CN112180430B - 一种存在干扰信号下的矿震p波初至识别方法 - Google Patents

一种存在干扰信号下的矿震p波初至识别方法 Download PDF

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CN112180430B CN202011007422.3A CN202011007422A CN112180430B CN 112180430 B CN112180430 B CN 112180430B CN 202011007422 A CN202011007422 A CN 202011007422A CN 112180430 B CN112180430 B CN 112180430B
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Abstract

本发明公开了一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，先采集记录可能含有干扰信号的矿震信号；设计三个移动时间窗口计算通道i满足识别判据公式的P波初至到时向量
Figure DDA0002696406440000011
按每个通道记录的矿震信号能量最大原则，从
Figure DDA0002696406440000012
中选择对应的最佳P波初至到时
Figure DDA0002696406440000013
组成初始识别的全通道P波初至到时向量T；根据T利用相关性判断公式，判断两通道识别的信号是否同源；采用最佳有效通道识别方法确定含有效矿震信号波形的通道k；以通道k为基准判断须进行修正的干扰信号通道和确定此通道内矿震信号P波初至到时的有效识别范围；最后识别修正通道对应TP在有效识别范围内的最佳P波初至到时，最终将干扰信号识别剔除，获取各个通道的有效矿震信号。

Description

一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法
技术领域
本发明涉及一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，属于煤矿安全开采技术领域。
背景技术
微震监测是目前冲击地压危险分析和预警所依赖的重要方法，其中矿震信号的P波初至识别精度将极大影响矿震定位和能量求解的准确性，若识别精度不佳，则可导致微震监测方法无法发挥应有的分析和预警作用。传统的矿震P波初至识别方法，例如能量分析法、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，在环境背景噪音较弱的情况下，可以较准确识别出P波初至的到时时刻，但煤矿井下作业环境嘈杂，存在打钻施工、车辆运输、大型电气设备运行等各种干扰源，产生的干扰信号会严重制约以上识别方法的准确性，导致误识别干扰信号作为矿震信号，从而无法准确识别到记录的有效矿震信号，最终无法保证矿震定位和能量求解的准确性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，能准确识别出矿震信号中的干扰信号，从而获得准确的有效矿震信号，保证后续矿震定位和能量求解的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，具体步骤为：
(1)利用微震监测系统采集记录可能含有干扰信号的矿震信号
利用安装在煤矿井下巷道底板的n个震动波接收通道组成的监测网，以一定采样频率SF实时采集工作面生产和巷道掘进过程中煤岩体内发生矿震释放的震动波，并通过地面接收单元实时记录各个接收通道反馈的矿震信号，由于受打钻施工、矿车通过、开关激励、人员活动等影响，这些记录的矿震波形信号中部分会混有不可消除的干扰信号；
(2)设定移动时间窗口和识别判据确定各通道P波初至到时向量TP
设任意一个通道为通道i(i＝1..n)，对通道i上记录的矿震信号x(t)，以一定长度设定三个移动时间步距为
Figure BDA0002696406420000021
的时间窗口，分别为前时窗口
Figure BDA0002696406420000022
后时窗口
Figure BDA0002696406420000023
和延时窗口
Figure BDA0002696406420000024
确定通道i的识别判据公式
Figure BDA0002696406420000025
且
Figure BDA0002696406420000026
且
Figure BDA0002696406420000027
其中，
Figure BDA0002696406420000028
为移动时间窗口
Figure BDA0002696406420000029
内信号幅值绝对值的平均值，
Figure BDA00026964064200000210
为第一门槛值；
