一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法

本发明涉及微震监测领域，尤其涉及一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法。

背景技术：

1、在人类工程活动扰动下，如岩体开挖与爆破施工，会导致工程岩体发生破裂，同时会以弹性波的形式向外界释放弹性波；而微震监测技术，通过采集到这些应力波信息，进行破裂源定位，最终进行工程岩体的稳定性分析与预警，且该技术已经广泛应用于水利与矿山等多个领域。

2、微震定于技术利用布置在工程监测区的微震传感器采集工程岩体破裂产生的应力波，并结合现场工程地质情况，如岩体波速测量结果，反演工程岩体破裂微震事件的空间坐标位置；目前，微震定位技术的方法包括线性求解定位算法，如盖格算法、相对定位法、优化函数联合反演法等，以及采用非线性求解思路的微震定位算法，如牛顿法、单纯形法等，这些方法将工程岩体简化为波速相同的岩体，并通过迭代过程，通过寻优定位实现对岩体为震破裂源位置的精准定位。但是，现有微震定位方法在应用于相对较小的研究区或岩性均一的区域时，能够在相对较短的时间内实现对破裂源位置识别，然而，在将这些方法应用于岩体波速较为复杂的工程地质环境时，工程岩体波速难以准确测量，因此将围岩视为均一波速的岩体会导致分析结果误差过大，此外，随着工程活动的进行，人类工程活动会在围岩环境中形成较大的空洞区域；若采用均一的等效波速模型，会极大地干扰微震定位结果，此外，定位工作中采用的岩体波速信息通常基于有限测点的分析结果，采用简单的岩体波速模型同样会面临定位结果误差较大的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，解决了现有技术存在的不足。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，所述微震定位方法包括：

3、根据监测任务圈定监测区，在监测区内布置微震传感器，并将监测区内任意三维网格节点的坐标表示为(x,y,z)，将三维网格节点(x,y,z)赋予岩体波速场v0(x,y,z)；

4、以各个传感器为起点，计算到达各个三维网格节点的初至到时，得到第i个微震传感器到到达三维网格节点(x,y,z) 的岩体破裂弹性波的初至到时为，则当监测区发送微震事件时，第i个微震传感器现场采集到的岩体破裂应力波的初至到时为；

5、建立理论到时与实际到时残差函数，选取计算得到的残差函数的所有结果中值最小所对应的前n个节点，进而计算得到破裂源点的坐标。

6、所述以各个传感器为起点，计算到达各个三维网格节点的初至到时具体包括以下内容：

7、a1、针对三维波速场的程函方程，表示到达三维网格节点(x,y,z)的初至到时，则起点(x0,y0,z0)，其初至到时为；

8、a2、将非均匀波速场中三维网格节点(x,y,z)的初至到时等效变形为，表示为采用等效均一波速场模型计算获得的三维网格节点(x,y,z)的初至到时，表示为位于三维网格节点(x,y,z)处的初至走时优化修正系数；

9、a3、对于先期已知的岩体波速场v0(x,y,z)，根据后验信息或优化信息将优化后的岩体波速场表示为，v0(x,y,z)表示为三维网格节点(x,y,z)的先期已知的岩体波速场，表示为位于三维网格节点(x,y,z)处的波速场优化修正系数；

10、a4、根据公式和，对程函方程进行转换，构建得到被用于融合物理信息和机器学习算法的方程为；

11、a5、构建机器学习网络模型的输入特征、构建网络模型中间层和输出层，并基于损失函数计算结果；

12、重复a1-a5步骤，当重复过程达到最大重复次数或最后的误差函数结果小于阈值时，停止重复，将获得的代入到公式中，获得到达各个三维网格节点的初至到时，将获得的代入公式，获得各个三维网格节点优化后的波速值。

13、所述a5步骤具体包括以下内容：

14、构建机器学习网络模型的输入特征：机器学习网络模型的输入给各个三维网格节点走时与波速调整系数，在初始输入时，令；

15、构建网络模型中间层：网络模型共p层，每层神经元q个，第j层的第i个神经元所对应的权重线性项与常数项权重分别表示为wpq与bpq；

16、构建模型输出层：输出结果表示为，网络模型的损失函数表示为；

17、基于损失函数计算结果，按照最速梯度下降方法，计算损失函数对wpq, bpq、和偏导数，并采用0.0001的学习率，更新这四类变量，完成一次参数更新。

18、所述残差函数为：

19、，其中， 分别表示为、第j个微震传感器所采集到的岩体破裂产生应力波的初至到时，表示第j个微震传感器到三维网格节点(x,y,z)的岩体破裂弹性波的初至到时，nk为监测区所有微震传感器数量。

20、所述根据监测任务圈定监测区，在监测区内布置微震传感器，并将监测区内任意三维网格节点的坐标表示为(x,y,z)，将三维网格节点(x,y,z)赋予岩体波速场v0(x,y,z)具体包括以下内容：

21、选取规则的长方体作为监测区域，其长、宽、高分别确定为l米，w米，h米，并沿着三个方向建立直角坐标系，并设置网格大小为d米，将长方体的监测区离散为ntol=(l/d)×(w/d)×(h/d)个三维网格节点，并分别将沿长、宽、高三个方向分别定义为x方向，y方向，z方向，则任意三维网格节点坐标可表示为(x,y,z)；

22、在监测区内布置微震传感器，记录下各个传感器的三维空间坐标，对于第i个传感器，其空间坐标记录为(sxi,syi,szi)；

23、根据先期的工程地质勘察资料，将监测区的三维网格节点(x,y,z)赋予岩体波速v0(x,y,z)。

24、本发明具有以下优点：一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，可以根据已有的资料和信息更新监测区的波速场特征，并计算每个节点到达不同传感器的理论初至到时；通过计算理论初至到时与实际采集到的微震波到时的残差值，并搜索满足最小残差的节点，实现对含空洞、复杂岩体波速区域中岩体破裂位置的定位。这种方法能够更好地利用微震监测技术来圈定围岩损伤区域，并提供精准实时预警，从而提供帮助。

技术特征：

1.一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，其特征在于：所述微震定位方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，其特征在于：所述以各个传感器为起点，计算到达各个三维网格节点的初至到时具体包括以下内容：

3.根据权利要求2所述的一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，其特征在于：所述a5步骤具体包括以下内容：

4.根据权利要求1所述的一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，其特征在于：所述残差函数为：

5.根据权利要求2所述的一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，其特征在于：所述根据监测任务圈定监测区，在监测区内布置微震传感器，并将监测区内任意三维网格节点的坐标表示为(x,y,z)，将三维网格节点(x,y,z)赋予岩体波速场v0(x,y,z)具体包括以下内容：

技术总结
本发明涉及一种在复杂岩体中自适应波速场优化的微震定位方法，属于微震监测领域，包括：根据监测任务圈定监测区，在监测区内布置微震传感器，并将监测区内任意三维网格节点的坐标表示为(x,y,z)，将三维网格节点(x,y,z)赋予岩体波速场V<subgt;0</subgt;(x,y,z)；以各个传感器为起点，计算到达各个三维网格节点的初至到时；建立理论到时与实际到时残差函数，选取计算得到的残差函数的所有结果中值最小所对应的前n个节点，进而计算得到破裂源点的坐标。本发明通过计算理论初至到时与实际采集到的微震波到时的残差值，并搜索满足最小残差的节点，实现对含空洞、复杂岩体波速区域中岩体破裂位置的定位。

技术研发人员：戴峰,蒋若辰,刘燚,魏明东,李昂
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23