沖擊地壓和巖爆等地質(zhì)動力災害一直是威脅深部礦井安全生產(chǎn)的一個重要因素,而微震監(jiān)測是研究巖土工程各類動力災害的理想工具。震源定位又是微震監(jiān)測的一項基本的和獨有的優(yōu)勢。但是絕大部分震源定位只應用P波,其有效監(jiān)測范圍較小,監(jiān)測臺網(wǎng)外部定位誤差較大,定位結果穩(wěn)定性差。為了提高震源定位結果的精準度,擴大監(jiān)測臺網(wǎng)的有效監(jiān)測范圍,增強監(jiān)測結果的可靠性,進一步強化微震監(jiān)測在各類地質(zhì)動力災害監(jiān)測預警中的作用,提高其對各類動力災害監(jiān)測預警的能力,本文將同時應用P波和S波,即應用雙波,進行震源定位作為研究的中心。采用理論推導與分析、程序開發(fā)、計算機數(shù)值模擬等研究方法對同時應用P波和S波進行震源定位的機理、在二維平面,增加S之后的定位效果;在三維空間,包含S波之后的定位效果以及波速誤差和到時誤差對定位結果的影響進行了深入系統(tǒng)的研究。同時比較分析了在不同幾何分布監(jiān)測臺網(wǎng)、不同幾何尺寸監(jiān)測臺網(wǎng)、不同數(shù)量傳感器構成的監(jiān)測臺網(wǎng)情況下,應用雙波與只利用P波定位的定位精度,并對某礦現(xiàn)場微震監(jiān)測臺網(wǎng)的定位精度進行了研究。得出以下主要結論:(1)回顧了常規(guī)的震源定位原理,即到達時間差法在只利用P波的情況的定位原理,同時對提出的同時應用P波和S波進行震源定位的機理進行了研究,經(jīng)過理論公式推導分析,闡明了應用雙波進行震源定位的原理,揭示了增加S波之后定位效果改善的本質(zhì)原因,具體如下:①最常用的的震源定位方法為到達時間差法,但是常規(guī)震源定位法僅應用P波,其定位原理,在二維平面,就是雙曲線場,定位精度,主要取決于雙曲線交點的密度,在監(jiān)測臺網(wǎng)內(nèi),震源定位精度高,在監(jiān)測臺網(wǎng)外,震源定位誤差較高,并且隨著離監(jiān)測臺網(wǎng)中心的距離不斷地增加,定位誤差迅速增大。在三維空間,就是雙曲面,其定位效果與二維平面類似,定位精度主要決雙曲面相交的情況,或者交線的密度,在監(jiān)測臺網(wǎng)中心,定位精度最好,誤差最小,隨著震源位置的不斷外移,定位精度不斷下降,但是在監(jiān)測臺網(wǎng)內(nèi),定位精度整體較好,在監(jiān)測臺網(wǎng)外,定位精度迅速下降,定位誤差迅速增加。②應用雙波進行震源定位,其定位機理發(fā)生了變化。增加對S波的應用,在監(jiān)測臺網(wǎng)徑向增加了對精度的控制。在二維的情況下,在每個傳感器周圍增加了一個圓;在三維情況下,每個傳感器周圍增加了一個球面。因此,震源定位精度不僅取決于雙曲線或者雙曲面的交點或者交線的密度,同時還取決于雙曲線與圓或者雙曲面與球面的交點的密度。包含S波之后,監(jiān)測臺網(wǎng)不僅可以對發(fā)生在監(jiān)測臺網(wǎng)內(nèi)的聲發(fā)射/微震事件進行較為精確的定位,而且對發(fā)生在監(jiān)測臺網(wǎng)附近及臺網(wǎng)外一定范圍內(nèi)的的聲發(fā)射/微震事件的定位結果也是較為準確的。當然,對于發(fā)生在更遠位置的聲發(fā)射/微震事件,其定位誤差隨著距離的增大而增大。(2)開發(fā)了計算機數(shù)值模擬程序,并應用此程序研究對比了不同幾何分布監(jiān)測臺網(wǎng)、不同幾何尺寸監(jiān)測臺網(wǎng)和不同數(shù)量傳感器構成的監(jiān)測臺網(wǎng),應用雙波時的定位誤差。同時獲得不同監(jiān)測臺網(wǎng)的定位結果、臺網(wǎng)幾何尺寸和構成臺網(wǎng)的傳感器數(shù)量對定位結果的影響規(guī)律。具體如下:①基于Matlab軟件,采用計算機仿真模擬的模擬方法,選擇基于最小二乘法(L2范數(shù)統(tǒng)計法)的單純形(Simplex)震源定位算法,開發(fā)出了可以用于研究各類不同監(jiān)測臺網(wǎng)定位誤差的程序,為后續(xù)研究工作的開展奠定了基礎。②對于不同分布的監(jiān)測臺網(wǎng),不管是環(huán)形分布還是有中心的環(huán)形分布,只應用P波時,在臺網(wǎng)內(nèi),定位精度高,但是在臺網(wǎng)之外,定位精度迅速下降,定位誤差迅速增加。