CN116088050A - 一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法 - Google Patents

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CN116088050A CN202310035649.6A CN202310035649A CN116088050A CN 116088050 A CN116088050 A CN 116088050A CN 202310035649 A CN202310035649 A CN 202310035649A CN 116088050 A CN116088050 A CN 116088050A
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Abstract

本发明提供了一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，该方法利用检测到的微震监测的时间、空间位置和相对释放能量参数，初步判断微震活跃程度及岩爆等级；根据获取的微震监测事件产生的空间三维定位坐标和能量值能级变化情况，根据事件数集聚态势和坐标点位，对不同危险级别的灾害发生区位进行划分，而后提出基于微震能量参数的预警指标并进行预报预警。该方法在空间连续性上比传统二维分析更具优势，对分析地下工程三维空间体内微震监测破裂源时空演化规律尤其是空间上的集聚程度具有较好的实用效果。

Description

一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法
技术领域
本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法。
背景技术
如何对岩爆灾害进行有效的监测和预警，已经成为深部地下工程安全建设中亟待解决的难题。岩爆预警是在高地应力区建设地下工程的一项重要工作，旨在预测潜在的岩爆风险区，以便及时采取合适的防护措施，保证地下结构、施工设施和人员的安全。目前，微震监测技术作为一种岩体微破裂三维空间监测技术，是目前研究岩爆孕育过程最直接和有效的监测手段，已经广泛应用于深部地下工程的岩爆监测预警中。微震监测系统利用安装在岩体中的多组传感器采集岩体微破裂信号，经过微震系统进行波形处理和震源定位后，可以获取微震源的破裂位置、微震源能量、震级和视应力等微震源参数信息。然后利用微震事件的震源参数信息，对岩爆孕育过程中微震事件的时空演化规律进行研究，识别潜在的岩爆风险区，从而实现岩爆灾害提前预警。申请号为CN201910081165.9的发明专利公开了一种基于分形维数的岩石破裂复杂程度表征方法、申请号为CN201910210964.1的发明专利公开了一种基于微震分形预测冲击危险等级的综合智能预测方法、申请号CN112987087A的发明专利公开了一种微震监测/声发射破裂源时空分布状态与趋势的预警方法，微破裂震源分形维的统计与计算较为成熟，但就分形维数及其统计值而言，统计难度大，数据繁琐，计算量大，要求计算能力高，尤其是在空间三维真实破坏岩体分析方面更为复杂。
发明内容
基于基于实际工程需求，本发明致力于提供一种计算简单、准确率高、合理的定量岩爆预警指标确定方法，从而为岩爆风险评估、灾害等级确定提供更加合理的预测。
为实现本发明的目的，本发明是这样实现的：
一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，所述预测方法包括如下步骤：
S1，在隧洞中布设微震监测系统，并构建随掘进系统可以实现动态监测的布设方案，传感器数量不应少于4个，6-8个为宜；
S2，获取隧洞微震监测数据，进行初步处理与筛选，基于小波时频分析剔除干扰波形，之后将异常的岩爆信号进行剔除，计算微震事件的空间三维坐标和能量值；
S3，将微震事件数据进行汇总，形成包含所述微震事件的时间、空间三维定位坐标和能量值的数据文件，并根据岩爆等级划分标准，确定岩爆等级；
S4，读取微震事件的波形数据文件，计算每个微震事件的视应力、震级与能量指数，而后计算某区域内微震事件的累积视体积；
S5，基于步骤S4计算的微震参数，构建微震预警指数，并将预警等级划分为4级：Ⅰ级，定义为特别严重区域，进行红色预警；Ⅱ级，定义为严重区域，进行橙色预警；Ⅲ级，定义为较重区域，进行黄色预警；Ⅳ级，定义为一般区域，进行蓝色预警；
S6，按照微震事件的时间先后顺序重复S1至S5的操作步骤，从而实现对隧洞岩爆的实时预警。
进一步地，所述步骤S2中的干扰波形包括机械敲击信号波形、机械振动信号波形和电气噪声信号波形。
