特殊地质结构层状岩体微震传播规律试验研究

矿山工程地质中往往存在断层和采空区,微震信号传播经过断层和采空区时,其传播规律必然会发生改变,因此研究特殊地质结构微震信号传播规律具有重要意义。基于惠更斯原理,考虑不同层状岩体中微震波传播速度不同,建立了非均匀介质条件下微震波的波面方程,进而获得波面半径与入射角之间的关系。结合室内相似材料模型实验,验证了波面方程的适用性,同时总结了断层、采空区对微震信号传播的影响特征。研究结果表明：微震信号穿过断层的用时更长,断层的存在导致信号的能量（最大振速）发生较大幅度的衰减;微震信号穿过断层后会以原来的速度继续传播,信号能量的衰减并不会使微震信号的传播速度发生衰减;微震波穿过断层时的入射角越大,穿过断层的用时越长,信号的能量衰减越多;采空区的存在导致微震信号的传播速度发生衰减,震源与监测点之间的距离越近,采空区对微震信号相对传播速度的影响越大。     

含采空区层状岩体微震信号传播规律试验研究

微震信号在层状岩体中传播规律的研究对于实现震源准确定位具有重要的现实意义。在天然岩体中,微震信号在岩层中传播的速度,不仅受其内部因素即岩石自身物理性质的影响,还受外部因素如地质结构面、断层及采空区等条件的影响。通过室内试验的方法对微震信号在不同岩层及采空区处的传播规律进行研究。结果表明：波速随着传播距离的增加而逐渐衰减,且岩层密度越大衰减越慢;穿过的结构面数量越多,微震信号传播速度衰减比例越大;能量的衰减与波速的衰减一致。采空区断面横截面积越大,微震信号通过的用时越长;采空区周围岩石密度、弹性模量等物理性质的数值越大,微震信号通过时衰减越少。边际谱分析结果表明：断层对频率高的微震信号阻碍作用更强。     

含采空区层状岩体微震信号传播规律试验研究

微震信号在层状岩体中传播规律的研究对于实现震源准确定位具有重要的现实意义。在天然岩体中,微震信号在岩层中传播的速度,不仅受其内部因素即岩石自身物理性质的影响,还受外部因素如地质结构面、断层及采空区等条件的影响。通过室内试验的方法对微震信号在不同岩层及采空区处的传播规律进行研究,结果表明：波速随着传播距离的增加而逐渐衰减,且岩层密度越大衰减越慢;穿过的结构面数量越多,微震信号传播速度衰减比例越大;能量的衰减与波速的衰减一致。采空区断面横截面积越大,微震信号通过的用时越长;采空区周围岩石密度、弹性模量等物理性质的数值越大,微震信号通过时衰减越少;边际谱分析结果表明：断层对频率高的微震信号阻碍作用更强。     

经验模态分解方法在混凝土模型检测中的应用

经验模态分解在处理非线性,多分量信号方面有其独特的优势,但是受信号采样率以及频程大小的影响,传统经验模态分解之后,各固有模态分解函数并非由单一频率成分组成。采用屏蔽信号和采样率内插相结合的方法来改进传统固有模态分解,得到的固有模态函数较传统EMD分解有很大改善。以改善分解后的固有模态函数为基础,利用合成孔径聚焦成像,成像结果可以很清楚的发现目标体的位置所在,证明了此种改进方法的可行性。     

基于粒子群-变分模态分解、非线性自回归神经网络与门控循环单元的滑坡位移动态预测模型研究

以三峡库区八字门阶跃型滑坡为例,针对静态机器学习模型在周期项位移预测中的不足以及高频随机项位移预测困难等问题,提出了一种新的滑坡位移预测方法。基于时间序列分解思想,采用粒子群算法（PSO）对变分模态分解（VMD）进行参数寻优,并将位移时间序列分解为趋势项、周期项和随机项。趋势项主要受滑坡内部因素影响,采用傅里叶曲线进行拟合预测;周期项由外部因素导致,基于格兰杰因果检验进行成因分析,并引入一种对时间序列历史状态具有较高敏感性的非线性自回归神经网络（NARX）进行预测;随机项频率较高且影响因素无法判定,采用一维门控循环单元（GRU）进行预测。最后将各分量预测位移进行叠加重构,实现滑坡累计位移的预测。结果表明,提出的（PSO-VMD）-NARX-GRU滑坡位移动态预测模型精度较高,且各位移分量预测精度明显高于静态模型中BP神经网络、支持向量机（SVM）和传统自回归模型ARIMA,可为阶跃型滑坡位移预测提供参考。     

