周美波 吳建星

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

震源定位新方法中傳感器的空間布置

周美波 吳建星

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

傳感器的空間布置影響微震震源的定位精度，提高微震震源的定位精度是微震監(jiān)測技術(shù)研究的重要內(nèi)容。基于震動波波形的震源定位新方法對于傳感器的空間布置具有特定的要求，以某地下金屬礦山已建有的微震監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，驗證傳感器的空間布置對其定位精度的影響。結(jié)果表明，采用4個傳感器可以滿足實際應(yīng)用需求，但若要獲得更高的定位精度，可采用6個傳感器。

微震監(jiān)測震源定位 傳感器 空間布置

微震監(jiān)測技術(shù)是利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法[1]。近年來隨著金屬礦山開采深度的增加，深部采場發(fā)生巖爆、頂板冒落等地質(zhì)災(zāi)害的頻率和強度逐步加大，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的生命安全，對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，提前進(jìn)行人員疏散，排除地質(zhì)災(zāi)害隱患，可有效降低事故的危害性。

微震震源坐標(biāo)是微震監(jiān)測中最關(guān)鍵和最基本的參數(shù)之一[2]，快速準(zhǔn)確地確定震源位置是進(jìn)行預(yù)警的重要前提。影響震源定位精度的因素有首波到達(dá)時間的拾取誤差和臺站坐標(biāo)測量誤差引起的臺站誤差[2]，傳感器的個數(shù)以及空間布置引起的誤差，預(yù)先估計或反演波速引起的誤差和反演迭代方法因陷入局部最小值時產(chǎn)生的誤差等。董隴軍等[3]提出了無需預(yù)先測速的微震源定位方法，研究速度對聲發(fā)射源定位精度的影響，給出了高精度定位的方法及改進(jìn)建議；朱海波[4]提出了一種消除速度誤差影響的震源定位方法，研究速度誤差對震源定位精度的影響。為此，采用一種基于震動波波形，無需測量波速和反演迭代的震源定位新方法研究傳感器的空間布置對震源定位精度的影響。

1 震源定位方法

文中采用的一種基于震動波波形的微震震源定位方法，是在待測區(qū)域內(nèi)將傳感器按縱橫交錯的方式布置，使其與震源之間形成陣列[5]，對采集到的微震信號首先進(jìn)行辨識和去噪，然后對相鄰傳感器監(jiān)測到的相似波形進(jìn)行平移后做算術(shù)平均得到分析點的波形來代替分析點采集到的波形，以避免波形畸變引起誤差。

利用該定位方法對震源分析點的波形進(jìn)行處理，得到從分析點P到震源點S的單位方向矢量(nx,ny,nz)和距離R，再根據(jù)分析點的坐標(biāo)求得震源點的坐標(biāo)。該方法不需要求解震動波在介質(zhì)中的傳播速度，無需選擇到時和迭代方法，僅需要讀取波形圖中一個半波即可求得分析點到震源點的方位角和距離。采用該方法研究傳感器的空間布置對震源定位精度的影響可以排除波速和迭代方法的干擾。該定位方法對傳感器的空間布置具有特定的要求，一般情況下需要選擇6個傳感器對稱布置在x、y、z軸上，特殊情況下4個傳感器也可以進(jìn)行定位計算。

2 震源定位計算

2.1 震源定位模型的建立

以某金屬礦山在S點的人工爆破為模擬震源點來研究傳感器的空間排列對震源定位精度的影響，爆破震動波三維傳播示意見圖1。

圖1 爆破震動波三維傳播示意

按照震源定位方法對傳感器的布置要求，第1組中布置4個傳感器，以傳感器a為原點建立空間直角坐標(biāo)系，沿x軸方向放置傳感器b，沿y軸方向放置傳感器c，沿z軸方向放置傳感器d，分析點P1位于傳感器a和傳感器b中間，4個傳感器與震源點的位置示意見圖2。

圖2 傳感器與震源點的位置示意

爆破點S以及4個傳感器的位置坐標(biāo)及其同軸方向2個傳感器之間的距離Δx1、Δy1、Δz1等參數(shù)取值見表1。

表1 爆破點與傳感器相關(guān)參數(shù)

第2組中布置6個傳感器,以分析點P2為原點建立空間直角坐標(biāo)系，沿x軸方向P點兩側(cè)等距離處放置傳感器Ax和傳感器Bx，沿y軸方向P點兩側(cè)等距離處放置傳感器Ay和傳感器By，沿z軸方向P點兩側(cè)等距離處放置傳感器Az和傳感器Bz。6個傳感器與震源點的位置示意見圖3。

圖3 傳感器與震源點的位置示意

爆破點S以及6個傳感器的位置坐標(biāo)及其同軸方向2個傳感器之間的距離Δx2、Δy2、Δz2等參數(shù)取值見表2。

2.2 震源定位信號采集

將第1組中的4個傳感器接收到的相似信號進(jìn)行辨識和去噪后得到的波形見圖4。

將傳感器Ax、Bx監(jiān)測到的信號波形進(jìn)行去噪，結(jié)果見圖5。

將傳感器Ay、By采集到的信號波形進(jìn)行去噪，結(jié)果見圖6。

將傳感器Az、Bz監(jiān)測到的波形進(jìn)行去噪，結(jié)果見圖7。

2.3 震源定位計算及結(jié)果分析

采用基于震動波波形的震源定位方法分別求出從分析點到震源點的單位方向矢量(nx,ny,nz)和距離R。分析點P1和分析點P2的坐標(biāo)值、從分析點到震源點的單位方向矢量(n1,n2)和距離R1、R2，結(jié)果見表3。

表2 爆破點與傳感器相關(guān)參數(shù)

圖4 第1組試驗采集的信號波形

圖5 傳感器Ax、Bx采集的信號去噪后的波形

圖6 傳感器Ay、By采集的信號去噪后的波形

圖7 傳感器Az、Bz采集的信號去噪后的波形

表3 震源定位相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)表3中的參數(shù)可以計算出2種不同的傳感器布置方法中震源點的坐標(biāo)，結(jié)果見表4。

表4 2種傳感器震源點坐標(biāo)計算結(jié)果對比

由表4可知，第2組求得的位置坐標(biāo)誤差小于第1組求得的位置坐標(biāo)誤差，但誤差相差不大，在可以接受的范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 語

通過研究傳感器的空間布置對震源定位精度的影響，可以看出該基于震動波波形的震源定位方法所要求的6個傳感器的震源定位精度更高，但傳感器布置要求較高且不易操作；4個傳感器的震源定位精度雖然比6個傳感器求得的震源定位精度低，但也在可以接受的范圍之內(nèi)。考慮到地下金屬礦山開采的實際情況，布置4個傳感器即可滿足應(yīng)用要求，若要獲得更為精確的震源定位精度，則采用6個傳感器。

[1] 唐守峰，童敏明，潘玉祥，等.煤巖破裂微震信號的小波特征能譜系數(shù)分析法[J].儀器儀表學(xué)報，2011，32(7)：1521-1527.

[2] 董隴軍，李夕兵，唐禮忠.影響微震震源定位精度的主要因素分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013，31(24)：26-31.

[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)：2058-2067.

[4] 朱海波.一種消除速度誤差影響的震源定位方法：中國， ZL201210261413[P].2014-02-12.

[5] 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

2014-11-06)

周美波(1990—)，男，碩士研究生，430081 湖北省武漢市青山區(qū)和平大道947號。