CN110376643B - 一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，属于旋喷桩检测技术领域，数据处理方法主要包括：提取数据，从微震监测***中提取旋喷过程中的震动信号；识别并过滤干扰数据，保存震动频率为30‑150Hz的震动波；旋喷震动区域定位，获得每一时间节点微震事件点的空间坐标；最大旋喷边界定位；最大旋喷边界提取；最大旋喷边界校准；获取旋喷桩径结果。本发明将多余波去除进而达到精准滤波的目的，能够更加精准的确定旋喷桩边界的位置，进行指导施工。
Description
技术领域
本发明涉及旋喷桩检测技术领域，特别涉及到一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法。
背景技术
微震监测技术与分析方法是现代计算机技术、现代通讯技术、GPS授时定位技术、地震学相关技术的综合集成，上世纪九十年代以来，这些技术得到了迅猛发展，因此，微震监测技术与分析方法近年来取得了突破性进展。加拿大、澳大利亚、美国、英国、南非以及波兰都已进行了微地震监测技术的研究，直到今天，经过不断对***改进和发展,各个类型的微震监测***也已经在国内多个领域如雨后春笋般地建立起来，为岩爆、冲击矿压、滑坡等动力灾害的防治提供了新的治理手段和技术。并且已经成为油气田勘探开发、矿产资源勘探与开采、水电站边坡建设、矿山露天开采以及其他重大岩石工程灾害监测与预报的重要手段。
在现有的旋喷桩施工技术中，由于高压水泥浆与土体碰撞释放的能量极为微弱，在地表布设监测点观测时，通常无法像定位人工勘探中较大***那样，在记录波形中提取破裂初至的波来进行传统定位，为此人们常常使用费用高昂、 施工复杂的高精度检波器和记录仪，来实施观测和传统定位。由于观测目标的释放的能量极为微弱，其震动传到地表的微震动极弱，所以，地表的多而杂的干扰噪音（如车辆、机械设备等发出的震动）相对于微破裂释放的微震动显得极强，从而存在无法从极强的干扰信号中识别和提取微震信号的问题，这也是现有的地表观测法尚未取得成功的主要原因。因此，亟需研发一种微震数据处理的方法，用简单易行、经济高效的地表观测法实施对地下微破裂的观测和定位。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，克服了现有技术的不足。通过算法对微震波进行分析与筛选，将微震检测数据进行处理进而确定旋喷桩径，解决微震源定位算法难以精准验证、传感器阵列对微震源定位精度影响难以灵活分析、近场能量计算公式与模型难以有效验证的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，其特征在于，基于微震传感器对旋喷施工过程的检测数据，采用如下步骤将微震检测数据进行处理进而确定旋喷桩径的方法：
步骤1：提取数据；从微震监测***中提取旋喷过程中的震动信号，主要包含震动信号的波形、频率、周期、时间点等频谱特征参数，在施工场地地表确定一固定点为坐标原点，建立空间直角坐标系，提取所有微震传感器的空间坐标、旋喷桩体设计中心轴线方程、设计的圆形引孔边界方程E1、无上覆荷载条件下旋喷钻机在该施工场地最软弱土层中采用最大极限能力产生的旋喷边界方程E2；
步骤2：识别并过滤干扰数据；根据高压液体在土体中产生冲击震动波的特性以及地表机械震动波的传播规律，将震动频率小于30Hz、大于150Hz的震动波去除，将震动频率为30-150Hz的震动波保留，确定以30-150Hz波段为旋喷浆液冲击土体产生的震动波，对30-150Hz波段的P波进行分析；
步骤3：旋喷震动区域定位；自旋喷开始至旋喷结束，根据每一个时间节点不同微震传感器接收的震动频谱特征参数，以及设定在该施工区域土层中震动信号的传播速度v0，其中获取至少6个不在同一水平面且不在同一垂直面上微震传感器接收的有效震动频谱特征参数；从同一个时间节点不同微震传感器产生的有效震动频谱特征参数中进行至少3次随机选择4组不同数据，根据4组数据的微震传感器的空间坐标和发生微震事件点的空间坐标相对长度L1，以及设定的震动信号的传播速度v0乘以微震传感器接收微震时间节点与发生微震事件点时间节点的时间差获取的长度L2，由L1与L2相等可获取发生微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，通过至少3次随机数据可获得至少3个微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，将不少于3个微震事件点的空间坐标进行算术平均即可获得该时间节点的微震事件点的空间坐标，即旋喷震动区域的位置；由此推广，可获得每一时间节点微震事件点的空间坐标；
