基于小區域信號拾取的微震源定位方法

周美波，吳建星，張 巍（武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北　武漢430081）

基于小區域信號拾取的微震源定位方法

周美波，吳建星，張 巍
（武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430081）

快速準確地進行微震源定位是微震監測技術研究的重要內容。提出一種基于小區域信號拾取的微震源定位方法，該方法首先對監測單元內采集到的微震源信號進行辨識和去噪處理；然后利用3組微震監測數據建立微震源定位數學模型，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測系統的金屬礦進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烈依賴性。

微震源定位；優化算法；小區域信號拾取；微震監測

微震監測技術近年發展迅速，廣泛應用于地下礦山、海洋勘探和石油天然氣的開采過程中。快速準確地進行微震源定位是微震監測技術的核心內容［1-2］，在現有的科學技術條件下可以通過優化微震源定位算法來提高微震源的定位精度［3-5］。

目前針對快速準確的微震源定位，一些學者進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測定位方法。但由于礦山內部地質結構復雜，含有大量節理和微不連續面，微震信號在傳播過程中的速度很難確定，國內外廣泛應用的震源定位方法都無法避免對速度模型的強烈依賴性，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域信號拾取的微震源定位方法。該方法首先對監測單元內采集到的震源信號進行辨識和去噪處理；然后對三組同軸方向3個傳感器監測到的半波信號進行建模，通過監測單元的位置坐標和監測到的三組半波信號即可求得微震源的位置坐標，較傳統方法具有較好的穩定性；最后通過在某金屬礦進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，組成一個監測單元。用函數S（t）表示微震源點S所發出的震動信號，函數P（t）表示微震信號傳到分析點P的波形畸變。假設分析點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表示波的強度服從距離變化的衰減指數，在二維空間中該衰減指數取0.5，在三維空間中該衰減指數取1；R表示分析點P和微震源點S之間的距離，R= |r-r0|；c表示在所測區域內試驗確定的平均波速。

式（1）關于變量x、y、z的偏導數分別為

式中:S′t表示S（t）的時間偏導數。函數f（r，t）對時間求導，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數就能確定從分析點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，以監測單元中的重心P作為空間直角坐標系的原點，將3組傳感器分別放置在x、y、z軸上。設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監測到的3組信號分別為fPx、fPy和fPz，傳感器Ax、Ay和Az監測到的信號分別為fAx、fAy和fAz，傳感器Bx、By和Bz監測到的信號分別為fBx、fBy和fBz，讀取信號fBx、fBy和fBz與所對應的信號fAx、fAy和fAz之間的初至時差的一半。

傳感器P監測到的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與所對應的信號fAx、fAy和fAz之間的初至時差的一半分別為δtxAB、δtyAB和δtzAB:

通過三軸傳感器P監測到的三組波形fPx、fPy和fPz與同軸方向監測到的兩個信號的初至時差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，根據傳感器的空間位置以及監測到的微震動信號，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各自監測到的信號，運用該方法進行微震源定位研究。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及其同軸方向的兩個監測點之間的距離Δx、Δy 和Δz以及同軸方向兩個傳感器監測到的波形的初至時差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的計算結果Table 2 Calculation data of Sx，Sy&Sz

將表2中的數據代入公式（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），進而通過分析點P的坐標值得到震源點S的位置坐標，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，能夠達到微震監測系統的要求，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個傳感器所監測到的三組半波建立微震源位置數學模型，充分利用了微震數據，從而達到準確計算震源的目的。

3　結 論

本文提出的基于小區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，根據傳感器監測到的微震源信號以及微震源信號在巖石中的傳播關系，通過讀取震動信號的波形及其初至時間建立求解微震源位置的數學模型，成功避免了波形到時讀取和預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果穩定性強的優點，可以應用在礦山的微震監測系統中。

［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］.巖石力學與工程學報，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，2013.

［3］董隴軍，李夕兵，唐禮忠，等.無需預先測速的微震震源定位的數學形式及震源參數確定［J］.巖石力學與工程學報，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］.工業安全與環保，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，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］.吉林大學學報（信息科學版），2012，30（2）:192-197.

［7］呂世超.微地震有效事件識別及震源自動定位方法研究［D］.山東:中國石油大學，2011.

［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研究［J］.巖石力學與工程學報，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.基于數據庫技術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測。E-mail:zhoumeibo@126.com

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