[发明专利]一种隧道围岩微震波速的获取方法

权利要求书

1.一种隧道围岩微震波速的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.在隧道施工掌子面后方布置n个微震检测传感器，n≥4；

b.采用人工爆破事件为震源位置，收集微震检测传感器接收范围内的岩体破裂的波形信号，定义所有传感器的观测到时与计算到时的累积绝对差值为震源波速反演的目标函数；

c.假定微震定位空间有多个粒子，并假定各个粒子的质量与多维波速向量；

d.以各粒子的多维波速向量计算目标函数，记录得到的最小目标函数值及对应最小目标函数值的多维波速向量；

e.判断最小目标函数值是否小于规定的规定量值ε，若最小目标函数值小于规定量值ε，则对应最小目标函数值的多维波速向量为最终获取的波速，若最小目标函数值不小于规定量值ε，则更新各粒子的多维波速向量，重新计算目标函数值，至最小目标函数值小于规定量值ε为止；

所述步骤e中各粒子的多维波速向量的更新采用引力搜索算法进行。

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩微震波速的获取方法，其特征在于：所述的规定量值ε，其范围为1e-4到1e-5。

3.根据权利要求1或2所述的隧道围岩微震波速的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

a在隧道施工掌子面后方布置n个微震监测传感器，n≥4；

b采用人工爆破事件，以人工爆破事件位置为震源，建立隧道空间坐标系，定义所有传感器的观测到时与计算到时的累积绝对差值为震源波速反演的目标函数，所述目标函数的计算公式如下：

式1中，fit为到时的累积绝对差值，n为传感器数量；t_i为第i个传感器的观测到时，上标p,s为P波或S波，t₀为震源的初始发震时刻，R_i/V为计算走时，R_i代表震源位置与第i个传感器位置的距离；v_i代表震源与第i个传感器传播路径上的微震波速，对于所有的传感器则有微震波速向量V；

c假定隧道空间有N个粒子，每个粒子代表一种可能的微震波速模型，在初始时刻，每个粒子有质量M_i和n维波速向量V_i；

M＝(M₁,...,M_i,...,M_N)，(i＝1,2,...,N) (2)

式2代表有N个具有质量的粒子，式3代表每个粒子具有n维的波速，其中，表示第i个粒子在第d维的波速，并有上下限值，即

d将式(3)带入式(1)中计算各粒子的目标函数值fit，并记录历史循环的最小目标函数值Fbest及其对应最优微震波波速Vbest；

e判断当前最小目标函数值Fbest是否满足终止准则，所述终止准则为最小目标函数值Fbest是否小于规定量值ε，如果Fbest<ε则输出最优微震波波速Vbest；如果Fbest＞ε则执行下一步骤；

f计算粒子间相互作用的引力，在第k次迭代，定义为在d维度上粒子i受到粒子j作用的引力，计算公式如下：

式中，M_aj(k)为主动粒子j的惯性质量，M_pi(k)为被动粒子i的惯性质量，为粒子j在第d维度上的波速，为粒子i在第d维度上的波速，ε为规定量值，R_ij(k)为粒子i和粒子j的欧式距离，G(k)为引力系数函数，G(k)和R_ij(k)满足如下公式：

式中，G₀与α为确定值，k为当前迭代次数，K为迭代总次数；

R_ij(k)＝||X_i(k),X_j(k)||₂ (6)

第d维度上第i个粒子受到其他所有粒子引力作用的总和为：

式中，rand_j为[0，1]之间的随机数；

根据以下公式更新粒子的惯性质量M_i：

M_ai＝M_pi＝M_ii＝M_i,(i＝1,2,...,N) (8)

式中，M_ai表示主动粒子i的惯性质量，M_pi表示被动粒子i的惯性质量，M_ii表示粒子i的惯性质量，fit_i(k)为粒子i在第k次迭代的目标函数值大小；

对于求解最小目标函数值问题，best(k)为N个粒子在第k此迭代的目标函数的最小值，worst(k)为N个粒子在第k此迭代的目标函数的最大值，worst(t)和best(t)的定义如下：

g计算每个粒子的加速度，根据牛顿第二定理，第d维上粒子i的加速度为：

式中，为当前迭代次数粒子i受到的引力总和，M_i(k)为粒子i的惯性质量；

h在每一次迭代中，每个粒子都会根据以下公式更新粒子速度和微震波速

式中，为第k+1次迭代更新后的粒子速度，为第k次迭代的粒子速度；

i将步骤h中各粒子更新的微震波速带入式(1)计算目标函数值fit，并判断是否Fbest<ε，若满足则退出循环，输出全体粒子目标函数的最小值Fbest和对应的最优微震波波速Vbest；若不满足，则继续执行迭代循环。

4.根据权利要求3所述的一种隧道围岩微震波速的获取方法，其特征在于：G₀为100，α为20。