进一步地，所述岩爆信号是由岩体大尺度破裂产生，其幅值较大，持续时间大于100ms，波形出现了明显的消峰现象，且尾波较发育；机械敲击信号持续时间通常不大于70ms，且尾波衰减较快；机械振动信号持续时间通常大于80ms，尾波发育；电气噪音信号的持续时间一般大于200ms，幅值信号主频范围主要集中2000～2500Hz。
进一步地，所述步骤S2中，当传感器将微震信号拾取后，将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定声发射源的时空参数，达到定位的目的，其他公式如下：
Figure BDA0004048643270000031
式中，x,y和z分别为微震事件位置坐标，t为微震事件发生的时间，xi，yi和zi分别为第i个传感器所在位置坐标，vp为岩体的p波波速，ti为微震事件信号到达第i个传感器的时间。
进一步地，所述步骤S2中，微震事件的能量计算方法如下：
Figure BDA0004048643270000032
式中：E为微震事件能量；V(f)为震源信号速度谱；ρ为岩石密度；c为波速；R为微震信号传播距离；f为微震信号的频率。
进一步地，所述步骤S4中，视应力是指非弹性同震变形单位体积内发射的地震能量，反映震源处应力大小，计算公式如下：
Figure BDA0004048643270000033
式中：σα为视应力；E为微震事件能量；M0为地震矩；u为岩体剪切模量；
视体积Vα则反映震源处的变形特征，其计算公式如下：
Figure BDA0004048643270000034
能量指数EI为微震事件的地震能量与相同地震矩的事件平均能量之比：
Figure BDA0004048643270000035
E(M0)为相同地震矩的事件平均能量，其可以通过一定空间范围内的lgE-lgM0的关系曲线确定，即：
Figure BDA0004048643270000041
进一步地，将能量指数的迅速下降，伴随着视体积快速增加可作为围岩发生岩爆的预警指标，即将相邻能量指数-时间求斜率，而后进行归一化处理为kE；将相邻视体积-时间求斜率，也进行归一化处理为kV，进而提出岩爆预警指标：
Figure BDA0004048643270000042
中等岩爆{-0.4<kE×kV<-0.1
强烈岩爆{-0.7<kE×kV<-0.4
极强岩爆{-1.0<kE×kV<-0.7
进一步地，将相邻能量指数-时间求斜率并归一化处理为kE具体为：
Figure BDA0004048643270000043
其中，KEI(i+1)为第i+1个能量指数EI(i+1)与第i个能量指数EI(i)作差然后除以两个能量指数的时间差所算的斜率，tEI(i+1)为第i+1个能量指数EI(i+1)所对应的时间，tEI(i)为第i个能量指数EI(i)所对应的时间；
采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0004048643270000044
其中，
Figure BDA0004048643270000045
为所有计算得到的斜率中的最小值，
Figure BDA0004048643270000046
为所有计算得到的斜率中的最大值。
进一步地，将相邻视体积-时间求斜率并归一化处理为kV具体为：
Figure BDA0004048643270000047
其中，
Figure BDA0004048643270000048
为第i+1个视体积指数Vα(i+1)与第i个视体积指数Vα(i)作差然后除以两个视体积的时间差所算的斜率，
Figure BDA0004048643270000049
为第i+1个视体积指数
Figure BDA00040486432700000412
所对应的时间，
Figure BDA00040486432700000410
为第i个视体积指数
Figure BDA00040486432700000411
所对应的时间；
采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0004048643270000051
其中，
Figure BDA0004048643270000052
为所有计算得到的斜率中的最小值，
Figure BDA0004048643270000053
为所有计算得到的斜率中的最大值。
进一步地，结合岩爆预警指标，确定微震主要发生区域，而后根据4个等级进行预警，其中将其岩爆对应Ⅰ级，进行红色预警；强烈岩爆对应Ⅱ级，进行橙色预警；中等岩爆对应Ⅲ级，进行黄色预警；轻微岩爆对应Ⅳ级，进行蓝色预警。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果，本发明通过小波时频分析方法提取各种典型信号的时频域特征，对岩体微破裂事件进行了有效识别；充分利用微震原始波数据和微震能量数据，利于微震事件的时间、空间、强度信息，根据微震事件时空强特性将岩爆等级进行划分；同时利用微震能量、震级等参数信息，挖掘微震数据的潜在规律，提出了定量化的岩爆预测指标，岩爆预测针对性强，精度高，该方法计算简单、无需进行较多的运算，且各种参数计算方法较为成熟，易于推广使用。本发明可广泛用于地下厂房、隧洞、边坡和巷道等工程微震监测岩爆预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体流程图；
