基于P波到时排序的矿山微震震中定位误差估计

第43卷第6期2016年12月Vol.43No.6第43卷第6期2016年12月Vol.43No.6基于P波到时排序的矿山微震震中定位误差估计陈法兵¹,2,刘金亮³,王元杰¹,2(1.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;3.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿，山东泰安271413)图)理论对微震事件各通道的P波到时排序进行正确性判断，同时得出在正确排序条件下的震中限定区域，最终限定区域即为在此P波到时排序情况下所有可能的震源点所组成的集合区域。此区域的面积越大，表明可能的震中定位结果越多，但是真正的震源位置只有一个，因此震中限定区域的面积就可以表示震中定位误差的大小。最后利用某矿井爆破引发的微震事件进行了验证，表明此方法合理有效。网络出版地址：/kcms/detail/50.1062.TD.20161206.2021.032.htmlLocationErrorEstimationofMineMicro-seismicEpicenterBasedCHENFabing'²,LIUJinliang³,WANGYuanjie¹,2(1.MiningBranchofChinaCoalResearchInstitute,Bejing100013,China;2.MiningDesignDepartmentofTiandiScienceandTechnologyCo.,Ld.,Beijing100013,China;3.HuafengMine,XinwenMiningGroupCo.,Lad.,Tai'aAbstract:Inthispaper,thecorrectnessjudgmentofthesequencingofP-wavearrivaltimeofeachchannelinthemicro-seismiceventwascarriedoutbyusingthetheoryofVoronoidiagram(Vdiagram),andthelimitedregionoftheepicenterundthecorectsequencingconditionwasobtained.,thsourcepointsinthecaseofthesequencingofthisP-wavearivaltresultsoftheepicenter,butthetrueseismicsourcelocationwasonlyone,sotheareaofthelimitedregionofrepresentthemagnitudeoftheepicenterlocationerror.Finally,verificationinducedbyblastinginacoalmine,whichindicatedthatthismethodwasreasonablKeywords:Pwave;timeofarrival;epicenter;locationerror随着国内煤矿开采强度和开采深度的逐年增加，现有冲击地压矿井的冲击频率和冲击强度不断增大，新增冲击地压矿井数量直线上升，冲击地压矿井分布范围日益扩大，事故频发，造成重大的生命和基金项目：国家自然科学基金项目(51204097);天地科从事煤矿冲击地压机理和防治技术研究工作。E-mail:体受力变形和破坏过程中释放出的弹性波来监测岩体稳定性和冲击倾向性的技术方法[3],因具有实时、立体式监测、空间预测精准等优势而被广泛应用于矿山冲击地压等动力灾害的防治[4]。微震监测P波波形的初至拾取与各通道初至排序正确与否直接决定了震源定位的精度[5-6]。但现实中，由于干扰信号及处理人员经验等因素影响，初至的拾取以及初至排序往往因人而异，变化较大，这直接导致定位结果的发散性较强，定位精度难以保证7。严谨的震源参数测定不仅要得出定位结果，还要给出定位结果的误差估计，因此误差估计是定位2016年12月Vol.43No.6含事件残差指标、敏感度指标和触发序列指标的震源定位可靠性综合评价方法。A.Kijko⁹]、唐礼优化法得出了震中和震源的定位误差估计值。准偏差。赵仲和[13]、陈法兵[14]在判别微震定位子台网组合的基础上，利用奇异值分解法进行微震定位以上震源定位误差的估计方法都是利用台网参数进行的理论计算，没有考虑在定位过程中人的因素。笔者首先利用V图理论对微震事件通道排序进行正确性验证，验证正确之后则利用排序结果进行震源区域限定，限定区域即为所有可能的震源点所组成的区域，此区域的面积就可以作为在此P波到时排序条件下震源的定位误差估计。本文误差估计方法在保证P波到时排序正确的前提下，真实反映种不稳定性的最大值作为定位误差的估计值，很明1P波到时排序正确性的V图检验线所示为一种特殊的三角剖分，叫Delaunay图。由一组连接两相邻点的直线的垂直平分线组成的连续多边形组合即为图中6个点的V图，点P,称为多边形的中心点，每个多边形内有且仅有一个中心点。给出一系列任意二维空间R²内有限点集S={P₁,P₂,…,P,就可以唯一地确定一张V图。图1V图原理示意图V图的几何意义为某一多边形内所有点到此多离。台网内所有台站就可以组成一个点集，因此每个台网对应一张V图。假设某一微震台网包含n个台站，所有台站运合实际情况。不失一般性，数据处理人员最终确定的到时排序(由早到晚)为P,P₂,…,Pm。假设去掉为K,P,为多边形K,的中心点。