CN105607127A - 一种高应力集中区冲击地压的微震多参量预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高应力集中区冲击地压的微震多参量预警方法，利用微震监测系统记录微震信号，计算微震活动度S值、微震时间信息熵Qt值、微震累积冲击指标E值、微震活动异常指标|Z|值并分析；所得数据分析后，分别绘制出上述四个指标的演变图；根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，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。采用多个参数指标综合对冲击地压进行预警，能有效提高预警的准确率。

Description

一种高应力集中区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预警方法，具体是一种高应力集中区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。煤矿冲击地压是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，不仅造成煤岩体震动及破坏、部分巷道垮落破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、地面建筑物等的破坏，还会引发瓦斯与煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重威胁着煤矿的安全生产。由于这种灾害的发生一般并无明显的宏观前兆，其时间上的突发性、过程急剧的短暂性以及地质条件上的复杂性，造成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，而且传统方法具有无法回避的费时费力、必须人员现场操作记录、安全性低及经济成本高等系列劣势。目前虽然有利用微震监测的方法进行冲击地压预测，但是大多数采用单一指标进行预测，导致其预警准确率低，无法满足矿井的预警需要。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高应力集中区冲击地压的微震多参量预警方法，采用多个参数指标综合对冲击地压进行预警，能有效提高预警的准确率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该种高应力集中区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记录微震信号，将信号传输到地面计算机中，利用相关软件(Matlab，excel等)分析测量微震活动度S值、微震时间信息熵Qt值、微震累积冲击指标E值、微震活动异常指标|Z|值并；其中，

微震活动度S：其计算公式为：

$S=0.117lg(N+1)+0.029lg\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{10}^{1.5\×M_i}+0.015\×M---(1-1)$

式中，N为微震总数，M_i为能级，M为最大能级；

微震时间信息熵Qt值：基于耗散结构理论，将大地震的孕育、发生过程看作为一个开放系统，当应力场作用达到一定阈值时，大范围地震活动将从无序向新的稳定有序状态变化，其计算公式为

$Q_t=\frac{-(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_i{\mathrm{lnp}}_i}{ln(n-1)}---(1-2)$

式中：n为某时间窗长的矿震事件总数，t_i为第i个矿震发生的时间，p_i取值为0～1之间；

微震累积冲击指标E值：定义单位mm，表征煤岩体介质的累积损伤；

其中v_i为垂直分量上信号在t时刻的振动速度值，单位为mm/s；

T1是信号中最大振幅时刻，T2为信号尾波截止时刻，单位为s；

设定微震累积冲击指标Em＝0.3mm。

微震活动异常指标|Z|值(微震活动异常指标越接近零，即选取的样本与微震背景越接近，说明越不好预测；|Z|值越大，说明样本越异常，危险性越高，实质指的是样本与总体的偏差大小)：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 $\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{m}}_j=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{m}_i,& z=\frac{\stackrel{\‾}{M}-\stackrel{\‾}{m}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_M^2}{N}+\frac{{\mathrm{\σ}}_m^2}{n}}},\end{array}$ 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，N和n为样本数；

C：所得数据分析后，绘制出微震活动度S值演变图、微震时间信息熵Qt值演变图、微震累积冲击指标E值演变图以及微震活动异常指标|Z|值演变图共四项演变图；

D：根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，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。采用多个参数指标综合对冲击地压进行预警，能有效提高预警的准确率。

优选地，B步骤中，微震监测系统设置采集的微震信号能量大于100J，以减弱噪音干扰；D步骤中，在同一时间段内出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，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、微震活动度S

微震活动度S包含了微震活动性的时、空、强等因素即下述控制因素：微震频度、平均能级或平均释放能量、最大能级、以及微震空间分布的集中度及其记忆效应。其计算公式为：

$S=0.117lg(N+1)+0.029lg\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{10}^{1.5\×M_i}+0.015\×M---(3-2)$

式中，N为微震总数，M_i为能级，M为最大能级

强能量释放理论上发生在S值持续增强后。

二、微震时间信息熵Qt

朱传镇等根据耗散结构论的基本思想，把地震孕育，发生和发展的过程看作一个与周围环境有能量交换的开放系统，当应力场作用达到一定阐值时，小震活动的时、空、强分布将会从无序状态向有序状态变化。据此，依热力学第一，第二定律定义了描述小震动时、空、强各因子分布状态的特征量：地震活动熵，强震发生前，微观无序的裂隙发育向宏观大裂隙发育，地震活动熵明显降低，本发明将其引入到矿山微震活动的分析中，具有相似的作用和意义。

