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(hào)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(hào)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(hào)進(jìn)行辨識(shí)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(diǎn)到微震源點(diǎn)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(yàn)，從而驗(yàn)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(shí)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)進(jìn)行辨識(shí)和去噪處理；然后對三組同軸方向3個(gè)傳感器監(jiān)測到的半波信號(hào)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(hào)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(yàn)，驗(yàn)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(gè)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(gè)三軸傳感器，在6個(gè)面的各個(gè)中心上分別放置6個(gè)單軸傳感器，組成一個(gè)監(jiān)測單元。用函數(shù)S（t）表示微震源點(diǎn)S所發(fā)出的震動(dòng)信號(hào)，函數(shù)P（t）表示微震信號(hào)傳到分析點(diǎn)P的波形畸變。假設(shè)分析點(diǎn)P的位置矢量為r=（x，y，z），微震源點(diǎn)S的位置矢量為r0= （x0，y0，z0），震動(dòng)波以平均速度c從微震源點(diǎn)S傳到分析點(diǎn)P，P點(diǎn)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(diǎn)P和微震源點(diǎn)S之間的距離，R= |r-r0|；c表示在所測區(qū)域內(nèi)試驗(yàn)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(shí)間偏導(dǎo)數(shù)。函數(shù)f（r，t）對時(shí)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(diǎn)P到微震源點(diǎn)S的單位矢量。

由式（4）可以看出，得到分析點(diǎn)P的波形、波形的時(shí)間和空間導(dǎo)數(shù)就能確定從分析點(diǎn)P到微震源點(diǎn)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(gè)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(diǎn)，將3組傳感器分別放置在x、y、z軸上。設(shè)原點(diǎn)處放置的三軸傳感器為傳感器P，x軸上的兩個(gè)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(gè)傳感器由左到右分別為Ay傳感器和傳感器By，z軸上兩個(gè)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(hào)分別為fPx、fPy和fPz，傳感器Ax、Ay和Az監(jiān)測到的信號(hào)分別為fAx、fAy和fAz，傳感器Bx、By和Bz監(jiān)測到的信號(hào)分別為fBx、fBy和fBz，讀取信號(hào)fBx、fBy和fBz與所對應(yīng)的信號(hào)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(hào)fP x、fP y和fP z的波形Eig.1 Wave form of signal fP x、fP yand fP z

信號(hào)fBx、fBy和fBz與所對應(yīng)的信號(hào)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(gè)信號(hào)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(gè)傳感器所在位置坐標(biāo)之間的差值。

對式（4）積分，有

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該震源定位新方法的可行性，本文以某鐵礦在S點(diǎn)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(dòng)信號(hào)，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(hào)，運(yùn)用該方法進(jìn)行微震源定位研究。傳感器和微震源點(diǎn)的位置見圖2。

爆破點(diǎn)S、分析點(diǎn)P、6個(gè)單軸傳感器的位置坐標(biāo)及其同軸方向的兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間的距離Δx、Δy 和Δz以及同軸方向兩個(gè)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(diǎn)的位置示意圖Eig.2 Localization of sensors and seismicsource point

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

信號(hào)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(jì)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(jì)算得到從分析點(diǎn)P到震源點(diǎn)S的距離R和單位矢量（nx，ny，nz），進(jìn)而通過分析點(diǎn)P的坐標(biāo)值得到震源點(diǎn)S的位置坐標(biāo)，同時(shí)求出人工爆破點(diǎn)與求得的微震源點(diǎn)之間的誤差值，其計(jì)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(diǎn)與人工爆破點(diǎn)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(jì)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(dòng)信號(hào)在巖石中的傳播時(shí)間，不用選取整段的震動(dòng)信號(hào)，也不用迭代、計(jì)算震動(dòng)波在巖石中的傳播速度，只需要同軸方向3個(gè)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(jì)算震源的目的。

3　結(jié) 論

本文提出的基于小區(qū)域信號(hào)拾取的微震源定位方法，不用讀取震動(dòng)信號(hào)在巖石中的傳播時(shí)間和測量波速，根據(jù)傳感器監(jiān)測到的微震源信號(hào)以及微震源信號(hào)在巖石中的傳播關(guān)系，通過讀取震動(dòng)信號(hào)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(shí)讀取和預(yù)先測量波速給定位帶來的誤差，具有運(yùn)算過程簡單、震源定位精度高和計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在礦山的微震監(jiān)測系統(tǒng)中。

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

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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?yàn)槲⒄鸨O(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