CN104153814A - 一种冲击地压的微震多参量预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击地压的微震多参量预警方法，包括在矿井中安装微震监测系统；利用矿井微震监测系统，测量微震能量和频次，计算断层总面积A(t)、缺震b值、Z-MAP值并记录该四项微震信号；将所得数据进行分析，绘制出能量、频次时间序列图；断层总面积演变图；缺震b值演变图以及Z—Map值演变图四项演变图；根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四项指标，若同一时间段内四项指标中出现2—4项，则判断会出现冲击地压的情况。有益效果是提高预警冲击地压的准确性。

Description

一种冲击地压的微震多参量预警方法

技术领域

本发明涉及一种冲击地压的微震多参量预警方法，属于微震监测预警技术领域。 

背景技术

近年来，随着我国煤矿开采深度的逐年增加，很多矿区冲击地压问题越来越严重。煤矿冲击地压煤岩体中的压力超过强度极限，聚积在巷道或采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出剧烈声响，是一种开采诱发的矿山地震，更是一种灾害，不仅造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，还会引发瓦斯、煤尘爆炸以及水灾，干扰通风系统，严重威胁着煤矿的生产安全。由于这种灾害发生的时间与地域方面具有复杂性和突发性，因此，对其进行预测预警也成为世界性难题。传统的利用矿压预测冲击地压的方法局限性较大，利用微震监测的方法大多指标单一，预警准确率低；费时费力，人员需要现场记录，安全性低，经济上劣势突出。 

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种冲击地压的微震多参量预警方法，用能量与频次、断层总面积、缺震、Z-MAP值四个指标来作为预测冲击地压的前兆性指标。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种冲击地压的微震多参量预警方法，具体步骤是： 

A:在矿井中安装微震监测系统； 

B：利用矿井微震监测系统，测量微震能量和频次，计算断层总面积A(t)、缺震b值、Z-MAP值并记录该四项微震信号；其中， 

断层总面积A(t)：介于频度和能量之间，根据求得 A(t)值；其中，N(k)为时间t至t+△t间隔内能级为k的微震数目，即微震弹性波能量在10k～10k+1之间的微震数目,k0为所统计微震的下限，k为每个微震的能级； 

Z-Map值,简写为z值：通过分析平均震级样本的变化即可了解研究区域不同时段平均的变化情况，根据求得z值；其中，为整个时间区间上对所有平均震级样本的算术平均值，为要考察的时间区段内样本平均震级样本的算术平均值；σ_M和σ_m分别是两样本的标准差； 

缺震b值：根据宇津德治公式计算古登堡公式求得b值，b值的变化依赖于平均能级其中为统计时段内微震的平均能级，M₀为起始能级，N为微震总数，为短期平均能级； 

C：将所得数据进行分析，绘制出能量、频次时间序列图；断层总面积演变图；缺震b值演变图以及Z—Map值演变图四项演变图； 

D：根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四项指标，若同一时间段内四项指标中出现2—4项，则判断会出现冲击地压的情况。 

优选地，D步骤中，同时出现出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四种情况，则判断会出现冲击地压的情况。 

本发明中，所述四项指标的基本原理分别是： 

一、能量、频次 

微震监测技术当中，使用比较多的两个参数是能量和频次。微震监测系统的主要功能是对全矿范围内的矿震进行监测，自动记录矿震活动，通过分析和计算矿震能量和频次的数值。研究结果表明，频次主要反映煤岩体变形及微破裂的频次，能量主要反映煤岩体的受载程度及变形破裂强度。能量与频次的结合分析能较好的反映出煤岩体的破裂变化。 

二、断层总面积A(t) 

用频度和能量这两个参量评价微震活动性的高低，由于低强度事件的数目通常远多于高强度事件，所以频度实际上是由低强度事件所决定的，但总能量却是由为数不多的几个高强度事件所决定的，而低强度事件被忽略了。为了克服这一矛盾，定义一个介于频度和能量之间的A(t)，它既考虑到微震频度，同时也包含了微震能量。 

$A\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}N\left(k\right)L^k,(1\≤L\≤10)$

式中N(k)为时间t至t+△t间隔内能级为k的微震数目，即微震弹性波能量在10k～10k+1之间的微震数目。显然，当L＝1时，A(t)仅表示微震数目；L＝10时，A(t)表示微震总能量。若取L＝4.5，则lgL＝2/3，此时上式写为 

$A\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}N\left(k\right){10}^{2k/3}$

设微震弹性波能量E正比于微震能量E0，即E∝E0，因能量比例于震源体积(即震源体大小的三次方)，即正比于震源断层面积S的3/2次方，E0∝S3/2，因此，S∝E2/3∝102k/3；即L＝4.5时，A(t)相当于断层总面积。这就是A(t)的物理意义。为方便起见，将上式写为 

$A\left(t\right)=\underset{k=k_0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}N\left(k\right)L^{k-k_0},(L=4.5)$

式中k0为所统计微震的下限，k为每个微震的能级。 

较强微震往往发生在活动断裂带上，微震在孕育过程中积聚大量的能量，这些能量要通过裂隙发育的地方来释放，因此断层裂隙多的地方发生强矿震的可能性较大，理论上在强能量释放前，A(t)出现高值异常，表明在强能量释放前，微震活动性增强。 

三、Z-Map值，简写为z值: 

通过分析平均震级样本的变化即可了解研究区域不同时段平均的变化情况： 

${\stackrel{\‾}{m}}_j=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i$

$z=\frac{\stackrel{\‾}{M}-\stackrel{\‾}{m}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_M^2}{N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_m^2}{n}}}$