Figure BDA00026964064200000211
为
Figure BDA00026964064200000212
内信号幅值绝对值的平均值与
Figure BDA00026964064200000213
内信号幅值绝对值的平均值的比值，
Figure BDA00026964064200000214
为第二门槛值；
Figure BDA00026964064200000215
为
Figure BDA00026964064200000216
内信号幅值绝对值的平均值与
Figure BDA00026964064200000217
内信号幅值绝对值的平均值的比值，
Figure BDA00026964064200000218
为第三门槛值；
根据上述识别判据公式，获得通道i的P波初至到时向量
Figure BDA00026964064200000219
进而n个通道，能分别形成n个不同的P波初至到时向量
Figure BDA00026964064200000220
(3)根据矿震信号能量最大原则，从各个通道的P波初至到时向量中选择对应的最佳P波初至到时组成初始识别的全通道的最佳P波初至到时向量T
矿震信号能量最大原则为通常矿震波形占据记录波形的绝大部分能量，根据该原则确定
Figure BDA00026964064200000221
中最大值对应的时刻
Figure BDA00026964064200000222
为寻找通道i最佳P波初至到时的最佳时刻，即选取
Figure BDA00026964064200000223
中最接近
Figure BDA00026964064200000224
的时刻作为通道i的最佳P波初至到时
Figure BDA00026964064200000225
对n个通道循环处理后，得到全通道最佳P波初至到时向量
Figure BDA00026964064200000226
(4)将全通道最佳P波初至到时向量利用相关性判断公式计算到时相关矩阵R，用于判断任意两通道识别的信号是否为同一矿震震源激发的信号
在西安80坐标系下，测量各个地震波接收通道的空间坐标[x y z]，同时由已知震源位置的放炮信号反向确定巷道底板上各个通道的P波波速值VP，将步骤(3)得出的全通道最佳P波初至识别到时向量，利用通道相关性计算公式任意通道i和通道j相互组合计算，进而形成相关矩阵R，具体为：
Figure BDA0002696406420000031
其中，Rij为相关系数；[xi yi zi]为通道i的空间坐标；[xj yj zj]为通道j的空间坐标；
Figure BDA0002696406420000032
为通道i的最佳P波初至到时；
Figure BDA0002696406420000033
为通道j的最佳P波初至到时；
Figure BDA0002696406420000034
为通道i的P波波速值；
Figure BDA0002696406420000035
为通道j的P波波速值；
Figure BDA0002696406420000036
为
Figure BDA0002696406420000037
和
Figure BDA0002696406420000038
之间的最小值；
当Rij＝1时，通道i和通道j记录的矿震信号确定为同一矿震震源激发的信号；当Rij＝0时，说明通道i和通道j上的信号不相关；最终将得出的数据组成相关矩阵R；
(5)对相关矩阵R，采用最佳有效通道识别方法确定含有有效矿震信号(有效矿震信号为不含干扰信号的矿震信号)的通道k
最佳有效通道识别方法具体为：对相关矩阵R
Figure BDA0002696406420000039
按每列求和得行向量
Figure BDA00026964064200000310
确定有效矿震信号通道k为行向量RC中最大值max(RC)所在的通道，若最大值不止一个，则确定通道k为各个通道中最佳P波初至到时最小的通道；
(6)以通道k为基准判断需要进行修正的干扰信号通道和确定此通道内矿震信号最佳P波初至到时的有效识别范围
以通道k为基准，对行向量RC中小于max(RC)的各个通道i，分别确定各个通道矿震信号在范围放大系数为α时的P波初至到时有效识别范围为
Figure BDA00026964064200000311
其中，[xk yk zk]为通道k的空间坐标；
Figure BDA00026964064200000312
为通道k的最佳P波初至到时；
Figure BDA00026964064200000313
为通道i的P波波速值；
Figure BDA0002696406420000041
为通道k的P波波速值；
Figure BDA0002696406420000042
为
Figure BDA0002696406420000043
和
Figure BDA0002696406420000044
之间的最小值；