Qt的定义如下：

$Q_t=\frac{-(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_i{\mathrm{lnp}}_i}{ln(n-1)}---(3-10)$

式中：n为某时间窗长的矿震事件总数，t_i为第i个矿震发生的时间，p_i取值为0～1之间。

矿震时间信息熵Qt方法主要刻划矿震事件时间分布结构的丛集特征，描述矿震时间演化过程中的无序到有序，理论上，在孕育强能量过程前，熵值存在一个持续下降过程，其本质是矿震能量空间分布的有序性增加。

三、微震累积冲击指标E值

微震累积冲击指标E值：定义单位mm，表征煤岩体介质的累积损伤。

其中v_i为垂直分量上信号在t时刻的振动速度值，单位为mm/s；

T1是信号中最大振幅时刻，T2为信号尾波截止时刻，单位为s；

设定微震累积冲击指标Em＝0.3mm。

四、微震活动异常指标|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：

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

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

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值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>3，还是Z<-3，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，故在本发明中取|Z|>3为异常临界值。

若把整个研究区域作为一个整体，则上述微震活动度S值、微震时间信息熵Qt值、微震累积冲击指标E值以及微震活动异常指标|Z|值四个指标的演变曲线和应力应变曲线耦合。

与现有微震方法单一指标预警冲击地压相比，本发明采用微震活动度S值、微震时间信息熵Qt值、微震累积冲击指标E值以及微震活动异常指标|Z|值共四项指标综合分析后对冲击地压进行预警，能有效地提高预警的准确率；另外可克服传统方法具有无法回避的费时费力、必须人员现场操作记录、安全性低及经济成本高等系列劣势。

附图说明

图1为实施例中微震活动度S值演变图；

图2为实施例中微震时间信息熵Qt值演变图；

图3为实施例中微震累积冲击指标E值演变图；

图4为实施例中Z值演变图。

具体实施方式

下面将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记录微震信号，将信号传输到地面计算机中，利用相关软件(Matlab，excel等)分析测量微震活动度S值、微震时间信息熵Qt值、微震累积冲击指标E值、微震活动异常指标|Z|值并；其中，

微震活动度S：其计算公式为：

$S=0.117lg(N+1)+0.029lg\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{10}^{1.5\&times;M_i}+0.015\&times;M---(1-1)$

式中，N为微震总数，M_i为能级，M为最大能级；

微震时间信息熵Qt值：基于耗散结构理论，将大地震的孕育、发生过程看作为一个开放系统，当应力场作用达到一定阈值时，大范围地震活动将从无序向新的稳定有序状态变化，其计算公式为

$Q_t=\frac{-(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{p}_i{\mathrm{lnp}}_i}{ln(n-1)}---(1-2)$

式中：n为某时间窗长的矿震事件总数，t_i为第i个矿震发生的时间，p_i取值为0～1之间；

微震累积冲击指标E值：定义单位mm，表征煤岩体介质的累积损伤。

其中v_i为垂直分量上信号在t时刻的振动速度值，单位为mm/s；

T1是信号中最大振幅时刻，T2为信号尾波截止时刻，单位为s；

设定微震累积冲击指标Em＝0.3mm。

微震活动异常指标|Z|值(微震活动异常指标越接近零，即选取的样本与微震背景越接近，说明越不好预测；|Z|值越大，说明样本越异常，危险性越高，实质指的是样本与总体的偏差大小)：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 $\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{m}}_j=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{m}_i,& z=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{M}-\stackrel{\&OverBar;}{m}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_M^2}{N}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_m^2}{n}}},\end{array}$ 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，N和n为样本数；

C：所得数据分析后，绘制出微震活动度S值演变图、微震时间信息熵Qt值演变图、微震累积冲击指标E值演变图以及微震活动异常指标|Z|值演变图共四项演变图；

D：根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，若同一时间段内四项指标中出现1项，则判断会出现冲击地压的情况，若出现2-4项，说明冲击更危险。采用多个参数指标综合对冲击地压进行预警，能有效提高预警的准确率。

优选地，B步骤中，微震监测系统设置采集的微震信号能量大于100J，以减弱噪音干扰，微震监测D步骤中，在同一时间段内出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，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、微震活动度S

微震活动度S包含了微震活动性的时、空、强等因素即下述控制因素：微震频度、平均能级或平均释放能量、最大能级、以及微震空间分布的集中度及其记忆效应。其计算公式为：

$S=0.117lg(N+1)+0.029lg\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{10}^{1.5\&times;M_i}+0.015\&times;M---(3-2)$

