УДК 550.8.08

 

Применение робастных фазовых алгоритмов

для выявления сейсмической эмиссии

в районе проведения взрывных работ в шахтах

 

© 2018 г. А.В. Варыпаев1, И.А. Санина1, А.Б. Чулков1, А.Ф. Кушнир2

 

1 Институт динамики геосфер РАН, г. Москва, Россия

2 Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.В. Варыпаев, e-mail: avalex89@gmail.com

 

Аннотация

Разработаны алгоритмы многоканальной обработки записей сейсмических групп, позволяющие детектировать сигналы слабых сейсмических событий, наблюдаемых на фоне естественных сейсмических помех. В основе алгоритма детектирования сигналов слабых сейсмических событий лежит оценка меры когерентности продольных волн (P-волн), регистрируемых малоапертурными группами. Преимущество такого алгоритма перед известным одноканальным детектором STA/LTA заключается в возможности обнаруживать временные интервалы P-волн с отношением сигнал/помеха (SNR), меньшим единицы. По временным интервалам записей группы, где фиксируются превышающие определённый порог значения меры когерентности, оценивается вектор кажущейся медленности с помощью робастного к помехам фазового алгоритма бимформинга [Zhang et al., 2008; Kushnir, Varypaev, 2017]. Разработанная методика многоканальной обработки была апробирована на реальных сейсмических записях малоапертурной группы, установленной в районе Курской магнитной аномалии, непосредственно вблизи горных выработок по добыче железной руды. В течение 20 ч сейсмических записей были обнаружены сигналы как сильных (подземные промышленные взрывы), так и слабых сейсмических событий. В некоторых случаях удалось показать, что сейсмические события имеют сложный механизм очага. С помощью фильтра Кейпона [Capon, 1969] установлена схожесть (с точностью до знака вступления) P-волн слабых сейсмических событий, длительность которых не превышает 0.2 с, а временная форма подобна известной функции импульса Рикера [Bording, 1996].

 

Ключевые слова: слабое сейсмическое событие, малоапертурная группа, детектирование сигналов, фильтр Кейпона, микросейсмический мониторинг

 

Цитируйте эту статью как: Варыпаев А.В., Санина И.А., Чулков А.Б., Кушнир А.Ф. Применение робастных фазовых алгоритмов для выявления сейсмической эмиссии в районе проведения взрывных работ в шахтах // Сейсмические приборы. 2018. Т. 54, № 2. C.33–48. DOI: 10.21455/si2018.2-3

 

 

Литература

 

Кушнир А.Ф. Статистические и вычислительные методы сейсмического мониторинга. М.: URSS, 2012. 464 с.

Bording P. Seismic Wave Propagation – Modeling and Inversion. Tulsa, Oklahoma: Society of Exploration Geophysics, 1996.

Capon J. High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis // Proceedings of the IEEE. 1969. V. 57. P.1408–1418.

Capon J. Signal processing and frequency-wavenumber spectrum analysis for a large aperture seismic array // Methods in Computational Physics. Academic Press, 1973. P.2–59.

Cros E., Roux P., Vandemeulebrouck J., Kedar S. Locating hydrothermal acoustic sources at Old Faithful Geyser using Matched Field Processing // Geophys. J. Int. 2011. V. 187, N 1. P.385–393. DOI: 10.1111/J.1365-246X.2011.05147.X

Davies D., Kelly E.J., Filson J.R. Vespa process for analysis of seismic signals // Nature Phys. Sci. 1971. V. 232. P.8–13.

Droznin D., Shapiro N., Droznina S., Senyukov S., Chebrov V., Gordeev E. Detecting and locating volcanic tremors on the Klyuchevskoy group of volcanoes (Kamchatka) based on correlations of continuous seismic records // Geophys. J. Int. 2015. V. 203. P.1001–1010. DOI: 10.1093/ gji/ggv342

Duncan P.M., Lakings J.D., Flores R.A. Method for passive seismic emission tomography: US Patent #7,663,970. 2010.

Eisner L., Williams-Stroud S., Hill A., Duncan P., Thornton M. Beyond the dots in the box: Microseismicity-constrained fracture models for reservoir simulation // The Leading Edge. 2010. V. 29, N 3. P.326–333.

Hannan E.J. Multiple Time Series Analysis. New York: John Willey and Sons, Inc. 1970. 536 p.

Jollife I. Principal component analyses. Springer-Verlag, 1986. 271 p. (Springer series in statistics).

Kiselevitch V.L., Nikolaev A.V., Troitskiy P.A., Shubik B.M.: Emission tomography: main ideas, results, and prospects // 61st Annual International Meeting, SEG, Expanded Abstracts, 1991. 1602.

Kushnir A.F., Varypaev A.V. Robustness of statistical algorithms for location of microseismic sources based on surface array data // Comp. Geoscience. 2017. V. 21, N 3. P.459–477. DOI: 10.1007/ s10596-017-9623-6

Kushnir A.F., Varypaev A.V., Rozhkov M.V., Epiphansky A.G., Dricker I. Determining the microseismic event source parameters from the surface seismic array data with strong correlated noise and complex focal mechanisms of the source // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2014. V. 50, N 3. P.334–354. https://doi.org/10.1134/S1069351314030033

Kushnir A., Varypaev A., Dricker I., Rozhkov M., Rozhkov N. Passive surface microseismic monitoring as a statistical problem: location of weak microseismic signals in the presence of strongly correlated noise // Geophysical Prospecting. 2014. V. 62, N 4. P.819–833.