图2为本发明不同信号波形示意图；
图3为本发明传感器对微震事件定位原理图；
图4为本发明实施例logE-logM0关系图；
图5为本发明预警指标与强岩爆关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合附图，对本发明进行详细说明，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本实施例提供一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，包括如下步骤，如图1所示：
S1，在隧洞中布设微震监测系统，并构建随掘进系统可以实现动态监测的布设方案，传感器数量不应少于4个，6-8个为宜；
S2，获取隧洞微震监测数据，进行初步处理与筛选，基于小波时频分析剔除干扰波形，之后将异常的岩爆信号进行剔除，之后计算微震事件的空间三维坐标和能量值；本实施例中干扰波形如机械敲击信号、机械振动信号、电气噪声信号等；
S3，将微震事件数据进行汇总，形成包含所述微震事件的时间、空间三维定位坐标和能量值的数据文件，并根据岩爆等级划分标准，确定岩爆等级；
S4，读取微震事件的波形数据文件，计算每个微震事件的视应力、震级与能量指数，而后计算某区域内微震事件的累积视体积；
S5，基于步骤S4计算的微震参数，构建微震预警指数，并将预警等级划分为4级：Ⅰ级，定义为特别严重区域，进行红色预警；Ⅱ级，定义为严重区域，进行橙色预警；Ⅲ级，定义为较重区域，进行黄色预警；Ⅳ级，定义为一般区域，进行蓝色预警。
S6，基于微震事件的时间先后顺序重复S1至S4的操作步骤，从而实现对隧洞岩爆的实时预警。
在上述实施例中，岩爆信号是由岩体大尺度破裂产生，其幅值较大，持续时间通常大于100ms，波形出现了明显的消峰现象，且尾波较发育；机械敲击信号持续时间较短，通常不大于70ms，且尾波衰减较快；振动信号持续时间通常大于80ms，尾波发育；电气噪音信号的持续时间长(>200ms)，幅值较低，幅值信号主频范围主要集中2000～2500Hz，如图2所示。
当传感器将微震信号拾取后，将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定声发射源的时空参数，达到定位的目的，如图3所示。其具体公式如下：
Figure BDA0004048643270000071
式中，x,y和z分别为微震事件位置坐标，t为微震事件发生的时间，xi，yi和zi分别为第i个传感器所在位置坐标，vp为岩体的p波波速，ti为微震事件信号到达第i个传感器的时间
本实施例中微震事件的能量计算方法如下：
Figure BDA0004048643270000072
式中：E为微震事件能量；V(f)为震源信号速度谱；ρ为岩石密度；c为波速；R为微震信号传播距离；f为微震信号的频率。
视应力是指非弹性同震变形单位体积内发射的地震能量，反映震源处应力大小，计算公式如下：
Figure BDA0004048643270000081
式中：σα为视应力；E为微震事件能量；M0为地震矩；u为岩体剪切模量。
视体积(Va)则反映震源处的变形特征，其计算公式如下：
Figure BDA0004048643270000082
能量指数(EI)为微震事件的地震能量与相同地震矩的事件平均能量之比：
Figure BDA0004048643270000083
Figure BDA0004048643270000084
为相同地震矩的事件平均能量，其可以通过一定空间范围内的lgE-lgM0的关系曲线确定，如图4所示，即：
Figure BDA0004048643270000085
能量指数和视体积的时间序列特征反映着围岩应力和变形状态，能量指数增大表明震源应力水平升高，视体积均匀增长意味着围岩变形逐渐增加，能量指数增长至较高水平时，围岩接近破坏；此后，能量指数开始降低，视体积增长速度加快，围岩出现较大变形。将能量指数的迅速下降，伴随着视体积快速增加可作为围岩发生岩爆的预警指标，即将相邻能量指数-时间求斜率，而后归一化(kE)；将相邻视体积-时间求斜率，也进行归一化(kV)，进而提出岩爆预警指标。
进一步地，将相邻能量指数-时间求斜率并归一化处理为kE具体为：
Figure BDA0004048643270000086