步骤4：最大旋喷边界定位；旋喷过程中旋喷边界逐渐增大，直至达到最大边界处，旋喷浆液的冲击对土体不在产生切削作用；通过步骤3获得的每一时间节点微震事件点的空间坐标，计算每一时间节点微震事件点的空间坐标与旋喷桩体设计中心轴线方程的距离L3，按时间次序将L3依次排列；在同一时间节点附近，L3不再继续增大时，此时的L3即为最大旋喷边界距离旋喷桩体设计中心轴线的距离，因此当L3不再增大时的空间坐标即为最大旋喷边界；
步骤5：最大旋喷边界提取；根据步骤4，按时间次序将L3依次排列，将L3前后相邻数据进行大小比较；若后一组数据大于前一组数据，则删除前一组数据，直至出现后一组数据小于前一组数据，则同时保留该两组数据，采用后一组数据为起点，继续前后相邻数据进行大小比较；同样地，按照上述方法按顺序完成所有L3数据比较，将最终保留的时间节点和L3对应的时间节点和微震事件点的空间坐标提取出来，即为最大旋喷边界上的的空间坐标数据；
步骤6：最大旋喷边界校准；根据旋喷施工情况可知，旋喷桩体的边界应处于边界方程E1外侧，且处于边界方程E2内侧；根据该条件，将最大旋喷边界上的空间坐标数据中处于边界方程E1和边界方程E2之间及边界上的空间坐标保留，删除其余不满足条件的坐标；最终获得校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据；
步骤7：获取旋喷桩径结果；将校准后的最大旋喷边界上的的空间坐标数据进行插值并拟合形成边界曲面，即获取空间条件下旋喷桩径的结果。
优选地，所述微震传感器的空间坐标为微震传感器中心处的空间坐标，且微震传感器的空间坐标中的数据精度为1mm。
优选地，所述最大旋喷边界上的空间坐标数据以及校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据应达到设定的数据密度，在垂直方向每米应至少包含1000个最大旋喷边界上的空间坐标数据，且在垂直方向每米应至少包含500个校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据。
本发明所带来的有益技术效果：
（1）通过对波形、频率、周期、时间点的数据收集，建立复杂而全面的数据体系，有利于通过大数据得出可靠的数据规律；（2）通过对微震波的处理，将多余波过滤进而达到精准净化微震波的目的，能够跟家精准的确定旋喷桩边界的位置；（3）通过建立空间坐标系将波源数据化，将相互之间的传播建立方程式，从三维层间更加准确的定位旋喷区域；（4）通过数据对比，将时间节点和微震事件点的空间坐标提取出来，最终确定出空间条件下旋喷桩径大小。
附图说明
图1位本发明用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
采用本发明所述的处理方法，对模型旋喷桩的直径进行确定，具体过程如下：
如图1所示，一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，其特征在于，基于微震传感器对旋喷施工过程的检测数据，采用如下步骤将微震检测数据进行处理进而确定旋喷桩径的方法：
步骤1：提取数据；从微震监测***中提取旋喷过程中的震动信号，主要包含震动信号的波形、频率、周期、时间点等频谱特征参数，在施工场地地表确定一固定点为坐标原点，建立空间直角坐标系，提取所有微震传感器的空间坐标、旋喷桩体设计中心轴线方程、设计的圆形引孔边界方程E1、无上覆荷载条件下旋喷钻机在该施工场地最软弱土层中采用最大极限能力产生的旋喷边界方程E2；
步骤2：识别并过滤干扰数据；根据高压液体在土体中产生冲击震动波的特性以及地表机械震动波的传播规律，将震动频率小于30Hz、大于150Hz的震动波去除，将震动频率为30-150Hz的震动波保留，确定以30-150Hz波段为旋喷浆液冲击土体产生的震动波，对30-150Hz波段的P波进行分析；
