岩体破裂震源定位问题探讨与展望

震源定位是微地震/声发射数据处理的关键环节,其准确性与时效性是实现岩体破裂机制分析和岩体动力灾害监测预警的重要基础。基于大量岩土工程微地震/声发射监测震源定位案例与相关文献,归纳总结了国内外微地震/声发射监测相关的理论与应用现状。从震源定位原理出发,探讨震源定位精度的影响因素及相关问题的主要研究方向。通过分析得出震源定位问题属于受多因素干扰的复杂非线性反演过程,其定位精度受以下因素影响:(1)应力波噪声去除与到时拾取效果;(2)速度模型的准确性;(3)基于速度模型的走时算法精度;(4)震源定位方法反演性能;(5)监测设备性能与布设方案设计。基于微地震/声发射监测技术的海量数据处理需求,展望了深度学习等智能方法在提高震源定位精度方面的未来应用及发展方向。     

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

 为解决传统方法因测量速度误差给定位精度造成的影响,研究3种无需预先测量速度的震源定位的数学形式,按其因变量为到时、到时差、到时差商依次称为TT,TD和TDQ法。通过分析发现,TD法在数学意义上优于TT和TDQ法。对目前广泛使用的需要预先测量速度的微震震源定位传统方法进行总结分析,将其归纳为2种数学形式,按其因变量为到时、到时差依次称为STT和STD法。通过算例分析,对TT,TD及STT以及STD法在速度浮动误差为0,1%,2%,3%,4%,5%的6个水平进行误差分析比较。研究发现,对于在传感器阵列内的震源,TD法的定位精度最高。TT和TD法无需预先给定速度,不受速度的影响,绝对距离误差区间分别为0～1.013 4和0.01～0.014 m。由此可见,TD法较稳定;STT和STD法在给定速度真值时,绝对距离误差为0～0.981 m;但当传统方法在给速度一个较小的误差1%～5%下,会导致较大的定位误差,较大的达到24.27 m。最后,对新方法在建有微震监测系统的冬瓜山铜矿进行验证,通过爆破模拟微震源,微震监测系统接受爆破信号,通过不同区域的3次爆破试验研究发现,TD法的定位精度最高,它在不需要预先测量速度的情况下,无论3个坐标各自的均值还是绝对距离误差均小于STT,STD和TT法。可见,TD法具有较高的定位精度,算法稳定,定位中只需传感器坐标及时间差即可,是合理可靠的,消除传统定位方法中速度误差给定位带来的影响。     

未知波速系统中声发射与微震震源三维解析综合定位方法及工程应用

 目前常用的声发射与微震震源定位方法存在的问题有：定位精度严重依赖于迭代算法、迭代初值和预先测定的波速值;已有的解析定位方法因含有平方根亦存在解不唯一的问题。为解决以上两大方面的定位难题,建立了未知波速系统的三维微震或声发射震源定位的控制方程,求得该系统下的解析解,该解析解在传感器数量N = 6时,可以确定唯一的微震或声发射震源坐标,求解方程亦为线性方程,解唯一,与已有的三维定位的解析解相比,其优势在于坐标值计算没有平方根运算,没有虚根,解唯一。当传感器数量大于6时,提出了基于解析解与Log-logistic概率密度函数的综合定位方法。对建立的三维解析综合定位方法用冬瓜山矿爆破试验进行验证,结果表明,定位精度较高。通过与已有方法比较分析发现,三维解析综合定位方法比传统方法的定位结果精度高,综合定位方法的优势在于不需要迭代求解,计算公式简单,物理意义明确,不受波速和迭代算法的影响,较传统方法TT(无需测速到时法)和TD(无需测速到时差法)更具有工程实际应用价值。     

利用单站GPS测速信息进行地震监测

近年来,GPS测速已经成为研究GPS地震学的一种重要方法。本文介绍了GPS测速的原理,并尝试将GPS测速应用于地震监测中。利用单站高频GPS数据,对2011年日本大地震和2012年新疆地震期间的GPS测速结果和同震位移进行了分析。结果表明,单站GPS测速无需其他参考站信息和精密轨道钟差,其测速精度达到几个mm/s,同时能反演地震期间观测站的速度变化信息和震中与监测站的位置关系,可为地震监测提供一种有效可行的方式。     

