矿区越界开采定位监测算法的研究与实现

摘要

矿区越界开采是一种普遍存在的违法行为，往往隐蔽性较强且容易造成重大安全事故。为了矿区的安全生产，为了矿区的合法利益，监管部门非常需要具有高精度且监测时间短的设备用以对矿区进行实时地监测，以便及时有效地发现越界开采行为。在矿区越界开采行为定位监测中，震源的坐标以及震源的发生时间均是需要求解的，因此求解它们是越界开采定位监测的重点。这就必须在地层微震监测技术的基础上，对越界开采定位反演算法进行深入地研究。论文针对越界开采定位反演问题从越界开采事件地识别，波速提取方案，正演地层模拟，定位反演算法，检波器布阵方案和系统工程实践等方面进行研究与实践。依据以上路线展开研究工作并取得以下成果：　　1.通过研究矿区越界开采爆破定位的基本原理及其信号特性，得出越界开采爆破信号在信号波形特征，能量曲线，波频率，brune曲线等方面的规律，提出了越界开采事件与一般微震事件的识别方法和P波波速的提取方法。最后针对现有微震定位算法的不足提出新的GA-DAMPSO算法策略，为越界开采定位反演奠定理论基础。　　2.研究越界开采事件的地层正演模拟过程。通过研究地层正演技术核心理论之一的射线追踪正演方法，提出改进型的网格射线追踪正演法。并对射线追踪算法中的射线出射角求取方法进行改进，使其适应复杂地层模型中的射线出射角的搜索，形成新二分搜索法。最后仿真实现了基于网格射线追踪法的越界开采爆破事件的正演模拟过程。为后续章节的定位反演算法验证和布阵研究提供仿真参数。　　3.研究了越界开采定位监测反演算法。提出了GA-DAMPSO算法理论，用以反演越界开采的爆破点位置和越界开采时间。论文详细阐述了GA-DAMPSO算法的理论基础和数学实现过程，最后利用 Sphere、Ackley、Griewank、Noise、Rosenbrock和 Rastrigin等算法基准测试函数，分别从算法执行能力，局部脱困能力，全局寻优能力，运行效率，抗噪声能力等方面对GA-DAMPSO算法进行综合的验证测试。通过大量测试数据和测试图形，来证明GA-DAMPSO有效性与可靠性。　　4.论文应用GA-DAMPSO算法进行反演程序设计，结合第三章中网格射线追踪正演所得出的P波波速等参数指标，加入高斯噪声对反演系统进行干扰，仿真验证算法定位能力和抗噪能力。同时对矿区越界开采定位系统的检波器布阵方案进行仿真研究，提出了几种合理有效的检波器布阵方案。　　5.将研究成果投入到实际工程中。通过野外实际工程实践中的良好表现，证明论文提出的GA-DAMPSO算法和布阵方案在实际煤矿越界开采定位监测中既精确又稳定，能有效地提高越界开采定位监测的准确性，具有很高的应用价值。　　最后，对论文研究成果进行总结，同时对以后继续深入研究的问题提出了展望。

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第一章 绪论

§1.1 课题的研究背景和意义

§1.2 越界开采定位监测技术研究现状

§1.3 论文研究内容与结构安排

第二章 越界开采定位原理

§2.1 微震信号特性

§2.2 越界开采爆破事件识别

§2.3 越界开采事件拾取

§2.4 P波速度模型的建立

§2.5 越界开采定位方法

§2.6 本章小结

第三章 基于网格射线追踪正演研究

§3.1 两点射线追踪

§3.2 网格射线追踪正演模拟

§3.3 本章小结

第四章 越界开采定位反演算法研究

§4.1 动态自适应遗传变异粒子群算法（GA-DAMPSO）

§4.2 GA-DAMPSO算法验证

§4.3本章小结

第五章 定位算法仿真测试以及检波器布阵研究

§5.1 布阵方案

§5.2 计算机数值模拟实验及分析

§5.3 本章小结

§第六章 越界开采定位算法工程实践

§6.1 越界开采定位监测系统设计

§6.2试验区情况

§6.3 越界开采监测试验区施工

§6.4 试验区越界开采定位结果及分析

第七章 总结与展望

§7.1 总结

§7.2 展望

参考文献

致谢

在读期间主要研究成果