Lyubushin A. Global seismic noise synchronization and seismic danger // Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Istanbul, Aug. 25–29, 2014.

Malovichko D.A., Lynch R.A. Micro-seismic monitoring of open-pit slopes // Mining Echo. 2006. V. 24, N 2. P.21–30.

Maochen Ge. Efficient mine microseismic monitoring // Internat. J. Coal Geol. 2005. V. 64. P.44–56.

Marple S. Digital Spectral Analysis. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, Inc. 1985. 492 p. (Prentice Hall Signal Processing Series).

Posmentier E.S., Herrmann R.W. Cophase: An ad hoc array processor // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P.2194–2201.

Zhang C., Florêncio D., Ba D.E., Zhang Z. Maximum likelihood sound source localization and beam forming for directional microphone arrays in distributed meetings // IEEE Trans. Multimedia. 2008. V. 10, N 3. P.538–548.

 

Сведения об авторах

 

ВАРЫПАЕВ Александр Вячеславович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 1. Тел.: +7(495) 939-75-82. E-mail: avalex89@gmail.com

 

ЧУЛКОВ Алексей Борисович – ведущий инженер, Институт динамики геосфер РАН. 119334, Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 1. Тел.: +7(495) 939-75-82. E-mail: alxchl@yandex.ru

 

САНИНА Ирина Альфатовна – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 1. E-mail: irina@idg.chph.ras.ru

 

КУШНИР Александр Фёдорович – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН. 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7 (495) 333-34-01. E-mail: afkushnir@gmail.com

 

METADATA IN ENGLISH

 

About the journal

SEISMICHESKIE PRIBORY, ISSN: 0131-6230, eISSN: 2312-6965, DOI: 10.21455/si,

http://elibrary.ru/title_about.asp?id=25597

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

https://link.springer.com/journal/11990

 

Application of robust phase algorithms

for seismic emission recognition in region

of mine explosions

 

A.V. Varypaev1, I.A. Sanina1, A.B. Chulkov1, A.F. Kushnir2

 

1 Institute of Geosphere Dynamics RAS, Moscow, Russia

2 Institute of Earthquake Prediction Theory and Mathematical Geophysics, RAS, Moscow, Russia

Corresponding author: A.V. Varypaev, e-mail: avalex89@gmail.com

 

Abstract. Multichannel signal processing algorithms have been developed, which allow detecting signals of weak seismic events observed against the background of natural seismic noise. The algorithms of weak seismic signal detection are based on the estimation of coherence measure of P-waves, recorded by a small aperture array. The advantage of these algorithms over the known single-channel STA/LTA detector is the ability to detect time intervals of P-waves with a signal-to-noise ratio (SNR) less than one. Using the robust to noise phase bimforming algorithm [Zhang et al., 2008; Kushnir, Varypaev, 2017], an apparent slow-motion vector can be then estimated by the revealed time intervals of the seismic records, where the values of the coherence measure exceed a certain threshold. The developed multichannel signal processing algorithms were tested with the real seismic records by a small aperture array, deployed in the area of the Kursk Magnetic Anomaly, directly near the mining facilities for extraction of iron ore. Within 20 hours of seismic records, signals were revealed of both strong (underground mine explosions) and weak seismic events. In some cases it was possible to show that seismic events have a complex focal mechanism. On the basis of the optimal Capon filter [Capon, 1969] we have discovered the similarity (up to sign) of P-waves generated by the different weak events, the duration of which does not exceed 0.2 s and the shape is similar to the known function of the Ricker pulse [Bording, 1996].

 

Keywords: weak seismic event, small aperture array, signal detection, Capon filter, microseismicity monitoring.

 

About the authors

 

VARYPAEV Alexander Vyacheslavovich – Senior Researcher Institute of Geopheres Dynamics of the Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, building 1. Phone: +7(495) 939-75-82. E-mail: avalex89@gmail.com

 

CHULKOV Alexey Borisovich – Lead engineer, Institute of Geopheres Dynamics of the Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, building 1. Phone: +7(495) 939-75-82. E-mail: alxchl@yandex.ru

 

SANINA Irina Alfatovna – Head of the laboratory Institute of Geopheres Dynamics of the Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, building 1. Phone: +7(495) 939-75-82. E-mail: irina@idg.chph.ras.ru

 

KUSHNIR Alexander Fedorovich – Leading Researcher, Institute of Theory of Earthquake Prediction and Mathematical Geophysics of the Russian Academy of Sciences. 117997, Moscow, Profsoyuznaya street, 84/32. Phone: +7(495) 333-34-01. E-mail: afkushnir@gmail.com

 

Cite this article as: Varypaev A.V., Sanina I.А., Chulkov A. B., Kushnir A.F. Application of robust phase algorithms for seismic emission recognition in region of mine explosions. Seismicheskie Pribory, 2018, Vol. 54, no 2, pp. 33-48. (in Russ.). DOI: 10.21455/si2018.2-3

 

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2019, Volume 55, Issue 2.