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_FONT+face=Verdana_基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法_FONT_.pdf简介：

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"基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法"是一种结合了计算机科学和地质工程的复杂技术。粒子群算法是一种模拟鸟群、鱼群等自然界群体行为的优化算法，它被应用于地震学中的岩体微震源定位问题。岩体微震是指在地壳内部发生的微小地震，它们是研究地壳活动的重要手段。

这种方法利用粒子群优化算法对微震信号进行处理和分析，通过寻找最优解来精确地确定微震源在三维空间中的位置，以及可能的分层结构。在实际应用中，这有助于地质学家和工程师理解地震活动的模式，评估地质稳定性，以及预测潜在的灾害风险。

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2.1微震源分层定位原理

设第k个传感器计算到时为

式中：t为发震时间，（x，yk，z）为第k个传感器 位置坐标，（xGB∕T 33080-2016 塔式起重机安全评估规程，y，z）为微震源位置，V为微震信号 在介质中传播的等效速率。 相邻2个传感器k+1和k的到时差为

据此辨识微震源位置和速度的适应值函数 可以描述为

PSO方法操作简单，使用方便，且对于多极值 非线性问题易解得全局最优解，因此，改进PSO方 法[17]被引入解决上述问题。微震源分层PSO定位算 法求解过程如下，流程见图1。

微震源分层定位方法将震源定位时容易相互关 联的速度和发震时间分层求解，即先以式(3)为目标 函数求解V和(x，y，z)；然后将V和(x，y，z)代入 式(4)求t的解。

2.2微震源分层PSO定位方法

基于时差原理的微震源定位是一种多极值非线 生问题，最为流行的是1912年Geiger提出的经典 法及其后的各种改进，这类方法是一种线性范畴 内的求解方法，即根据泰勒公式将非线性问题转化 为线性问题，然后采用不同的策略求解线性方程 组，在很多情况下都会出现诸如二阶以上的项省 不当，初始值选择不合理使解陷入局部极小点等 问题[14]。 粒子群算法是一种新兴的群智能优化方法，该 方法搜索过程中粒子根据自已的飞行历程和群体之 间信息的传递不断调整搜索的方向和速度，该搜索 过程主要是依靠粒子间的相互作用和相互影响完成 的。粒子i的速度与位置的更新公式[15.16]分别为

图1微震源分层PSO定位方法流程图 Fig.1 Flowchart of microseism source location algorithm with hierarchical strategy based on PSO

（1）首先，对监测到的微震信号进行消噪、分 波处理，正确拾取微震信号的到时，剔除明显不合 理的微震信号。 (2）初始化PSO算法的参数、微震源坐标和速 度。 (3）由式(3)计算粒子微震源坐标和速度） 的适应值，并判断是否满足事先设定的飞行次数和 定位精度，若满足，进行步骤(5)；否则，进行步 骤（4)。 (4)根据式(6)和(7)更新粒子的位置和搜索速 度，返回步骤(3)。 (5）将识别到的微震源坐标和速度代入式(5 得到微震源发震时间t。 (6）判断微震信号传播到传感器是否穿过大的 断层、空区，若穿过剔除该信号，返回步骤(2)重新 定位；否则，微震信号选取是正确的和微震源定位 是准确的，结束微震源定位。

式中：w为惯性权重；c和c,均为非负常数的学习 因子；r和r为介于[0，1]之间的随机数；d=1， 2，.*，D；Via，Xd，Pa和Pa分别为第i个粒子 在第d维空间的飞行速度、位置、迄今为止搜索到 的最优震源参数和整个粒子群迄今为止搜索到的最 优震源参数。

假定8个传感器的位于正方体的8个点，坐 标(单位均为m)分别是A(0，0，0)，B(1000，0，0)，

C(1000,1000,0),D(0,1000,0),E(0,0,1000), F(1000，0,1000),G(1000,1000,1000),H(0 1000，1000)，波在介质中传播的等效波速V=5.27 n/ms，发震时间假设为一日12点0分100ms。假 定微震源0(500，500，500)到8个传感器距离相等， 微震源P(250，500，500)在传感器A，B，F，E和 传感器D，C，G，H对称面与传感器A，B，C，D 和传感器E，F，G，H对称面的交线上，微震源 2(323.2，500，676.8)在面ABFE和面DCGH的对 你面与面BCHE的交线上，微震源R(300，900，550） 和S(600，1700，2400)分别为传感器阵列内、外到 8个传感器距离各不相等的点，位置如图2所示。

图2传感器与微震源位置示意图 ig.2Sketch of locations of sensors and microseismic source

微震定位模拟原理：首先根据传感器位置和微 震源位置及波速，由式(1)计算微震理论走时及监测 到时；然后以此作为真值，以式(3)，（4)为目标反过 来确定微震源位置、发震时间及微震波在介质中传 播的速度