然后根据各自的有效识别范围确定各个通道i的最佳P波初至到时
Figure BDA0002696406420000045
是否落入该范围，若未落入则记录其为需要进行修正的干扰信号通道；
(7)以矿震信号能量最大原则识别需要进行修正的干扰信号通道对应TP在有效识别范围内的最佳P波初至到时
若
Figure BDA0002696406420000046
在步骤(6)确定的有效识别范围内不存在识别的到时，则
Figure BDA0002696406420000047
不存在，剔除该通道；若存在识别的到时，则依据矿震信号能量最大原则，在有效识别范围内按照步骤(3)重新确定通道i的最佳P波初至到时
Figure BDA0002696406420000048
最终完成干扰信号通道修正过程。
进一步，所述第一门槛值、第二门槛值和第三门槛值的确定方法为：将前时窗口
Figure BDA0002696406420000049
后移p个采样点，经希尔伯特变换为Ei(t)，计算变换后窗口内信号的平均值
Figure BDA00026964064200000410
和标准偏差
Figure BDA00026964064200000411
取第一门槛值
Figure BDA00026964064200000412
第二门槛值、第三门槛值取为信噪比SNR的倍数。
进一步，所述地震波接收通道为地震波拾震器。
与现有技术相比，本发明先利用现有的微震监测系统采集记录可能含有干扰信号的n个通道的矿震信号；设计三个不同长度的移动时间窗口计算通道i满足识别判据公式的单通道P波初至到时向量
Figure BDA00026964064200000413
按每个通道记录的矿震信号能量最大原则，从
Figure BDA00026964064200000414
中选择对应的最佳P波初至到时
Figure BDA00026964064200000415
组成初始识别的全通道P波初至到时向量
Figure BDA00026964064200000416
根据T利用相关性判断公式计算到时相关矩阵R，用于判断两通道识别的信号是否同源；对到时相关矩阵R，采用最佳有效通道识别方法确定含有效矿震信号波形的通道k；以通道k为基准判断须进行修正的干扰信号通道和确定此通道内矿震信号P波初至到时的有效识别范围；以矿震信号能量最大原则识别修正通道对应TP在有效识别范围内的最佳P波初至到时，最终将干扰信号识别剔除，获取各个通道的有效矿震信号。因此本发明能准确识别出矿震信号中的干扰信号，解决了干扰信号存在时的P波初至到时误识别问题，从而获得准确的有效矿震信号，保证后续矿震定位和能量求解的准确性。另外本发明具有实用性强，结果可靠，适用范围广，且易于电脑编程的优点。
附图说明
图1是本发明的识别流程图；
图2是实施例中采集到的含有干扰信号的矿震信号波形图；
图3是实施例中通道8的P波初至到时向量
Figure BDA0002696406420000051
计算示意图；
图4是实施例中依据矿震信号能量最大原则确定通道8的
Figure BDA0002696406420000052
示意图；
图5是实施例中依据矿震信号能量最大原则在有效识别范围内确定通道8的
Figure BDA0002696406420000053
示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例：如图1所示，具体步骤为：
(1)利用微震监测系统采集记录可能含有干扰信号的矿震信号
利用安装在煤矿井下巷道底板的8个震动波接收通道组成的监测网，以采样频率500Hz实时采集工作面生产和巷道掘进过程中煤岩体内发生矿震释放的震动波，并通过地面接收单元实时记录各个接收通道反馈的矿震信号，由于受打钻施工、矿车通过、开关激励、人员活动等影响，这些记录的矿震波形信号中部分会混有不可消除的干扰信号，如图2所示；
(2)设定移动时间窗口和识别判据确定各通道P波初至到时向量TP
设任意一个通道为通道i(i＝1..8)，对通道i上记录的矿震信号x(t)，以三个长度分别为40、60、40的移动时间步距为2ms的移动时间窗口，分别为前时窗口
Figure BDA0002696406420000054
后时窗口
Figure BDA0002696406420000055
和延时窗口
Figure BDA0002696406420000056
确定通道i的识别判据公式
Figure BDA0002696406420000057
且
Figure BDA0002696406420000058
且
Figure BDA0002696406420000059
其中，
Figure BDA00026964064200000510
为移动时间窗口
Figure BDA00026964064200000511
内信号幅值绝对值的平均值，
Figure BDA00026964064200000512
为第一门槛值；
