冲击地压和岩爆等地质动力灾害一直是威胁深部矿井安全生产的一个重要因素,而微震监测是研究岩土工程各类动力灾害的理想工具。震源定位又是微震监测的一项基本的和独有的优势。但是绝大部分震源定位只应用P波,其有效监测范围较小,监测台网外部定位误差较大,定位结果稳定性差。为了提高震源定位结果的精准度,扩大监测台网的有效监测范围,增强监测结果的可靠性,进一步强化微震监测在各类地质动力灾害监测预警中的作用,提高其对各类动力灾害监测预警的能力,本文将同时应用P波和S波,即应用双波,进行震源定位作为研究的中心。采用理论推导与分析、程序开发、计算机数值模拟等研究方法对同时应用P波和S波进行震源定位的机理、在二维平面,增加S之后的定位效果;在三维空间,包含S波之后的定位效果以及波速误差和到时误差对定位结果的影响进行了深入系统的研究。同时比较分析了在不同几何分布监测台网、不同几何尺寸监测台网、不同数量传感器构成的监测台网情况下,应用双波与只利用P波定位的定位精度,并对某矿现场微震监测台网的定位精度进行了研究。得出以下主要结论:(1)回顾了常规的震源定位原理,即到达时间差法在只利用P波的情况的定位原理,同时对提出的同时应用P波和S波进行震源定位的机理进行了研究,经过理论公式推导分析,阐明了应用双波进行震源定位的原理,揭示了增加S波之后定位效果改善的本质原因,具体如下:①最常用的的震源定位方法为到达时间差法,但是常规震源定位法仅应用P波,其定位原理,在二维平面,就是双曲线场,定位精度,主要取决于双曲线交点的密度,在监测台网内,震源定位精度高,在监测台网外,震源定位误差较高,并且随着离监测台网中心的距离不断地增加,定位误差迅速增大。在三维空间,就是双曲面,其定位效果与二维平面类似,定位精度主要决双曲面相交的情况,或者交线的密度,在监测台网中心,定位精度最好,误差最小,随着震源位置的不断外移,定位精度不断下降,但是在监测台网内,定位精度整体较好,在监测台网外,定位精度迅速下降,定位误差迅速增加。②应用双波进行震源定位,其定位机理发生了变化。增加对S波的应用,在监测台网径向增加了对精度的控制。在二维的情况下,在每个传感器周围增加了一个圆;在三维情况下,每个传感器周围增加了一个球面。因此,震源定位精度不仅取决于双曲线或者双曲面的交点或者交线的密度,同时还取决于双曲线与圆或者双曲面与球面的交点的密度。包含S波之后,监测台网不仅可以对发生在监测台网内的声发射/微震事件进行较为精确的定位,而且对发生在监测台网附近及台网外一定范围内的的声发射/微震事件的定位结果也是较为准确的。当然,对于发生在更远位置的声发射/微震事件,其定位误差随着距离的增大而增大。(2)开发了计算机数值模拟程序,并应用此程序研究对比了不同几何分布监测台网、不同几何尺寸监测台网和不同数量传感器构成的监测台网,应用双波时的定位误差。同时获得不同监测台网的定位结果、台网几何尺寸和构成台网的传感器数量对定位结果的影响规律。具体如下:①基于Matlab软件,采用计算机仿真模拟的模拟方法,选择基于最小二乘法(L2范数统计法)的单纯形(Simplex)震源定位算法,开发出了可以用于研究各类不同监测台网定位误差的程序,为后续研究工作的开展奠定了基础。②对于不同分布的监测台网,不管是环形分布还是有中心的环形分布,只应用P波时,在台网内,定位精度高,但是在台网之外,定位精度迅速下降,定位误差迅速增加。但是增加S波之后,不仅台网内精度高,就是在台网之外一定区域内,定位精度仍然较高,并且定位误差的是缓慢增加。因此,增加S波之后,对于监测台网外部附件的区域,定位精度提高了,整个监测台网的有效监测范围增加了,定位结果的稳定性也是大幅增加了。③对于不同几何尺寸的监测台网,只利用P波时,同样是,对于发生在传感器几何分布之内的声发射/微震事件,定位精度高,效果好,但是当声发射/微震事件发生在传感器几何分布之外时,定位误差急速增大,定位效果急速变差。而包含S之后,不仅可以对发生在传感器几何分布内部的声发射/微震事件进行准确的定位,对发生在几何分布外部一定范围的声发射/微震事件,同样可以进行较为精确的定位,并且定位结果的稳定性较只应用P波有大幅改进。研究结果同时表面,随着传感器几何分布尺寸的不断扩大,仅利用P波时,起初有效监测范围是不断增大的,但是当台网几何尺寸达到一定值时,有效监测区域不再增大,而是保持一定的面积。但是利用双波进行定位时,有效监测面积不会随着台网几何尺寸的增大而增大,而是保持一个恒定值。④对于由不同数量传感器构成的监测台网,仅使用P波数据时,有效监测范围,即高精度监测范围随着传感器数量的增加而增大,但是当对S波数据也加以利用时,有效监测区域保持不变,不会随着监测台网构造内传感器数量的增加而变化。而就某一台网构造而言,在监测台网构造内,不管增加S波与否,都是定位误差低,定位结果的准确性好,而在台网构造之外,不使用S波,定位误差快速增大,定位结果准确性快速下降至不可接受的水平;使用S波,定位误差是匀速缓慢增加的。因此,即使在台网构造之外,台网边界往外较大区域内,仍然具有较高的定位精度,定位结果的准确性还是较好的。增加S波,定位结果的稳定性得到了大幅提高。(3)为了研究在三维空间,同时应用P波和S波进行震源定位的效果,分析了三种典型的三维分布监测台网的定位效果,并与只应用P波进行震源定位的效果进行了对比分析。同时对某矿现场的微震监测方案进行了深入的研究。