礦山微震波形識別與處理方法研究

吳爽 劉紅亮 李玉娟 劉強(qiáng)

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南香格里拉 674400）

隨著淺部礦產(chǎn)資源被逐步開采枯竭，采礦工程不斷向深部轉(zhuǎn)移，由于采深增大、淺部空區(qū)殘留等因素引起的地壓問題日漸突出。微震監(jiān)測技術(shù)憑借其實時性、區(qū)域性等優(yōu)勢，已成為礦山地壓監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警的重要手段。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)可獲取巖體受力變形破壞過程中釋放出的震動信號，通過信號識別、震源定位、震源分析等流程實現(xiàn)對礦山地壓活動的預(yù)測預(yù)警。

微震事件的發(fā)震時刻、震源位置和能量等信息可經(jīng)過定位算法獲取，在此過程中需先對微震信號進(jìn)行識別以及P 波、S 波到時拾取，拾取的準(zhǔn)確度直接決定了微震事件震源信息，進(jìn)而影響后續(xù)對礦山地壓活動的判斷[1-3]。礦山微震監(jiān)測分析技術(shù)主要借鑒天然地震活動研究成果，P波到時拾取技術(shù)主要有能量比法、分形維數(shù)法、傅里葉變換、小波變換等，S波識別時拾取技術(shù)主要有偏振分析、離散小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[4-8]。雖然諸多學(xué)者在微震信號識別與到時拾取上取得了一定的研究成果，但由于礦山微震持續(xù)時間短、分布范圍小，礦山工程巖體結(jié)構(gòu)分布極不均勻，在實際工程應(yīng)用中微震信號自動處理效果不佳，仍需要人工處理干預(yù)，人工處理經(jīng)驗總結(jié)對于提高數(shù)據(jù)處理效率至關(guān)重要。

1 礦山微震數(shù)據(jù)自動處理方法研究

1.1 長短時窗比法

長短時均值比法（STA/LTA）是通過計算短時窗和長時窗的比值來反映信號的幅度、頻率等特征的變化。STA 和LTA 分別指的是信號在固定長度的短時窗和長時窗中的平均值，當(dāng)微震信號到達(dá)時，短時窗（STA）內(nèi)幅值的平均值變化比長時窗（LTA）內(nèi)變化劇烈，此時STA/LTA 會有一個突變，當(dāng)其比值大于設(shè)定的閾值時，則將此突變點判定為該信號的到時。

1.2 赤池信息量準(zhǔn)則法

赤池信息準(zhǔn)則方法即AIC 法，可與自回歸模型相結(jié)合，沿這每個采樣點將信號分為兩段，全局最小值即對應(yīng)震相到時。當(dāng)微震信號到達(dá)時，波形圖的振幅、方差、能量將發(fā)生明顯變化，信號突變的前后是兩個不同的趨于穩(wěn)態(tài)的模型，然后計算兩個模型的AIC 函數(shù)值，取最小時，模型最佳，但整個算法計算量過大。

1.3 偏態(tài)/峰態(tài)法

基于地震波形峰度和偏斜度的拾取初至方法，稱之為PAI-S/K 方法。用地震波形峰度和偏斜度檢測地震波到時的基本原理是判斷峰度曲線和偏斜度曲線的極值點，以極值點前曲線斜率最大的位置作為地震波到時的位置，該方法具有計算穩(wěn)定強(qiáng)健、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

1.4 基于礦山監(jiān)測數(shù)據(jù)到時拾取方法研究

筆者基于某礦山實測微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析上述方法到時拾取效果。

采用長短時窗比法，STA/LTA 值較大時，對噪聲極為敏感，需選取較大閾值，STA/LTA 值較小，噪聲和有效信號的STA/LTA 值差距不夠明顯，選取閾值過大時無法拾取到時，選取適中閾值時能夠拾取到時，但結(jié)果精確度較差。