以下方法可以验证2)去掉P₁,以P₂,…,P作V图，的多边形是否与1)中P₁所在的多边形K₀有交集，即K₁₂∩K₀≠×。如果满足此式则P₂触发顺序正有交集，即满足K₂₃N(K₁₂∩K₀)≠×。如果满足则P₃触发顺序正确，转入4);若不满足则排序错误。P₄触发顺序正确，转入5);若不满足则排序错误。5)按照上述逻辑方法依次检验所有m个台站序正确；反之则不正确。通道到时排序的V图检验流程如图2所示。通过此方法的验证，不仅可以得出通道到时排序的正正错误，继而得出正确排序。台站4=排序错误图2V图检验流程第43卷第6期2016年12月第43卷第6期2016年12月Vol.43No.6MININGSAFETY&ENVIRON2P波到时排序对震中区域的限制此一般使用P波进行震源参数的求解。台站接收到P波初至的时间称为P波到时。各台站P波到时按时间先后顺序进行排序即为P波到时排序。已知某一微震事件的各台站P波到时排序，总可以得到一的激发顺序都符合已知的台站P波到时排序。此区域即为所有可能的震中的集合，真实震源为此集合中的一个元素。因此已知各台站P波到时排序，就可大体限定震中区域。进一步的精确定位则需要各维坐标为(x₁,y:,z),i=1,2,…,n。震源坐标为(x₀,yo,z),则各台站源检距(震源与各台站之间的距假设某一微震事件的P波触发各个台站的先后顺序为S₁,S₂,…,S-,S,同时假设介质为各向同性均质介质，P波波速为恒定值。则各台站源检距大在矿井监测范围内进行网格划分，并进行遍历基于V图理论使用P波到时排序得出的震中限制图3显示了某矿不同排序和不同台站布置条件下震中限制的结果。图中黑色实心圆为微震台站，T;(i=1,2,…,n)为地震波到达拾震器S₂(i=1,站的先后顺序，例如T₁<T₃<T₂表明地震波先到达S₁,的震中限制区域。震中限制区域的面积与微震台网目和触发顺序有关。布置方式越合理，触发台站越多，则震中限制区域越小，表明震源定位精度越高。(a)T₁<T₃<T₂<T₄(b)T₁<T₃<(c)T₁<T₃<T₅<T₂<T₄(d)T₁<图3不同到时排序的震中区域限制3现场试验某煤矿的ARAMISM/E微震台网布置如图4所的震动事件。图4微震台网布置示意图2016年12月Vol.43No.6MININGSAFETY&ENVIRON在工作面开采过程中，曾多次放卸压炮和断顶炮(爆破点见图4),微震监测系统记录到了这些爆图5部分爆破的振动波形图便可进行定位求解和能量计算。若排序错误则把出后面的两个通道进行排列组合，逐一尝试。实践证测区域位置，进行2~3次调换顺序即可得出正确排图6是20个微震事件V图验证前后定位误差现场选择4个微震事件(编号1~4号),利用V图误差/m误差/m图6V图验证前后定位误差对比图线多边形为20次定位点的外围包络多边形。图7震中限制区域和20次定位点包络区域第43卷第6期2016年12月第43卷第6期2016年12月Vol.43No.6MININGSAFETY&ENVIRON4个微震事件的震中区域面积和人工20次定位点外围包络多边形的面积见图8,可以看出，后者随着前者增加而变大。1号微震事件随着定位次数的增加，定位点外围包络多边形面积的变化情况见图9,可以看出，包络多边形的面积随着定位次数的震中限制区域就是所有可能的震中的集合。因此，震中限制区域的面积就可以合理地表征此P波到时积越大，定位误差就越大。面积/m²面积/m²图8震中限制区域与定位点包络区域面积包络面积/m²包络面积/m²图91号事件定位点包络面积的变化1)利用V图原理可以对微震事件的各通道P波到时排序正确性进行验证，从而得到正确的到时2)如果P波到时排序正确，则可以将所有可能3)震中限制区域的面积可以作为震中定位误差的最大估计值，这个最大估计值真实反映了人工定位不稳定性导致的误差，可以用来评价震中定位的参考文献：[1]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.[2]潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报，2003,22(11):[3]MENDECKIAJ.SeismicLondon:ChapmanandHall,1997:220-245.[4]姜福兴，杨淑华，成云海，等.煤矿冲击地压的微地震监测研究[J].地球物理学报，2006,49(5):1511-1516.[5]吴治涛，李仕雄.STA/LTA算法拾取微地震事件P波到时对比研究[J].地球物理学报，2010,25(5):1577-[6]宋晋东.地震预警中地震波到时自动识别和震级快速估算研究[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，[7]朱元清，赵仲和.提高地震定位精度新方法的研究[J].地震地磁观测与研究，1997,18(5):59-66.[8]李楠，王恩元，GEMaochen,等.微震震源定位可靠性综合评价模型[J].煤炭学报，2013,38(11):1940-1946.[9]KIJKOA.AnAlgorithmfortheOptimumDistributionofRegionalSeismicNetwork-I[J].Pageoph.,[10]唐礼忠，杨承祥，潘长良.大规模深井开采微震监测系统站网布置优化[J].岩石力学与工程学报，2006,25(10):2036-2042.[11]巩思园，窦林名，曹安业，等.煤矿微震监测台网优化布设研究[J].地球物理学报，2010,53(2):457-465[12