微震监测台网定位精度三维数值模拟方法、装置和存储介质与流程

1.本发明涉及微震定位技术领域，尤其涉及微震监测台网定位精度三维数值模拟方法、装置和存储介质。


背景技术：

2.微震监测台网是指由微震传感器在空间上形成的一个定位网络，每个传感器代表一个监测点，由四个以上的监测点组成的微震监测台网可以实现对震源的定位功能。在实际应用过程中为了使得设计的微震监测台网尽可能达到监测目标与保障震源定位精度，需要对微震监测台网进行数值模拟计算。传统的技术方案是通过协方差矩阵以及地震波到时误差来模拟微震监测台网的理论定位精度，可以得到x-y平面的定位误差分析云图，或者x-z平面以及y-z平面定位误差分析云图，这是一种二维误差分析云图。在实际应用过程中需要对某个区域多个角度进行切剖面来分析微震监测台网的理论定位精度。
3.如中国发明专利授权公告号cn114814940b提出的微震监测台网评价方法、装置、电子设备及介质，说明书附图2和附图3均为二维分析云图，学术论文苗勇刚,张长锁,夏志远等.某铜矿微震监测系统台网设计及精度分析[j].有色金属(矿山部分),2020,72(06):30-35.中的图5定位精度灵敏度分析提供分析云图为二维分析云图。
[0004]
上述专利和论文公开的方案只能提供微震监测台网精度二维分析云图，因而在实际应用过程中需要建立空间几何约束体，约束二维分析面的长、宽、高、倾角和方位角，从而计算该平面上微震监测定位理论定位精度，并以此类推建立多个二维平面分析云图开展定位精度的数值模拟分析工作，整个过程比较繁琐，而且需要一定的空间想象力才能理解微震监测台网的设计是否满足要求。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的就是提出一种微震监测台网定位精度三维数值模拟方法、装置和存储介质，实现微震监测台网定位精度分析三维可视化云图，可以查看分析区域内任意位置的三维理论定位误差值。
[0006]
本发明的技术方案是：微震监测台网定位精度三维数值模拟方法，包括以下步骤：(1)、建立空间几何体：所述空间几何体包括矿体三维模型、工程巷道三维模型和监测点三维模型，所述矿体三维模型建立方法如下：首先通过将地质钻孔数据导入到矿业三维软件中生成钻孔模型、其次通过矿石品位数据圈定矿体边界线并形成地质剖面，最后将地质剖面连成封闭曲面并封装成实体；所述工程巷道三维模型建立方法如下：首先将矿山的实测巷道二维平面图纸导入到矿业三维软件中，其次在矿业三维软件中对二维平面图纸赋予高程信息，最后通过矿业三维软件中巷道建模工具将二维平面巷道生产三维巷道模型；所述监测点三维模型建立方法如下：首先在矿业三维软件中设计一个标准的传感器模型，传感器模型中心点坐标即为监测点坐标，其次在二维平面图纸上设计监测台网的监测点位置并确定监测点的三维坐标并形成监测台网的所有监测点的三维坐标信息excel表，最后将三
维坐标信息excel表导入矿业三维软件中生成监测点的三维模型；(2)、计算微震监测台网定位精度：对相关参数进行预先设定，相关参数包括地震波p波波速vp＝5500m/s，p波到时误差方差为2.5ms，p波波速方差为2.5，假设未知震源参数为：x＝(t0，x0，y0，z0)
t
式中：t0，x0，y0，z0分别为地震事件发生的时间和三维坐标，震源x的协方差矩阵c
x
：c
x
＝k(a
t
a)-1
式中：k是常数；其中a为协方差矩阵，ti是计算得到的地震到时，n是监测台网内监测传感器编号，n≥4，基于上述协方矩阵计算定位震源理论定位误差的期望值，并对每个假定监测区域重复上述计算，最终得到目标区域的震源定位误差分布图；(3)、三维可视化计算结果：监测区域约束，在三维视图中针对分析区域进行边界约束，在x、y、z三个方向的边界坐标进行约束；为了对分析目标区域进行详细计算需要对网格尺寸进行设置，x间距、y间距、z间距用来设置网格尺寸大小；在三维视图中对目标区域进行网格化划分，然后再一次对每个网格的理论定位误差按照步骤(2)的方法进行数值计算；将数值计算的结果通过点-线-面的建模顺序依次，将定位误差一致的点连成线，形成分层的二维线图，再次将二维线图连接成曲面；通过定位误差范围及颜色显示设置来调节定位云图的显示范围。
[0007]
上述方案中所述步骤(3)中的网格尺寸为10m的立方体。
[0008]
上述方案中所述步骤(3)中颜色显示设置是用对应的颜色来表示误差的大小。
[0009]
微震监测台网定位精度三维数值模拟装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的可执行程序，所述处理器执行可执行程序通过处理软件和三维可视化程序以实现如上所述的方法的步骤。
[0010]
计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0011]
本发明的有益效果是可以三维展示台网分析结果，相比二维分析结果更加直观，可以方便技术人员快速掌握设计监测台网是否满足地压监测的需求，进而提高工作效率。
附图说明
[0012]
图1是本发明的三维模型建立效果示意图；
[0013]
图2是本发明的台网优化分析功能设置界面示意图；
[0014]
图3是本发明的分析区域三维网格化划分示意图；
[0015]
图4是本发明的台网分析三维可视化显示结果示意图；
[0016]
图5是本发明的微震监测台网定位精度三维数值模拟装置示意图；