具体如下:①对三维分布监测台网的数值模拟研究结果表明,双波定位,即同时应波P波和S波进行震源定位,可以大幅提高垂直方向上的定位精度,扩大垂直方向上高精度定位区,提高垂直方向上定位结果的稳定,进而改善垂直方向上的定位效果,水平方向上的定位精度与二维情况基本相似。这一点对于需要进行深孔作业安装传感器用于定位及地震定位是非常重要的。②对现场试验方案的研究,表明只应用P波进行震源定位,只有监测台网以内区域有高的定位精度,对于台网之外的区域,定位精度迅速降低至不可接受的水平,在监测台网的两端之外,有较大的不可定位区域,即定位盲区。而增加S波之后,定位盲区消失了,在传感器的几何分布之外一定区域之内,定位精度仍然较高,虽然定位误差也在增大,但是为均匀的缓慢的增加,因此定位结果的稳定性较不使用S波要好很多。(4)波速误差和到时误差是影响震源定位精度的两个关键因素,本文以上面提到的第三种数值模拟方案和现场试验方案为例,系统研究波速误差和到时误差对震源定位误差的影响。分别研究了同时应用P波和S波与只应用P波时,波速误差和到时误差对定位精度的影响。结果表明:①波速误差是震源定位误差最主要的来源。研究结果表明,定位误差随着波速误差的减小而降低,随着波速误差的增大而提高。但负的波速误差,即计算使用波速小于实际波速,引起的定位误差要大于等值的正的波速误差引起的定位误差。相同的波速误差,应用双波,即同时应用P波和S波时,其定位结果较只应用P波的定位结果要准确的多,不管是监测台网内还是台网外,不管是水平方向还是垂直方向。即应用双波的监测台网对波速误差的处理能力要远强于仅利用P波的台网。②到时误差是影响震源定位精度的又一关键因素。研究结果表明,定位误差与到时误差呈正相关性,即定位误差随到时误差的增大而增大。在水平方向上,二者基本呈线性关系,但是在垂直方向上,定位误差的变化有时大有小。当增加S波之后,整个监测台网对到时误差的处理能了大幅增强,在水平方向,主要体现在台网几何分布之外,垂直方向上是整体的改善。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD326
【部分图文】：
只应用一个（或多个）接收器接收材料内部自身产生的声波信号。（a）声波技术 （b）声发射/微震技术图1.1 岩土领域两种最常用的声发射技术Fig. 1.1 Two acoustic techniques utilized to evaluate the behavior of geologic structures.声波技术，最早由Obert和Duvall[31]于1942年在有岩爆倾向矿井的岩石力学研究中使用。当时他们将一对传感器，其中一个是发射器，另一个是接收器，安装在一个受压力的岩柱上，尝试根据测量声波速度的变化来获得岩柱内应力的变化。在随后的试验中，他们移除了发射器，但接收器仍然侦测到了信号，声发射/微震监测（AE/MS）技术由此产生[32]。由于代表这项技术的名称的不同，即使在岩土领域，尤其是在欧洲，经常使用地震音技术来代指这项技术，因此，在阅读文献得时候，读者需要格外注意到底使用的哪一种声发射技术。（2） 声发射/微震（AE/MS）震源截止目前
与观测传感器之间的距离。现场大规模的监测甚至观测到过频率1Hz以下的信号，而实验室对于声发射/微震信号的研究经常观测到500Hz以上的信号。图1.2展示了声发射/微震监测技术与其他相关研究进行研究的频率范围。图1.3为来自一个煤矿的典型的声发射/微震事件。需要指出的是，大部分声发射/微震信号是同时包含P波和S波成份的。在一些情况下，二者是难以区分开来的。由于表面波的存在，当监测传感器被安装到自由面或者近似自由面的时候，会有第三种成份的存在。图1.2 声发射/微震技术及其他相关研究的频率范围Fig. 1.2 Frequency range over which AE/MS and other associated studied have conducted.图1.3 一个来自煤矿的典型声发射/微震事件Fig. 1.3 A typical AE/MS event recorded in a coal mine.衰减，在地质材料内，与波的频率有非常大的关系，衰减对声发射/微震震源波普的的修改有重要作用。因此，在距震源一定的距离处，对一个声发射/微震事
如果一个事件的波谱内没有特别低频的成份，那就存在一个关键距离，或者范围，一旦超过这个距离，这个事件就不可能被侦测到。换句话说，声发射/微震事件可以被侦测到的范围与其频率有一个关系，如图1.4所示。图1.4 声发射/微震信号频率与范围的之间的关系Fig. 1.4 Typical range vs frequency data for AE/MS signals.通常情况下，声发射/微震事件范围与频率的关系曲线与地质材料的特性与用到的监测系统有很大关系，实际的关系曲线要比上图显示的更为复杂。这样的范围与频率的关系曲线对于监测台网的优化设计是非常重要的。比如，如果一个声发射/微震震源的波谱很宽，包含波的成份的频率从10Hz到100kHz，从图1.4可以看出，这个系统最大的侦测范围大概是3000m。如果要限制一个监测系统的监测范围，图1.4也是非常重要的。假如
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本文编号：
2855432
