矿山微震事件定位及聚类分析系统研究与实现

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作为煤炭开采大国,我国每年开采着全球35%的煤炭资源,但因为煤矿动力灾害造成的伤亡人数却高达全球伤亡人数的50%以上。为了煤矿安全生产需要,实时监测矿区内能量变化,微震监测系统得到越来越广泛的应用。随着研究的深入和应用的普及,安全生产形势正在逐年向好发展。利用微震监测系统自动拾取的实时微震数据,可以进行诸如反演微震源参数、研判地质结构、判别形成机理等研究,其中微震事件定位是微震监测系统的核心部分和研究重点,由于监测环境复杂,制约因素多且具有相关性,现有的定位算法精度仍有待提高;同时,由于微震事件形成机理不同,监测系统接收的微震信号也会呈现不同的特征,可以采用聚类分析算法对系统自动识别的微震信号进行类别划分,为下一步的灾害预警、复工复产提供理论依据。经分析,本文研究并实现了矿山微震事件定位及聚类分析系统,采用B/S架构,实现四大功能模块,即数据预处理模块、微震事件定位模块、微震事件聚类模块和结果可视化模块,并在辽宁和山西部分矿区得以实际应用。数据预处理模块实现数据读取、能量比法到时拾取和微震事件截取并存储功能。微震事件定位模块包括传统定位模块和定位修正模块。传统定位模块中实现了三台定位和主事件定位,其中三台定位可以用于监测台站触发数量大于等于3时,对微震事件进行粗定位;主事件定位可以用于监测台站触发数量大于等于4且主事件明确情况下,对微震事件进行相对定位;为了进一步提高定位精度,本系统实现了定位修正模块,该模块提出并实现了基于LCM的改进粒子群定位修正算法,该算法在传统算法定位结果的基础上,利用Logistic混沌映射将初始粒子群均匀映射到解空间,而后采用动态惯性权重的粒子群算法,迭代寻找最优解,最终实现定位结果的优化修正。微震事件聚类模块中提出并实现了基于DTW的改进K-means微震事件聚类算法,该算法充分考虑微震信号的时间序列特性,采用DTW距离作为信号间的相似性度量,消除了波形漂移误差,并改进K-means算法的质心更新策略,采用与DTW特性相结合的DBA质心更新方法,迭代优化聚类中心的更新过程。结果可视化模块实现了微震事件定位结果和微震事件聚类结果的可视化展示。通过实验表明,改进的粒子群定位修正算法能够达到定位修正的目的,提高了系统的定位精度,改进的K-means聚类算法,能够充分利用微震信号的波形特征,实现精度相对较高的微震事件聚类。
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