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小尺度区域构造三维波速场构建及震源定位方法的研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

贾宝新

项目受资助机构

辽宁工程技术大学

立项年度

2017

立项时间

未公开

项目编号

51774173

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

60.00万元

学科

工程与材料科学-矿业与冶金工程-安全科学与工程

学科代码

E-E04-E0408

基金类别

面上项目

关键词

小尺度 ; 区域构造 ; 冲击地压 ; 三维波速场 ; 震源定位 ; rockburst ; local scale ; regional tectonics ; three-dimensional velocity field ; hypocenter location

参与者

李永靖；王帅；刘家顺；张建俊；贾志波；陈浩；孙傲；王倩倩；周琳力

参与机构

辽宁工程技术大学；北京工业大学

项目标书摘要：进行震源准确定位对冲击地压的监测预警、冲击危险性评定、减灾和救灾工作具有重要的现实意义。国内外学者对震源定位的研究大多基于波速模型的假设，未考虑地质结构的复杂性对震波传播规律的影响，导致定位误差难以接受。探索和建立小尺度区域结构精细三维波速结构场对震源精确定位具有重要的理论意义。因此本项目依托已开采矿山详细地质构造资料、高频构造活动监测仪，在百米尺度范围内对微震与人工源信号进行原位监测。开展各类地质结构对震波传播特性的影响研究，矿山微震定位、构造微动态、区域应力场分析及微结构演化正反演双向对比研究。揭示矿山微震经过复杂地质条件下的传播规律，建立精细结构的三维动态波速场，提出复杂地质条件下高精度震源定位方法，为煤矿冲击地压的预测和防治奠定前期的理论基础，为中小尺度地震活动的监测和浅部构造活动的研究提供一定的借鉴和理论依据。

Application Abstract: Accurate hypocenter location has important practical significance on rockburst monitoring and early warning,the impact of risk assessment,disaster reduction and disaster relief work.Study on the source location of domestic and foreign scholars mostly velocity model based on the assumption that,without considering the complexity of geological structure on the influence of wave propagation,resulting in unacceptable positioning error.It is of great theoretical significance to explore and establish the fine three-dimensional velocity field of the small scale regional structure for accurating hypocenter location.Therefore,the project is based on mining geological data mining with tectonic activity,high frequency tectonics activity monitor,for in situ monitoring of microseismic and artificial source signal in the 100 meter scale.To carry out research on all kinds of geological structure on seismic wave propagation characteristics of the microseismic location and tectonic micro dynamic mining,regional stress field analysis and micro structure evolution and inversion research of two-way comparison.After revealing the mine microseismic propagation under complex geological conditions,the establishment of the fine structure of the three-dimensional dynamic velocity field,the source location method with high precision under complex geological conditions,lay the theoretical foundation for prediction and prevention of rockburst in coal mine impact,for local scale to provide a reference and theoretical basis for the study of seismic activity monitoring and shallow tectonic activities.

项目受资助省

辽宁省

项目结题报告(全文)

微震监测技术防治冲击地压、岩爆等地下工程动力灾害是目前广泛采用，并行之有效的重要手段。其中，精确定位微震源是针对性防治动力灾害和保障工程进度的关键。因此，明确微震波在复杂地质结构中的传播规律，构建工程尺度精细波速模型和建立三维震源定位方法，可以有效提高微震源定位精度。项目组通过理论分析、室内模型试验、数值试验和现场试验等方法，从以下三个方面展开研究:(1)在地质结构对振动信号影响规律方面，通过室内模型试验对微震波在复杂地质结构下的传播规律进行研究。表明岩层密度越大波速衰减越慢；穿过的结构面数量越多，微震信号传播速度衰减比例越大；能量的衰减与波速的衰减一致。断层对频率高的微震信号阻碍作用更强。微震能量随传播距离的增大呈现幂指数衰减趋势；质点输入能量与信号能量的数值大小和分布特征在频域上符合高斯函数趋势；地质结构及组合对微震波具有调频效应。(2)在复杂地质小尺度波速模型构建方面，依据岩层形态的自然划分，充分考虑了岩层形态、离层和裂隙发育等对微震波传播路径和速度的影响，分段构建采空塌陷区“三带”波速模型。基于斯奈尔定律和均匀介质假设，推导微震波传播路径和走时计算公式，定义等效波速概念。(3)在复杂地质条件下三维震源定位方法方面，明确台站数量和分布对微震源定位效果的影响，指出震源定位精度随台站数量成正比，在百米尺度时,12个台站性价比最佳，多台面的定位效果显著。提出了基于时频分析的下山比较法(TFA-DC方法)获得P波精确到时和S波峰值到时。获取了目标函数连续且极小值唯一、单轴收敛范围逐步减小、各轴收敛范围不一的规律。探索出了基于连续比较模块、变步长模块、加速模块的变步长加速搜索法。在国内外权威刊物上发表论文12篇，被SCI收录4篇，被EI收录7篇。出版专著1部。授权国家发明专利1项，实用新型专利2项。获辽宁省科技进步二等奖1项。培养毕业硕士8名，在读博士4名，在读硕士2名。

