矿山微震波形识别与处理方法研究

吴爽 刘红亮 李玉娟 刘强

（1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南香格里拉 674400）

随着浅部矿产资源被逐步开采枯竭，采矿工程不断向深部转移，由于采深增大、浅部空区残留等因素引起的地压问题日渐突出。微震监测技术凭借其实时性、区域性等优势，已成为矿山地压监测与灾害预警的重要手段。利用微震监测系统可获取岩体受力变形破坏过程中释放出的震动信号，通过信号识别、震源定位、震源分析等流程实现对矿山地压活动的预测预警。

微震事件的发震时刻、震源位置和能量等信息可经过定位算法获取，在此过程中需先对微震信号进行识别以及P 波、S 波到时拾取，拾取的准确度直接决定了微震事件震源信息，进而影响后续对矿山地压活动的判断[1-3]。矿山微震监测分析技术主要借鉴天然地震活动研究成果，P波到时拾取技术主要有能量比法、分形维数法、傅里叶变换、小波变换等，S波识别时拾取技术主要有偏振分析、离散小波变换、神经网络等[4-8]。虽然诸多学者在微震信号识别与到时拾取上取得了一定的研究成果，但由于矿山微震持续时间短、分布范围小，矿山工程岩体结构分布极不均匀，在实际工程应用中微震信号自动处理效果不佳，仍需要人工处理干预，人工处理经验总结对于提高数据处理效率至关重要。

1 矿山微震数据自动处理方法研究

1.1 长短时窗比法

长短时均值比法（STA/LTA）是通过计算短时窗和长时窗的比值来反映信号的幅度、频率等特征的变化。STA 和LTA 分别指的是信号在固定长度的短时窗和长时窗中的平均值，当微震信号到达时，短时窗（STA）内幅值的平均值变化比长时窗（LTA）内变化剧烈，此时STA/LTA 会有一个突变，当其比值大于设定的阈值时，则将此突变点判定为该信号的到时。

1.2 赤池信息量准则法

赤池信息准则方法即AIC 法，可与自回归模型相结合，沿这每个采样点将信号分为两段，全局最小值即对应震相到时。当微震信号到达时，波形图的振幅、方差、能量将发生明显变化，信号突变的前后是两个不同的趋于稳态的模型，然后计算两个模型的AIC 函数值，取最小时，模型最佳，但整个算法计算量过大。

1.3 偏态/峰态法

基于地震波形峰度和偏斜度的拾取初至方法，称之为PAI-S/K 方法。用地震波形峰度和偏斜度检测地震波到时的基本原理是判断峰度曲线和偏斜度曲线的极值点，以极值点前曲线斜率最大的位置作为地震波到时的位置，该方法具有计算稳定强健、实现简单等优点。

1.4 基于矿山监测数据到时拾取方法研究

笔者基于某矿山实测微震监测数据，对比分析上述方法到时拾取效果。

采用长短时窗比法，STA/LTA 值较大时，对噪声极为敏感，需选取较大阈值，STA/LTA 值较小，噪声和有效信号的STA/LTA 值差距不够明显，选取阈值过大时无法拾取到时，选取适中阈值时能够拾取到时，但结果精确度较差。

基于AIC 的到时拾取算法需设置的参数较少，计算结果也较STA/LTA 更为准确，但AIC 方法计算量较大，且需要选取一定的范围做局部到时拾取，全局做AIC算法会导致到时拾取错误。

PAI-S/K 方法同AIC 方法类似，因而拾取结果也受搜索时窗范围的影响，但方法也只有一个控制参数，即计算峰度和偏斜度的滑动时窗长度，因此也是一个需要进行局部计算的方法，全局搜索时亦会导致到时拾取错误。

根据上述分析结果，笔者尝试利用S用STA/LTA来求得大致的到时点，并以此到时点为中心点，分别向前、向后扩充一定的长度作为AIC 算法拾取到时点的时窗，以此时窗长度作为AIC 算法拾取到时的时窗有效提高到时拾取精度，减少了影响微震定位精度的误差。

2 矿山微震数据人工方法研究

由于矿山微震持续时间短、分布范围小，矿山工程岩体结构分布极不均匀，产生的微震信号多种多样，其中大多都是噪声信号，微震数据采用上述方法自动处理之后，仍存在相当数量的错误识别与错误到时，因此现阶段该过程仍然需要人工干预。

2.1 微震事件识别

矿山各种噪声信号波形不同，需将波形进行分类拾取，其主要目的是将微震事件和爆破事件识别区分开，提取真正岩体破坏的地震波的微震信息，将干扰噪音等波形事件剔除。图1 为集中典型的波形信号，凿岩、机械噪音波形比较容易识别，多段连续爆破在时间上有明显连续性，一个窗口可监测到多个波形。单段爆破与微震往往容易混淆，需要利用拐角频率、振幅等参数进行更为细致的区分。

图1 典型矿山震动波形

2.2 微震到时拾取

微震到时人工拾取过程中需遵循以下原则：（1）取消没有作用的传感器探测轴所记录图形；（2）P 波和S波的选取必须视觉敏感，处理质量相同；（3）处理每个地震波；（4）微震事件触发的传感器越多越好；（5）微震事件位置必须合理；（6）尽可能合理减少残余误差。

如图2所示，以矿山某一个微震事件到时拾取为例，P 波到时位置一般振幅变化明显，人工拾取P 波到时相对准确；S 波到时是在第1 次振幅变大之后，第2 次振幅突增的时刻，其频率也有所变化，在视觉上S 波到时微震前后波形横向疏密程度不同。在按照传感器触发时间排序情况下，若有个别传感器采集的数据到时与整体趋势差别大，可将该通道屏蔽，以使其不参与定位计算。在得到震源定位结果后，还需考虑定位结果误差是否在允许范围内，若误差较大，则需要重新调各通道到时，直至定位误差符合要求。

图2 微震事件到时拾取示例

通过人工干预可以有效提高自动处理后的到时拾取精度，保证微震事件的发震时刻、震源位置和能量等震源信息准确率，为矿山地压活动的预测预警奠定基础。

3 结论

（1）基于某矿山微震监测数据，对比分析长短时窗比法、AIC 法、偏态/峰态法的到时拾取效果，最终利用STA/LTA 法确定到时大致范围，再用AIC 法进行信号的精确提取，可有效提高到时拾取精度；

（2）现阶段微震数据处理仍需要人工干预，利用拐角频率、振幅等参数可有效识别微震事件，振幅与频率的变化是判断P波、S波到时的重要依据。