基于AIC 的到時拾取算法需設(shè)置的參數(shù)較少，計算結(jié)果也較STA/LTA 更為準(zhǔn)確，但AIC 方法計算量較大，且需要選取一定的范圍做局部到時拾取，全局做AIC算法會導(dǎo)致到時拾取錯誤。

PAI-S/K 方法同AIC 方法類似，因而拾取結(jié)果也受搜索時窗范圍的影響，但方法也只有一個控制參數(shù)，即計算峰度和偏斜度的滑動時窗長度，因此也是一個需要進(jìn)行局部計算的方法，全局搜索時亦會導(dǎo)致到時拾取錯誤。

根據(jù)上述分析結(jié)果，筆者嘗試?yán)肧用STA/LTA來求得大致的到時點，并以此到時點為中心點，分別向前、向后擴(kuò)充一定的長度作為AIC 算法拾取到時點的時窗，以此時窗長度作為AIC 算法拾取到時的時窗有效提高到時拾取精度，減少了影響微震定位精度的誤差。

2 礦山微震數(shù)據(jù)人工方法研究

由于礦山微震持續(xù)時間短、分布范圍小，礦山工程巖體結(jié)構(gòu)分布極不均勻，產(chǎn)生的微震信號多種多樣，其中大多都是噪聲信號，微震數(shù)據(jù)采用上述方法自動處理之后，仍存在相當(dāng)數(shù)量的錯誤識別與錯誤到時，因此現(xiàn)階段該過程仍然需要人工干預(yù)。

2.1 微震事件識別

礦山各種噪聲信號波形不同，需將波形進(jìn)行分類拾取，其主要目的是將微震事件和爆破事件識別區(qū)分開，提取真正巖體破壞的地震波的微震信息，將干擾噪音等波形事件剔除。圖1 為集中典型的波形信號，鑿巖、機(jī)械噪音波形比較容易識別，多段連續(xù)爆破在時間上有明顯連續(xù)性，一個窗口可監(jiān)測到多個波形。單段爆破與微震往往容易混淆，需要利用拐角頻率、振幅等參數(shù)進(jìn)行更為細(xì)致的區(qū)分。

圖1 典型礦山震動波形

2.2 微震到時拾取

微震到時人工拾取過程中需遵循以下原則：（1）取消沒有作用的傳感器探測軸所記錄圖形；（2）P 波和S波的選取必須視覺敏感，處理質(zhì)量相同；（3）處理每個地震波；（4）微震事件觸發(fā)的傳感器越多越好；（5）微震事件位置必須合理；（6）盡可能合理減少殘余誤差。

如圖2所示，以礦山某一個微震事件到時拾取為例，P 波到時位置一般振幅變化明顯，人工拾取P 波到時相對準(zhǔn)確；S 波到時是在第1 次振幅變大之后，第2 次振幅突增的時刻，其頻率也有所變化，在視覺上S 波到時微震前后波形橫向疏密程度不同。在按照傳感器觸發(fā)時間排序情況下，若有個別傳感器采集的數(shù)據(jù)到時與整體趨勢差別大，可將該通道屏蔽，以使其不參與定位計算。在得到震源定位結(jié)果后，還需考慮定位結(jié)果誤差是否在允許范圍內(nèi)，若誤差較大，則需要重新調(diào)各通道到時，直至定位誤差符合要求。

圖2 微震事件到時拾取示例

通過人工干預(yù)可以有效提高自動處理后的到時拾取精度，保證微震事件的發(fā)震時刻、震源位置和能量等震源信息準(zhǔn)確率，為礦山地壓活動的預(yù)測預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）基于某礦山微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析長短時窗比法、AIC 法、偏態(tài)/峰態(tài)法的到時拾取效果，最終利用STA/LTA 法確定到時大致范圍，再用AIC 法進(jìn)行信號的精確提取，可有效提高到時拾取精度；

（2）現(xiàn)階段微震數(shù)據(jù)處理仍需要人工干預(yù)，利用拐角頻率、振幅等參數(shù)可有效識別微震事件，振幅與頻率的變化是判斷P波、S波到時的重要依據(jù)。