一种基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法
【专利摘要】本发明提供一种基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，属于震源定位技术领域。该方法对监测区域建立地质数值模型，并进行网格划分，每个网格点可看作特征震源点；结合特征震源点、传感器位置坐标及震源波波速可建立特征震源点到时差数据库；利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感器的到时时间；计算任意两传感器的到时差，建立震源的到时差矩阵，并与特征震源点到时差数据库进行匹配搜索，可对震源进行实时快速定位。在实际微震监测工程中，事先建立特征震源点到时差数据库，无需对震源进行函数优化迭代求解，因此极大缩减了震源定位所需时间，可有效缩减岩体工程动力灾害预警时间。
【专利说明】
一种基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种微地震震源定位方法，尤其指一种基于到时差数据库的微地震震 源快速定位方法。
【背景技术】
[0002] 采矿、隧道掘进等岩体工程中，采掘活动会引起岩体内局部区域的变形或破裂，同 时伴随着应变能迅速释放而产生瞬态弹性波，这种现象被称为微地震。由于微地震是岩体 变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象，它与围岩结构的力学行为有着密切的相关性，因 此，微地震震源信号中包含了大量的关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信 息，可据此推断岩石材料的力学行为，预测围岩结构是否发生破坏。近年来对围岩远场致灾 动载源进行实时监测预警的微震监测技术已广泛应用于岩体工程领域，其是对岩爆、冲击 地压以及采空区垮塌等灾害预测预报的最有效的监测方法之一。微震震源定位是微震监测 技术的核心，能否进行快速、精确的定位是微震监测系统能够发挥作用的关键。
[0003]在采矿、隧道掘进等岩体工程领域，因冲击地压、岩爆等动力灾害具有突发性，在 灾害发生前虽有一定的征兆，但往往由于缺乏高效的微震定位方法，导致微震监测系统的 灾害预警滞后，作业人员及设备来不及撤离工作面，给人员生命财产造成重大损失。
[0004] 传统的微震定位方法大多涉及迭代求解函数的最优值问题，但在数据量庞大的情 况下，迭代过程会浪费大量宝贵的动力灾害预测预警时间，因此对震源的快速、精确求解是 微震定位算法的努力方向。基于此，本发明提出一种基于到时差数据库的微地震震源快速 定位方法，且随网格划分密度越大，定位结果越精确。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明目的是提供一种基于到时差数据库的微地震震源快速定 位方法，通过预先对监测区域进行数值建模及网格划分，建立特征震源点到时差数据库，利 用数据库的快速匹配特点对实际震源进行定位，同时通过提高网格划分密度，可达到快速、 精确定位的目的。
[0006] 本发明方法的具体步骤为：
[0007] a.在被监测区域布设传感器，= 1，2，...，n)表示第i个传感器，其位置坐标可 表示为(Xl ，yi，zi);
[0008] b.对被监测区域进行数值建模，并进行网格划分，将每个网格节点作为代表该位 置的特征震源点Pi(i = l，2,. . .，n)，其位置坐标为(Xc^yc^zoi);
[0009] C.计算每个特征震源点Pi的到时差矩阵Nkij，建立到时差数据库；
[0010] ①均质条件下，单一特征震源点Pi到时差矩阵求解原理如下：
[0011] 假设震源波传播速度为ν，Ι^(? = 1，2,. . .，n)为传感器1^至特征震源点距离； ti(i = l，2,. . .，n)为震动波到达传感器Ti的时亥lj，tQ为特征震源点Pi震源产生的时刻，则：
[0014]则震源波到达两任意不同传感器TdPL的到时差矩阵元素 Δ tlj可表示为：
[0016]②各向异性非均质条件下，单一特征震源点P,到时差矩阵的求解基于射线追踪算 法，原理如下：
[0017]将特征震源点Pi发出的震源波离散成若干段的射线，对各段射线的轨迹和走时累 加，得出各向异性非均质介质中射线分布和到达各个传感器的时间信息。已知特征震源点 Ρ:、传感器!\位置坐标及区域速度结构模型的情况下，震源的射线路径可由射线参数p唯一 确定：
[0020] 式中：δ是震中距(特征震源点与传感器两点之间的水平距离），p = sin0k/Vk是射 线参数;^，01{，111{，4分别表示第1^层的速度、入射角、真实厚度和等效厚度；1， 8，^分别表示 模型总层数、特征震源点所在层数及其深度。