[0017]
图中，1-1、矿体三维模型，1-2、工程巷道三维模型，1-3、监测点三维模型，2-1、监测台网坐标与计算结果保存路径，2-2、监测区域三维边界约束与网格尺寸，2-3、三维视图与二维视图切换，2-4、定位精度计算相关参数设置，2-5、定位精度云图三维颜色显示设置，3-1、三维网格，4-1、三维定位误差云图，4-2、定位误差范围及颜色显示设置，501、客户端电脑，5011、处理软件，5012、三维可视化程序，502、存储器，5021、可执行程序。
具体实施方式
[0018]
下面结合实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0019]
本发明所述的一种微震监测台网定位精度三维数值模拟方法、装置和存储介质具体实现方案如下：
[0020]
(1)建立空间几何体
[0021]
建立空间分析几何体，包括矿体三维模型1-1、工程巷道三维模型1-2以及监测点三维模型1-3，如图1所示。矿体三维模型建立方法：首先通过将地质钻孔数据导入到矿业三维软件中生成钻孔模型、其次通过矿石品位数据圈定矿体边界线并形成地质剖面，最后将地质剖面连成封闭曲面并封装成实体。工程巷道三维模型建立方法：首先将矿山的实测巷道二维平面图纸导入到矿业三维软件中，其次在矿业三维软件中对二维平面图纸赋予高程信息，最后通过矿业三维软件中巷道建模工具将二维平面巷道生产三维巷道模型。监测点三维模型：首先在矿业三维软件中设计一个标准的传感器模型，传感器模型中心点坐标即为监测点坐标，其次在二维平面图纸上设计监测台网的监测点位置并确定监测点的三维坐标并形成监测台网的所有监测点的三维坐标信息excel表，最后将三维坐标信息excel表导入矿业三维软件中生成监测点的三维模型。
[0022]
(2)监测台网定位精度计算方法
[0023]
目前微震监测技术在实际应用过程中采用的是均值速度模型，因此在计算震源位置时主要的影响因素为地震波到时误差和空间监测台网的分布情况。所以在给定速度模型时，优化事件定位问题等价于对地震站网的空间分布的分析，以保证在震源定位过程中随机误差值降到最小。
[0024]
在计算震源误差时需要对相关参数进行预先设定，这些参数包括地震波p波波速vp＝5500m/s，p波到时误差方差为2.5ms，p波波速方差为2.5，如图2中的监测台网坐标与计算结果保存路径2-1、监测区域三维边界约束与网格尺寸2-2、三维视图与二维视图切换2-3、定位精度计算相关参数设置2-4、定位精度云图三维颜色显示设置2-5所示。
[0025]
假设未知震源参数为：x＝(t0,x0,y0,z0)
t
式中：t0，x0，y0，z0分别为地震事件发生的时间和三维坐标。
[0026]
震源x的协方差矩阵c
x
：
[0027]cx
＝k(a
t
a)-1
式中：k是常数；
[0028][0029]
其中a为协方差矩阵，ti是计算得到的地震到时，n是监测台网内监测传感器编号。
[0030]
该协方差可以用置信椭球体进行图形解释，即协方差矩阵的特征值构成置信椭球主轴的长度。找寻该椭球体最小体积的测站布置，即称之为台网优化设计。
[0031]
根据震源定位求解的要求，至少需要4支监测传感器检测到了地震波才可以计算震源的微震和发生的时刻，因此n≥4。基于上述协方矩阵计算定位震源理论定位误差的期望值，并对每个假定监测区域重复上述计算，最终得到目标区域的震源定位误差分布图。
[0032]
(3)三维可视化计算结果
[0033]
根据步骤(2)可以得到理论计算得到的震源误差数值，但是为了可视化展现定位误差云图还需要在三维软件中进行图像处理。图像处理的方法如下：
[0034]
①
监测区域约束，在三维视图中针对分析区域进行边界约束，如图2中的监测区域三维边界约束与网格尺寸2-2所示，在x、y、z三个方向的边界坐标进行约束，这个需要结合目标分析区域大小、方位、倾角来确定；
[0035]
②
为了对分析目标区域进行详细计算需要对网格尺寸进行设置，如图2中的监测区域三维边界约束与网格尺寸2-2所示x间距、y间距、z间距可以用来设置网格尺寸大小，如图3所述，三维网格3-1一般设置为10m的立方体，,也可以调大或调小可根据监测目标的震源类型来确定。
[0036]
③
如图3所示在三维视图中对目标区域进行网格化划分，然后再一次对每个网格的理论定位误差按照步骤(2)的方法进行数值计算。
[0037]
④
将数值计算的结果通过点-线-面的建模顺序依次，将定位误差一致的点连成线，形成分层的二维线图，再次将二维线图连接成曲面，如图4所示。
[0038]
⑤
在图4中可以通过定位误差范围及颜色显示设置4-2来调节定位云图的显示范围，例如可以显示10m定位误差的范围，也可以显示5m定位误差的范围，同时用对应的颜色来表示误差的大小。
[0039]
上述实现方案包括的装置有客户端电脑、存储器和应用程序构成。客户端电脑和应用程序的运行装置如图5所示，至少包含一个处理软件5011、三维可视化程序5012、存储器和至少一个可执行程序5021。通过客户端电脑、存储器、分析软件及应用程序实现微震监测台网优化分析。
[0040]
本发明关键点是基于三维矿业软件建立三维化目标分析模型，将监测台网的监测点三维坐标信息导入到分析软件中，基于协方差矩阵计算三维网格内理论定位误差的期望值，进一步通过“点-线-面”的三维可视化建图方法实现了台网优化计算的可视化分析与展示。