其中，KEI(i+1)为第i+1个能量指数EI(i+1)与第i个能量指数EI(i)作差然后除以两个能量指数的时间差所算的斜率，tEI(i+1)为第i+1个能量指数EI(i+1)所对应的时间，tEI(i)为第i个能量指数EI(i)所对应的时间；
采用下式进行归一化处理：
Figure BDA00040486432700000913
其中，
Figure BDA00040486432700000914
为所有计算得到的斜率中的最小值，
Figure BDA0004048643270000091
为所有计算得到的斜率中的最大值。
进一步地，将相邻视体积-时间求斜率并归一化处理为kV具体为：
Figure BDA0004048643270000092
其中，
Figure BDA0004048643270000093
为第i+1个视体积指数
Figure BDA0004048643270000094
与第i个视体积指数Vα(i)作差然后除以两个视体积的时间差所算的斜率，
Figure BDA0004048643270000095
为第i+1个视体积指数
Figure BDA0004048643270000096
所对应的时间，
Figure BDA0004048643270000097
为第i个视体积指数
Figure BDA0004048643270000098
所对应的时间；
采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0004048643270000099
其中，
Figure BDA00040486432700000910
为所有计算得到的斜率中的最小值，
Figure BDA00040486432700000911
为所有计算得到的斜率中的最大值。
岩爆预警指标如下：
Figure BDA00040486432700000912
中等岩爆{-10<kE×kV<-1
强烈岩爆{-100<kE×kV<-10
极强岩爆{kE×kV<-100
结合岩爆预警指标，确定微震主要发生区域，而后根据4个等级进行预警，其中将其岩爆对应Ⅰ级，进行红色预警；强烈岩爆对应Ⅱ级，进行橙色预警；中等岩爆对应Ⅲ级，进行黄色预警；轻微岩爆对应Ⅳ级，进行蓝色预警。如图5所示，将某一区域微震事件能量绘制出来，由图可知，微震事件的能量分布(黑色圆圈表示)与其是否发生岩爆(黑色五角星)没有明确的关系，而利用本发明提出的预测指标(黑色正方形)，可以较好地预测岩爆的发生。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的干方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：所述预测方法包括如下步骤：
S1，在隧洞中布设微震监测系统，并构建随掘进系统可以实现动态监测的布设方案，传感器数量不应少于4个，6-8个为宜；
S2，获取隧洞微震监测数据，进行初步处理与筛选，基于小波时频分析剔除干扰波形，之后将异常的岩爆信号进行剔除，计算微震事件的空间三维坐标和能量值；
S3，将微震事件数据进行汇总，形成包含所述微震事件的时间、空间三维定位坐标和能量值的数据文件，并根据岩爆等级划分标准，确定岩爆等级；
S4，读取微震事件的波形数据文件，计算每个微震事件的视应力、震级与能量指数，而后计算某区域内微震事件的累积视体积；
S5，基于步骤S4计算的微震参数，构建微震预警指数，并将预警等级划分为4级：Ⅰ级，定义为特别严重区域，进行红色预警；Ⅱ级，定义为严重区域，进行橙色预警；Ⅲ级，定义为较重区域，进行黄色预警；Ⅳ级，定义为一般区域，进行蓝色预警；
S6，按照微震事件的时间先后顺序重复S1至S5的操作步骤，从而实现对隧洞岩爆的实时预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：所述步骤S2中的干扰波形包括机械敲击信号波形、机械振动信号波形和电气噪声信号波形。
3.根据权利要求2所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：所述岩爆信号是由岩体大尺度破裂产生，其幅值较大，持续时间大于100ms，波形出现了明显的消峰现象，且尾波较发育；机械敲击信号持续时间通常不大于70ms，且尾波衰减较快；机械振动信号持续时间通常大于80ms，尾波发育；电气噪音信号的持续时间一般大于200ms，幅值信号主频范围主要集中2000～2500Hz。
4.根据权利要求1所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，当传感器将微震信号拾取后，将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定声发射源的时空参数，达到定位的目的。