[0021] 求得参数p后，可确定特征震源点P,与传感器1\两点间的传播轨迹，则震源波从特 征震源APi到达传感器!^的到时为：
[0023] 则震源波到达两任意不同传感器TdPL的到时差矩阵元素 Δ tlj可表示为：
[0024] Δ tij = ti-tj；
[0025] ③到时差数据库的建立原理如下：
[0026] 已知传感器1\坐标^^，2：1)和特征震源点？1坐标(1。：1，7。：1，2。：1)，求得每个特征震 源点到两任意传感器的到时差A 组成到时差矩阵NKlj。在有η个传感器的情况下，每个特 征震源点共可得到4个到时差，并组成一个包含4个数据的到时差矩阵NKlj。则将每个特征 震源点信息及其对应的到时差矩阵录入数据库，可建立到时差数据库。
[0027] d.利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感 器的到时时间；
[0028] e.计算任意两传感器的到时差，建立震源(~7。，2。)的到时差矩阵，并与特征震源 点到时差数据库进行匹配搜索，对震源进行实时快速定位。
[0029] 其中，步骤b中数值建模基于被监测区域地质勘探资料及区域速度结构模型，网格 划分密度与震源定位精度成正比，划分密度越大，定位精度越高。
[0030] 步骤b中所建数值模型为各向异性非均质体模型（包括各向同性均质体模型），被 监测区域地质勘探资料及区域速度结构模型越详细，则模型越精确，震源定位精度越高。
[0031] 其中，震源到时差矩阵与特征震源点到时差数据库的匹配采用相似度匹配搜索 法，相似度高的特征震源点可认为该震源的实际位置。
[0032] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0033] 本发明基于数据库快速匹配搜索的特点，在实际微震监测工程中，事先建立特征 震源点到时差数据库，无需对震源进行函数优化迭代求解，因此极大缩减了震源定位所需 时间，同时，随网格划分密度越大，定位精度越高，故可有效缩减岩体工程动力灾害预警时 间，给工作人员及设备提供一定有效安全保障。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法实施例模型示意图；
[0035] 图2为网格密度为8mX8mX8m的立方体模型；
[0036]图3为某实测震源波形信号图；
[0037] 图4为不同网格密度下定位误差对比图；
[0038] 图5为不同网格密度下传统网格搜索算法与本发明方法计算耗时对比图。
【具体实施方式】
[0039]为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细 说明。
[0040] (1)为验证本发明的有效性，以均质条件下为例进行说明，其中非均质条件的求解 原理与之相同。设计验证模型如图1所示，为一均质模型，假定有8个传感器A，B，C，D，E，F，G， 11分别安装于立方体八个顶点位置，模拟实测震源1，1，1(儿，1，10，？各点位置坐标如表1和 表2所示。
[0045] (2)对微震监测区域进行数值建模，并进行网格划分。
[0046]如图2所示，模型划分网格密度为8m X 8m X 8m，共512个特征震源点，可计算每个特 征震源点的位置坐标及特征震源点与传感器之间的距离。基于以上信息及波速v可求得特 征震源点的震源波到达每个传感器的时间。
[0047] (3)计算每个特征震源点的到时差矩阵，建立到时差数据库。
[0048] 在有8个传感器的情况下，每个特征震源点共可得到= 56个到时差，并组成一个 包含56个数据的到时差矩阵NKlj，用于表示该特征震源点的到时信息。以特征震源点（lm， 2m，3m)为例，其到时差矩阵如表3所示。
[0049] 表 3
[0050]
[00511基于特征震源点（lm，2m，3m)的构建方法，计算模型中512个特征震源点的到时差 矩阵并将其保存在数据库中，从而可以建立一个特征震源点到时差数据库。
[0052] (4)利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传 感器的到时时间。
[0053] 如图3所示为某实测震源波形信号图，基于此图利用到时拾取算法如长短时均值 比法、AIC法等可自动提取震源波传至每个传感器的到时时间。
[0054] (5)计算任意两传感器的到时差，建立实测震源的到时差矩阵，并与特征震源点到 时差数据库进行匹配搜索，对实测震源进行实时快速定位。
[0055] 同步骤(3)，可求得各实测震源点到时差矩阵，并利用相似度匹配算法将其与特征 震源点到时差数据库进行匹配搜索，可快速求其位置坐标。
[0056] 不同网格密度下，本发明方法定位误差如图4所示，随网格密度增加，定位精度显 著提升。不同网格密度下，传统网格搜索算法与本发明方法计算耗时对比如图5所示，由图5 可知，本发明方法计算效率高，且随着网格密度增大，可极大缩减震源定位所用时间。
