一种无损高效的矸石山地质结构调查方法与流程

1.本发明属于矸石山地质结构调查技术领域，涉及一种无损高效的矸石山地质结构调查方法。


背景技术：

2.矸石山是由煤炭开采、洗选加工中废弃的岩土材料露天堆积而成，属于典型的人工堆积散体。矸石山的堆积材料复杂、近球度小、强度不一，在堆积过程中容易形成空隙区、软弱层及水饱和区等不良地质体，由于它们较差的结构强度，在受到外界干扰(人工开挖、爆炸及暴雨)时，易诱发矸石山的坍塌、滑坡、泥石流等地质灾害，威胁附近居民人身和财产安全。因此，有必要对矸石山的内部地质结构进行调查，探明不良地质体的分布，对相应的危险区域实施针对性的防治措施，以保障矸石山的安全与稳定。
3.目前，最为常用的地质结构调查方法为钻探，它能直接获取地层和岩性的准确信息，但获取的信息有限且施工过程具有破坏性，不适于在矸石山上进行。传统的地球物理勘探(如电法、雷达探勘等)虽然能获取整体的地质结构信息，但也存在探测深度浅、易受干扰等缺点，无法满足有效探测矸石山地质结构的要求。
4.微动调查方法是一种被动源面波勘探技术，该方法无需主动激发震源，它通过接收地面的微弱震动信号进行地下空间的成像，具有震源安全、探测深度大等优点，被广泛地运用在各种工程尺度上的勘探中。但传统的微动调查方法常常需要布设复杂的观测台阵，一个观测台阵一般由4～10个检波器组成，检波器之间用电缆连接，观测半径在几米到几十米间不等，场地要求高，布设繁琐、移动困难，导致其探测工程的人工成本高、采集效率低下。
5.节点地震仪是一种集成式的地震数据采集工具，它虽然体积小，但能实现单体gps授时、gps定位以及数据的自主记录，摆脱了连线仪器在没有gps情况下点位的固定性问题，能在一些地形复杂的区域进行灵活布设。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于：如何采用非规则台阵形式布设节点地震仪对矸石山地质结构进行无损、高效调查。
7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
8.一种无损高效的矸石山地质结构调查方法，包括以下步骤：
9.s1、在矸石山目标坡面上以非规则台阵形式布设节点地震仪进行微动信号采集；
10.s2、对节点地震仪采集到的微动信号数据进行处理，采用扩展自相关法提取频散曲线，采用遗传算法反演剪切波速度结构，从而得到矸石山坡面的二维速度剖面；
11.s3、根据二维速度剖面的分布确定空隙区、软弱层以及水饱和区的位置，针对空隙区、软弱层以及水饱和区的位置制订防治措施。
12.本发明的技术方案将节点地震仪运用到微动调查方法中，无需布设复杂形状的观
测台阵，一个节点地震仪就是一个数据采集台站，布设面积小、无需电缆连接，节省了大量的人力物力，针对非规则台阵，运用扩展自相关法及遗传算法对节点地震仪在矸石山上采集的数据进行处理，数据处理效率高，实现了无损且高效的矸石山地质结构调查，调查结果可为矸石山的安全防治提供参考资料。
13.进一步地，所述的节点地震仪包括：无线通信模块(10)、时间同步模块(11)、中央控制模块(12)、数据存储模块(13)、信号采集模块(14)、电源模块(15)、检波器(16)；所述的节点地震仪包括：无线通信模块(10)、时间同步模块(11)、中央控制模块(12)、数据存储模块(13)、信号采集模块(14)、电源模块(15)、检波器(16)；所述的无线通信模块(10)、时间同步模块(11)、数据存储模块(13)、信号采集模块(14)、电源模块(15)分别与中央控制模块(12)连接，所述的检波器(16)与信号采集模块(14)连接。
14.进一步地，步骤s1中所述的在矸石山目标坡面上布设节点地震仪进行微动信号采集的方法如下：首先在矸石山的目标坡面上布设多个节点地震仪，设置参数并激活节点地震仪；然后通过时间同步模块(11)接受gps信号，使得各个节点地震仪的时间同步；之后检波器(16)开始不间断地接收微动信号并将其转换成电信号；再通过信号采集模块(14)内置的a/d转换器将采集的电信号换成数字信号，数据存储模块(13)将转换的数字信号储存在内置的sd卡中；最后在采集工作完成后，统一回收节点地震仪。
