基于小區(qū)域信號拾取的微震源定位方法

周美波，吳建星，張 ?。ㄎ錆h科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北　武漢430081）

基于小區(qū)域信號拾取的微震源定位方法

周美波，吳建星，張 巍
（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430081）

快速準(zhǔn)確地進(jìn)行微震源定位是微震監(jiān)測技術(shù)研究的重要內(nèi)容。提出一種基于小區(qū)域信號拾取的微震源定位方法，該方法首先對監(jiān)測單元內(nèi)采集到的微震源信號進(jìn)行辨識和去噪處理；然后利用3組微震監(jiān)測數(shù)據(jù)建立微震源定位數(shù)學(xué)模型，可得到從分析點到微震源點的距離和單位矢量；最后通過對建有微震監(jiān)測系統(tǒng)的金屬礦進(jìn)行爆破模擬微震源試驗，從而驗證了該方法的可行性。該方法不用讀取波形在巖石中的傳播時間，能夠有效避免微震源定位方法對速度模型的強(qiáng)烈依賴性。

微震源定位；優(yōu)化算法；小區(qū)域信號拾取；微震監(jiān)測

微震監(jiān)測技術(shù)近年發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于地下礦山、海洋勘探和石油天然氣的開采過程中?？焖贉?zhǔn)確地進(jìn)行微震源定位是微震監(jiān)測技術(shù)的核心內(nèi)容［1-2］，在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)條件下可以通過優(yōu)化微震源定位算法來提高微震源的定位精度［3-5］。

目前針對快速準(zhǔn)確的微震源定位，一些學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作［6-8］，并提出許多微震源定位方法。如李夕兵［9］提出了一種基于非線性擬合的微震源或聲發(fā)射源的定位方法；李劍［10］提出了基于相位測量的分布式群波淺層微震定位方法；康亮［11］提出了基于方位角約束的微地震事件定位方法；尹陳［12］提出了基于大斜度井的微震源監(jiān)測定位方法。但由于礦山內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量節(jié)理和微不連續(xù)面，微震信號在傳播過程中的速度很難確定，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的震源定位方法都無法避免對速度模型的強(qiáng)烈依賴性，直接影響了微震源的定位精度。鑒于此，本文提出了一種基于小區(qū)域信號拾取的微震源定位方法。該方法首先對監(jiān)測單元內(nèi)采集到的震源信號進(jìn)行辨識和去噪處理；然后對三組同軸方向3個傳感器監(jiān)測到的半波信號進(jìn)行建模，通過監(jiān)測單元的位置坐標(biāo)和監(jiān)測到的三組半波信號即可求得微震源的位置坐標(biāo)，較傳統(tǒng)方法具有較好的穩(wěn)定性；最后通過在某金屬礦進(jìn)行爆破模擬微震源試驗，驗證了該方法的可行性。

1　微震源定位方法原理

在空間中建立一個長為a、寬為b、高為h（a= b＞h）的長方體模型，在其重心P上放置一個三軸傳感器，在6個面的各個中心上分別放置6個單軸傳感器，組成一個監(jiān)測單元。用函數(shù)S（t）表示微震源點S所發(fā)出的震動信號，函數(shù)P（t）表示微震信號傳到分析點P的波形畸變。假設(shè)分析點P的位置矢量為r=（x，y，z），微震源點S的位置矢量為r0= （x0，y0，z0），震動波以平均速度c從微震源點S傳到分析點P，P點所記錄到的波形為

式中:α表示波的強(qiáng)度服從距離變化的衰減指數(shù)，在二維空間中該衰減指數(shù)取0.5，在三維空間中該衰減指數(shù)取1；R表示分析點P和微震源點S之間的距離，R= |r-r0|；c表示在所測區(qū)域內(nèi)試驗確定的平均波速。