  • 排序方式：
  • 1
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  • 1.层状岩体中微震信号传播规律的试验研究

    • 关键词：
    • 层状岩体;BP神经网络;熵值法;初至拾取;边际谱;边际熵
    • 孙傲
    • 指导老师：辽宁工程技术大学 贾宝新
    • 学位论文

    冲击地压是煤炭开采伴生的主要动力灾害之一,进行震源准确定位对冲击地压的监测预警、冲击危险性评定、防灾和减灾工作具有重要的现实意义。对震源定位的研究大多基于波速模型的假设,未考虑地质结构的复杂性对微震波传播规律的影响,常导致定位误差难以接受。本文通过理论和试验相结合的方式对微震信号在层状岩体中的传播规律进行了研究,得出以下几个主要结论:（1）基于BP神经网络技术预测岩石波速,将波速模型中各岩层的力学参数作为测试样本,把测试样本的输出值与岩石波速试验测的岩石波速相比较。结果表明,预测的岩石波速与试验测得的岩石波速相比误差较小,满足精度要求。验证了BP神经网络方法在波速预测研究中的有效性。（2）为精确拾取微震信号初至,改进了熵值法的拾取过程。同时研究了信号的采样频率对拾取结果的影响,以及拾取参数的改变对不同频率信号拾取结果的影响。结果表明,改进后的熵值法减小了分区和区域宽度对拾取结果的影响,拾取精度有显著的提高。采样频率越大,信号初至拾取结果越精确。在拾取参数影响方面,采样频率越大,拾取参数的改变对拾取结果影响越小。（3）通过室内试验研究了层状岩体中微震信号的传播规律。试验结果表明,对于复杂介质,同一震源,布置在不同坐标的传感器对应的传播速度存在着差异。微震信号在层状岩体中传播,随着单一岩层的岩石强度增长,微震信号的传播速度衰减越小;岩层间结构面强度越大,微震信号通过结构面后传播速度衰减越小。（4）在微震信号传播规律的研究中,对微震信号进行瞬时能量、边际谱和边际熵分析。结果表明,试验测得信号主要包含低频和高频两种信号,其中低频信号的能量较高。微震信号通过结构面后,低频信号减少,主频率向低频方向偏移。通过结构面少的信号边际熵值较小,信号频率分布较均匀。相反,信号的边际熵值较大,信号频率分布无序性较大。该论文有图59幅,表33个,参考文献70篇。

    ...

