CN111221034B - 矿山微地震源定位方法及模拟检验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山微地震源定位方法及模拟检验系统。定位方法步骤为：（一）使用多个声发射传感器捕捉震源发出的震动，计算各传感器观测到震动的传播时间与理论传播时间的差值；（二）依据所述差值建立最优化模型；（三）采用组合网格法全局搜索，求解所述最优化模型的目标函数。模拟检验系统包括底座、伸缩杆和发射装置等部件。本定位方法可以降低大误差拾取对声发射定位稳定性的影响，同时模拟检验系统可以对震源激发时的位置和角度进行有效控制，防止二次撞击的出现，并实现震源激发大小的定量表征。

Description

矿山微地震源定位方法及模拟检验系统

技术领域

本发明涉及一种针对矿山微地震进行震源模拟检验的系统。

背景技术

震源定位是微地震监测技术的核心要素，定位精度直接关系到矿山安全生产指导和后续参数的计算效果。矿山微地震事件的定位可能受到大误差拾取的影响。为了降低大误差拾取的影响，董陇军等(2017)推导了无需测速的微地震定位解析解，再计算所有P波初至组合数据(

)的时差法得到(x₀,y₀,z₀,t₀,v₀)的多个解析解，进而采用概率密度曲线拟合x₀,y₀,z₀，得到三个方向概率密度最大的位置，并作为最终定位结果。董陇军等(2019)借助上述概率密度函数初定位结果，去除了拾取误差较大的P波初至，进而以L2形式的时差法计算定位结果。李夕兵等(2016)提出了一种基于虚拟场的定位方法，该方法构建了基于双曲面的目标函数，降低了大拾取误差的影响。黄麟淇等(2016)计算了所有P波初至组合数据(

)的触发时间法(x₀,y₀,z₀,v₀)解析解，再通过k均值聚类得到上述定位较集中的区域，从而确定震源位置。综上可知，目前针对大误差拾取的定位方法仍处于初步阶段。

另一方面，矿山微地震定位研究测试过程中需要大量的爆破标定试验数据，如果每次都测量爆破标定试验位置、实施装药爆破等，将浪费大量人力物力。而矿山微震监测与实验室声发射具有很高的相似性，声发射断铅实验测试在矿山微地震定位研究中已经得到初步应用。为此，开发一种矿山微地震源模拟装置十分必要。目前，主要采用手动的断铅来模拟微地震。公开号为CN102507744A的中国专利和《金属压力容器声发射检测及结果评测法》(GB/T18182—2000)指出在震源激发时每次断铅的角度难以控制，相关数据不准确。另外由于惯性影响，铅笔芯折断瞬间容易产生二次撞击，即二次模拟震源，影响了研究数据的准确性和有效性。此外，手动断铅实验存在压力大小不能定量表征的问题。

发明内容

本发明提出了一种矿山微地震源定位方法及模拟检验系统，其目的是：(1)降低大误差拾取对声发射定位稳定性的影响；(2)对震源激发时的位置和角度进行有效控制；(3)防止二次撞击的出现；(4)实现震源激发大小的定量表征。

本发明技术方案如下：

一种矿山微地震源定位方法，步骤为：

(一)使用多个声发射传感器捕捉震源发出的震动，计算各传感器观测到震动的传播时间与理论传播时间的差值；

(二)依据所述差值建立最优化模型；

(三)采用组合网格法全局搜索，求解所述最优化模型的目标函数。

作为上述定位方法的进一步改进：步骤(一)中，假设震源和传感器的坐标分别为(x₀，y₀，z₀)和(x_i，y_i，z_i)，i为传感器的序号，震源发震时刻和第i个传感器接收P波初至时刻分别为t₀和t_i，震源与第i个传感器的距离为l_i，P波传播速度为v_P，那么第i个传感器观测到的传播时间与理论传播时间的差值为：Δt_i＝t_i-t₀-l_i/v_p。

作为上述定位方法的进一步改进：步骤(二)中，设定Δt_i对目标函数的贡献值为f_i＝m_i*exp(-Δt_i+ε)，则定位目标函数为Maximum

其中，n为P波初至数据的数目，m_i为第i个波初至对应的模拟信号的信噪比，ε为调整参数；

该模型中，震源坐标(x₀，y₀，z₀)和震源发震时刻t₀为待求的未知量。

作为上述定位方法的进一步改进：m_i＝10log₁₀[(A_signal/A_noise)²]，A_noise和A_signal分别为P波初至前100us和初至后100us内的平均振幅。

