震源定位新方法中传感器的空间布置

周美波 吴建星

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

震源定位新方法中传感器的空间布置

周美波 吴建星

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

传感器的空间布置影响微震震源的定位精度，提高微震震源的定位精度是微震监测技术研究的重要内容。基于震动波波形的震源定位新方法对于传感器的空间布置具有特定的要求，以某地下金属矿山已建有的微震监测系统为研究对象，验证传感器的空间布置对其定位精度的影响。结果表明，采用4个传感器可以满足实际应用需求，但若要获得更高的定位精度，可采用6个传感器。

微震监测震源定位 传感器 空间布置

微震监测技术是利用岩体受力变形和破坏过程中释放出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法[1]。近年来随着金属矿山开采深度的增加，深部采场发生岩爆、顶板冒落等地质灾害的频率和强度逐步加大，严重威胁作业人员的生命安全，对地质灾害进行预警，提前进行人员疏散，排除地质灾害隐患，可有效降低事故的危害性。

微震震源坐标是微震监测中最关键和最基本的参数之一[2]，快速准确地确定震源位置是进行预警的重要前提。影响震源定位精度的因素有首波到达时间的拾取误差和台站坐标测量误差引起的台站误差[2]，传感器的个数以及空间布置引起的误差，预先估计或反演波速引起的误差和反演迭代方法因陷入局部最小值时产生的误差等。董陇军等[3]提出了无需预先测速的微震源定位方法，研究速度对声发射源定位精度的影响，给出了高精度定位的方法及改进建议；朱海波[4]提出了一种消除速度误差影响的震源定位方法，研究速度误差对震源定位精度的影响。为此，采用一种基于震动波波形，无需测量波速和反演迭代的震源定位新方法研究传感器的空间布置对震源定位精度的影响。

1 震源定位方法

文中采用的一种基于震动波波形的微震震源定位方法，是在待测区域内将传感器按纵横交错的方式布置，使其与震源之间形成阵列[5]，对采集到的微震信号首先进行辨识和去噪，然后对相邻传感器监测到的相似波形进行平移后做算术平均得到分析点的波形来代替分析点采集到的波形，以避免波形畸变引起误差。

利用该定位方法对震源分析点的波形进行处理，得到从分析点P到震源点S的单位方向矢量(nx,ny,nz)和距离R，再根据分析点的坐标求得震源点的坐标。该方法不需要求解震动波在介质中的传播速度，无需选择到时和迭代方法，仅需要读取波形图中一个半波即可求得分析点到震源点的方位角和距离。采用该方法研究传感器的空间布置对震源定位精度的影响可以排除波速和迭代方法的干扰。该定位方法对传感器的空间布置具有特定的要求，一般情况下需要选择6个传感器对称布置在x、y、z轴上，特殊情况下4个传感器也可以进行定位计算。

2 震源定位计算

2.1 震源定位模型的建立

以某金属矿山在S点的人工爆破为模拟震源点来研究传感器的空间排列对震源定位精度的影响，爆破震动波三维传播示意见图1。

图1 爆破震动波三维传播示意

按照震源定位方法对传感器的布置要求，第1组中布置4个传感器，以传感器a为原点建立空间直角坐标系，沿x轴方向放置传感器b，沿y轴方向放置传感器c，沿z轴方向放置传感器d，分析点P1位于传感器a和传感器b中间，4个传感器与震源点的位置示意见图2。

图2 传感器与震源点的位置示意

爆破点S以及4个传感器的位置坐标及其同轴方向2个传感器之间的距离Δx1、Δy1、Δz1等参数取值见表1。

表1 爆破点与传感器相关参数

第2组中布置6个传感器,以分析点P2为原点建立空间直角坐标系，沿x轴方向P点两侧等距离处放置传感器Ax和传感器Bx，沿y轴方向P点两侧等距离处放置传感器Ay和传感器By，沿z轴方向P点两侧等距离处放置传感器Az和传感器Bz。6个传感器与震源点的位置示意见图3。

图3 传感器与震源点的位置示意

爆破点S以及6个传感器的位置坐标及其同轴方向2个传感器之间的距离Δx2、Δy2、Δz2等参数取值见表2。

2.2 震源定位信号采集

将第1组中的4个传感器接收到的相似信号进行辨识和去噪后得到的波形见图4。

将传感器Ax、Bx监测到的信号波形进行去噪，结果见图5。

将传感器Ay、By采集到的信号波形进行去噪，结果见图6。

将传感器Az、Bz监测到的波形进行去噪，结果见图7。

2.3 震源定位计算及结果分析

采用基于震动波波形的震源定位方法分别求出从分析点到震源点的单位方向矢量(nx,ny,nz)和距离R。分析点P1和分析点P2的坐标值、从分析点到震源点的单位方向矢量(n1,n2)和距离R1、R2，结果见表3。

表2 爆破点与传感器相关参数

图4 第1组试验采集的信号波形

图5 传感器Ax、Bx采集的信号去噪后的波形

图6 传感器Ay、By采集的信号去噪后的波形

图7 传感器Az、Bz采集的信号去噪后的波形

表3 震源定位相关参数计算结果

根据表3中的参数可以计算出2种不同的传感器布置方法中震源点的坐标，结果见表4。

表4 2种传感器震源点坐标计算结果对比

由表4可知，第2组求得的位置坐标误差小于第1组求得的位置坐标误差，但误差相差不大，在可以接受的范围之内。

3 结 语

通过研究传感器的空间布置对震源定位精度的影响，可以看出该基于震动波波形的震源定位方法所要求的6个传感器的震源定位精度更高，但传感器布置要求较高且不易操作；4个传感器的震源定位精度虽然比6个传感器求得的震源定位精度低，但也在可以接受的范围之内。考虑到地下金属矿山开采的实际情况，布置4个传感器即可满足应用要求，若要获得更为精确的震源定位精度，则采用6个传感器。

[1] 唐守峰，童敏明，潘玉祥，等.煤岩破裂微震信号的小波特征能谱系数分析法[J].仪器仪表学报，2011，32(7)：1521-1527.

[2] 董陇军，李夕兵，唐礼忠.影响微震震源定位精度的主要因素分析[J].科技创新导报，2013，31(24)：26-31.

[3] 董陇军，李夕兵，唐礼忠，等.无需预先测速的微震震源定位的数学形式及震源参数确定[J].岩石力学与工程学报，2011，30(10)：2058-2067.

[4] 朱海波.一种消除速度误差影响的震源定位方法：中国， ZL201210261413[P].2014-02-12.

[5] 陶慧畅，吴建星.微震震源定位计算新方法的探讨[J].工业安全与环保，2013，39(5)：85-88

2014-11-06)

周美波(1990—)，男，硕士研究生，430081 湖北省武汉市青山区和平大道947号。