式中，为整个时间区间上对所有平均震级样本的算术平均值，是一个较为稳定的量，表征研究区域的背景特征；为要考察的时间区段内样本平均震级样本的算术平均值；σ_M和σ_m分别是两样本的标准差。 

因为Z是从相同母体中抽取出的平均值之差，近似服从于标准正态分布，因此它具有正态分布的显著特征，即Z＝1.64，具有90％的显著水平；Z＝1.96，具有95％的显著水平；当Z＝2.57时，具有99％的显著水平。据此，可分析平均震级变化所反映的平静特征显著性。 

当Z＝0时，微震发生率与背景微震发生率相同；当Z<0时，微震发生率上升；当Z>0时，该时段微震发生率下降，以此来判断强能量释放前的微震活动平静。 

无论是当Z>2，还是Z<-2，都是小概率事件，然而强能量矿震的发生也正是小概率事件，于是，取|Z|>2为异常临界值。 

四、缺震b值 

根据宇津德治公式，古登堡公式中的b值可为： 

$b=\frac{0.4343}{\stackrel{\&OverBar;}{M}-M_0}$

$\stackrel{\&OverBar;}{M}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{mi}}}{N}$

这里为统计时段内微震的平均能级，M₀为起始能级，N为微震总数。由宇津公式可知，b值的变化依赖于平均能级在正常微震活动情况下，一个区域的b值基本可看作稳定的，则平均能级也应该是比较稳定的,即平均能级代表一个区域的平均矿震水平。如果一个区域在一段时间内的短期平均能级比长期平均能级偏小的话，那么这个区域就可能发生一些较大微震来补足这个长期平均能级的缺额。这就是缺震的基本含义， “缺震”意味着将要发生缺失能级的趋势。如果一个区域在一段时间内的短期平均能级比长期平均能级偏大的话，那么这个区域将不会发生一些较大微震，这就是过震的基本含义。 

本发明的有益效果是：通过对能量与频次、断层总面积A(t)、缺震b值、Z-MAP值四个指标来作为预测冲击地压的前兆性指标，从而提高预警冲击地压的准确性。 

附图说明

图1为实施例中能量、频次时间序列图； 

图2为实施例中断层总面积演变图； 

图3为实施例中Z-Map值演变图； 

图4为实施例中缺震b值演变图。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。 

本发明的具体步骤是： 

A:在矿井中安装微震监测系统； 

B：利用矿井微震监测系统，测量微震能量和频次，计算断层总面积A(t)、缺震b值、Z-MAP值并记录该四项微震信号；其中， 

断层总面积A(t)：介于频度和能量之间，根据求得A(t)值；其中，N(k)为时间t至t+△t间隔内能级为k的微震数目，即微震弹性波能量在10k～10k+1之间的微震数目,k0为所统计微震的下限，k为每个微震的能级； 

Z-Map值：通过分析平均震级样本的变化即可了解研究区域不同时段平均的变化情况， 根据求得z值；其中，为整个时间区间上对所有平均震级样本的算术平均值，为要考察的时间区段内样本平均震级样本的算术平均值；σ_M和σ_m分别是两样本的标准差，； 

缺震b值：根据宇津德治公式计算古登堡公式求得b值，b值的变化依赖于平均能级其中为统计时段内微震的平均能级，M₀为起始能级，N为微震总数，为短期平均能级； 

C：将所得数据进行分析，绘制出能量、频次时间序列图；断层总面积演变图；缺震b值演变图以及Z—Map值演变图四项演变图； 

D：根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四项指标，若同一时间段内四项指标中出现2—4项，则判断会出现冲击地压的情况。 

D步骤中，若同时出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四种情况，则出现冲击地压的情况会大大增加，通过这种方法提高预警冲击地压的准确性。 

实施例为某矿一起冲击地压事故，根据本发明的预警方法，从图中可以分析出，该起事故于2013年3月15日发生。具体四项分析的时间演变图见附图。 

Claims (2)

1.一种冲击地压的微震多参量预警方法，其特征在于，具体步骤是：

A:在矿井中安装微震监测系统；

B：利用矿井微震监测系统，测量微震能量和频次，计算断层总面积A(t)、缺震b值、Z-MAP值并记录该四项微震信号；其中，

断层总面积A(t)：介于频度和能量之间，根据求得A(t)值；其中，N(k)为时间t至t+△t间隔内能级为k的微震数目，即微震弹性波能量在10k～10k+1之间的微震数目,k0为所统计微震的下限，k为每个微震的能级；

Z-Map值：通过分析平均震级样本的变化即可了解研究区域不同时段平均的变化情况，根据求得z值；其中，为整个时间区间上对所有平均震级样本的算术平均值，为要考察的时间区段内样本平均震级样本的算术平均值；σ_M和σ_m分别是两样本的标准差；

缺震b值：根据宇津德治公式计算古登堡公式求得b值，b值的变化依赖于平均能级其中为统计时段内微震的平均能级，M₀为起始能级，N为微震总数，为短期平均能级；

C：将所得数据进行分析，绘制出能量、频次时间序列图；断层总面积演变图；缺震b值演变图以及Z—Map值演变图四项演变图；

D：根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四项指标，若同一时间段内四项指标中出现2—4项，则判断会出现冲击地压的情况。

2.根据权利要求1所述的一种冲击地压的微震多参量预警方法，其特征在于，D步骤中，同时出现出现矿震频次降低、能量增加；断层总面积值出现高值异常；缺震b值低值异常；|Z|>2四种情况，则判断会出现冲击地压的情况。