裂缝性地层声波测井的联合时频特征

裂缝性油气藏越来越受到人们的重视,如何有效地识别和评价裂缝性地层也成为人们关注的一个焦点。Cohen类时频分析方法具有同时对信号的时间和频率进行分析的优点,同时Hilbert-Huang变换(HHT)中的经验模态分解（EMD）方法能将信号分解为有限个具有单分量特性的固有模态函数（IMF）,可以满足Cohen类时频分析对信号单分量的要求。尝试将这两种方法联合应用于阵列声波信号特性的提取,对地层不同性质裂缝的信号能量的时频分布特征进行分析,结果显示了这种联合时频分析方法在不同的裂缝性质地层中有不同的表现特征,对于实现裂缝性地层分析和评价具有一定的现实意义。     

蓄水期坝肩岩质边坡微震活动性及其时频特性研究

以锦屏一级水电站左岸坝肩边坡微震监测数据为基础,研究蓄水期微震活动性规律,利用S变换（ST）对波形进行分解,并将其应用于左岸坝肩边坡蓄水期与施工期的微震波形处理,以研究其岩石微破裂信号的时频特性。研究表明,(1) 微震活动性与地质构造及蓄水活动密切相关,与施工期相比,蓄水期坝肩边坡岩体趋于稳定状态;(2) S变换综合了短时傅里叶变换（STFT）与小波变换（WT）的优点,其在微震等非平稳信号的时频分析中具有独特的优势;(3) 时频特性与波形特征相比更加稳定,基于S变换的微震波形分解能较好的揭示波形中包含的震源破坏信息;(4) 与施工期相比,左岸坝肩边坡岩石微破裂信号在蓄水期频率升高,持续时间减小,单震型微震事件比例增大,主要是由于在蓄水期左岸坝肩边坡岩体整体性和强度提高,岩体趋于稳定,从而使微震信号表现出不同的时频特征。微震时频参数可以反映岩体的内部微破裂信息,并为其稳定性分析提供参考。     

改进的完备经验模态分解和FWEO能量在南海油气识别中的应用

传统希尔伯特变换(Hilbert-Huang transform, HHT)是一种识别精度较差的时频分析方法，存在端点效应和模态混叠等问题。改进的完备经验模态分解(Improve Complete Ensemble Empirical Mode Docomposition, ICEEMD)可以将复杂的地震信号分解为一系列单分量信号，较好地解决模态混叠问题，但结合希尔伯特变换提取的瞬时振幅和瞬时频率，对处理实际地震数据仍然有严重的端点效应。FWEO(Frequency-weighted Energy Operator)是一种非负频率权重算子，其结合TK能量差分算法和Hirbert变换复分析思想，具有比Hilbert变换更高的时间分辨率。但由于算法本身的原因，FWEO能量只能应用于单分量信号，不能直接应用于复杂的地震数据。因此，这里结合改进的完备经验模态分解方法和FWEO能量分离算法的优点，提取南海某工区实际地震记录的瞬时振幅和频率信息，并将预测结果与测井数据对比，预测吻合程度好、识别精度高、证明该方法可以准确地反映储层特征。     

基于EMS微震参数的岩爆预警方法及探讨

一系列深埋长大隧道工程在我国西部涌现,深埋隧道围岩的岩爆成因机制及监测预警成为亟待解决的课题。微震监测作为岩体微破裂空间监测技术在隧道工程岩爆预警上发挥了重要作用。由于微震数据存在的波动性（时间序列）、离散性（空间分布）和误差,利用震源参数随施工循环的演化特征评估岩爆发育过程并非足够稳定、有效。基于3种微震监测易于获取且紧密联系的震源参数（地震能量、地震矩和视应力）,扩展建立了用于岩爆评估与预警的EMS方法。该方法定义了地震能量、地震矩、视应力3种评价指标,并获得了3种评价指标间的关系;将3种评价指标用于岩爆预测,并进行了岩爆等级评估;同时还给出了微震路径与震源参数空间的概念。最后,将EMS方法应用于巴陕高速米仓山隧道的岩爆灾害实例,对岩爆里程段微震事件簇（微震事件聚集区域）内岩体累进破裂和岩爆发育过程进行了评估,实现了简易有效的微震数据日常处理与岩爆灾害评估预警。     

