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本文以河北省国土资源厅《微震定位技术在矿山越界开采监测中的应用研究》项目为依托,设计开发了一套与地理信息系统相结合的地下巷道采掘定位系统。系统由硬件软件构成,硬件主要负责信号的采集并为软件系统提供运行环境;系统软件以Visual C++和MATLAB为平台,实现微震信号的滤波处理、定位解算算法并与MapObjects相结合,实现地下采掘巷道的绘制。
实现地下采掘巷道的绘制,首先要实现地下震源的精确定位,所以有效、准确提取震源信号,获取震源信号到达各个传感器的时间差是获取震源位置的前提与关键。同时由于地下采矿放炮点多,巷道复杂,造成数据量大,如何组织数据,保存数据,实现与地理信息系统的完美结合是本文研究的另一个关键问题。因此本文围绕地震信号的提取、震源定位以及矿山地下巷道数据存储结构三个方面进行论文组织。
其一,研究了矿震信号及其附带噪声的特点,讨论了频域低通滤波算法和小波阈值滤波方法,比较了各自特点,并提出小波软阈值滤波算法为该系统信号去噪的主要方法。实验结果表明,在各个尺度上均采用小波软阈值滤波,在去除高频噪声的同时保留了高低频的有效信号。
其二,详细介绍了如何利用相关算法计算震源到达各个采样点的时间差,提出了利用FFT计算序列相关的方法,并在Visual C++中实现了算法的解算;同时详细介绍了几何定位算法及其求解方法,由于拟牛顿迭代法的解算速度慢,而且可能发散,不能求出实数解的特点,提出了增加传感器埋设节点,完成非线性方程组线性化的方法解算炮采位置。实验证明几何定位算法在将非线性方程组线性化之后,具有计算时间短、精度高等优点,满足系统实时的要求。
其三,研究了矿山地下巷道的特点,分析了巷道组成的基本元素,建立了数学模型,将巷道信息以点元素的形式表示,结合地下巷道的特点,提出了复杂巷道的多叉树模型表示,将多叉树转化为二叉树存储的方法,最后将Visual C++与MapObjiects相结合,实现了地下采掘巷道的绘制。
最后,总结了本论文采用算法的特点和适用范围,指出了不足和将来研究方向。