基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法，属于煤矿开采矿震监测定位领域。通过地面、深孔和井下联合布置传感器，对矿井进行全包围检测，形成三维立体空间监测网络，设计一种基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位算法，极大提高矿震监测能力以及矿震在垂直地层方向定位精度。实时监测传感器接收到震动波信号，当判断有矿震发生时，截取触发的传感器接收到震动波信号，并将台站编号、到时信息导入群智螺旋矿震定位算法，进一步确定震源位置。本发明专利技术通过群智算法中个体间的相互作用螺旋式搜索进行定位，增大了搜索空间，避免了传统算法陷入局部最优点，提高了矿震定位精度以及定位结果稳定性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法


[0001]本专利技术属于煤矿开采矿震监测定位领域，尤其涉及一种基于传感器三维空间联合布置的矿震群智螺旋定位方法。

技术介绍

[0002]矿震为采矿诱发地震的简称，也被称为矿山地震，其发生的主要原因是采掘活动破坏了地下岩体结构的稳定性，导致能量释放，造成地面晃动或井下破坏，引发灾害。世界许多国家的矿山在不同时期都曾经历过矿震的危害，随着我国矿山开采深度增加和机械化程度的提高，大能量矿震事件时有发生。
[0003]矿震发生时，岩体断裂，能量释放，产生震动波，传感器能够对震动波实时监测，并通过不同定位算法进行矿震事件定位。随着地球物理学的发展，国内外学者在地震学研究基础上提出了许多适用于大尺度地震定位算法，能够计算出地震发生时间、空间和强度。矿震与地震相比属于小尺度，通常发生在井田几平方公里至几十平方公里、1500米深度范围。虽然学者们提出了许多矿震定位优化方法，但是在定位精度以及稳定性等方面仍然存在不足，尤其是现有系统大多布置在井下巷道，所有传感器大多处于同一水平，缺乏三维立体空间下矿震定位方法，导致现有系统在垂直地层方向定位精度低，同时传统定位方法搜索空间有限，容易陷入局部最优，造成定位精度下降，现场应用时难以满足实际需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法，采用三维立体空间传感器联合布置方法，将传感器分别布置于地面、深孔以及井下位置，极大提高矿震在垂直地层方向定位精度。同时采用群智螺旋矿震定位方法，通过螺旋搜索的方式增大搜索空间提高算法的定位精度，避免算法陷入局部最优点，再通过群智算法中个体间的相互作用进行定位求解，提高矿震定位精度以及定位结果稳定性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术创造采用的技术方案为：一种基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006]步骤：通过地面、深孔及井下联合布置微震传感器，进行实时监测，具体为：
[0007]将若干微震传感器分别布置于地面、深孔以及井下适当位置，构成三维空间立体监测网络，用于实时联合监测矿区范围内的矿震波；
[0008]步骤二：设计一种基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位算法，向系统中导入台站编号、位置坐标信息、震动波速度、矿震群智螺旋定位方法的虚拟震源数量、搜索维度以及最大迭代次数，用于算法计算；
[0009]步骤三：实时监测传感器三维空间接收到震动波信号，判断矿震触发条件：包括矿震波的长短时窗法判定结果(触发长短时窗法的判定条件)、门限值(能量波的最大振幅大于100mv)、单位时间内触发台站数量(触发的台站数量大于等于4)进行判断，当达到触发条件，判断为矿震发生；未达到触发条件继续进行监测；
[0010]步骤四：当判断有矿震发生时，截取触发的传感器三维空间接收到震动波信号，并将台站编号、到时信息导入群智螺旋矿震定位方法，进一步确定震源位置。
[0011]所述的微震传感器的分布情况为每5km
×
5km
×
1km范围内设置6
‑
50个。
[0012]所述的基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法步骤如下：
[0013](21)初始化算法参数；包括虚拟震源数目I，最大迭代次数T，搜索维度d，以及所有虚拟震源的初始位置(x
i
，y
i
，z
i
)，i≤I；
[0014](2.2)计算所有虚拟震源的目标函数值以及最佳虚拟震源位置Q
bs
(t)；
[0015](2.2.1)计算传感器差值矩阵D；
[0016]根据触发N个传感器的位置和到时信息计算到时差，根据到时差和震动波的传播速度，计算出震源点到每个传感器与其他N
‑
1个传感器的距离差，得到一个N
×
(N
‑
1)的二维距离差矩阵D，如下所示：
[0017]D[n，k]＝(H[n]‑
H[m])
×
V，(n≤N，m≤N，n≠m，k≤N
‑
1)
[0018]其中[n，k]是矩阵索引，由于m≠n，所以m(m≤N)一共有N
‑
1种情况，与k(k≤N
‑
1)一一对应，H[n]是第n个传感器记录的到时，n也表示D矩阵的第n行，H[m]是第m个传感器记录的到时，m取除当前第n个传感器外的其它传感器，V是震动波的传播速度；