作为上述定位方法的进一步改进：0.01us＜ε＜1us。

作为上述定位方法的进一步改进：步骤(三)中，先采用大网格求取目标函数TCF的最大值，该最大值点对应的计算结果为初定位结果(x₀₁,y₀₁,z₀₁,t₀₁)；再依据初定位结果建立细网格，二次求取目标函数TCF的最大值点，该点对应的结算结果即为最终定位结果(X₀,Y₀,Z₀,t₀)。

作为上述定位方法的进一步改进：采用大网格求取时，网格大小为M×M×M×T，1≤M≤10mm，1≤T≤2us，范围为：x₀₁∈[0,50]mm，y₀₁∈[0,50]mm，z₀₁∈[0,1000]mm，t₀₁∈[t_imax-35t_imax]us，t_imax为t_i集合的最大值；

采用细网格求取时，网格大小为m×m×m×t，0.1≤m≤1mm,0.1≤t≤1us，范围为：X₀∈[x₀₁-M/2,x₀₁+M/2]mm，Y₀∈[y₀₁-M/2,y₀₁+M/2]mm，Z₀∈[z₀₁-M/2,z₀₁+M/2]mm，t₀∈[t₀₁-T/2,t₀₁+T/2]us。

一种用于上述的定位方法的模拟检验系统：包括底座，所述底座上设有竖直的伸缩杆，伸缩杆的上端安装有前后走向的螺纹杆；还包括左右走向的发射装置，所述发射装置的左端安装在连接机构上；所述连接机构与所述螺纹杆相配合，以实现前后方向上的移动；

所述发射装置包括水平设置的套管，所述套管内安装有导向环，套管内还安装与所述导向环的内孔滑动配合的撞击杆；所述套管内还设有弹簧，所述弹簧左端与套管的左端相接触、右端与所述撞击杆的左端相接触；所述撞击杆的左端还连接有拉绳，所述拉绳的自由端位于套管的外侧；

所述发射装置还包括用于指示弹簧向撞击杆施加的推力的大小的指示装置；

所述发射装置的套管的右部的顶部还设有第一开口和位于第一开口右侧的第二开口；套管顶部设置有支撑杆、卡位杆和限位片；

所述支撑杆位于第一开口和第二开口之间，下端与套管顶部固定连接；所述卡位杆的中部与支撑杆上端转动连接；卡位杆的上端位于其下端的右上方；卡位杆的上端通过弹性机构连接有固定卡扣，所述固定卡扣钩在第二开口的左端且底部位于套管内孔中；所述第一开口的左端设有向上伸出的所述限位片，所述卡位杆的下端与限位片的右侧相接触；

所述检验模拟系统还包括设置在撞击目标位置旁的声发射传感器，所述声发射传感器通过放大器与声发射仪相连接，所述声发射仪还连接有显示器。

作为上述模拟检验系统的进一步改进：所述套管上与所述撞击杆左端对应的位置处还设有开窗，所述开窗上安装有作为所述指示装置的透明的盖板，盖板上设有刻度；

所述套管的右端还通过转动连接方式安装有圆盖，圆盖的外侧面上安装有红外灯；

所述底座底部还安装有移动机构，所述移动机构包括本体，所述本体中设有上下贯通的珠孔，所述珠孔中设置有滚珠，所述本体侧面开设有插槽，所述插槽中设有挡片，所述挡片穿过珠孔；

所述伸缩杆包括与底座顶部固定连接的主杆，所述主杆顶部设有安装孔；伸缩杆还包括下端与所述安装孔相配合的副杆；

所述安装孔的内壁上还设有若干沿竖直方向等距离排列的卡槽，所述副杆下端的侧部设有与所述卡槽相配合的弹性卡扣；

所述螺纹杆与副杆的上端固定连接。

作为上述模拟检验系统的进一步改进：所述连接机构包括与所述螺纹杆相配合的连接螺母，还包括与所述连接螺母固定连接的连接块，所述发射装置的套管的左端通过螺栓与连接块固定连接；

所述连接机构还包括设置在连接螺母前后两侧且与所述螺纹杆相配合的紧固螺母。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：(1)本发明的定位方法引入了调整参数和负指数函数，降低了大误差拾取对声发射定位稳定性的影响，该目标函数还考虑了声发射信号的信噪比，通过撞击实验进行检验可知取得了较好的效果；(2)本检验系统通过伸缩杆、螺纹杆可以对发射装置的高度、前后位置及角度进行调整，从而对震源激发时的位置和角度进行有效控制；(3)检验系统还能通过移动机构进行角度、位置的粗调整，减少微调的工作量；(4)本检验系统采用撞击方式模拟震源，并巧妙地通过卡位杆和限位片阻止撞击杆在撞击回弹后再次撞击目标，避免了二次撞击的出现；(5)检验系统利用刻度可计算出弹簧的压缩量即撞击杆初始所受推力，从而可以对撞击力的大小进行定量表征；(6)检验系统通过红外灯可以进一步指示出撞击位置，为数据的收集奠定基础；(7)检验系统采用弹簧进行蓄能撞击，相对于断铅方式，撞击力大，震源模拟效果更好。