[0057]综上所述，在实际工程应用中，为保证定位精确性的要求，必然会增加网格搜索密 度，此时本发明方法可大幅度提高微震震源定位效率，从而为岩体工程致灾动载源的及时 预测预报提供技术支持。
[0058]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:包括W下步骤： a. 在被监测区域布设传感器，Τια = 1，2, ...，n)表示第i个传感器，其位置坐标可表示 为（xi，yi，zi); b. 对被监测区域进行数值建模，并进行网格划分，将每个网格节点作为代表该位置的 特征震源点Pi(i = l，2,. . .，n)，其位置坐标为(x〇i，y〇i，z〇i); C.计算每个特征震源点Pi的到时差矩阵Νκυ，建立到时差数据库； d. 利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感器的 到时时间； e. 计算任意两传感器的到时差，建立震源(XD，yD，z。)的到时差矩阵，并与特征震源点Pi 到时差数据库进行匹配捜索，对震源进行实时快速定位。2. 如权利要求1所述的基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:所 述步骤b中网格划分密度与震源定位精度成正比，划分密度越大，定位精度越高。3. 如权利要求1所述的基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:所 述步骤b中数值模型为各向异性非均质体模型和各向同性均质体模型。4. 如权利要求1所述的基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:所 述步骤C中，在均质条件下，单一特征震源点Pi到时差矩阵求解原理如下： 假设震源波传播速度为v，k(i = l，2,. . .，n)为传感器Τι至特征震源点Pi的距离;tia = 1，2, ...，n)为震动波到达传感器Τι的时刻，to为特征震源点Pi震源产生的时刻，则：震源波到达两任意不同传感器Τι和Tj的到时差矩阵元素 Δ tu表示为：5. 如权利要求1所述的基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:所 述步骤C中，在各向异性非均质条件下，单一特征震源点Pi到时差矩阵的求解基于射线追踪 算法，原理如下： 将特征震源点Pi发出的震源波离散成一段W上的射线，对各段射线的轨迹和走时累加， 得出各向异性非均质介质中射线分布和到达各个传感器的时间信息；已知特征震源点Pi、 传感器Τι位置坐标及区域速度结构模型的情况下，震源的射线路径可由射线参数P唯一确 定，式中：A是震中距，即特征震源点与传感器两点之间的水平距离;p = sin0k/vk是射线参 数;Vk，0k，hk，^分别表示第k层的速度、入射角、真实厚度和等效厚度；l，S，Zs分别表示模型 总层数、特征震源点所在层数及其深度； 求得参数P后，可确定特征震源点Pi与传感器Τι两点间的传播轨迹，则震源波从特征震 源点Pi到达传感器Τι的到时为：则震源波到达两任意不同传感器Τι和L的到时差矩阵元素 Δ tu可表示为： A tij 二 t广t j 〇6. 如权利要求1所述的基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:所 述步骤C中，到时差数据库的建立原理如下： 已知传感器Ti坐标(Xi，yi，Zi)和特征震源点Pi坐标(Xoi，y〇i，Zoi)，求得每个特征震源点 到两任意传感器的到时差A tu，组成到时差矩阵Νκι"在有η个传感器的情况下，每个特征震 源点共可得到线个到时差，并组成一个包含4个数据的到时差矩阵化U;则将每个特征震源 点信息及其对应的到时差矩阵录入数据库，建立到时差数据库。7. 如权利要求1所述的基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，其特征在于:所 述步骤e中震源到时差矩阵与特征震源点到时差数据库的匹配采用相似度匹配捜索法，相 似度高的特征震源点确认为该震源的实际位置。
【文档编号】G01V1/28GK106094021SQ201610382193
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月1日 公开号201610382193.0, CN 106094021 A, CN 106094021A, CN 201610382193, CN-A-106094021, CN106094021 A, CN106094021A, CN201610382193, CN201610382193.0
【发明人】吴顺川, 黄小庆, 陈子健, 许学良, 张诗淮
【申请人】北京科技大学