[发明专利]一种基于频域重排和经验模态分解的P、S波分离方法

说明书

本发明公开了一种基于频域重排和经验模态分解的P、S波分离方法，包括：采集微震监测系统内的原始微震信号；利用频域重排技术识别时频谱中P波和S波的初至时刻；将时序上S波到达之前部分波形重构得到P波y(t)；S波到达之后的波形重构得到P波尾波及S波的混合波x(t)；利用经验模态分解将x(t)进行经验模态分解；将P波尾波本征模态函数分量分离出来，得到S波本征模态分量；将P波尾波本征模态函数分量与y(t)合成，得到原始微震信号中完整的P波；将得到的S波本征模态分量重构，得到原始微震信号中完整的S波。本发明能对原始微震信号进行快速变换分解，精准化将震动波信号分解为P波和S波。

技术领域

本发明涉及冲击地压防治技术领域，特别涉及一种基于频域重排和经验模态分解的P、S波分离方法。

背景技术

冲击地压是井巷周围煤岩体由于弹性变形能的瞬间释放为而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常造成设备损坏、人员伤亡。随着技术进步，矿产资源需求不断增加，深部开采已成为必然；深部工程“三高一扰动”的赋岩环境使冲击地压灾害发生频次和强度呈增加的趋势，尤其是煤岩体在深部高应力作用下产生的震动波作为动载荷对诱发冲击地压有关键性的作用。

目前地下工程中普遍采用的是以单分量检波器为主的微震监测系统，该系统能对煤岩破坏产生的低频震动波进行实时采集。传统动载诱冲机制研究主要是将微震监测系统采集到的混合波作为动载荷，沿着某一固定方向施加在受载物体表面，然而，微震系统采集的原始震动波信号是混合波，实际破裂产生的震动波是由能量、波场及引起质点振动方向存在差异的P波和S波组成。由于缺乏将震动波拆分为P波和S波的方法，前人的研究结果未考虑震动波中P波和S波对煤岩体的损伤存在空间上的显著区别，不能量化揭示震动位移场对煤岩体的实际动力学损伤特征。

为了更精细化研究震动波诱发冲击地压的机理过程，需要将特征差异明显的P波和S波分别作为动载荷按照各自理论振动特征作用煤岩体表面。可见，有必要对原始微震波形进行深度学习和分析，提出一种准确分离原始微震信号中P波和S波的方法，为建立实际P波和S波位移场方程，构建煤岩体动力学损伤模型典型奠定基础，最后建立震动波对煤岩体的损伤作用机制。

发明内容

本发明提供了一种基于频域重排和经验模态分解的P、S波分离方法，其目的是准确揭示震动波对煤岩体损伤破坏机制，探究动载诱冲机理，对矿井安全生产起到积极作用，解决现有技术无法将震动波拆分为P波和S波的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种基于频域重排和经验模态分解的P、S波分离方法，包括：

采集微震监测系统内的原始微震信号；

利用频域重排技术获得时频谱中原始微震信号任意时刻频率特征；

根据频率特征识别时频谱中P波和S波的初至时刻；

根据识别出P波和S波的初至时刻，将时序上S波到达之前部分波形重构，得到P波y(t)；S波到达之后的波形重构得到P波尾波及S波的混合波x(t)；

利用经验模态分解，将x(t)进行经验模态分解，得到有限个本征模态函数；

计算相邻本征模态函数间的互信息系数，判断各本征模态函数对应的信号分量，将其中的P波尾波本征模态函数分量分离出来，得到S波本征模态分量；

将分离出的P波尾波本征模态函数分量与y(t)合成，得到原始微震信号中完整的P波；将得到的S波本征模态分量重构，得到原始微震信号中完整的S波。

进一步地，在将分离出的P波尾波本征模态函数分量与y(t)合成，得到原始微震信号中完整的P波；将得到的S波本征模态分量重构，得到原始微震信号中完整的S波之后，该基于频域重排和经验模态分解的P、S波分离方法还包括：