基于经验模态分解和加权最小二乘支持向量机的采空区地面塌陷预测

根据采空区路面塌陷数据的特性,提出了基于经验模态分解（EMD）和加权最小二乘支持向量机（WLS-SVM）预测采空区地面塌陷的新方法,并将其应用于吉林省长平高速公路因刘房子煤矿开采而引起的塌陷预测中。对实测的塌陷数据首先利用三次样条插值得到平滑的信号曲线,然后用EMD对插值后的信号进行时空滤波降噪处理,得到反映塌陷趋势的剩余分量,最后将其馈入到WLS-SVM模型完成预测。预测给出了采空区塌陷的中长期预测结果,得到塌陷区的最终塌陷值为174.34 cm,预测结果与实际监测数据平均偏差约1.06%。对长平高速公路下伏采空区段的实测数据进行分析,并与最小二乘支持向量机（LS-SVM）和BP神经网络预测结果进行了对比。结果表明:基于EMD和WLS-SRM的采空区地面塌陷预测方法具有更高的预测精度和广泛的适用性。     

压裂微震数据初至拾取的时频谱熵法

在油气田开发过程中,微震监测是获得水力压裂引起裂缝分布的一种较为有效的方法。微震的定位成像与裂缝解释需要利用有效微震信号位置,而微震信号具有低信噪比的特点,传统信号拾取方法无法有效实现较低信噪比条件下初至时刻的准确拾取。本文提出一种基于时频谱熵的初至拾取新方法,该方法首先通过S变换获取含噪信号的时频谱;然后对谱内各个采样点沿频率方向进行分帧操作,并计算每帧频段内的近似负熵值,以最小近似负熵值作为该谱点的负熵值;最后沿时间方向比较各谱点的负熵值,最小值对应的时刻即为初至时刻。本文利用不同信噪比的合成地震数据对该方法进行效果验证,并与长短时窗能量比（STA/LTA）法进行拾取结果对比,结果表明：信噪比在-5 dB时,两种方法拾取效果都很好;信噪比在-10 dB时,时频谱熵法拾取效果更好。时频谱熵法更适合低信噪比情况下的信号初至拾取。     

基于多尺度的老采空区上方建筑物变形分析及预报

老采空区上方地表变形是一个具有复杂性、突然性和长期性等显著特点的非线性过程。在老采空区上方建设生活或服务设施时,必须对老采空区上方地基稳定性和残余变形情况进行评价和预测。基于多尺度经验模态分解（EMD）,提出了老采空区上方地表建筑物稳定性分析及预测新方法。通过实例研究,证实采用多尺度经验模态分解可获得老采空区上方地表建筑物的动态变形细部信号。对各分解尺度进行分析能更准确有效地评价原始数据所反映的建筑物变形特征和进行变形机制研究。同时,实例计算也证实,采用考虑多尺度特征的预测模型可获得比传统方法更优的变形预报精度,为更科学地评价老采空区建筑物稳定性提供理论依据。     

爆破震动信号的多分辨小波分析

采用小波分析和快速傅立叶变换相结合的方法,对工程案例的爆破震动近、中远区的实测原始信号进行小小波分解和重构,得到重构后各子频带的时间信号及频谱,在此基础上通过Matlab语言编写程序研究爆破地震波沿各分区信号的频谱及能量分布特征。指出：爆破震动各分区的主频从大到小排序为：近区>中区>远区;随着比例距离的增加,低频带能量所占信号总能量的比例升高,高频带能量所占比例下降;频率越低的频带信号,持续时间越长;除主频所在频带外,在0～2.441 5 Hz频段（比较接近建筑物的自振频率）,爆破震动信号在水平方向占有不小的能量比例,故建筑物进行结构设计时考虑水平方向的抗震尤为重要。     

深埋隧洞即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征

岩爆孕育过程中所记录的微震事件波形本身就包含着丰富的前兆信息。基于深埋隧洞微震波的衰减特征,修正了最大有效振幅,将相对有效振幅和最大有效频率作为频谱分析参数。TBM和钻爆法不同开挖方式下诱发的即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征基本一致,有如下特征：（1）无岩爆发生时,每日最大释放能量微震事件频谱对应的相对有效振幅的量级为10-6 m/s及以下,而最大有效频率则多大于300 Hz;（2）中等岩爆发生前,相对有效振幅的量级维持在10-5 m/s,最大有效频率则介于200～300 Hz;（3）强烈岩爆发生前,微震事件对应相对有效振幅的量级增长并保持在10-4 m/s,最大有效频率则基本在200 Hz以下;（4）对于一个完整的即时型岩爆孕育过程,当岩爆发生时,相对有效振幅增至最大,同时最大有效频率降至最低。微震信号的频谱演化特征可为即时型岩爆发生时间及等级的预警提供参考和依据。     