Figure BDA00026964064200000513
为
Figure BDA00026964064200000514
内信号幅值绝对值的平均值与
Figure BDA00026964064200000515
内信号幅值绝对值的平均值的比值，
Figure BDA00026964064200000516
为第二门槛值；
Figure BDA00026964064200000517
为
Figure BDA00026964064200000518
内信号幅值绝对值的平均值与
Figure BDA00026964064200000519
内信号幅值绝对值的平均值的比值，
Figure BDA00026964064200000520
为第三门槛值；所述第一门槛值、第二门槛值和第三门槛值的确定方法为：将前时窗口
Figure BDA0002696406420000061
后移20个采样点，第一门槛值、第二门槛值和第三门槛值均常值，取为4；
根据上述识别判据公式，获得通道i的P波初至到时向量
Figure BDA0002696406420000062
进而8个通道，能分别形成8个不同的P波初至到时向量：
Figure BDA0002696406420000063
Figure BDA0002696406420000064
Figure BDA0002696406420000065
Figure BDA0002696406420000066
如图3所示；
(3)根据矿震信号能量最大原则，从各个通道的P波初至到时向量中选择对应的最佳P波初至到时组成初始识别的全通道的最佳P波初至到时向量T
矿震信号能量最大原则为通常矿震波形占据记录波形的绝大部分能量，根据该原则确定
Figure BDA0002696406420000067
中最大值对应的时刻
Figure BDA0002696406420000068
为寻找通道i最佳P波初至到时的最佳时刻，即选取
Figure BDA0002696406420000069
中最接近
Figure BDA00026964064200000610
的时刻作为通道i的最佳P波初至到时
Figure BDA00026964064200000611
分别为[11.29811.298 11.314 11.326 1.814 11.312 11.372 10.458]，进而得到全通道的最佳P波初至到时向量T＝[11.32 11.27 11.312 11.322 1.816 11.31 11.372 10.458]；
(4)将全通道的最佳P波初至到时向量利用相关性判断公式计算到时相关矩阵R，用于判断任意两通道识别的信号是否为同一矿震震源激发的信号
在西安80坐标系下，为了方便计算，重新确定当前矿井采掘工程面图左下角的边界点为原点，将坐标系进行平移，测量各个地震波接收通道的空间坐标[x y z]，同时由已知震源位置的放炮信号反向确定巷道底板上各个通道的P波波速值VP，具体如下表
Figure BDA00026964064200000612
Figure BDA0002696406420000071
将步骤(3)得出的全通道的最佳P波初至识别到时向量，利用通道相关性计算公式任意通道i和通道j相互组合计算，进而形成相关矩阵R，具体为：
Figure BDA0002696406420000072
其中，Rij为相关系数；[xi yi zi]为通道i的空间坐标；[xj yj zj]为通道j的空间坐标；
Figure BDA0002696406420000073
为通道i的最佳P波初至到时；
Figure BDA0002696406420000074
为通道j的最佳P波初至到时；
Figure BDA0002696406420000075
为通道i的P波波速值；
Figure BDA0002696406420000076
为通道j的P波波速值；
Figure BDA0002696406420000077
为
Figure BDA0002696406420000078
和
Figure BDA0002696406420000079
之间的最小值；
当Rij＝1时，通道i和通道j记录的矿震信号确定为同一矿震震源激发的信号；当Rij＝0时，说明通道i和通道j上的信号不相关；最终将得出的数据组成相关矩阵R；
Figure BDA00026964064200000710
(5)对相关矩阵R，采用最佳有效通道识别方法确定含有有效矿震信号(有效矿震信号为不含干扰信号的矿震信号)的通道
最佳有效通道识别方法具体为：对相关矩阵R按每列求和得行向量RC＝[5 4 6 51 6 6 1]，确定有效矿震信号通道k为行向量RC中最大值max(RC)所在的通道，即通道3、6、7均为6，由于三个通道中通道6的最佳P波初至到时最小，则确定最佳有效通道为通道6；
(6)以通道6为基准判断需要进行修正的干扰信号通道和确定此通道内矿震信号的最佳P波初至到时的有效识别范围