基于斯奈尔定律及布谷鸟算法的层状岩体微震定位研究

微震事件的精确定位对岩爆监测预警至关重要,虽然传统分段波速模型的定位误差比单一波速模型有大幅降低,但是定位误差依然很大(本算例为28.51 m)。因此,提出一种基于斯奈尔定律及布谷鸟算法的微震定位方法来提高层状岩体中的定位精度。研究结果表明,布谷鸟算法采用莱维飞行的搜索策略可以实现长步长与短步长相结合进行空间最优解的搜索,在震源反演过程中通过模拟布谷鸟的专性繁殖寄生行为表现出很好的鲁棒性,能实现微震事件的可靠定位。同时结合斯奈尔定律可以有效克服两点间弹性波传播路径被简化成直线所引起的误差,定位误差比传统分段波速模型有显著降低(本算例可降低至0.12 m)。     

用微进化算法反演岩石蠕变模型非定常参数

岩石蠕变模型的参数较多,为得到参数的全局最优解,应用微进化算法(Microevolution Algorithm,MA)对岩石蠕变模型非定常参数进行了反演分析。算法以实测蠕变值与理论计算值之间的最小二乘误差为优化准则函数,直接反演计算蠕变模型参数。计算结果表明,微进化算法可最大限度地利用所有试验数据,避免传统优化算法初始参数选取的困难,且算法简单有效,计算精度高于混沌粒子群优化算法。该方法也可推广应用于其它蠕变模型的参数反演,具有较高的工程应用价值。     

基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法

 针对微震经典定位法速度模型给不准和联合定位法震源位置、发震时间和微震传播速度相互关联,解不唯一的问题,提出一种微震源定位分层处理方法,先对微震信号进行消噪、分波、到时修正和劣质信号剔除等一系列处理,初步获取正确的有效信号;然后以相邻两传感器监测到时之差与计算到时之差的残差平方和最小为目标,利用粒子群算法,识别微震源位置和速度模型;接着,根据识别到的微震源位置和速度模型,以传感器监测到时和计算到时的残差平方和最小为目标,直接求解微震源发震时间的解析解;最后,再次结合矿山实际开采现状反分析有效微震信号选取的正确性和微震源定位的准确性,必要时再次对微震信号进行处理和定位,较好地解决经典法速度模型给不准和联合法解不唯一的问题。与经典法相比提高了微震定位精度,与联合法相比提高收敛速度和解的稳定性;关联性分析表明某些震源坐标在使用分层法定位时和速度具有一定的关联性,并给出震源坐标和速度相互关联的必要条件和相互关联的几个特殊位置;算法性能分析表明为了进一步提高算法的收敛速度、定位精度和解的稳定性,传感器布置要尽量：(1) 使重点关注的区域位于传感器阵列之内,且距离传感器尽量近,(2) 避免可能发生微震的震源处于能使震源坐标和速度相互关联的位置上。现场爆破试验进一步验证微震源分层定位方法的可行性;最后讨论几种速度模型的选取,分析几种速度模型的优劣及工程应用的可能性。     

微震源定位的两步反演方法研究

 微震源定位是微震监测技术的核心。微震源定位问题中的已知参数几乎都存在误差,现有微震源定位算法通常通过最小化所有检波器的到时(差)值函数,但得到的定位结果往往会偏离震源实际位置。针对现有微震源定位算法的不足,提出一种由两步反演构成的微震源定位新方法;在新方法中,一次反演识别异常检波器,二次反演实现震源空间坐标的精确搜索。基于均匀速度假设,分别建立3参数、4参数和5参数的反演模型。应用多目标遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm–II,简称NSGA–II)实现一次反演,为实现震源的精确搜索和减少计算时间,二次反演建议采用单目标优化算法实现。将提出的方法用于某矿井工程震源定位实例中,计算结果表明：提出方法能够有效的识别异常检波器,定位结果也较未剔除异常检波器时有了大幅度提升,且相对而言,4参数反演模型的定位结果优于5参数模型。该文方法可作为微震源定位的一种参考。     

