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专利号: 2021114284920
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:

a.根据实际的地质赋存条件及监测需要,确定微震传感器安装个数G并将其编号为第i=1,2,3…G,G≥6,同时利用已知的破裂源坐标标定微震传感器的坐标;

b.采集岩石破裂产生的微震波形并进行滤波;所述微震波形滤波完成后,基于波形特i i

征,获取第i个微震传感器采集的微震波形的初至幅值TP及初至到时Bp;

c.根据微震波形的初至到时、P波传播速度、微震传感器的坐标信息,构建破裂源定位的目标函数,并选择最先接收到微震波形的微震传感器作为初始体中心,通过迭代求解所述目标函数最小值来确定破裂源位置坐标,得到初始的破裂源定位点个数A;

其中,破裂源定位的目标函数的建立过程如下:首先利用理论上每个微震传感器接收到微震波形的初至到时与实际微震波形从破裂源传播至微震传感器时间之间的关系,建立如下表达式:其中,为理论上第i个微震传感器接收到微震波形的初至到时,ms;xi,yi,zi表示微震传感器的坐标,mm;x,y,z表示破裂源的坐标,mm;v表示材料的纵波速度,mm/ms;表示第i个微震传感器采集的微震波形在空间中的传播时间,ms;t0表示破裂源的发生时刻;

然后计算各微震传感器的误差值βi,其表达式如下:i

其中βi为各微震传感器的误差值,TP表示第i个微震传感器采集微震波形的初至到时,ms;

最后将微震传感器的总误差定义为各微震传感器误差值的平方求和,同时对其进行微分运算,消除未知变量破裂源的发生时刻t0即得破裂源定位的目标函数,其表达式如下:其中, 为各微震传感器误差值的平方求和,G表示微震传感器的个数;

d.将破裂源位置坐标作为输入数据,通过考虑同一微震事件的微震波形数、微震波形的初至到时与反算初至到时差值的标准差,对不符合条件的破裂源定位点进行剔除,得到最终破裂源定位点的个数H;

e.在微震传感器位置处进行锤击测试,采集锤击测试时产生的微震波形并得到其起跳幅值Fp,然后计算第i个微震传感器位置处微震波形引起的垂直法向位移值f.计算所述垂直法向位移值 与锤击测试时产生微震波形的起跳幅值Fp的比值W;将i

比值W与岩石破裂产生微震波形的初至幅值TP相乘积,即得第i个微震传感器位置处岩石破i

裂产生微震波形的理论法向位移值Dp;

g.计算第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形引起的测量位移值 引入L2i

范数法,写出所述理论法向位移值Dp与测量位移值 差值表达式,并计算出破裂源矩张量Mjk,j=1,2,3;k=1,2,3;

h.在矩张量Mjk特征向量构成的直角坐标系下,将破裂源矩张量正则化,求取矩张量Mjk的特征值xi,i=1,2,3以及特征向量yi,i=1,2,3,然后利用特征值进一步获取破裂源形成的破裂面方向向量与法向向量的夹角;根据破裂面方向向量与法向向量的关系,确定破裂源发生的破裂机制;

i.通过考虑破裂源定位事件点的个数与剪切破裂类型占比,结合岩石的单轴抗压强度、岩石的弹性能指数,建立岩石破裂失稳预测指标,并利用风险评价等级对岩石破裂失稳危险性进行预测。

2.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于:所述步骤b中,微震波形的初至幅值拾取方法如下:首先根据微震波形特征,找出一个微震波形的最大幅值并确定其位于波峰还是波谷,然后选取前后相邻的波峰或波谷之间的距离作为时窗长度并记为L;采用能量比法获取第j个时间窗口内其他微震传感器拾取的同一个微震事件对应的微震波形;

计算第j个时间窗口内同一个微震事件对应的所有微震波形的峰值度E及偏离度R;峰值度E及偏离度R的计算公式如下;

其中L为时窗长度,s;σx为微震波形的标准差;xi为微震波形数据点;为微震波形的平均值;

然后对比偏离度和峰值度的极值,同时计算极值点前峰度值与偏离度曲线斜率的最大值,其最大值位置处所对应的时间点即为初至时间;

最后在已知微震波形初至时间的基础上,进一步确定所述微震波形的初至幅值。

3.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于:所述步骤d中,条件指的是微震事件的微震波形数不小于6个,所述微震波形的初至到时与反算初至到时差值的标准差在3μs之内。

4.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于:所述步骤e中,锤击测试产生微震波形的垂直法向位移值 的计算公式如下:其中,G(τ)为垂直法向位移的时间相关函数,T为锤击测试时产生的力,N;μ表示剪切模量,Pa;r为微震传感器与锤击点的距离,mm;cp,cs分别表示岩石的P波波速、S波波速,m/s。

5.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其i

特征在于:所述步骤g中,所述测量位移值Ds的计算公式如下:3

其中r为破裂源到微震传感器的空间距离,m;ρ为岩石材料的密度,kg/m ;α为P波波速,m/s;RP表示反射系数, 表示矩张量对时间的导数。

6.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于:所述步骤g中,差值表达式如下:i

其中,G表示微震传感器的个数,Dp为第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形的理论法向位移值, 为第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形的测量位移值;

根据差值表达式的平方和最小求解破裂源矩张量。

7.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于:所述步骤h中,破裂源发生的破裂机制是根据破裂面方向向量与法向向量夹角关系来确定,其中,破裂面方向向量与法向向量相互垂直时,为张拉破裂;破裂面方向向量与法向向量相互平行时,为剪切破裂;破裂面方向向量与法向向量既不平行也不垂直时,为混合破裂。

8.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法,其特征在于:步骤i中,所述岩石破裂失稳预测指标及风险评价等级具体如下:将破裂源定位事件点增加的速率定义为事件增长率GR,并记为岩石破裂失稳的第一个预测指标W1,GR的表达式如下:其中,RP2表示在t2时刻破裂源定位事件点的个数,RP1表示在t1时刻破裂源定位事件点的个数;

将定位事件点剪切破裂类型的占比SP,并记为岩石破裂失稳的第二个预测指标W2;将岩石的单轴抗压强度Rc,并记为岩石破裂失稳的第三个预测指标W3;将岩石的弹性能指数WET记为岩石破裂失稳的第四个预测指标W4;

风险评价等级的计算公式如下:

其中Wi表岩石破裂失稳各个预测指标,n表示岩石破裂失稳预测指标的总个数,Wimax表示岩石破裂失稳的第i个预测指标对应的评价指数最大值;

当WRE小于等于0.25时,定义为无失稳危险性;当0.25<WRE≤0.5时,定义为弱失稳危险性;当0.5<WRE≤0.75时,定义为中失稳危险性;当0.75<WRE≤1时,定义为强失稳危险性。