  • 2.断层与采空区对微震信号传播和震源定位影响的试验研究

    • 关键词：
    • 传播速度;断层;震源定位;采空区;定位误差
    • 王坤
    • 指导老师：辽宁工程技术大学 贾宝新
    • 学位论文

    矿山生产往往伴随着微震事件的发生,对震源进行精准定位对矿山的安全生产和防灾减灾工作有着重要的现实意义。目前,对微震定位的研究大多建立在岩层性质单一的前提下。工程地质中往往存在断层,微震信号传播经过断层时,其传播规律必然会发生改变。若矿山开采区域内的岩层性质不单一,采用速度为常数进行震源定位通常会产生较大的误差。矿山开采过程中必然伴随着采空区的出现。采空区会使微震信号在介质中的传播速度发生改变,最终导致震源定位结果不准确。本文通过理论和试验相结合的方法,研究了层状岩体中断层与采空区对微震信号传播规律和震源定位结果的影响,得出以下几个主要结论:（1）通过理论推导和室内试验研究了断层对微震信号传播规律的影响,结果表明:微震信号穿过断层的用时较长,断层会使质点的振速发生较大幅度的衰减,质点振速的降低并不会使微震信号的传播速度发生衰减;断层对信号高频部分的阻碍作用更强。微震信号穿过断层时的入射角越大,传播相同距离的用时越长,信号的能量衰减越多。（2）通过室内试验结合数值计算研究了层状岩体对走时残差法和双差法的震源定位结果的影响,并采用模拟退火—模式搜索算法对目标函数进行求解,得出层状岩体和传感器台网布设对定位结果的影响规律;结合波在非均匀介质中传播公式的推导,得出定位误差的主要原因是波的实际传播距离与均匀介质中的理论值的差值,定位误差大小由波穿过介质面的角度和波在两种介质中的实际传播速度共同决定。（3）采空区对微震信号的传播规律会产生一定程度的影响,主要体现在:采空区会使微震信号的传播速度发生衰减,震源到采空区另一侧的监测点距离越近对相对传播速度的影响越大;利用HHT原理对信号时频能量进行分析,得出采空区对信号频率、能量的影响规律;通过对震源位置进行反演,得出采空区对震源定位结果的影响规律以及造成定位误差的主要原因。该论文有图31幅,表30个,参考文献72篇。

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  • 3.微震信号双震相自动识别及震源定位方法研究

    • 关键词：
    • 微震监测;震相识别;到时拾取;最优化算法;震源定位
    • 李峰
    • 指导老师：辽宁工程技术大学 贾宝新
    • 学位论文

    矿山深部开采过程中时常伴随着诸如岩爆、采空区垮落等动力灾害的发生。微震监测作为一种常用监测手段,对开采过程中岩层界面破坏、基体或夹杂物断裂进行预测与监控,从而保障施工安全。影响震源位置和发震时刻反演精度的关键在于震相识别方法的有效性以及由到时拾取方法与最优化算法构成的震源定位方法的准确性。为实现自动高效识别微震事件并对其进行高精度震源定位,本文通过理论分析、算法编程、室内试验、数值计算、工程验证等手段对震相识别、到时拾取、最优化算法、震源定位等内容进行了研究,分别提出了自适应轮动归类法、基于时频分析的下山比较法（TFA-DC方法）、变步长加速搜索法以及基于TFA-DC到时拾取的双震相定位方法（TD-DL方法）,所得主要成果如下:（1）相较改进STA/LTA方法,自适应轮动归类法对长度不同信号的识别容错率与稳定性更高。在模型试验下,自适应轮动归类法的识别准确率提高了25.0%,识别偏差标准差为前者的17.4%,计算时间平均值、标准差分别为前者的44.2%、67.4%;实际工程下,自适应轮动归类法的识别准确率提高了4.8%,识别偏差标准差为前者的34.2%,计算时间平均值、标准差分别为前者的40.9%、55.9%。（2）TFA-DC方法对比改进STA/LTA方法,前者可同时拾取P波精确到时与S波峰值到时而后者只能拾取P波精确到时,前者P波平均时差、标准差分别为后者的6.18‰、3.98‰,前者单次拾取所需平均计算时间、标准差分别为后者的43.99%、10.54%,前者到时拾取失败比例为0,而后者为15.63%。（3）模拟算例下,对比模拟退火算法、遗传算法,变步长加速搜索法的目标函数值标准差、定位误差标准差、波速误差标准差均为0;该算法的定位误差平均值分别为其余二者的0.7%、1.9%;该算法的计算时间平均值分别为其余二者的6.9%、33.2%。该算法单独更改各参数对定位误差的影响在0.005～0.025 m之间;减小搜索步长下限可有效提高结果精确度,并增加相应的计算时间。（4）由于S波到时约束信息的增加以及目标函数的最小值趋向作用,TD-DL方法提高了对检波器坐标、双震相到时等已知信息的统合能力,使其定位结果趋于两种单震相定位结果较真实震源误差更小的一方,并且利用TFA-DC方法对于P波与S波拾取到时的偏移关系,在一定程度上抵消了P波、S波单震相计算所得的定位误差,从而达到提高震源反演定位精度的效果;模型试验下TD-DL方法定位误差平均值分别为P波、S波单震相定位的23.9%和18.9%,定位误差标准差分别为P波、S波的50.9%和36.9%,工程数据下TD-DL方法定位误差平均值分别为P波、S波单震相定位的8.1%和12.6%。该论文有图53幅,表29个,参考文献60篇。

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