15.进一步地，步骤s2中所述的采用扩展自相关法提取频散曲线的具体方法如下：
16.s2.1、求取自相关系数
17.设任意两个节点地震仪s1、s2记录的微动信号为u1(t)、u2(t)，则信号的空间自相关系数ρ的计算公式如下：
[0018][0019]
其中，s(r,θ,f)为节点地震仪s1、s2的交叉谱，s(0,f)和s(r,f)分别为节点地震仪s1、s2的功率谱，r为相邻的节点地震仪之间的距离；
[0020]
s2.2、提取频散曲线
[0021]
首先，固定频率f0，得到不同长度r和对应的空间自相关系数ρ组成的序列r～ρ(r,f0)；然后，通过最小二乘法与零阶贝塞尔函数j0进行拟合，得到贝塞尔函数的宗量x＝2πf0r/c(f0)，进而求出频率f0对应的瑞雷波相速度c(f0)；重复上述步骤，计算其他频率f的瑞雷波相速度c(f)，最终可获得该节点下的频散曲线。
[0022]
进一步地，所述的节点地震仪s1、s2的交叉谱的计算公式如下：
[0023]
其中，r
1,2
(τ)＝∑u1(t)u2(t τ)
ꢀꢀ
(2)
[0024]
所述的节点地震仪s1、s2的功率谱的计算公式如下：
[0025]
其中，r
1,1
(τ)＝∑u1(t)u1(t τ)
ꢀꢀ
(3)
[0026]
其中，r
2,2
(τ)＝∑u2(t)u2(t τ)
ꢀꢀ
(4)
[0027]
其中，r(τ)＝∑u(t)u(t τ)为信号u(t)的自相关函数。
[0028]
进一步地，所述的最小二乘法与零阶贝塞尔函数j0进行拟合的公式如下：
[0029]
ρ(r,f)＝j0(2πfr/c(f))
ꢀꢀ
(5)
[0030]
var＝∑[ρ(r)-j0(r)]2ꢀꢀ
(6)
[0031]
其中，var表示空间自相关系数函数ρ(r)与零阶贝塞尔函数j0(r)的拟合度。
[0032]
进一步地，步骤s2中所述的采用遗传算法反演剪切波速度结构的具体方法如下：利用半波长理论将提取的频散曲线转化成一维剪切波速度结构模型；然后以剪切波速度作为反演目标，设定目标函数进行速度结构反演；重复上述步骤，直至遗传算法模型群体更新代数达到限定次数，从而得到反演的剪切波速度。
[0033]
进一步地，所述的利用半波长理论将提取的频散曲线转化成一维剪切波速度结构模型的计算公式如下：
[0034]
d＝0.5
×
c/f其中，c＝(0.9-0.95)vsꢀꢀ
(7)
[0035]
其中，d为瑞雷波传播的视深度，vs为剪切波速度；
[0036]
所述的目标函数的公式如下：
[0037][0038]
其中，e(mj)为第j代模型mj对应的目标函数，n为频点数，v
the
(i)为第i个频点的理论vs速度，v
obs
(i)为第i个频点的观测vs速度。
[0039]
进一步地，步骤s2中所述的采用遗传算法反演剪切波速度结构的具体方法如下：
[0040]
所述的遗传算法的具体过程如下：
[0041]
1)对速度模型进行二进制编码，二进制码的各位相当于“基因”，可取值1或0；
[0042]
2)设定初始模型个数、编码长度、进化次数，然后随机生成模型，组成初始模型群体，使其均匀分布在整个模型空间中；
[0043]
3)根据概率对模型进行选择，ps高的模型个体被选中的概率高，ps低的模型个体被选中的概率低，直至模型空间中的子集都配对成功。其中，m表示模型，m为模型空间；
[0044]
4)将配对后的模型各编码参数设定一个交换概率p
x
，进行交换；
[0045]
5)设定一个变异概率pm，随机改变选定参数码中的某位“基因”；
[0046]
6)变异得到新模型后，计算新旧模型目标函数的拟合度。若新模型拟合度小，则根据一定的更新概率pu，用上一代中的模型取代新模型；重复上述步骤，直至模型群体更新代数达到限定次数，得到反演的剪切波速度。
[0047]