附图说明

图1为检验模拟系统的结构示意图。

图2为移动机构部分的结构示意图。

图3为伸缩杆的结构示意图。

图4为发射装置的结构示意图。

图5为图4中A部分的局部示意图

图6为实施例中计算结果的示意图。

图7为50个模拟震源检验实验的定位误差分布图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

如图1，一种矿山微地震源模拟检验系统，包括底座1，所述底座1上设有竖直的伸缩杆3，伸缩杆3的上端安装有前后走向的螺纹杆4；还包括左右走向的发射装置5，所述发射装置5的左端安装在连接机构6上；所述连接机构6与所述螺纹杆4相配合，以实现前后方向上的移动。

所述底座1底部还安装有移动机构2，用于调整整个底座1的位置和角度。如图2，所述移动机构2包括锥柱状的本体，本体通过螺钉或粘贴方式安装在底座1底部。所述本体中设有上下贯通的珠孔2-4，所述珠孔2-4中设置有滚珠2-2。珠孔2-4底部可以设置缩口，防止滚珠2-2完全滚出。所述本体侧面开设有插槽，所述插槽中设有挡片2-3，挡片2-3的外边缘设有手柄，所述挡片2-3插入插槽后穿过珠孔2-4。本体底部还设有橡胶垫片2-1。需要移动底座1时，先抽出挡片2-3，抬起底座1再插入挡片2-3，滚珠2-2在挡片2-3的阻挡下，底部与工作台接触，此时底座1可以在工作台上任意移动和转动。移动到所需位置后，抽出挡片2-3，橡胶垫片2-1与工作台接触，借助摩擦固定底座1。

如图3，所述伸缩杆3包括与底座1顶部固定连接的主杆3-2，所述主杆3-2顶部设有安装孔，底部通过螺纹配合方式与固定在底座1顶面上的安装座3-1相连接。伸缩杆3还包括下端与所述安装孔相配合的副杆3-5。

所述安装孔的内壁上还设有若干沿竖直方向等距离排列的弧形卡槽3-3，所述副杆3-5下端的侧部设有与所述卡槽3-3相配合的弹性卡扣3-4，所述弹性卡扣3-4可以是带有球形凸起的弹性片，也可以是由压簧顶出的钢球。通过推、抽副杆3-5可以实现伸缩，听到弹性卡扣3-4嵌入卡槽3-3的声音后停止，即可将伸缩杆3的长度固定下来。伸缩杆3上还可以设置刻度，刻度最小单位为1cm，方便读取其长度。

所述螺纹杆4通过轴孔配合方式与副杆3-5的上端固定连接。

如图4，所述发射装置5包括水平设置的套管，所述套管内安装有导向环5-6，套管内还安装与所述导向环5-6的内孔滑动配合的撞击杆5-7；所述套管内还设有弹簧5-2，所述弹簧5-2左端与套管的左端相接触、右端与所述撞击杆5-7的左端相接触；所述撞击杆5-7的左端还连接有拉绳5-3，所述拉绳5-3的自由端位于套管的外侧。

所述发射装置5还包括用于指示弹簧5-2向撞击杆5-7施加的推力的大小的指示装置。具体的，所述套管上与所述撞击杆5-7左端对应的位置处还设有开窗，所述开窗上安装有作为所述指示装置的透明的盖板5-4，盖板5-4上设有刻度。

如图5，所述发射装置5的套管的右部的顶部还设有第一开口5-13和位于第一开口5-13右侧的第二开口5-14；套管顶部设置有支撑杆5-11、卡位杆5-9和限位片5-8。

所述支撑杆5-11位于第一开口5-13和第二开口5-14之间，下端与套管顶部固定连接；所述卡位杆5-9的中部与支撑杆5-11上端转动连接；卡位杆5-9的上端位于其下端的右上方；卡位杆5-9的上端通过弹性机构连接有固定卡扣5-10，所述弹性机构为橡皮筋5-12；所述固定卡扣5-10钩在第二开口5-14的左端且底部位于套管内孔中；所述第一开口5-13的左端设有向上伸出的所述限位片5-8，所述卡位杆5-9的下端与限位片5-8的右侧相接触。

