本發(fā)明涉及微地震監(jiān)測(cè)，特別涉及一種無(wú)先驗(yàn)速度結(jié)構(gòu)的礦山微地震事件自定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是以地震學(xué)和聲發(fā)射為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和分析生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的微弱的地震事件來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)影響的地球物理技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)發(fā)、礦井開(kāi)采以及邊坡安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。針對(duì)煤礦開(kāi)采，利用微地震技術(shù)可以監(jiān)測(cè)煤層開(kāi)采過(guò)程中頂?shù)装鍘r體破裂位置的時(shí)空分布，判斷煤層頂板與底板的裂隙發(fā)育狀況，為沖擊地壓、礦井突水等災(zāi)害提供預(yù)警監(jiān)測(cè)。微地震定位結(jié)果依賴于礦區(qū)地層速度結(jié)構(gòu)，常規(guī)的地層速度測(cè)定方法為聲波測(cè)井法，該方法可以獲取實(shí)際測(cè)井位置處地層速度結(jié)構(gòu)，但僅僅只是一孔之見(jiàn)，如果需要精確描述礦區(qū)地層速度，需要施工大量測(cè)井。測(cè)井施工成本高昂，需要消耗大量的時(shí)間及資金成本。

2、面波信號(hào)具有明顯的頻散現(xiàn)象，利用面波頻散原理可以反演地下速度結(jié)構(gòu)，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛用于城市地下空間管線探測(cè)，壩體滲漏通道探測(cè)等領(lǐng)域。面波信號(hào)在地下速度結(jié)構(gòu)探測(cè)中屬于有效信號(hào)，同時(shí)面波地下速度結(jié)構(gòu)的反演精度與檢波器的布置方案有關(guān)。在沿面波傳播方向上布置檢波器，通過(guò)其監(jiān)測(cè)的面波信號(hào)可以精確的反演地下速度結(jié)構(gòu)。

3、煤礦微地震技術(shù)在監(jiān)測(cè)煤礦開(kāi)采過(guò)程中的微地震時(shí)，一般采用在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，除了巖體破裂產(chǎn)生的微地震信號(hào)，還會(huì)監(jiān)測(cè)到大量的面波干擾信號(hào)，如各種人類活動(dòng)、車(chē)輛運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。干擾面波會(huì)影響微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

4、因此，如何提供一種高效的礦山微地震事件自定位方法及系統(tǒng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)上述研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，提供了一種無(wú)先驗(yàn)速度結(jié)構(gòu)的礦山微地震事件自定位方法及系統(tǒng)，基于煤礦微動(dòng)與微地震聯(lián)合定位，解決了煤礦無(wú)地下速度結(jié)構(gòu)資料時(shí)的微地震事件定位問(wèn)題。該方法避免了礦山前期現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井施工，降低了資金投入。同時(shí)，充分利用了面波干擾噪聲，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用率，實(shí)現(xiàn)微地震無(wú)先驗(yàn)速度結(jié)構(gòu)的礦山微地震事件定位。

2、本發(fā)明首先提供的一種無(wú)先驗(yàn)速度結(jié)構(gòu)的礦山微地震事件自定位方法，包括如下步驟：

3、s1：利用采礦現(xiàn)場(chǎng)布置的檢波器陣列監(jiān)測(cè)獲得巖體破壞產(chǎn)生的包含干擾噪聲的微地震信號(hào)；

4、s2：提取所述檢波器陣列中任意兩個(gè)檢波器監(jiān)測(cè)的微地震面波信號(hào)的頻散曲線，得到面波不同頻率成分的實(shí)測(cè)相速度；

5、s3：基于預(yù)設(shè)地下分層模型正演計(jì)算理論頻散曲線，得到面波不同頻率成分的理論相速度；以實(shí)測(cè)相速度與理論相速度的誤差最小化作為目標(biāo)函數(shù)一，反演優(yōu)化地下分層模型的地層s波速度，獲得滿足目標(biāo)函數(shù)的地層s波速度；