式（1）關(guān)于變量x、y、z的偏導(dǎo)數(shù)分別為

式中:S′t表示S（t）的時間偏導(dǎo)數(shù)。函數(shù)f（r，t）對時間求導(dǎo)，可得

將式（1）和式（3）代入式（2），可得

式中:n=（nx，ny，nz）表示從分析點P到微震源點S的單位矢量。

由式（4）可以看出，得到分析點P的波形、波形的時間和空間導(dǎo)數(shù)就能確定從分析點P到微震源點S的距離R和單位矢量（nx，ny，nz）。

2　微震源定位模型

將監(jiān)測單元中的6個單軸傳感器按對稱分布原則分成3組，以監(jiān)測單元中的重心P作為空間直角坐標(biāo)系的原點，將3組傳感器分別放置在x、y、z軸上。設(shè)原點處放置的三軸傳感器為傳感器P，x軸上的兩個傳感器由左到右分別為傳感器Ax和傳感器Bx，y軸上的兩個傳感器由左到右分別為Ay傳感器和傳感器By，z軸上兩個傳感器由下到上分別為傳感器Az和傳感器Bz。傳感器P監(jiān)測到的3組信號分別為fPx、fPy和fPz，傳感器Ax、Ay和Az監(jiān)測到的信號分別為fAx、fAy和fAz，傳感器Bx、By和Bz監(jiān)測到的信號分別為fBx、fBy和fBz，讀取信號fBx、fBy和fBz與所對應(yīng)的信號fAx、fAy和fAz之間的初至?xí)r差的一半。

傳感器P監(jiān)測到的3組波形分別為fPx、fPy和fPz，如圖1所示。

圖1　信號fP x、fP y和fP z的波形Eig.1 Wave form of signal fP x、fP yand fP z

信號fBx、fBy和fBz與所對應(yīng)的信號fAx、fAy和fAz之間的初至?xí)r差的一半分別為δtxAB、δtyAB和δtzAB:

通過三軸傳感器P監(jiān)測到的三組波形fPx、fPy和fPz與同軸方向監(jiān)測到的兩個信號的初至?xí)r差δtxAB、δtyAB和δtzAB，可以得到

式中:Δx、Δy和Δz分別為同軸方向兩個傳感器所在位置坐標(biāo)之間的差值。

對式（4）積分，有

3　試驗驗證

為了驗證該震源定位新方法的可行性，本文以某鐵礦在S點的人工爆破為研究對象，根據(jù)傳感器的空間位置以及監(jiān)測到的微震動信號，選取傳感器Ax、傳感器Bx、傳感器Ay、傳感器By、傳感器Az、傳感器Bz和傳感器P各自監(jiān)測到的信號，運用該方法進(jìn)行微震源定位研究。傳感器和微震源點的位置見圖2。

爆破點S、分析點P、6個單軸傳感器的位置坐標(biāo)及其同軸方向的兩個監(jiān)測點之間的距離Δx、Δy 和Δz以及同軸方向兩個傳感器監(jiān)測到的波形的初至?xí)r差δtxAB、δtyAB和δtzAB，詳見表1。

圖2　傳感器和微震源點的位置示意圖Eig.2 Localization of sensors and seismicsource point

表1　坐標(biāo)點與距離Table 1 Coordinates and distance

信號fPx、fPy和fPz的波形見圖3。

圖3　fPx、fPy和fPz的波形Eig.3 Wave form of fPx、fPyand fPz

表2　Sx、Sy和Sz的計算結(jié)果Table 2 Calculation data of Sx，Sy&Sz

將表2中的數(shù)據(jù)代入公式（8）和（9），可計算得到從分析點P到震源點S的距離R和單位矢量（nx，ny，nz），進(jìn)而通過分析點P的坐標(biāo)值得到震源點S的位置坐標(biāo)，同時求出人工爆破點與求得的微震源點之間的誤差值，其計算結(jié)果見表3。