进一步地，步骤s2中所述的得到矸石山坡面的二维速度剖面的具体方法如下：将各个节点地震仪的反演一维剪切波速度结构联合起来并网格化，利用最邻近插值法，对速度结构间空白节点的速度进行赋值，即在水平-垂直坐标系中将距离空白节点最近的速度值赋给该空白节点，最终可获得侧线下的二位速度剖面。
[0048]
本发明的优点在于：
[0049]
目前常用的矸石山地质调查方法(如钻探、传统地球物理方法)具有破坏性或探测深度浅、易受干扰，不宜在矸石山上进行勘察；传统的微动调查方法台阵布设复杂、繁琐，场地要求高，无法在矸石山复杂陡峭的地形上进行开展；本发明的技术方案将节点地震仪运用到微动调查方法中，无需布设复杂形状的观测台阵，一个节点地震仪就是一个数据采集
台站，布设面积小、无需电缆连接，节省了大量的人力物力，针对非规则台阵，运用扩展自相关法及遗传算法对节点地震仪在矸石山上采集的数据进行处理，实现了无损且高效的矸石山地质结构调查，调查结果可为矸石山的安全防治提供参考资料。
附图说明
[0050]
图1是本发明实施例一的一种无损高效的矸石山地质结构调查方法流程图；
[0051]
图2是本发明实施例一的节点地震仪调查矸石山地质结构的原理示意图；
[0052]
图3是本发明实施例一的节点地震仪的结构示意图；
[0053]
图4是本发明实施例一的扩展自相关法提取频散曲线的流程图；
[0054]
图5是本发明实施例一的遗传算法反演剪切波速度结构的流程图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0057]
实施例一
[0058]
如图1所示，本发明的一种无损高效的矸石山地质结构调查方法，包括以下步骤：
[0059]
1、在矸石山目标坡面上布设节点地震仪进行微动信号采集
[0060]
在没有地震的时刻，地球表面的任何地方都处在一种微弱的振动状态下，地球表面的这种连续的微弱振动(幅度为10-2
～10-4
mm)称为微动。它一般由人为活动和自然现象引起，从观测点的四面八方传来，携带有丰富的地球内部信息。微动信号在不同的地球介质中有着不同的传播速度，在坚硬的岩石中它的传播速度快，而在软弱的岩层、空隙或含水层中它的传播速度慢。因此，可以根据微动信号速度的快慢间接推断地层岩性和地质构造等地质条件。
[0061]
如图2所示，首先在矸石山的目标坡面上布设多个节点地震仪，设置参数并激活节点地震仪；然后通过时间同步模块11接受gps信号，使得各个节点地震仪的时间同步；之后检波器16开始不间断地接收微动信号(如图2黑色箭头所示)并将其转换成电信号；再通过信号采集模块14内置的a/d转换器将采集的电信号换成数字信号，数据存储模块13将转换的数字信号储存在内置的sd卡中；最后在采集工作完成后，统一回收节点地震仪；采集期间，中央控制模块12控制着各个模块间的协同工作，电源模块15为节点地震仪提供电能，无线通信模块10将测试结果和采集状态信息传输到用户设备上，以查看数据的采集状态的异常，可及时剔除坏道，调整仪器。
[0062]
所述的节点地震仪包括：无线通信模块10、时间同步模块11、中央控制模块12、数据存储模块13、信号采集模块14、电源模块15、检波器16；所述的无线通信模块10、时间同步模块11、数据存储模块13、信号采集模块14、电源模块15分别与中央控制模块12连接，所述的检波器16与信号采集模块14连接。
[0063]
2、运用扩展自相关法和遗传算法对节点地震仪采集到的微动信号数据进行处理，
从而得到矸石山坡面的二维速度剖面；
[0064]
2.1、扩展自相关法提取频散曲线
[0065]
如图4所示为扩展自相关法提取频散曲线流程图，包括以下步骤：
[0066]
(1)求取自相关系数
[0067]
设任意两个节点地震仪s1、s2记录的微动信号为u1(t)、u2(t)，则信号的空间自相关系数ρ的计算公式如下：
[0068][0069]
其中，s(r,θ,f)为节点地震仪s1、s2的交叉谱，s(0,f)和s(r,f)分别为节点地震仪s1、s2的功率谱，r为相邻的节点地震仪之间的距离；