但是增加S波之后,不僅臺網(wǎng)內(nèi)精度高,就是在臺網(wǎng)之外一定區(qū)域內(nèi),定位精度仍然較高,并且定位誤差的是緩慢增加。因此,增加S波之后,對于監(jiān)測臺網(wǎng)外部附件的區(qū)域,定位精度提高了,整個監(jiān)測臺網(wǎng)的有效監(jiān)測范圍增加了,定位結果的穩(wěn)定性也是大幅增加了。③對于不同幾何尺寸的監(jiān)測臺網(wǎng),只利用P波時,同樣是,對于發(fā)生在傳感器幾何分布之內(nèi)的聲發(fā)射/微震事件,定位精度高,效果好,但是當聲發(fā)射/微震事件發(fā)生在傳感器幾何分布之外時,定位誤差急速增大,定位效果急速變差。而包含S之后,不僅可以對發(fā)生在傳感器幾何分布內(nèi)部的聲發(fā)射/微震事件進行準確的定位,對發(fā)生在幾何分布外部一定范圍的聲發(fā)射/微震事件,同樣可以進行較為精確的定位,并且定位結果的穩(wěn)定性較只應用P波有大幅改進。研究結果同時表面,隨著傳感器幾何分布尺寸的不斷擴大,僅利用P波時,起初有效監(jiān)測范圍是不斷增大的,但是當臺網(wǎng)幾何尺寸達到一定值時,有效監(jiān)測區(qū)域不再增大,而是保持一定的面積。但是利用雙波進行定位時,有效監(jiān)測面積不會隨著臺網(wǎng)幾何尺寸的增大而增大,而是保持一個恒定值。④對于由不同數(shù)量傳感器構成的監(jiān)測臺網(wǎng),僅使用P波數(shù)據(jù)時,有效監(jiān)測范圍,即高精度監(jiān)測范圍隨著傳感器數(shù)量的增加而增大,但是當對S波數(shù)據(jù)也加以利用時,有效監(jiān)測區(qū)域保持不變,不會隨著監(jiān)測臺網(wǎng)構造內(nèi)傳感器數(shù)量的增加而變化。而就某一臺網(wǎng)構造而言,在監(jiān)測臺網(wǎng)構造內(nèi),不管增加S波與否,都是定位誤差低,定位結果的準確性好,而在臺網(wǎng)構造之外,不使用S波,定位誤差快速增大,定位結果準確性快速下降至不可接受的水平;使用S波,定位誤差是勻速緩慢增加的。因此,即使在臺網(wǎng)構造之外,臺網(wǎng)邊界往外較大區(qū)域內(nèi),仍然具有較高的定位精度,定位結果的準確性還是較好的。增加S波,定位結果的穩(wěn)定性得到了大幅提高。(3)為了研究在三維空間,同時應用P波和S波進行震源定位的效果,分析了三種典型的三維分布監(jiān)測臺網(wǎng)的定位效果,并與只應用P波進行震源定位的效果進行了對比分析。同時對某礦現(xiàn)場的微震監(jiān)測方案進行了深入的研究。具體如下:①對三維分布監(jiān)測臺網(wǎng)的數(shù)值模擬研究結果表明,雙波定位,即同時應波P波和S波進行震源定位,可以大幅提高垂直方向上的定位精度,擴大垂直方向上高精度定位區(qū),提高垂直方向上定位結果的穩(wěn)定,進而改善垂直方向上的定位效果,水平方向上的定位精度與二維情況基本相似。這一點對于需要進行深孔作業(yè)安裝傳感器用于定位及地震定位是非常重要的。②對現(xiàn)場試驗方案的研究,表明只應用P波進行震源定位,只有監(jiān)測臺網(wǎng)以內(nèi)區(qū)域有高的定位精度,對于臺網(wǎng)之外的區(qū)域,定位精度迅速降低至不可接受的水平,在監(jiān)測臺網(wǎng)的兩端之外,有較大的不可定位區(qū)域,即定位盲區(qū)。而增加S波之后,定位盲區(qū)消失了,在傳感器的幾何分布之外一定區(qū)域之內(nèi),定位精度仍然較高,雖然定位誤差也在增大,但是為均勻的緩慢的增加,因此定位結果的穩(wěn)定性較不使用S波要好很多。(4)波速誤差和到時誤差是影響震源定位精度的兩個關鍵因素,本文以上面提到的第三種數(shù)值模擬方案和現(xiàn)場試驗方案為例,系統(tǒng)研究波速誤差和到時誤差對震源定位誤差的影響。分別研究了同時應用P波和S波與只應用P波時,波速誤差和到時誤差對定位精度的影響。結果表明:①波速誤差是震源定位誤差最主要的來源。研究結果表明,定位誤差隨著波速誤差的減小而降低,隨著波速誤差的增大而提高。但負的波速誤差,即計算使用波速小于實際波速,引起的定位誤差要大于等值的正的波速誤差引起的定位誤差。相同的波速誤差,應用雙波,即同時應用P波和S波時,其定位結果較只應用P波的定位結果要準確的多,不管是監(jiān)測臺網(wǎng)內(nèi)還是臺網(wǎng)外,不管是水平方向還是垂直方向。