步骤3：旋喷震动区域定位；自旋喷开始至旋喷结束，根据每一个时间节点不同微震传感器接收的震动频谱特征参数，以及设定在该施工区域土层中震动信号的传播速度v0，其中获取至少6个不在同一水平面且不在同一垂直面上微震传感器接收的有效震动频谱特征参数；从同一个时间节点不同微震传感器产生的有效震动频谱特征参数中进行至少3次随机选择4组不同数据，根据4组数据的微震传感器的空间坐标和发生微震事件点的空间坐标相对长度L1，以及设定的震动信号的传播速度v0乘以微震传感器接收微震时间节点与发生微震事件点时间节点的时间差获取的长度L2，由L1与L2相等可获取发生微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，通过至少3次随机数据可获得至少3个微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，将不少于3个微震事件点的空间坐标进行算术平均即可获得该时间节点的微震事件点的空间坐标，即旋喷震动区域的位置；由此推广，可获得每一时间节点微震事件点的空间坐标；
步骤4：最大旋喷边界定位；旋喷过程中旋喷边界逐渐增大，直至达到最大边界处，旋喷浆液的冲击对土体不在产生切削作用；通过步骤3获得的每一时间节点微震事件点的空间坐标，计算每一时间节点微震事件点的空间坐标与旋喷桩体设计中心轴线方程的距离L3，按时间次序将L3依次排列；在同一时间节点附近，L3不再继续增大时，此时的L3即为最大旋喷边界距离旋喷桩体设计中心轴线的距离，因此当L3不再增大时的空间坐标即为最大旋喷边界；
步骤5：最大旋喷边界提取；根据步骤4，按时间次序将L3依次排列，将L3前后相邻数据进行大小比较；若后一组数据大于前一组数据，则删除前一组数据，直至出现后一组数据小于前一组数据，则同时保留该两组数据，采用后一组数据为起点，继续前后相邻数据进行大小比较；同样地，按照上述方法按顺序完成所有L3数据比较，将最终保留的时间节点和L3对应的时间节点和微震事件点的空间坐标提取出来，即为最大旋喷边界上的的空间坐标数据；
步骤6：最大旋喷边界校准；根据旋喷施工情况可知，旋喷桩体的边界应处于边界方程E1外侧，且处于边界方程E2内侧；根据该条件，将最大旋喷边界上的空间坐标数据中处于边界方程E1和边界方程E2之间及边界上的空间坐标保留，删除其余不满足条件的坐标；最终获得校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据；
步骤7：获取旋喷桩径结果；将校准后的最大旋喷边界上的的空间坐标数据进行插值并拟合形成边界曲面，即获取空间条件下旋喷桩径的结果。
优选地，所述微震传感器的空间坐标为微震传感器中心处的空间坐标，且微震传感器的空间坐标中的数据精度为1mm。
优选地，所述最大旋喷边界上的空间坐标数据以及校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据应达到设定的数据密度，在垂直方向每米包含1500个最大旋喷边界上的空间坐标数据，且在垂直方向每米包含700个校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据。
实施例2：
应用本发明介绍的处理方法，在室外空旷场地上进行试验，设计旋喷桩直径为1.5m，深度为4m。
如图1所示，一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，其特征在于，基于微震传感器对旋喷施工过程的检测数据，采用如下步骤将微震检测数据进行处理进而确定旋喷桩径的方法：
步骤1：提取数据；从微震监测***中提取旋喷过程中的震动信号，主要包含震动信号的波形、频率、周期、时间点等频谱特征参数，在施工场地地表确定一固定点为坐标原点，建立空间直角坐标系，提取所有微震传感器的空间坐标、旋喷桩体设计中心轴线方程、设计的圆形引孔边界方程E1、无上覆荷载条件下旋喷钻机在该施工场地最软弱土层中采用最大极限能力产生的旋喷边界方程E2；
