过中心频率ω0的窄带滤波所的信号，空间自相关系数就是在圆形台阵中心的与圆周上观测信号对特定频率ω0相关的方位平均；由此，可得到微地震面波信号所有频率对应的相速度，即微地震面波的频散特征曲线。
2.根据权利要求1所述的一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法，其特征在于，所述根据煤层回采工作面的侧帮高度设计并布置四排交错微地震传感器可以对其进行解编和抽取,重新编辑为圆形观测道集，对于圆形观测道集的观测记录窄带滤波，并进行空间相关处理获得对应频率的相关系数。
3.根据权利要求1所述的一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法，其特征在于，由微地震面波的频散特征曲线，进一步根据面波频率和相速度计算波长，取频率的波长一半作为测探距离建立初始地层速度模型，从而反演获得地层的速度结构特征。
4.根据权利要求1所述的一种矿井微地震观测系统设计及面波提取方法，其特征在于，对煤层中的回采工作面观测空间受限且存在强噪声干扰环境矿井微地震观测环境，设计四线交错网格数据观测系统，此方法可有效的提取面波传播的频散特征，并对工作面速度结构进行成像，提高的微地震监测资料的使用，以及提高煤矿井下掘进巷道、工作面超前地质条件精细探测的精度。
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