由表3可以看出:通過該方法得到的微震源點與人工爆破點的誤差是8.76 m，能夠達(dá)到微震監(jiān)測系統(tǒng)的要求，證明該方法具有可行性。

表3　R和單位矢量（nx，ny，nz）的計算結(jié)果Table 3 Results of R and unit vector（nx，ny&nz）

該方法可以避免讀取震動信號在巖石中的傳播時間，不用選取整段的震動信號，也不用迭代、計算震動波在巖石中的傳播速度，只需要同軸方向3個傳感器所監(jiān)測到的三組半波建立微震源位置數(shù)學(xué)模型，充分利用了微震數(shù)據(jù)，從而達(dá)到準(zhǔn)確計算震源的目的。

3　結(jié) 論

本文提出的基于小區(qū)域信號拾取的微震源定位方法，不用讀取震動信號在巖石中的傳播時間和測量波速，根據(jù)傳感器監(jiān)測到的微震源信號以及微震源信號在巖石中的傳播關(guān)系，通過讀取震動信號的波形及其初至?xí)r間建立求解微震源位置的數(shù)學(xué)模型，成功避免了波形到時讀取和預(yù)先測量波速給定位帶來的誤差，具有運算過程簡單、震源定位精度高和計算結(jié)果穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點，可以應(yīng)用在礦山的微震監(jiān)測系統(tǒng)中。

［1］陳炳瑞，馮夏庭，李庶林，等.基于粒子群算法的巖體微震源分層定位方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（4）:740-749.

［2］董蕊靜.水力壓裂井間微地震震源定位方法研究［D］.陜西:長安大學(xué)，2013.

［3］董隴軍，李夕兵，唐禮忠，等.無需預(yù)先測速的微震震源定位的數(shù)學(xué)形式及震源參數(shù)確定［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30 （10）:2057-2067.

［4］陶慧暢，吳建星.微震震源定位計算新方法的探討［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（5）:85-88.

［5］楊俊峰，張丕狀.基于DTOA/DOA和牛頓迭代法的震源定位方法研究［J］.地震研究，2013，36（3）:324-329.

［6］王健，曾曉獻(xiàn)，李振峰，等.基于走時擬合的微震源定位及拾震器布陣研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2012，30（2）:192-197.

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［8］李健，高永濤，謝玉玲，等.基于無需測速的單純形法微地震定位改進(jìn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（7）:1336-1346.

［9］李夕兵.一種基于非線性擬合的微震源或聲發(fā)射源的定位方法［P］.CN201110109372.4，2011.

［10］李劍.基于相位測量的分布式群波淺層微震定位方法［P］. CN201310588819.X，2014.

［11］康亮.基于方位角約束的微地震事件定位方法［P］. CN201210301342.8，2012.

［12］尹陳.基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的同型波時差定位方法［P］. CN201110356935.X，2013.

Microseism Source Location Method Based on Signal Collection in Micro-region

ZHOU Meibo，WU Jianxing，ZHANG Wei
（College of Resources and Environment Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The rapid and accurate location of microseism source is the most important content in micro seismic monitoring technology.This paper proposes a microseism source location method based on signal collection in micro-region，which does not need the parameter of wave propagation time and can avoid the strong dependency on velocity model.The paper establishes a mathematical model of microseism source location by using three groups of micro-seismic monitoring data，and obtains the unit vector and distance from the analysis point to the micro seismic source point.At the end，the study applies a dynamite in a metal mine to simulating a micro seismic source experiment.The results of the experiment show that the method is feasible.

microseism source location；optimization algorithm；signal collection method in micro-region；micro-seismic monitoring

X936；P315.63

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.027

1671-1556（2015）05-0154-04

2014-12-01

2015-01-18

周美波（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為微震監(jiān)測。E-mail:zhoumeibo@126.com

吳建星（1964—），男，教授，主要從事微震監(jiān)測方面的研究。E-mail:wu-jx@126.com