如图4，所述套管的右端还通过转动连接方式安装有圆盖，圆盖的外侧面上安装有红外灯5-5。盖上圆盖后，红外灯5-5所照亮的位置即为撞击震源位置。

如图4，所述连接机构6包括与所述螺纹杆4相配合的连接螺母6-1，还包括与所述连接螺母6-1固定连接的连接块6-2，所述发射装置5的套管的左端通过螺栓5-1与连接块6-2固定连接；所述连接机构6还包括设置在连接螺母6-1前后两侧且与所述螺纹杆4相配合的紧固螺母。安装时，旋转连接螺母6-1调整好其位置与角度后，使用紧固螺母从两侧固定住连接螺母6-1，然后再将套管左端插入连接块6-2中，拧紧螺栓5-1，实现发射装置5的调整与安装。

进行震源模拟时，先通过移动机构2调整好底座1的初始位置，然后抽出挡片2-3，底座1下落，固定在工作台上。然后通过伸缩杆3和螺纹杆4，调整后高度方向(Z轴)与前后方向(Y轴)的位置，以及连接螺母6-1的角度，再通过紧固螺母固定好连接螺母6-1，通过螺栓5-1安装好发射装置5。此时，红外灯5-5所指位置即为撞击目标位置，此时通过其它仪器可以提前得到模拟的震源的坐标位置。

撞击前，先打开圆盖，然后拉动拉绳5-3，通过盖板5-4上的刻度读取弹簧5-2压缩量，根据弹簧5-2初始长度和弹性系数计算出撞击前撞击杆5-7所受的推力，并做好记录。撞击时，松开拉绳5-3，撞击杆5-7在弹簧5-2的推动下撞击到目标位置，并且在向右行进时触碰固定卡扣5-10，使之从第二开口5-14中脱离，此时卡位杆5-9前端失去橡皮筋5-12的拉力，逆时针转动，下端从第一开口5-13进入到套管内孔中。当撞击杆5-7撞击回弹后并再次在弹簧5-2作用下向右移动时，会被卡位杆5-9挡住，从而阻止了二次撞击的发生。至此，完成了震源模拟撞击。工作台上可以通过配备传感器、放大装置等实验器材，采集震源信息，做进一步的记录和数据计算处理工作。

本装置能够定力定点完成试样撞击试验，有效克服了现有的手动断铅试验受力点(震源)位置不易控制、压力较小不适于较远距离震源模拟、压力无法控制和定量表征、断铅后由于手的惯性可能造成二次震源等不足，提高了实验数据的准确性、适用范围，为矿山微地震源模拟提供了有力途径。还可以通过改变撞击端形状和尺寸，模拟不同震源机制的微地震源。

本实施例中，撞击目标采用红砂岩试样，尺寸为50mm×50mm×100mm，传感器布置位置分别为(5，0，5)，(45，0，5)，(5，0，95)，(45，0，95)，(5，50，5)，(45，50，5)，(5，50，95)，(45，50，95)处，采样频率均设置为1.0MHz。

系统通过放大器8增强声发射信号，进而用声发射仪9和显示器10来存储和实时显示声发射信号，即获得微地震源模拟信号。

进一步的，依据所获得的信号，采用本发明的定位方法进行定位，步骤为：

(一)使用多个声发射传感器捕捉震源发出的震动，计算各传感器观测到震动的传播时间与理论传播时间的差值。

假设震源和传感器的坐标分别为(x₀，y₀，z₀)和(x_i，y_i，z_i)，i为传感器的序号，震源发震时刻和第i个传感器接收P波初至时刻分别为t₀和t_i，震源与第i个传感器的距离为l_i，P波传播速度为v_P，那么第i个传感器观测到的传播时间与理论传播时间的差值为：Δt_i＝t_i-t₀-l_i/v_p。

(二)依据所述差值建立最优化模型。

设定Δt_i对目标函数的贡献值为f_i＝m_i*exp(-Δt_i+ε)，则定位目标函数为

其中，n为P波初至数据的数目，m_i为第i个波初至对应的模拟信号的信噪比，m_i＝10log₁₀[(A_signal/A_noise)²]，A_noise和A_signal分别为P波初至前100us和初至后100us内的平均振幅；ε为调整参数，0.01us＜ε＜1us。

该模型中，震源坐标(x₀，y₀，z₀)和震源发震时刻t₀为待求的未知量。

(三)采用组合网格法全局搜索，求解所述最优化模型的目标函数。

先采用大网格求取目标函数TCF的最大值，该最大值点对应的计算结果为初定位结果(x₀₁,y₀₁,z₀₁,t₀₁)；再依据初定位结果建立细网格，二次求取目标函数TCF的最大值点，该点对应的结算结果即为最终定位结果(X₀,Y₀,Z₀,t₀)。