步骤2：识别并过滤干扰数据；根据高压液体在土体中产生冲击震动波的特性以及地表机械震动波的传播规律，将震动频率小于30Hz、大于150Hz的震动波去除，将震动频率为30-150Hz的震动波保留，确定以30-150Hz波段为旋喷浆液冲击土体产生的震动波，对30-150Hz波段的P波进行分析；
步骤3：旋喷震动区域定位；自旋喷开始至旋喷结束，根据每一个时间节点不同微震传感器接收的震动频谱特征参数，以及设定在该施工区域土层中震动信号的传播速度v0，其中获取至少6个不在同一水平面且不在同一垂直面上微震传感器接收的有效震动频谱特征参数；从同一个时间节点不同微震传感器产生的有效震动频谱特征参数中进行至少3次随机选择4组不同数据，根据4组数据的微震传感器的空间坐标和发生微震事件点的空间坐标相对长度L1，以及设定的震动信号的传播速度v0乘以微震传感器接收微震时间节点与发生微震事件点时间节点的时间差获取的长度L2，由L1与L2相等可获取发生微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，通过至少3次随机数据可获得至少3个微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，将不少于3个微震事件点的空间坐标进行算术平均即可获得该时间节点的微震事件点的空间坐标，即旋喷震动区域的位置；由此推广，可获得每一时间节点微震事件点的空间坐标；
步骤4：最大旋喷边界定位；旋喷过程中旋喷边界逐渐增大，直至达到最大边界处，旋喷浆液的冲击对土体不在产生切削作用；通过步骤3获得的每一时间节点微震事件点的空间坐标，计算每一时间节点微震事件点的空间坐标与旋喷桩体设计中心轴线方程的距离L3，按时间次序将L3依次排列；在同一时间节点附近，L3不再继续增大时，此时的L3即为最大旋喷边界距离旋喷桩体设计中心轴线的距离，因此当L3不再增大时的空间坐标即为最大旋喷边界；
步骤5：最大旋喷边界提取；根据步骤4，按时间次序将L3依次排列，将L3前后相邻数据进行大小比较；若后一组数据大于前一组数据，则删除前一组数据，直至出现后一组数据小于前一组数据，则同时保留该两组数据，采用后一组数据为起点，继续前后相邻数据进行大小比较；同样地，按照上述方法按顺序完成所有L3数据比较，将最终保留的时间节点和L3对应的时间节点和微震事件点的空间坐标提取出来，即为最大旋喷边界上的的空间坐标数据；
步骤6：最大旋喷边界校准；根据旋喷施工情况可知，旋喷桩体的边界应处于边界方程E1外侧，且处于边界方程E2内侧；根据该条件，将最大旋喷边界上的空间坐标数据中处于边界方程E1和边界方程E2之间及边界上的空间坐标保留，删除其余不满足条件的坐标；最终获得校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据；
步骤7：获取旋喷桩径结果；将校准后的最大旋喷边界上的的空间坐标数据进行插值并拟合形成边界曲面，即获取空间条件下旋喷桩径的结果。
优选地，所述微震传感器的空间坐标为微震传感器中心处的空间坐标，且微震传感器的空间坐标中的数据精度为1mm。
优选地，所述最大旋喷边界上的空间坐标数据以及校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据应达到设定的数据密度，在垂直方向每米包含2000个最大旋喷边界上的空间坐标数据，且在垂直方向每米包含800个校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据。
试验过程顺利，监测的实时数据显示，桩径最大为1.499m，对旋喷桩进行开挖，测量实际桩径，最大处为1.502m，最小处为1.498m，与监测数据吻合较好，充分说明本发明的数据处理方法可靠。
本发明一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，建立复杂而全面的数据体系，通过对微震波的处理，将多余波去除进而达到精准滤波的目的，能够跟家精准的确定旋喷桩边界的位置。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，其特征在于，基于微震传感器对旋喷施工过程的检测数据，采用如下步骤将微震检测数据进行处理进而确定旋喷桩径的方法：
