[发明专利]基于小波包多重阈值和改进经验模态分解的煤层水力压裂微震信号联合降噪方法

说明书

本发明公开了一种基于小波包多重阈值和改进经验模态分解的煤层水力压裂微震信号联合降噪方法，包括以下步骤：步骤1：导入采集得到的微震煤岩破裂信号时间序列S(n)；步骤2：信号的预处理，包括信号的触发与截取；步骤3：水力压裂微震信号的小波包分解；步骤4：小波包多层阈值去噪；步骤5：改进HHT二次去噪处理；步骤6：信号的重构。本发明有效地解决了水力压裂微震信号的去噪问题，具有去噪效果好、应用性强的特点。

技术领域

本发明涉及矿山安全与信号处理交叉领域，特别涉及低信噪比、低能量煤层水力压裂微震信号的噪声压制方法，是一种基于小波包多重阈值和改进希尔伯特-黄变换的联合去噪方法。

背景技术

冲击地压灾害是严重威胁我国矿山安全生产的煤岩动力灾害之一，具有突发性强、过程短暂、破坏力强等特点，利用水力压裂技术开展煤层的冲击地压防治工作是当前防冲技术的一个热门方向。水力压裂技术来源于油、气开采领域，并已发展为当前炙手可热的技术，水力压裂技术是防治煤矿瓦斯突出、冲击地压等问题的重要技术手段，是具有弱化岩体强度、稀释瓦斯、降尘、降温的绿色开采技术。目前该技术已广泛应用于地应力测量、煤层卸压与消突、瓦斯抽采等领域，对于区域压裂而言，上述应用都面临一个关键问题，如何有效表征和评价水力压裂的效果，这直接关系到现场压裂工艺参数的确立和最终的压裂效率。

针对矿山微震信号成分复杂、瞬态非平稳等特点，目前常规的分析方法有：时域分析、频域分析和时频域分析。时频域分析方法包括短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、S变换、小波变换、小波包变换以及HHT方法等，该类方法对于非平稳信号的特征分析与去噪具有良好效果。以小波包分解为例，该类方法缺陷和作用同样突出，小波包去噪具有显著的“放大镜”作用，对于频域特征明显的震动具有显著效果，被广泛应用于信号特征挖掘、去噪等方面。此外，美籍华人Norden E.Huang等人在深入研究瞬时频率概念后，于1998年创造性地提出了本征模式函数分解的概念，及将任意信号分解为本征模式函数组成的新方法-经验模式分解法(Empirical Mode Decomposition)。目前，EMD法已普遍应用于地震、爆破工程、机械以及其他领域的信号分析中，其中地震信号处理、爆破振动信号分析方面应用的尤为广泛。

煤层水力压力微震信号属于典型的非平稳、瞬态信号，具有“低能量、段持续时长、频域范围集中”的特点，同时，干扰成分分布较为集中、分布范围易于确定，这为信号的去噪提供了依据。因此，针对该类信号低振幅(低能量)的特点，有效信号往往淹没在背景噪声之中(细节信息隐藏在噪声之中)，对该类信号的预处理既要有效提取出清晰、“干净”信号，又要有效保留信号的细节特征，这为信号的预处理提出了高要求。基于上述分析可知，对煤层水力压裂微震信号的去噪处理不能仅以时域或频域手段进行，常规的 S去噪(细节信号失真)、小波去噪(高频段频率分辨率差)以及HHT去噪 (频域分辨率差)等手段难以兼顾高分辨率和自适应性的特性。

为了实现这一目标首先需要提取出“干净”的微震信号，煤层压裂微震信号不同于相对大尺度的采场微震动，相对而言，水力压裂微震信号具有“弱能量、高频率、短持续时间”的特点，且其传播介质相对单一，对于此类信号如何去除噪声，得到干净的有效信号部分，是后期进行信号分析处理的关键，更是进行定位计算、特征挖掘的前提。

鉴于煤层水力压裂微震信号的微弱、非平稳瞬态特性，在借鉴前任研究方法的前提下，首先对微震信号进行小波包多层阈值去噪，然后结合改进HHT 方法进行二次去噪，实现了“细节放大和自适应”的双重性去噪。利用上述方法对华丰矿煤层水力压裂试验的微震监测信号进行去噪处理，有效克服了原有HHT方法模态混叠缺陷和小波包的非适应性，验证了该方法的可行性。

发明内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于小波包多重阈值和改进经验模态分解的煤层水力压裂微震信号联合降噪方法，以达到去除信号的背景噪声、保留信号细节成分，并保证信号自身不发生畸变的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：