6、s4：?根據(jù)已知的地質(zhì)資料選擇速度模型，確定地層泊松比是否已知，若是，則將所述地層s波速度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成p波速度結(jié)構(gòu)，若否則直接進(jìn)入s5；

7、s5：對(duì)各個(gè)檢波器的微地震信號(hào)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的微地震信號(hào)；

8、s6：根據(jù)已知的p波與s波信號(hào)特征，利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)降噪后的微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行p波與s波震相拾取，分別得到各檢波器p波與s波初至到時(shí)；

9、s7：根據(jù)所述初至到時(shí)、檢波器的空間坐標(biāo)、網(wǎng)格空間坐標(biāo)和所述地下速度結(jié)構(gòu)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)二；在地層泊松比已知時(shí)，用于表征s6獲得的單個(gè)檢波器的p波與s波初至到時(shí)與預(yù)設(shè)理論到時(shí)的殘差全局最小化；在地層泊松比未知時(shí)，用于表征s6獲得的單個(gè)檢波器的s波初至到時(shí)與預(yù)設(shè)理論到時(shí)的殘差全局最小化，通過(guò)迭代求解目標(biāo)函數(shù)二，獲得最終的網(wǎng)格空間坐標(biāo)作為微地震發(fā)生的真實(shí)位置。

10、優(yōu)選的，所述檢波器陣列覆蓋采礦工作面指定范圍內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)，且對(duì)應(yīng)力集中區(qū)實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋監(jiān)測(cè)。

11、優(yōu)選的，所述s3中的地下分層模型根據(jù)地層初始參數(shù)、檢波器陣列的布設(shè)參數(shù)進(jìn)行正演。

12、優(yōu)選的，所述s5包括：

13、采用降噪方法濾除干擾信號(hào)，所述降噪方法包括帶通濾波、小波變換、ica或深度學(xué)習(xí)方法。

14、優(yōu)選的，所述s7中，根據(jù)地質(zhì)資料中的地層泊松比是否已知，選擇采用p波與s波聯(lián)合定位方法或s波定位方法，包括：

15、拾取微地震數(shù)據(jù)中不同檢波器的p波與s波初至到時(shí)，利用如下公式進(jìn)行p波與s波聯(lián)合定位或s波微地震定位，得到一個(gè)網(wǎng)格空間坐標(biāo)(x，?y，?z)使得f(x，y，z)達(dá)到全局最小的指定范圍，輸出所述網(wǎng)格空間坐標(biāo)為微地震發(fā)生的真實(shí)位置：

16、；

17、其中，x，y，z為迭代過(guò)程中所計(jì)算的網(wǎng)格空間坐標(biāo)；vj為s6計(jì)算得到的地下速度結(jié)構(gòu)，j=0為p波速度結(jié)構(gòu)，j=1為s波速度結(jié)構(gòu)，wij為不同檢波器i中不同震相j下的加權(quán)系數(shù)，采用s波定位方法時(shí)，p波對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)wi0為0；n為檢波器的個(gè)數(shù)；(xi，yi，zi)為檢波器i的空間坐標(biāo)；tij為第i個(gè)檢波器拾取的初至到時(shí)，j=0表示p波初至到時(shí)，j=1表示s波初至到時(shí)；t0為預(yù)設(shè)的微地震事件的發(fā)震時(shí)刻。

18、優(yōu)選的，所述s7中迭代求解目標(biāo)函數(shù)二的方法包括如下中的任意一種：

19、利用目標(biāo)函數(shù)的幾何形態(tài)對(duì)其求得最小值；

20、利用窮舉法將搜索空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格點(diǎn)中找到最優(yōu)解；

21、利用智能算法使得迭代結(jié)果在搜索空間進(jìn)行隨機(jī)游走進(jìn)行位置定位。

22、本發(fā)明其次提供了一種根據(jù)所述的一種無(wú)先驗(yàn)速度結(jié)構(gòu)的礦山微地震事件自定位方法的礦山微地震事件自定位系統(tǒng)，包括檢波器陣列，面波信號(hào)處理單元、s波速度提取單元、p波速度提取單元、震相拾取單元、微地震定位單元；其中，