5.根据权利要求1所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，微震事件的能量计算方法如下：
Figure FDA0004048643260000021
式中：E为微震事件能量；V(f)为震源信号速度谱；ρ为岩石密度；c为波速；R为微震信号传播距离；f为微震信号的频率。
6.根据权利要求1所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：所述步骤S4中，视应力是指非弹性同震变形单位体积内发射的地震能量，反映震源处应力大小，计算公式如下：
Figure FDA0004048643260000022
式中：σα为视应力；E为微震事件能量；M0为地震矩；u为岩体剪切模量；
视体积Vα则反映震源处的变形特征，其计算公式如下：
Figure FDA0004048643260000023
能量指数EI为微震事件的地震能量与相同地震矩的事件平均能量之比：
Figure FDA0004048643260000024
Figure FDA0004048643260000025
为相同地震矩的事件平均能量，其可以通过一定空间范围内的lgE-lgM0的关系曲线确定，即：
Figure FDA0004048643260000026
7.根据权利要求6所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：将能量指数的迅速下降，伴随着视体积快速增加可作为围岩发生岩爆的预警指标，即将相邻能量指数-时间求斜率，而后进行归一化处理为kE；将相邻视体积-时间求斜率，也进行归一化处理为kV，进而提出岩爆预警指标：
Figure FDA0004048643260000031
中等岩爆{-0.4<kE×kV<-0.1
强烈岩爆{-0.7<kE×kV<-0.4
极强岩爆{-1.0<kE×kV<-0.7。
8.根据权利要求7所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：将相邻能量指数-时间求斜率并归一化处理为kE具体为：
Figure FDA0004048643260000032
其中，KEI(i+1)为第i+1个能量指数EI(i+1)与第i个能量指数EI(i)作差然后除以两个能量指数的时间差所算的斜率，tEI(i+1)为第i+1个能量指数EI(i+1)所对应的时间，tEI(i)为第i个能量指数EI(i)所对应的时间；
采用下式进行归一化处理：
Figure FDA0004048643260000033
其中，
Figure FDA0004048643260000034
为所有计算得到的斜率中的最小值，
Figure FDA0004048643260000035
为所有计算得到的斜率中的最大值。
9.根据权利要求7所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：将相邻视体积-时间求斜率并归一化处理为kV具体为：
Figure FDA0004048643260000036
其中，
Figure FDA0004048643260000037
为第i+1个视体积指数Vα(i+1)与第i个视体积指数Vα(i)作差然后除以两个视体积的时间差所算的斜率，
Figure FDA0004048643260000038
为第i+1个视体积指数
Figure FDA0004048643260000039
所对应的时间，
Figure FDA0004048643260000041
为第i个视体积指数
Figure FDA0004048643260000042
所对应的时间；
采用下式进行归一化处理：
Figure FDA0004048643260000043
其中，
Figure FDA0004048643260000044
为所有计算得到的斜率中的最小值，
Figure FDA0004048643260000045
为所有计算得到的斜率中的最大值。
10.根据权利要求6所述的一种基于微震监测破裂源时空强参数的岩爆预测方法，其特征在于：结合岩爆预警指标，确定微震主要发生区域，而后根据4个等级进行预警，其中将其岩爆对应Ⅰ级，进行红色预警；强烈岩爆对应Ⅱ级，进行橙色预警；中等岩爆对应Ⅲ级，进行黄色预警；轻微岩爆对应Ⅳ级，进行蓝色预警。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116842411A (zh) * 2023-06-12 2023-10-03 中国矿业大学 基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法

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