[0019](2.2.2)计算当前虚拟震源位置差值矩阵P
i
；
[0020]计算出当前第i个虚拟震源到N个传感器的差值矩阵P
i
，矩阵维度为N
×
(N
‑
1)，如下所示：
[0021][0022]P
i
[n，k]＝L
i，n
‑
L
i，m
(i≤T，n≤N，m≤N，n≠m，k≤N
‑
1)
[0023]其中(x
i
，y
i
，z
i
)是第i个虚拟震源位置，(X
n
，Y
n
，Z
n
)是第n个传感器的位置，(X
m
，Y
m
，Z
m
)是第m个传感器的位置，L
i，n
是第i个虚拟震源到第n个传感器的距离，n也表示P矩阵的第n行，L
i，m
是第i个虚拟震源到第m个传感器的距离，其中n≠m，k是矩阵索引；
[0024](2.2.3)计算目标函数值；
[0025]计算矩阵D和矩阵P
i
的差值，建立最终的目标函数，如下所示：
[0026]M
i
＝|D
‑
P
i
|
[0027][0028]其中矩阵M
i
是矩阵D和矩阵P
i
的差值矩阵，M
im
是矩阵M
i
的中位数，fitness是目标函数，是最小化绝对误差之和，fitness越小，说明计算出的震源误差越小，越接近真实震源；
[0029](2.2.4)选取目标函数值最小虚拟震源位置作为最佳虚拟震源位置Q
bs
(t)；
[0030](2.3)更新惯性权重以及所有虚拟震源位置；
[0031](2.3.1)更新非线性惯性权重；
[0032][0033]其中t是当前迭代次数，T是最大迭代次数，A(t)是迭代第t次矿震群智螺旋定位方法的惯性权重，A(t)的值随着迭代的进行从2非线性递减致0；
[0034](2.3.2)获取虚拟震源螺旋搜索初始位置；
[0035]在虚拟震源群本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：通过地面、深孔及井下联合布置微震传感器，进行实时监测，具体为：将若干微震传感器分别布置于地面、深孔以及井下适当位置，构成三维空间立体监测网络，用于实时联合监测矿区范围内的矿震波；步骤二：设计一种基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位算法，向系统中导入台站编号、位置坐标信息、震动波速度、矿震群智螺旋定位方法的虚拟震源数量、搜索维度以及最大迭代次数，用于算法计算；步骤三：实时监测传感器接收到震动波信号，判断矿震触发条件：包括矿震波长短时窗法判定结果、门限值、单位时间内触发台站数量进行判断，当达到触发条件，判断为矿震发生；未达到触发条件继续进行监测；步骤四：当判断有矿震发生时，截取触发的传感器接收到震动波信号，并将台站编号、到时信息导入群智螺旋矿震定位算法，进一步确定震源位置。2.根据权利要求1所述的基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法，其特征在于，所述的微震传感器的分布情况为地面、深孔和井下的联合布置，传感器的数量在每5km
×
5km
×
1km范围内设置6
‑
50个。3.根据权利要求1或2所述的一种传感器三维空间联合布置的矿震群智螺旋定位方法，其特征在于，所述的基于传感器三维空间联合布置的群智螺旋矿震定位方法步骤如下：(2.1)初始化算法参数；包括虚拟震源数目I，最大迭代次数T，搜索维度d，以及所有虚拟震源的初始位置(x
i
,y
i
,z
i
)，i≤I；(2.2)计算所有虚拟震源的目标函数值以及最佳虚拟震源位置Q
bs
(t)；(2.2.1)计算传感器差值矩阵D；根据触发N个传感器的位置和到时信息计算到时差，根据到时差和震动波的传播速度，计算出震源点到每个传感器与其他N
‑
1个传感器的距离差，得到一个N
×
(N
‑
1)的二维距离差矩阵D，如下所示：D[n,k]＝(H[n]
‑
H[m])
×
V,(n≤N,m≤N,n≠m,k≤N
‑
1)其中[n,k]是矩阵索引，由于m≠n，所以m(m≤N)一共有N
‑
1种情况，与k(k≤N
‑
1)一一对应，H[n]是第n个传感器记录的到时，n也表示D矩阵的第n行，H[m]是第m个传感器记录的到时，m取除当前第n个传感器外的其它传感器，V是震动波的传播速度；(2.2.2)计算当前虚拟震源位置差值矩阵P
i
；计算出当前第i个虚拟震源到N个传感器的差值矩阵P
i
，矩阵维度为N
×
(N
‑
1)，如下所示：P
i
[n,k]＝L
i,n
‑
L
i,m
(i≤T,n≤N,m≤N,n≠m,k≤N
‑
1)其中(x
i
,y
i
,z
i
)是第i个虚拟震源位置，(X
n
,Y
n
,Z
n
)是第n个传感器的位置，(X
m
,Y
m
,Z
m
)是第m个传感器的位置，L
i,n
是第i个虚拟震源到第n个传感器的距离，n也表示P矩阵的第n行，L
i,m
是第i个虚拟震源到第m个传感器的距离，其中n≠m，k是矩阵索引；(2.2.3)计算目标函数值；
计算矩阵D和矩阵P
i
的差值，建立最终的目标函数，如下所示：M
i
＝|D
‑
P
i
|其中矩阵M
i
是...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗浩，潘一山，史金朋，张寅，丁琳琳，刘阳军，刘乐，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：