步骤1：提取数据；从微震监测***中提取旋喷过程中的震动信号，震动信号包括频谱特征参数，所述频谱特征参数包括震动信号的波形、频率、周期、时间点，在施工场地地表确定一固定点为坐标原点，建立空间直角坐标系，提取所有微震传感器的空间坐标、旋喷桩体设计中心轴线方程、设计的圆形引孔边界方程E1、无上覆荷载条件下旋喷钻机在该施工场地最软弱土层中采用最大极限能力产生的旋喷边界方程E2；
步骤2：识别并过滤干扰数据；根据高压液体在土体中产生冲击震动波的特性以及地表机械震动波的传播规律，将震动频率小于30Hz、大于150Hz的震动波去除，将震动频率为30-150Hz的震动波保留，确定以30-150Hz波段为旋喷浆液冲击土体产生的震动波，对30-150Hz波段的P波进行分析；
步骤3：旋喷震动区域定位；自旋喷开始至旋喷结束，根据每一个时间节点不同微震传感器接收的震动频谱特征参数，以及设定在施工区域土层中震动信号的传播速度v0，其中获取至少6个不在同一水平面且不在同一垂直面上微震传感器接收的有效震动频谱特征参数；从同一个时间节点不同微震传感器产生的有效震动频谱特征参数中进行至少3次随机选择4组不同数据，根据4组数据的微震传感器的空间坐标和发生微震事件点的空间坐标相对长度L1，以及设定的震动信号的传播速度v0乘以微震传感器接收微震时间节点与发生微震事件点时间节点的时间差获取的长度L2，由L1与L2相等可获取发生微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，通过至少3次随机数据可获得至少3个微震事件点时间节点及发生微震事件点的空间坐标，将不少于3个微震事件点的空间坐标进行算术平均即可获得该时间节点的微震事件点的空间坐标，即旋喷震动区域的位置；由此推广，可获得每一时间节点微震事件点的空间坐标；
步骤4：最大旋喷边界定位；旋喷过程中旋喷边界逐渐增大，直至达到最大边界处，旋喷浆液的冲击对土体不在产生切削作用；通过步骤3获得的每一时间节点微震事件点的空间坐标，计算每一时间节点微震事件点的空间坐标与旋喷桩体设计中心轴线方程的距离L3，按时间次序将L3依次排列；在同一时间节点附近，L3不再继续增大时，此时的L3即为最大旋喷边界距离旋喷桩体设计中心轴线的距离，因此当L3不再增大时的空间坐标即为最大旋喷边界；
步骤5：最大旋喷边界提取；根据步骤4，按时间次序将L3依次排列，将L3前后相邻数据进行大小比较；若后一组数据大于前一组数据，则删除前一组数据，直至出现后一组数据小于前一组数据，则同时保留该两组数据，采用后一组数据为起点，继续前后相邻数据进行大小比较；同样地，按照上述方法按顺序完成所有L3数据比较，将最终保留的时间节点和L3对应的时间节点和微震事件点的空间坐标提取出来，即为最大旋喷边界上的的空间坐标数据；
步骤6：最大旋喷边界校准；根据旋喷施工情况可知，旋喷桩体的边界应处于边界方程E1外侧，且处于边界方程E2内侧；根据该条件，将最大旋喷边界上的空间坐标数据中处于边界方程E1和边界方程E2之间及边界上的空间坐标保留，删除其余不满足条件的坐标；最终获得校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据；
步骤7：获取旋喷桩径结果；将校准后的最大旋喷边界上的的空间坐标数据进行插值并拟合形成边界曲面，即获取空间条件下旋喷桩径的结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，其特征在于，所述微震传感器的空间坐标为微震传感器中心处的空间坐标，且微震传感器的空间坐标中的数据精度为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于旋喷桩径检测的微震效应数据处理方法，其特征在于，所述最大旋喷边界上的空间坐标数据以及校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据应达到设定的数据密度，在垂直方向每米应至少包含1000个最大旋喷边界上的空间坐标数据，且在垂直方向每米应至少包含500个校准后的最大旋喷边界上的空间坐标数据。
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