式中，N为微震总数，M_i为能级，M为最大能级

强能量释放理论上发生在S值持续增强后。

二、微震时间信息熵Qt

朱传镇等根据耗散结构论的基本思想，把地震孕育，发生和发展的过程看作一个与周围环境有能量交换的开放系统，当应力场作用达到一定阐值时，小震活动的时、空、强分布将会从无序状态向有序状态变化。据此，依热力学第一，第二定律定义了描述小震动时、空、强各因子分布状态的特征量：地震活动熵，强震发生前，微观无序的裂隙发育向宏观大裂隙发育，地震活动熵明显降低，本发明将其引入到矿山微震活动的分析中，具有相似的作用和意义。

Qt的定义如下：

$Q_t=\frac{-(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{p}_i{\mathrm{lnp}}_i}{ln(n-1)}---(3-10)$

式中：n为某时间窗长的矿震事件总数，t_i为第i个矿震发生的时间，p_i取值为0～1之间。

矿震时间信息熵Qt方法主要刻划矿震事件时间分布结构的丛集特征，描述矿震时间演化过程中的无序到有序，理论上，在孕育强能量过程前，熵值存在一个持续下降过程，其本质是矿震能量空间分布的有序性增加。

三、微震累积冲击指标E值

微震累积冲击指标E值：定义单位mm，表征煤岩体介质的累积损伤。

其中v_i为垂直分量上信号在t时刻的振动速度值，单位为mm/s；

T1是信号中最大振幅时刻，T2为信号尾波截止时刻，单位为s；

设定微震累积冲击指标Em＝0.3mm。

四、微震活动异常指标|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：

${\stackrel{\&OverBar;}{m}}_j=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{m}_i$

$z=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{M}-\stackrel{\&OverBar;}{m}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_M^2}{N}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_m^2}{n}}}$

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值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>3，还是Z<-3，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，故在本发明中取|Z|>3为异常临界值。

如图1至4所示，为采用本发明的实施监测的某矿一起冲击地压事故，根据本发明的预警方法，从各演变图可以分析出，该起事故预测于2015年7月29日发生。经试验证明，该矿于2015年7月29日确实发生冲击地压活动，由此能证明本发明具有较准确的冲击地压预警。

Claims (2)

1.一种高应力集中区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记录微震信号，将信号传输到地面计算机中，利用相关软件分析测量微震活动度S值、微震时间信息熵Qt值、微震累积冲击指标E值、微震活动异常指标|Z|值；其中，

微震活动度S：其计算公式为：

$S=0.117\lg (N+1)+0.029\lg \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{10}^{1.5\&times;M_i}+0.015\&times;M---(1-1)$

式中，N为微震总数，M_i为能级，M为最大能级；

微震时间信息熵Qt值：基于耗散结构理论，将大地震的孕育、发生过程看作为一个开放系统，当应力场作用达到一定阈值时，大范围地震活动将从无序向新的稳定有序状态变化，其计算公式为：

$Q_t=\frac{-(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{p}_i\ln p_i}{ln(n-1)}---(1-2)$

式中：n为某时间窗长的矿震事件总数，t_i为第i个矿震发生的时间，p_i取值为0～1之间；

微震累积冲击指标E值：定义单位mm，表征煤岩体介质的累积损伤；

其中v_i为垂直分量上信号在t时刻的振动速度值，单位为mm/s；

T₁是信号中最大振幅时刻，T₂为信号尾波截止时刻，单位为s；

设定微震累积冲击指标Em＝0.3mm；

微震活动异常指标|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 ${\stackrel{\&OverBar;}{m}}_j=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{m}_i,$ $z=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{M}-\stackrel{\&OverBar;}{m}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_M^2}{N}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_m^2}{n}}},$ 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，N和n为样本数；

C：所得数据分析后，绘制出微震活动度S值演变图、微震时间信息熵Qt值演变图、微震累积冲击指标E值演变图以及微震活动异常指标|Z|值演变图共四项演变图；

D：根据所绘制的演变图，分析是否在同一时间段内出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，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所述的一种高应力集中区冲击地压的微震多参量预警方法，其特征在于，B步骤中，微震监测系统设置采集的微震信号能量大于100J；D步骤中，在同一时间段内同时出现微震活动度S值在7天内先降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震时间信息熵Qt值在4天时间内持续降低，微震累积冲击指标E值大于临界值Em，微震活动异常指标|Z|>3，则判断会出现冲击地压的情况。