技术特征：
1.微震监测台网定位精度三维数值模拟方法，其特征是：包括以下步骤：(1)、建立空间几何体：所述空间几何体包括矿体三维模型、工程巷道三维模型和监测点三维模型，所述矿体三维模型建立方法如下：首先通过将地质钻孔数据导入到矿业三维软件中生成钻孔模型、其次通过矿石品位数据圈定矿体边界线并形成地质剖面，最后将地质剖面连成封闭曲面并封装成实体；所述工程巷道三维模型建立方法如下：首先将矿山的实测巷道二维平面图纸导入到矿业三维软件中，其次在矿业三维软件中对二维平面图纸赋予高程信息，最后通过矿业三维软件中巷道建模工具将二维平面巷道生产三维巷道模型；所述监测点三维模型建立方法如下：首先在矿业三维软件中设计一个标准的传感器模型，传感器模型中心点坐标即为监测点坐标，其次在二维平面图纸上设计监测台网的监测点位置并确定监测点的三维坐标并形成监测台网的所有监测点的三维坐标信息excel表，最后将三维坐标信息excel表导入矿业三维软件中生成监测点的三维模型；(2)、计算微震监测台网定位精度：对相关参数进行预先设定，相关参数包括地震波p波波速vp＝5500m/s，p波到时误差方差为2.5ms，p波波速方差为2.5，假设未知震源参数为：x＝(t0，x0，y0，z0)
t
，式中：t0，x0，y0，z0分别为地震事件发生的时间和三维坐标，震源x的协方差矩阵c
x
：c
x
＝k(a
t
a)-1
，式中：k是常数；其中a为协方差矩阵，ti是计算得到的地震到时，n是监测台网内监测传感器编号，n≥4，基于上述协方矩阵计算定位震源理论定位误差的期望值，并对每个假定监测区域重复上述计算，最终得到目标区域的震源定位误差分布图；(3)、三维可视化计算结果：监测区域约束，在三维视图中针对分析区域进行边界约束，在x、y、z三个方向的边界坐标进行约束；为了对分析目标区域进行详细计算需要对网格尺寸进行设置，x间距、y间距、z间距用来设置网格尺寸大小；在三维视图中对目标区域进行网格化划分，然后再一次对每个网格的理论定位误差按照步骤(2)的方法进行数值计算；将数值计算的结果通过点-线-面的建模顺序依次，将定位误差一致的点连成线，形成分层的二维线图，再次将二维线图连接成曲面；通过定位误差范围及颜色显示设置来调节定位云图的显示范围。2.如权利要求1所述的微震监测台网定位精度三维数值模拟方法，其特征是：所述步骤(3)中的网格尺寸为10m的立方体。3.如权利要求1所述的微震监测台网定位精度三维数值模拟方法，其特征是：所述步骤(3)中颜色显示设置是用对应的颜色来表示误差的大小。4.微震监测台网定位精度三维数值模拟装置，其特征是：包括：存储器和处理器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的可执行程序(5021)，所述处理器执行可执行程序通过处理软件(5011)和三维可视化程序(5012)以实现如权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。5.计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了微震监测台网定位精度三维数值模拟方法、装置和存储介质，包括以下步骤：(1)、建立空间几何体；(2)、计算微震监测台网定位精度；(3)、三维可视化计算结果。本发明的有益效果是本发明提出的技术方法和装置可以三维展示台网分析结果，相比二维分析结果更加直观，可以方便技术人员快速掌握设计监测台网是否满足地压监测的需求，进而提高工作效率。进而提高工作效率。进而提高工作效率。


技术研发人员：盛欢 张君 张鲁斌 苏卫宏 潘敏 吴承刚 吕凌 邓一飞 陈东友
受保护的技术使用者：铜陵有色金属集团股份有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/14