即應用雙波的監(jiān)測臺網(wǎng)對波速誤差的處理能力要遠強于僅利用P波的臺網(wǎng)。②到時誤差是影響震源定位精度的又一關鍵因素。研究結果表明,定位誤差與到時誤差呈正相關性,即定位誤差隨到時誤差的增大而增大。在水平方向上,二者基本呈線性關系,但是在垂直方向上,定位誤差的變化有時大有小。當增加S波之后,整個監(jiān)測臺網(wǎng)對到時誤差的處理能了大幅增強,在水平方向,主要體現(xiàn)在臺網(wǎng)幾何分布之外,垂直方向上是整體的改善。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD326
【部分圖文】：

只應用一個（或多個）接收器接收材料內(nèi)部自身產(chǎn)生的聲波信號。（a）聲波技術 （b）聲發(fā)射/微震技術圖1.1 巖土領域兩種最常用的聲發(fā)射技術Fig. 1.1 Two acoustic techniques utilized to evaluate the behavior of geologic structures.聲波技術，最早由Obert和Duvall[31]于1942年在有巖爆傾向礦井的巖石力學研究中使用。當時他們將一對傳感器，其中一個是發(fā)射器，另一個是接收器，安裝在一個受壓力的巖柱上，嘗試根據(jù)測量聲波速度的變化來獲得巖柱內(nèi)應力的變化。在隨后的試驗中，他們移除了發(fā)射器，但接收器仍然偵測到了信號，聲發(fā)射/微震監(jiān)測（AE/MS）技術由此產(chǎn)生[32]。由于代表這項技術的名稱的不同，即使在巖土領域，尤其是在歐洲，經(jīng)常使用地震音技術來代指這項技術，因此，在閱讀文獻得時候，讀者需要格外注意到底使用的哪一種聲發(fā)射技術。（2） 聲發(fā)射/微震（AE/MS）震源截止目前

與觀測傳感器之間的距離�，F(xiàn)場大規(guī)模的監(jiān)測甚至觀測到過頻率1Hz以下的信號，而實驗室對于聲發(fā)射/微震信號的研究經(jīng)常觀測到500Hz以上的信號。圖1.2展示了聲發(fā)射/微震監(jiān)測技術與其他相關研究進行研究的頻率范圍。圖1.3為來自一個煤礦的典型的聲發(fā)射/微震事件。需要指出的是，大部分聲發(fā)射/微震信號是同時包含P波和S波成份的。在一些情況下，二者是難以區(qū)分開來的。由于表面波的存在，當監(jiān)測傳感器被安裝到自由面或者近似自由面的時候，會有第三種成份的存在。圖1.2 聲發(fā)射/微震技術及其他相關研究的頻率范圍Fig. 1.2 Frequency range over which AE/MS and other associated studied have conducted.圖1.3 一個來自煤礦的典型聲發(fā)射/微震事件Fig. 1.3 A typical AE/MS event recorded in a coal mine.衰減，在地質(zhì)材料內(nèi)，與波的頻率有非常大的關系，衰減對聲發(fā)射/微震震源波普的的修改有重要作用。因此，在距震源一定的距離處，對一個聲發(fā)射/微震事

如果一個事件的波譜內(nèi)沒有特別低頻的成份，那就存在一個關鍵距離，或者范圍，一旦超過這個距離，這個事件就不可能被偵測到。換句話說，聲發(fā)射/微震事件可以被偵測到的范圍與其頻率有一個關系，如圖1.4所示。圖1.4 聲發(fā)射/微震信號頻率與范圍的之間的關系Fig. 1.4 Typical range vs frequency data for AE/MS signals.通常情況下，聲發(fā)射/微震事件范圍與頻率的關系曲線與地質(zhì)材料的特性與用到的監(jiān)測系統(tǒng)有很大關系，實際的關系曲線要比上圖顯示的更為復雜。這樣的范圍與頻率的關系曲線對于監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)化設計是非常重要的。比如，如果一個聲發(fā)射/微震震源的波譜很寬，包含波的成份的頻率從10Hz到100kHz，從圖1.4可以看出，這個系統(tǒng)最大的偵測范圍大概是3000m。如果要限制一個監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，圖1.4也是非常重要的。假如
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