以通道6为基准，对行向量RC中小于max(RC)的各个通道，确定通道1、2、4、5、8的矿震信号在范围放大系数为α＝1.05时的最佳P波初至到时有效识别范围，分别为[10.69,11.96]、[10.726,11.925]、[10.72,11.94]、[10.75,11.9]、[10.71,11.94]，
然后根据上述有效识别范围判断对应的
Figure BDA0002696406420000081
Figure BDA0002696406420000082
是否落入该范围，其中通道5和8未落入，则记录其为需要进行修正的干扰信号通道；
(7)以矿震信号能量最大原则识别需要进行修正的干扰信号通道对应TP在有效识别范围内的最佳P波初至到时
对通道5，由于
Figure BDA0002696406420000083
中不存在落入识别范围[10.75,11.9]的P波初至到时，则
Figure BDA0002696406420000084
不存在，将该通道接收的矿震信号删除；对通道8，由于
Figure BDA0002696406420000085
存在落入识别范围[10.71,11.94]的P波初至到时，可确定识别范围内
Figure BDA0002696406420000086
为11.35，据此从通道8的P波初至到时向量中选择对应的最佳P波初至到时为11.378，最终完成干扰信号通道修正过程。
进一步，所述地震波接收通道为地震波拾震器。
上述震动波接收通道组成的监测网及地面接收单元均为煤矿井下的现有设备。

Claims (3)

1.一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)利用微震监测系统采集含有干扰信号的矿震信号
利用安装在煤矿井下巷道底板的n个地震波接收通道组成的监测网，以一定采样频率SF实时采集工作面生产和巷道掘进过程中煤岩体内发生矿震释放的震动波，并通过地面接收单元实时记录各个接收通道反馈的矿震信号；
(2)设定移动时间窗口和识别判据确定各通道P波初至到时向量
Figure FDA0003142688760000011
设任意一个通道为通道i，其中i＝1…n，对通道i上记录的矿震信号x(t)，以一定长度设定三个移动时间步距为
Figure FDA0003142688760000012
的时间窗口，分别为前时窗口
Figure FDA0003142688760000013
后时窗口
Figure FDA0003142688760000014
和延时窗口
Figure FDA0003142688760000015
确定通道i的P波初至到时向量的识别判据公式
Figure FDA0003142688760000016
且
Figure FDA0003142688760000017
且
Figure FDA0003142688760000018
其中，
Figure FDA0003142688760000019
为前时窗口
Figure FDA00031426887600000110
内信号幅值绝对值的平均值，
Figure FDA00031426887600000111
为第一门槛值；
Figure FDA00031426887600000112
为
Figure FDA00031426887600000113
内信号幅值绝对值的平均值与
Figure FDA00031426887600000114
内信号幅值绝对值的平均值的比值，
Figure FDA00031426887600000115
为第二门槛值；
Figure FDA00031426887600000116
为
Figure FDA00031426887600000117
内信号幅值绝对值的平均值与
Figure FDA00031426887600000118
内信号幅值绝对值的平均值的比值，
Figure FDA00031426887600000119
为第三门槛值；
根据上述识别判据公式，获得通道i的P波初至到时向量
Figure FDA00031426887600000120
进而n个通道，能分别形成n个不同的P波初至到时向量
Figure FDA00031426887600000121
其中i＝1…n；
(3)根据矿震信号能量最大原则，从各个通道的P波初至到时向量中选择对应的最佳P波初至到时组成初始识别的全通道最佳P波初至到时向量T
根据矿震信号能量最大原则，确定
Figure FDA00031426887600000122
中最大值对应的时刻
Figure FDA00031426887600000123
为寻找通道i最佳P波初至到时的时刻，即选取
Figure FDA00031426887600000124
中最接近
Figure FDA00031426887600000125
的时刻作为通道i的最佳P波初至到时
Figure FDA00031426887600000126