参数自适应差分演化算法在面波频散曲线反演中的应用

针对传统差分演化算法在反演瑞雷波频散曲线中存在交叉概率和缩放因子选取不当导致反演结果不准确等问题,在传统差分演化算法的基础上,把控制参数直接编码到个体中,即采用参数自适应差分演化算法对高频瑞雷波频散曲线进行反演来获得近地表的横波速度结构。合成和实际数据的反演实验结果表明:参数自适应差分演化算法继承了传统差分演化算法简单、高效的特点同时,还可在频散曲线的反演中自动地选取合适的参数值并正确地进行反演迭代,无需再通过试验获得交叉概率和缩放因子两个控制参数;频散曲线反演中目标函数的收敛性好,改进算法在迭代的过程中能够快速收敛到全局最优;模型参数的概率分布高,即在大的空间搜索范围内,参数自适应差分演化算法仍然能够准确地搜索到真值范围并找到全局极小值,保证了反演的结果可靠度,使其能有效地应用于瑞雷波频散曲线的反演和解释。     

一种弹簧系数和跳数分类的改进DV-Hop算法

针对传统DV-Hop(distance vector-Hop)算法求解节点间平均跳距存在误差及随着节点跳数增加误差累积的问题,提出了一种改进的DV-Hop节点定位算法。首先将节点间的实际距离与估计距离抽象成弹簧模型;然后对节点间不同的跳数进行分类,计算不同跳数对应的弹簧系数,提高节点定位精度,并减小因跳数增加而产生的累积误差;最后用加权双曲线法确定未知节点的位置。仿真结果表明,与传统DV-Hop算法及其他文献中的算法相比,本文所提的改进算法可以有效提高节点的定位精度。     

隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演与优化方法研究

超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,将地面三维电阻率E-SCAN观测模式引入到隧道超前预报中,其中供电与采集电极都布置在隧道掌子面,可有效降低旁侧干扰因素的影响,提出了基于三维电阻率E-SCAN的隧道超前探测新型观测模式。建立了隧道三维电阻率E-SCAN超前探测地电模型,获得了敏感度矩阵分布特征:矩阵元素数值较小且相差悬殊;元素绝对值随深度衰减迅速;靠近供电与采集电极位置元素绝对值较高。为改善反演的深度定位问题,对敏感度矩阵中元素施加不同大小的增益因子,对原有敏感度矩阵中高值元素进行抑制,对低值元素进行增益,形成了基于敏感度增益因子的隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演优化方法,在理论上可以提高异常体的深度定位精度。开展数值算例与物理模型试验研究,结果表明在隧道三维电阻率E-SCAN超前探测中,相较于常规光滑约束反演,反演优化方法在异常体的深度定位精度方面具有明显优势。     

相对定位方法在非完整岩体声发射定位中的应用

声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段，对研究岩石失稳的机制和前兆具有重要意义，而其定位技术是诸多研究的基础。应用对速度结构依赖较少的相对定位方法，对非完整、非同性介质岩石试验中的声发射事件进行了定位研究。定位结果表明，相对定位方法可用于复杂样品声发射事件的定位，其可靠性及精度比以往有所提高，在震相到时自动识别的基础上，可用于大批量声发射事件的连续定位。     

地脉动台阵方法的有效性分析

通过在一工程场地进行的地脉动台阵观测和速度结构反演，从地脉动观测系统、面波频散曲线的提取和反演方法等关键环节探讨反演浅层速度结构的可能性。研究结果表明：（1）用空间自相关法提取瑞利波频散曲线，进而借助基于遗传算法的混合智能算法反演的场地浅部剪切波速度结构与钻孔法测试结果的平均相对误差在20％左右。（2）覆盖层平均波速的结果计算与频率一波数法的分析结果几乎完全相同，但频率一波数法对上部20m土层只得到一平均波速。（3）方法精度与目前国际同类研究——表面波谱分析方法的精度基本相当。在岩土工程和地震工程领域，波速结构测试最直接的目的是评价场地土层的动力性能。进一步从对地震地表反应影响的角度，用一维土层的等效线性化方法分析地脉动台阵方法的有效性。分析结果表明，使用地脉动反演波速结构模型的误差远小于仅用覆盖层平均等效波速的单层模型对地表反应谱影响。仅用一平均等效波速进行抗震设计是不够的，探测浅层速度结构是非常必要的，地脉动台阵方法有潜力作为探测场地浅部剪切波速度结构的一种有效手段。     

