矿山微震信号多尺度降噪及震源精确定位方法研究与应用

作     者：郭宏扬 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄滚;彭康

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：矿山微震 震源定位 微震信号降噪 P波初至拾取 

摘      要：近年来,随着矿山逐步向深部发展,巷道冒顶、岩爆等灾害时常发生,对矿山工作人员的安全和财产影响极大。基于地球物理的微震监测技术可通过处理分析传感器接收的微震信号而获得震源位置、震源机制等信息,在矿山、隧道等工程领域中发挥着极为重要的作用。微震监测技术主要包括:传感器布置网络优化、微震监测数据处理和微震事件定位等。其中,微震事件定位研究是核心问题,其定位精度主要受震源定位方法、P波初至拾取、微震信号质量等因素影响。目前,基于P波到时的震源定位方法是较为常用的,然而矿山微震信号通常受采矿、机车运输等影响而带有大量背景噪音,导致P波初至拾取存在一定误差;传统震源定位目标函数多是采用L1、L2范数,其存在定位精度低、稳定性差等问题;梯度类算法易受初始值影响而陷入局部最优解,启发式算法存在工作量大、效率低等问题。为此,本文开展了矿山微震信号多尺度降噪、P波初至拾取和震源定位方法研究,主要研究内容和结果如下:(1)针对矿山微震信号存在大量背景噪音、信噪比低等问题,基于EEMD和PCA理论,本文提出一种矿山微震信号多尺度降噪方法,并将其与长短时窗均值比法、峰度法和池赤回归准则法等P波初至拾取方法相结合,具有较好的自动拾取效果。仿真信号测试表明EEMD-PCA降噪方法能较好的保留原信号特征;矿山微震信号应用表明该方法能够有效去除高频、刺突等噪音,提高了P波初至拾取精度。该方法具有能对单个微震信号开展PCA降噪、噪音适应性强、信号特征保留好等特点,与池赤回归准则法相结合具有较好的P波初至拾取效果,可为后续震源定位研究提供良好的数据基础。(2)针对P波初至拾取存在一定误差、梯度类算法易受初始值影响等问题,本文提出一种基于数据场的微震信号大误差拾取去除及震源重定位方法。结果表明:基于数据场的TD2法(DF1-TD2)和基于数据场去除大误差的TD2法(DF2-TD2)定位误差明显小于TD2法,且DF2-TD2法定位结果优于DF1-TD2法定位结果。用沙坝矿八次爆破事件的TD2、DF1-TD2和DF2-TD2法定位平均误差分别为460.51m、46.74m和40.71m,工程应用结果与上述研究结果相符。(3)针对L1、L2范数存在定位精度低、稳定性差,远距离P波到时误差大等问题,本文基于Log-Cosh函数,提出了一种剔除远距离传感器到时的震源定位方法。结果表明:不管是否去除远距离传感器所拾取的P波到时,基于数据场的Log-Cosh法定位精度都高于基于L1、L2范数的定位方法,而在去除远距离传感器所拾取的P波到时后,三种定位方法的定位误差都有明显的下降,表明了Log-Cosh函数、数据场理论的优越性和剔除远距离P波初至数据的必要性。