[0070]
所述的节点地震仪s1、s2的交叉谱的计算公式如下：
[0071]
其中，r
1,2
(τ)＝∑u1(t)u2(t τ)
ꢀꢀ
(2)
[0072]
所述的节点地震仪s1、s2的功率谱的计算公式如下：
[0073]
其中，r
1,1
(τ)＝∑u1(t)u1(t τ)
ꢀꢀ
(3)
[0074]
其中，r
2,2
(τ)＝∑u2(t)u2(t τ)
ꢀꢀ
(4)
[0075]
其中，r(τ)＝∑u(t)u(t τ)为信号u(t)的自相关函数。
[0076]
(2)提取频散曲线
[0077]
首先，固定频率f0，得到不同距离r和对应的空间自相关系数ρ组成的序列r～ρ(r,f0)；然后，通过最小二乘法与零阶贝塞尔函数j0进行拟合，得到贝塞尔函数的宗量x＝2πf0r/c(f0)，进而求出频率f0对应的瑞雷波相速度c(f0)；重复上述步骤，计算其他频率f的瑞雷波相速度c(f)，最终可获得该节点下的频散曲线。
[0078]
所述的最小二乘法与零阶贝塞尔函数j0进行拟合的公式如下：
[0079]
ρ(r,f)＝j0(2πfr/c(f))
ꢀꢀ
(5)
[0080]
var＝∑[ρ(r)-j0(r)]2ꢀꢀ
(6)
[0081]
由于扩展自相关法保持频率f不变的方式来提取频散曲线，此时对于不同的r而言，贝塞尔函数的宗量2πf0r/c(f0)与r为线性关系，则不同距离r下的自相关系数可以联立起来，使得非规则台阵的处理成为可能。
[0082]
2.2、采用遗传算法反演剪切波速度结构
[0083]
如图5所示为遗传算法反演剪切波速度结构流程图，利用半波长理论将提取的频散曲线转化成一维剪切波速度结构模型，其计算公式如下：
[0084]
d＝0.5
×
c/f其中，c＝(0.9-0.95)vsꢀꢀ
(7)
[0085]
其中，d为瑞雷波传播的视深度，vs为剪切波速度；
[0086]
然后以剪切波速度作为反演目标，设定目标函数进行速度结构反演，使反演的剪切波速度结构更为准确地反应地下介质的真实情况；
[0087]
所述的目标函数的公式如下：
[0088][0089]
其中，e(mj)为第j代模型mj对应的目标函数，n为频点数，v
the
(i)为第i个频点的理论vs速度，v
obs
(i)为第i个频点的观测vs速度；
[0090]
重复上述步骤，直至遗传算法模型群体更新代数达到限定次数，从而得到反演的剪切波速度。
[0091]
所述的遗传算法的具体过程如下：
[0092]
1)对速度模型进行二进制编码，二进制码的各位相当于“基因”，可取值1或0；
[0093]
2)设定初始模型个数、编码长度、进化次数，然后随机生成模型，组成初始模型群体，使其均匀分布在整个模型空间中；
[0094]
3)根据概率对模型进行选择，ps高的模型个体被选中的概率高，ps低的模型个体被选中的概率低，直至模型空间中的子集都配对成功。其中，m表示模型，m为模型空间；
[0095]
4)将配对后的模型各编码参数设定一个交换概率p
x
，进行交换；
[0096]
5)设定一个变异概率pm，随机改变选定参数码中的某位“基因”；
[0097]
6)变异得到新模型后，计算新旧模型目标函数的拟合度。若新模型拟合度小，则根据一定的更新概率pu，用上一代中的模型取代新模型；重复上述步骤，直至模型群体更新代数达到限定次数，得到反演的剪切波速度。
[0098]
2.3、二维速度结构成像
[0099]
将各个节点地震仪的反演一维剪切波速度结构联合起来并网格化，利用最邻近插值法，对速度结构间空白节点的速度进行赋值，即在水平-垂直坐标系中将距离空白节点最近的速度值赋给该空白节点，最终可获得侧线下的二位速度剖面。
[0100]
3、根据二维速度剖面中低速体的分布确定不良地质体(空隙区、软弱层、水饱和区等)的位置，然后针对不良地质体的位置对相应的危险区域制订并实施针对性的防治措施。
[0101]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。