算子识别反问题模型优化与数据优化的联合反演技术

针对算子识别反问题,分析了解的不适定性与模型误差、数据误差的关系,建立了基于模型优化和数据优化的联合反演技术,提出了适合同时处理数字式数据与非数字式数据的量化单调消噪方法。建立了数值反演可靠性概念,包括正演算子可靠性、正演计算可靠性、测量设计可靠性、反演算法可靠性、反演计算可靠性、测量数据可靠性,并建立了相应的可靠性定量评估方法。通过一个岩土工程的算子识别反问题的工程应用与数值试验说明:其一,这一联合反演技术实质是一门系统性的优化技术,能够显著提高数值反演的可靠性和准确度;其二,应用可靠性定量评估方法,能够客观地、定量地获得反问题解估计的质量评定。     

精密工程测量中非线性模型平差方法探讨

经典平差处理非线性模型时,一般将非线性模型按Taylor级数逼近理论,将其线性化。但在精密工程测量数据处理过程中,需要克服由此产生的模型误差,以提高观测成果的精度。本文在分析线性模型与非线性模型数据处理方法的性质的基础上,结合精密工程测量中常用的边角控制网,对迭代数据处理方法进行了详细探讨。     

Finite element model updating on small-scale bridge model using the hybrid genetic algorithm

Finite element (FE) model-based dynamic analysis has been widely used to predict the dynamic characteristics of civil structures. FE model updating method based on the hybrid genetic algorithm, by combining genetic algorithm and the modified Nelder–Mead's simplex method, is presented to improve bridge structures' FE model. An objective function is formulated as a linear combination of fitness functions on natural frequencies, mode shapes and static deflections using measurements and analytical results to update both stiffness and mass simultaneously. A commercial FE analysis tool, which can utilise previously developed element library and solution algorithms, is adopted for applications on diversified and complex structures. The validity of the proposed method is verified by using a simply supported bridge model with three I-shaped girders. FE models such as grid, beam-shell and shell model are considered to modify initial FE models on the experimental structure. Experimental results suggest that the proposed method can be applied efficiently to various FE models and is feasible and effective when this method is applied to identify FE modelling errors.     

基于参考模型的三维电阻率约束反演方法研究

三维电阻率探测存在反演多解性问题,易造成地质解译困难甚至判断错误。针对该问题,提出将多种地球物理探测手段获得的已知信息构建为参考模型约束施加到电阻率反演方程中的解决思路。以地质钻探获得介质电阻率信息,以地质雷达法获得异常体界面信息,将得到的已知信息映射到三维电阻率反演得到参考模型,在电阻率反演中施加参考模型约束,形成了基于参考模型的三维电阻率约束反演方法,其中携带有已知先验信息的参考模型约束,具有定向引导电阻率反演方向的作用,理论上有助于压制反演多解性。开展相应的数值试验和工程应用,结果表明上述电阻率反演方法实现了对异常体形态、规模、电阻率值等的较好反映,是实现多元地球物理探测信息融合、压制多解性的一条可行途径。     

双向偏心受压矩形基础的设计

通过分析地基反力的图形,建立了对应不同偏心距的基底反力计算模型,推导了不同模型下基底反力和基础承载力的计算公式,并总结了新方法与传统方法相比具有的优势,从而为类似基础设计提供指导。     

多层水平或倾斜介质中的震源定位

为了充分利用矿区岩土体的三维速度结构,以正反演联用法为雏形,提出专门针对水平或倾斜分层介质的定位方法。推导水平分层介质中的波前曲面方程,并基于该方程,从任意观测系统角度,将发震时刻作为未知量引入非线性方程组求解,建立未知数个数等于非线性方程个数的适定非线性方程组,从而建立了波前正演法。不同于正反演联用法通过规则观测系统和曲线拟合确定发震时刻,波前正演法将发震时刻作为未知量,确定震源时空参数需要四个台站的非线性方程。为了简化波前正演法的非线性系统,采用变量代换法,减少了定位参数,从而减小了确定迭代初值的难度。通过将台站所在的原大地坐标系旋转至与介质分界面平行正交,使得新坐标系中的波前面推进方向与坐标轴z平行,从而将波前正演法推广应用于倾斜层状介质,有效解决了倾斜层状介质中的震源定位问题。对波前正演法的16个未知参数相对于3个速度结构参数的条件数进行计算,多种定位条件下的条件数计算结果表明,波前正演法的条件数均远小于10,波前正演法是良态的。