对n个通道循环处理后，得到全通道的最佳P波初至到时向量
Figure FDA00031426887600000127
(4)将全通道的最佳P波初至到时向量利用相关性判断公式计算到时相关矩阵R，用于判断任意两通道识别的信号是否为同一矿震震源激发的信号
在西安80坐标系下，测量各个地震波接收通道的空间坐标[x y z]，同时由已知震源位置的放炮信号反向确定巷道底板上各个通道的P波波速值VP，将步骤(3)得出的全通道的最佳P波初至识别到时向量，利用通道相关性计算公式任意通道i和通道j相互组合计算，进而形成相关矩阵R，具体为：
Figure FDA0003142688760000021
其中，Rij为相关系数；[xi yi zi]为通道i的空间坐标；[xj yj zj]为通道j的空间坐标；
Figure FDA0003142688760000022
为通道i的最佳P波初至到时；
Figure FDA0003142688760000023
为通道j的最佳P波初至到时；
Figure FDA0003142688760000024
为通道i的P波波速值；
Figure FDA0003142688760000025
为通道j的P波波速值；
Figure FDA0003142688760000026
为
Figure FDA0003142688760000027
和
Figure FDA0003142688760000028
之间的最小值；
当Rij＝1时，通道i和通道j记录的矿震信号确定为同一矿震震源激发的信号；当Rij＝0时，说明通道i和通道j上的信号不相关；最终将得出的数据组成相关矩阵R；
(5)对相关矩阵R，采用最佳有效通道识别方法确定含有有效矿震信号的通道k
最佳有效通道识别方法具体为：对相关矩阵R
Figure FDA0003142688760000029
按每列求和得行向量
Figure FDA00031426887600000210
确定有效矿震信号通道k为行向量RC中最大值max(RC)所在的通道，若最大值不止一个，则确定通道k为上述行向量RC中最大值max(RC)所在的多个通道中最佳P波初至到时最小的通道；
(6)以通道k为基准判断需要进行修正的干扰信号通道和确定此通道内矿震信号的最佳P波初至到时的有效识别范围
以通道k为基准，对行向量RC中小于max(RC)的各个通道i，分别确定各个通道矿震信号在范围放大系数为α时的最佳P波初至到时有效识别范围为
Figure FDA0003142688760000031
其中，[xk yk zk]为通道k的空间坐标；
Figure FDA0003142688760000032
为通道k的最佳P波初至到时；
Figure FDA0003142688760000033
为通道i的P波波速值；
Figure FDA0003142688760000034
为通道k的P波波速值；
Figure FDA0003142688760000035
为
Figure FDA0003142688760000036
和
Figure FDA0003142688760000037
之间的最小值；
然后根据各自的有效识别范围确定各个通道i的最佳P波初至到时
Figure FDA0003142688760000038
是否落入该范围，若未落入则记录其为需要进行修正的干扰信号通道；
(7)以矿震信号能量最大原则识别需要进行修正的干扰信号通道对应TP在有效识别范围内的最佳P波初至到时
若
Figure FDA0003142688760000039
在步骤(6)确定的有效识别范围内不存在识别的到时，则
Figure FDA00031426887600000310
不存在，剔除该通道；若存在识别的到时，则依据矿震信号能量最大原则，在有效识别范围内按照步骤(3)重新确定通道i的最佳P波初至到时
Figure FDA00031426887600000311
最终完成干扰信号通道修正过程。
2.根据权利要求1所述的一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，其特征在于，所述第一门槛值、第二门槛值和第三门槛值的确定方法为：将前时窗口
Figure FDA00031426887600000312
后移p个采样点，经希尔伯特变换为Ei(t)，计算变换后窗口内信号的平均值
Figure FDA00031426887600000313
和标准偏差
Figure FDA00031426887600000314
取第一门槛值
Figure FDA00031426887600000315
第二门槛值、第三门槛值取为信噪比SNR的倍数。
3.根据权利要求1所述的一种存在干扰信号下的矿震P波初至识别方法，其特征在于，所述地震波接收通道为地震波拾震器。
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