关键词:
微震监测
到时拾取
初至走时计算
微震定位
震源搜索
摘要:
随着煤矿开采向深部进发,煤矿安全面临着巨大威胁,冲击地压、岩爆、矿震等灾害日益严重。微震监测技术能够实时监测震源位置、震级和震源机制等,已广泛应用于煤矿的安全监测。微震数据处理与微震震源定位是微震监测的关键技术,本文结合深度学习、智能优化算法和时频分析等技术,开展了煤矿微震数据智能化处理和微震定位技术研究,主要围绕微震信号识别与到时拾取、初至走时计算、微震精确定位方法以及微震震源快速搜索方法四个方面展开研究。本文的研究内容如下:
1.将微震信号识别与到时拾取任务转化为深度学习语义分割任务,构建基于Conv-LSTM-Unet的微震信号识别与到时拾取模型。以Unet网络为基础,将卷积操作与长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)网络结合;通过卷积与LSTM操作,端到端的获取微震信号的时空特征,以Unet模型为基础,构建语义分割模型。设计了适用于到时拾取的评价指标—长度交并比(IOU),并采用多个数据集进行训练和验证,探究了不同输入数据形式、不同模型以及不同拾取任务下的性能。实验结果表明,三分量时序信号包含的微震信息更加丰富,ConvLSTM-Unet模型拥有最佳的拾取性能,且发现对P波和S波进行单独拾取的效果要优于同时拾取。
2.构建了基于物理信息神经网络的初至走时求解模型。本文将Eikonal方程的物理信息带入到神经网络的学习当中,提出了自适应Fourier-Res PINN模型。该模型基于物理信息神经网络(PINN)模型,使用自适应权重技术改进PINN的损失函数,并使用残差网络替换PINN的基础网络,改善网络退化问题;将傅里叶映射做特征映射,减少频谱偏差问题。数值实验结果显示,自适应FourierRes PINN模型与PINN、FSM和FMM相比,更加准确快速。
3.优化了基于波形的微震定位方法,提出了基于改进特征函数的多主事件波形叠加微地震精确定位方法。基于波形叠加定位方法,将双对双差法拓展到波形叠加方法当中,结合数值与合成数据实验,论证了双对双差法可以通过在近源区与近台站区的相似路径减少速度误差的影响。同时,提出了基于时频和梯度的特征函数,以减少低信噪比环境的影响。最后,提出使用多个主事件来改善相对定位中主事件选择不当造成的定位偏差。数值、合成数据以及现场实验验证了本文方法的定位效果最优。
4.提出了自适应反向学习策略的开普勒算法(称之为IKOA),用于微震定位中的快速震源搜索。本文将智能优化算法用于微震定位中的震源搜索问题,通过引入混沌初始化与自适应反向学习策略改进开普勒优化算法,并在23个基准函数上验证了IKOA的优势,其收敛速度快、搜索能力强且不易陷入局部最优。最后,通过微震定位实验论证了:在基于走时定位方法和基于波形定位方法中,综合定位精度与定位速度来看,IKOA算法优于网格搜索算法与传统的智能优化算法。
5.在现场工程应用验证了本文提出算法在实际煤矿微震数据处理和定位中的可行性。在山东某煤矿分别开展了微震到时拾取、走时计算、精确定位和快速定位实验。应用结果显示:实际矿震数据下的平均拾取误差为4ms,而实际微震数据下的拾取误差为6ms;Fourier-Res PINN的平均走时误差为2.87ms,优于FSM的平均走时误差5.7ms;实际矿震数据下多主事件的定位误差可以达到20m左右的误差,总体误差在30m以下;从定位速度来看,IKOA在定位速度上远优于网格搜索算法,单个事件的定位速度是网格搜索算法的22.46倍,当微震事件数量增加为100个,IKOA算法的定位速度是网格搜索算法的26.09倍。
图[116]表[25]参[188]