陈炳瑞，等。基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法

值接近真值时，算法才收敛于正确结果。对于基于 PSO算法的分层定位算法，可较好地收敛于真值， 解的唯一性较好，且收敛速度也得到了提高。这主 要因为：（1）分层策略减少了参数的相互关联性；(2) 改进PSO算法具有较好的全局寻优能力；（3）优秀 解的专家经验评定。 从表1可以看出，联合法和分层法在适当的条 件下都能收敛到较高的精度，这主要是因为它们通 过算法能较准确地确定速度，而由于岩石介质 的复杂性，使得弹性波在不同区域、不同方向传播 的速度不同，再加上施工工艺的影响，确切地认为 给定介质的速度是很困难的，这是经典法定位精度 较低的主要原因。在给速度一个较小的误差 1%)扰动情况下，即速度取5.757m/ms，用经典法 对微震源Q，R，S进行定位分析，结果见表2，结 果表明：在假定速度时，即使有较小的误差， 也会导致较大的定位误差(最大定位误差在z方向相 差111.4m，相对误差最大达18.1%），而且速度模 型对不同区域的震源影响也不一样，一般对传感器 阵列内震源影响相对较小(微震源R，Q)，阵列之外 影响较大(微震源S)；距传感器距离之和较大的震源 受影响较大，因此，传感器的布置要尽量确保微震 原在其阵列之内，且尽可能距有可能发生微震的地 方近。 另外，从表1可以看出，无论是最小二乘法还 是PSO，微震源位于传感器阵列之外的收敛速率远 氏于微震源位于传感器阵列内的，因此传感器布置 应尽量确保微震源在其阵列之内

由式(3)可知，当△L和V满足关系式

时，Q=O，因此，微震源坐标x，y，z和速度V具 有一定的关联性。大量数值计算表明并不是任意的 ，y，z值都有V和其对应，满足式(8)；而只有少 数特殊的微震源点，使用分层法定位时，随速度V 的变化存在不同的x，y，z，使得式(8)成立，即式(8) 是震源坐标和速度相互关联的必要条件。 特殊地，当△L=0，△W=0(k=1，2，."，n)， 即微震源到所有传感器的距离相等，且所有传感器 监测到时都相同(如图2中的震源点O)时，V取任何 非零值，0=0。以震源点O为例，PSO参数设置

表1微震联合定位法与分层法收敛性对比

及算法结束条件同上，速度V由1.7m/ms起逐步递 增至2.0~19.7m/ms，所有方案震源位置都能收敛 至真值(500m，500m，500m)，式(3)的Q都趋于0， 而发震时间无法收敛至真值，随速度的变化则表现 出如图3所示的规律。这说明此种条件下的定位结 果只有震源位置能收敛到真值，速度V以及通过 式(5)计算的发震时间t难以得到真实值，需要结合 其他方法进一步确定。 实际上，联合法也无法确定准确的速度和 发震时间，经典法只有在准确确定速度的前提

下，才能止确收敛到真值。因此，传感器布置时要 尽量避免可能发生微震的区域到所有传感器的距离 相等。 当微震点分布在传感器对称面与对称面的交线 上时，微震点沿交线方向的坐标值和速度V具有关 联性，如当微震点分布在线PO上，微震点的x坐 标和波速V相互关联。以微震点P为例，PSO参数 设置和终止条件同上，速度V由1.7m/ms起逐步递 增至2.0~19.7m/ms，式(3)的Q都趋于0，P点y， z坐标都能收敛至真值，而P点×x坐标随速度的变

陈炳瑞，等。基于粒子群算法的岩体微震源分层定位方法

表2经典法的微震定位结果 Table 2 Location results of TMSI

图3特殊位置速度和发震时间的关联性 occurrence for two special locations

化表现出图4的规律GB∕T 11710-1989 粘土瓦，也就是说随着速度的变化微 震源P的定位结果为PO线上的不同的点；速度与 时间的变化关系如图3所示。可见速度与P点x坐 标具有关联性，发震时间和震源位置具有不确定性 这一结论同样适用于传感器其他对称面与对称面的

图4速度和微震源P坐标x的关联性 Fig.4 Correlation of velocity and coordinate x of microseismic saurceP

图4速度和微震源P坐标x的关联性 Fig.4 Correlation of velocity and coordinate x of microseismic saurceP

交线上的微震源，因此，传感器布置时应尽量避免可 能发生微震的震源在传感器对称面与对称面的交线 上。 因此，对于随V的变化存在△L使关系式(8)满 足的多个坐标点，需要结合现场实际情况、专家经 验等其他手段，进一步筛选确定微震源正确位置。

柿竹园多金属矿位于湖南省郴州市东20km， 区域内矿产资源丰富，矿物品种达143种，多金属 矿床产于花岗岩接触带的矽卡岩、大理岩中，南北 走向长为1000~1200m，东西宽600～800m，厚 为150～300m，最厚达500m，呈透镜状，自上而 下形成4个矿带。目前，主要开采IⅢI矿带490m水 平以上的315m×313m富矿段，设计采用分段凿岩 阶段崩矿，嗣后一次充填采矿法开采。矿房现已全 部回采完，矿房采空区未充填处理，由留存矿柱支 撑顶板，留下的群采空区体积已达300×10*m3，顶 板暴露面积达4×10m²。由于空场暴露时间长，受 若体结构面破碎带与岩性穿插体及大爆破振动的影 响，加之在采空区未经充填处理的情况下抽采矿柱， 部分矿柱失稳跨塌，最大顶板连续暴露面积达1× 104m²，给矿山现行生产和矿床的进一步开采造成 了较大的威胁，对此已开展了大量研究[18~20]。 为了确保多采空区条件下矿山的安全开采，

图5不同中段传感器平面布置图 Fig.5Layout of sensors at different level

本文方法就是为了精确进行微震定位而提出 的GB∕T 41315-2022 城镇燃气输配系统用安全切断阀，为了考证该方法的微震定位精度，以2008年 12月11日11点33分和14点40分在536中段的