具体的，采用大网格求取时，网格大小为M×M×M×T，1≤M≤10mm，1≤T≤2us，范围为：x₀₁∈[0,50]mm，y₀₁∈[0,50]mm，z₀₁∈[0,1000]mm，t₀₁∈[t_imax-35t_imax]us，t_imax为t_i集合的最大值。本实施例中，由坐标(0,0,0)展开网格划分，采用3mm×3mm×3mm×1us的大网格求取目标函数TCF的最大值。

进一步的，采用细网格求取时，网格大小为m×m×m×t，0.1≤m≤1mm,0.1≤t≤1us，范围为：X₀∈[x₀₁-M/2,x₀₁+M/2]mm，Y₀∈[y₀₁-M/2,y₀₁+M/2]mm，Z₀∈[z₀₁-M/2,z₀₁+M/2]mm，t₀∈[t₀₁-T/2,t₀₁+T/2]us。本实施例中，是采用0.5mm×0.5mm×0.5mm3×0.1us的细网格求取[x₀₁-1.5,x₀₁+1.5]，[y₀₁-1.5,y₀₁+1.5]，[z₀₁-1.5,z₀₁+1.5]mm,[t₀₁-0.5,t₀₁+0.5]us范围内的目标函数TCF的最大值点即为最终定位结果(X₀,Y₀,Z₀,t₀)。

图6中灰色五角星为本专利撞击位置，黑色五角星为定位结果，可知本发明的定位方法效果良好。

图7为使用该系统进行50次不同位置的撞击实验，采用本专利定位方法、常规时差法的一范数(TD1)和二范数(TD2)的定位结果。可知TD1方法定位稳定性优于TD2法，而本专利的定位效果明显优于其他两种方法，表明本发明定位方法的有效性。

Claims (5)

1.一种矿山微地震源定位方法，其特征在于步骤为：

(一)使用多个声发射传感器捕捉震源发出的震动，计算各传感器观测到震动的传播时间与理论传播时间的差值；

步骤(一)中，假设震源和传感器的坐标分别为(x₀，y₀，z₀)和(x_i，y_i，z_i)，i为传感器的序号，震源发震时刻和第i个传感器接收P波初至时刻分别为t₀和t_i，震源与第i个传感器的距离为l_i，P波传播速度为v_P，那么第i个传感器观测到的传播时间与理论传播时间的差值为：Δt_i＝t_i-t₀-l_i/v_p；

(二)依据所述差值建立最优化模型；

步骤(二)中，设定Δt_i对目标函数的贡献值为f_i＝m_i*exp(-Δt_i+ε)，则定位目标函数为

其中，n为P波初至数据的数目，m_i为第i个波初至对应的模拟信号的信噪比，ε为调整参数；

该模型中，震源坐标(x₀，y₀，z₀)和震源发震时刻t₀为待求的未知量；

(三)采用组合网格法全局搜索，求解所述最优化模型的目标函数。

2.如权利要求1所述的矿山微地震源定位方法，其特征在于：m_i＝10log₁₀[(A_signal/A_noise)²]，A_noise和A_signal分别为P波初至前100us和初至后100us内的平均振幅。

3.如权利要求1所述的矿山微地震源定位方法，其特征在于：0.01us＜ε＜1us。

4.如权利要求1所述的矿山微地震源定位方法，其特征在于：步骤(三)中，先采用大网格求取目标函数TCF的最大值，该最大值点对应的计算结果为初定位结果(x₀₁,y₀₁,z₀₁,t₀₁)；再依据初定位结果建立细网格，二次求取目标函数TCF的最大值点，该点对应的结算结果即为最终定位结果(X₀,Y₀,Z₀,t₀)。

5.如权利要求4所述的矿山微地震源定位方法，其特征在于：采用大网格求取时，网格大小为M×M×M×T，1≤M≤10mm，1≤T≤2us，范围为：x₀₁∈[0,50]mm，y₀₁∈[0,50]mm，z₀₁∈[0,1000]mm，t₀₁∈[t_imax-35,t_imax]us，t_imax为t_i集合的最大值；

采用细网格求取时，网格大小为m×m×m×t，0.1≤m≤1mm,0.1≤t≤1us，范围为：X₀∈[x₀₁-M/2,x₀₁+M/2]mm，Y₀∈[y₀₁-M/2,y₀₁+M/2]mm，Z₀∈[z₀₁-M/2,z₀₁+M/2]mm，t₀∈[t₀₁-T/2,t₀₁+T/2]us。

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