基于微震矩张量的矿山围岩破坏机制分析

微震是矿山岩体损伤的重要信号,并被用于矿山围岩稳定性分析。为应用矩张量理论,研究矿山开采围岩破坏机制,对理论运用中的关键问题提出了解决办法:(1)通过引入适于矿山岩体应力状态的矩张量三分量分解模型,解决了由于矿山应力状态不确定带来的矩张量分解方程组求解的不确定问题;(2)针对Ohstu提出的矩张量岩体破坏模式判据的不足之处进行了讨论和修正,使其适于矿山岩体工程岩体破坏模式分析。利用改进后的矩张量分析方法对冬瓜山铜矿的部分巷道围岩破坏机制进行研究,印证了冬瓜山巷道围岩破坏是一种以剪切破坏为主,多因素综合作用的破坏形式的结论。当巷道穿过不同岩层接触带时,微震事件在接触带附近积聚,表明巷道围岩出现剪切破坏带并形成冒落区;位于单一岩层中的巷道围岩中的微震活动较为分散,破坏原因多为围岩应力集中,破坏形式表现为局部性围岩冒落。     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

煤体静载破坏中低频磁场变化特征及产生机制研究

为了研究煤体静载破坏中低频磁场变化特征及其产生机制,进一步完善煤矿动力灾害监测预警技术,通过室内试验、现场试验研究了煤体静载破坏中低频磁场时、频谱特征,并结合微震信号提出了低频磁信号的产生机制。结果表明：煤体静载破坏中所产生低频磁场信号强度为19～156 nT,信号最大幅值、能量与试样强度、加载速度均呈正相关关系。垂直于裂纹扩展面磁场最强,平行于裂纹扩展面磁场最弱。并结果微震信号提出了低频磁场产生机制。低频磁场与微震信号具有时、频域同步性,带电裂纹面随微震信号同频振荡为低频磁场产生机制。现场放炮破煤低频磁信号由簇状脉冲信号及小幅震荡信号组成,其中簇状脉冲成分产生于炮后振动波带动带电壁面的同频振动,而小幅震荡成分是巷帮煤壁趋向新应力平衡状态时发生的横向拉伸破坏及带电煤碎屑运移、摩擦及转动的结果。     

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。     

全球地震震源深度统计分析 与地震层分布

地震数据可以反演地球内部的构造信息,能够查明地球内部层圈结构及地震发生的机制,对揭示地球结构,进行地震预测及防震减灾具有重要意义。与此同时,对地震数据的统计分析可以获得地壳变形及其深度层次的相关信息。本文利用美国地质调查局（USGS）记录的1900～2018年近3 000 000条全球地震数据进行分析,立足地震震源计算方法,排除不确定性数据,使用震源深度频次分析及高斯分解得到地震层和地震集中区深度的推定。以国际地震中心（ISC）的1970～2016年近2 000 000条数据及中国国家地震科学数据共享中心2009～2018年近300 000条数据进行比较。结果显示,地球标准椭球体深度10 km左右普遍存在一个全球性的地震集中区,与地壳中脆韧性过渡带一致。其上的地壳是全球绝大多数地震发震的深度范围,推定其为地震层;与此同时,局限在洋壳俯冲带中,约35 km处出现了另一个地震集中区,认为是地球岩石圈深度内不容忽视的界面。研究表明,在地球表层（40 km以内）,层圈结构对地震有较大的控制作用;而对有洋壳俯冲区域的地震三维结构图成图显示有“贝尼奥夫带”形态,表明俯冲机制能将具有弹性力学性质的刚性块体带至地球较深部,并孕育中、深源地震。因此,地震震源分布可以指示地震层,即刚性块体,在岩石圈中的分布,地震震源深度集中区是岩石圈和中、上地幔最主要的变形和能量释放区。     

基于波形参数的微震P波到时拾取值质量控制方法

微震事件中常常包含一些异常信号、强噪声干扰信号和弱信号,这些通道信号的P波到时自动拾取精度往往很低,甚至拾取错误。目前国内外微震监测系统进行自动定位时,并不对各个P波到时拾取值预先筛选,而需要技术人员手动剔除或修正部分无效P波到时,然后才能进行正确定位。为此,首先引入了一种Akaike信息准则（AIC）两步骤拾取算法,并基于某深埋隧道微震监测案例定量分析了P波到时拾取误差与震源定位精度之间的关系,从而引入了P波到时拾取值容许误差的概念。然后,利用AIC两步骤拾取算法拾取微震波形的P波到时,并计算各项波形参数,进行大量统计,深入研究了影响P波到时拾取精度的波形参数。以容许误差为基准,将P波到时拾取值分为有效（标签为1）和无效（标签为?1）两类,并以相应的波形参数为数据输入,采用支持向量机方法（SVM）训练数据,最终建立了P波到时拾取值质量控制模型。实际应用表明：P波到时拾取值质量控制方法能有效剔除错误拾取值,从而大幅度提高数据自动处理效率和震源定位精度。