23、所述檢波器陣列布設(shè)在采礦現(xiàn)場(chǎng)；

24、所述面波信號(hào)處理單元用于獲得檢波器陣列監(jiān)測(cè)得到的巖體破壞產(chǎn)生的包含干擾噪聲的微地震信號(hào)，并提取所述檢波器陣列中任意兩個(gè)檢波器監(jiān)測(cè)的面波信號(hào)的頻散曲線，得到面波不同頻率成分的實(shí)測(cè)相速度；

25、所述地層s波速度提取單元基于預(yù)設(shè)地下分層模型正演計(jì)算理論頻散曲線，得到面波不同頻率成分的理論相速度；以實(shí)測(cè)相速度與理論相速度的誤差最小化作為目標(biāo)函數(shù)一，反演優(yōu)化地下分層模型的地層s波速度，獲得滿足目標(biāo)函數(shù)的地層s波速度；

26、所述p波速度提取單元用于根據(jù)已知地質(zhì)資料選擇速度模型，已知地層泊松比時(shí)將所述地層s波速度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成p波速度結(jié)構(gòu)；

27、所述震相拾取單元用于對(duì)各個(gè)檢波器的微地震信號(hào)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的微地震信號(hào)；根據(jù)已知的標(biāo)準(zhǔn)p波與s波信號(hào)特征，采用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)降噪后的微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行p波與s波震相拾取，分別得到各檢波器p波與s波初至到時(shí)；

28、所述微地震定位單元根據(jù)所述初至到時(shí)、檢波器的空間坐標(biāo)、網(wǎng)格空間坐標(biāo)和所述地下速度結(jié)構(gòu)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)二，在地層泊松比已知時(shí)，用于表征s6獲得的單個(gè)檢波器的p波與s波初至到時(shí)與預(yù)設(shè)理論到時(shí)的殘差全局最小化，在地層泊松比未知時(shí)，用于表征s6獲得的單個(gè)檢波器的s波初至到時(shí)與預(yù)設(shè)理論到時(shí)的殘差全局最小化，通過(guò)迭代求解目標(biāo)函數(shù)二，獲得最終的網(wǎng)格空間坐標(biāo)作為微地震發(fā)生的真實(shí)位置。

29、相較現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

30、本發(fā)明通過(guò)面波干擾信號(hào)反演地下速度結(jié)構(gòu)，無(wú)需依賴聲波測(cè)井，顯著降低施工成本與時(shí)間。

31、本發(fā)明聯(lián)合利用微動(dòng)面波信號(hào)與微地震體波信號(hào)，一次布設(shè)檢波器即可同時(shí)完成速度模型反演與震源定位，減少重復(fù)施工。

32、本發(fā)明通過(guò)頻散曲線反演地層s波速度模型，實(shí)現(xiàn)了面波干擾信號(hào)資源化，有效提升了數(shù)據(jù)利用率。

33、本發(fā)明在開(kāi)采過(guò)程中持續(xù)利用微動(dòng)信號(hào)反演速度結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)修正定位模型，適應(yīng)地層動(dòng)態(tài)變化（如裂隙發(fā)育、應(yīng)力重分布）。同時(shí)，適用于缺乏歷史測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的礦區(qū)，增強(qiáng)復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性，尤其適合地質(zhì)條件復(fù)雜或勘探程度低的礦山。

34、綜上，本發(fā)明通過(guò)創(chuàng)新性地聯(lián)合利用微動(dòng)與微地震信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)先驗(yàn)速度模型條件下的高效、低成本微地震事件定位。其技術(shù)效果涵蓋成本節(jié)約、精度提升、流程簡(jiǎn)化及安全性增強(qiáng)等多個(gè)維度，為礦山安全監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警提供了突破性解決方案。