CN108798785B - 一种煤矿冲击地压预测预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿冲击地压预测预警方法，包括如下步骤：根据工作面冲击危险性评价结果建立微震监测系统、每日微震事件总能量峰值是否存在周期性、划分每日微震事件总能量异常峰值日、初步划分每日微震事件总能量峰值周期区间、调整峰值周期区间、重新计算调整后的峰值周期区间总能量均值、确定峰值日间距范围、进行冲击地压预警、不断优化预警指标，直至目标工作面回采结束。本发明方法对峰值周期区间预测的准确性，在结合应力监测数据的基础上，亦是对冲击地压预警的有效手段，相比目前常用的单个微震事件能量预警方法，更为客观、准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿冲击地压预测预警方法，主要用于有冲击地压灾害矿井实际生产过程中对冲击地压危险程度的预测预报，用于指导煤矿的防冲工作。
背景技术
冲击地压是煤矿深部开采面临的主要灾害之一，对煤矿安全高效生产及煤矿工人人身安全构成巨大威胁。目前，国内关于冲击地压发生机理、监测预警、防治措施等方面相关研究不断深入，但在实际生产过程中，现场冲击地压发生可能性判别与预警、预警指标构建等方面尚需进一步研究。
目前，国内冲击地压矿井常用的冲击危险性预警方法主要有钻屑法、煤岩体变形测量法、煤体应力测量法、微震监测法等。
因采掘围岩体中集中静载荷的局部化积聚是冲击地压发生的必备载荷源，钻屑法和煤体应力测量法用于监测煤岩体应力积聚程度，其中煤体应力测量具备工程量小、危险程度低、数据实时化、数据物理意义明确等显著优势，在实际生产过程中广泛采用。常用做法是在煤岩层一定深度内埋设应力传感器，获得监测点的应力变化情况，应力预警指标需要结合矿井自身条件及统计规律不断摸索，主要指标包括应力大小、增速、突变情况等。
微震监测法主要用于监测覆岩裂隙发育程度。微震事件是覆岩发生裂隙、破断过程中，所集聚的弹性能瞬间释放过程中的一种物理效应。利用微震监测系统可以较为准确的监测和计算包括微震事件发生时间、位置和强度的多种微震活动参数，为实现矿山微震活动时空变化规律进行分析提供了可能性，采用微震活动参数来评价与预测冲击地压，可以是冲击地压预测方法与指标建立在一定的理论基础上，可以提高冲击地压预测的准确性，目前生产过程中基于微震监测系统的冲击地压预警技术为微震能量分析预测法，即依据实际监测到的当日微震能量最大值、一定推进距离内释放的微震能量综合作为冲击危险性预警指标，当其实际监测值大于阈值时，判定具备冲击地压发生的可能性，根据危险程度实施相应的解危措施。
目前国内冲击地压矿井，通常使用煤体应力预警指标和微震能量预警指标结合使用，用于冲击地压的预警。常用的应力预警指标和微震能量预警指标如表1所示。
表1常用的应力预警指标和微震能量预警指标
注：表中Emax指当日微震事件能量最大值。
实际监测工作中发现，以当日微震事件能量最大值作为预警指标，使得冲击危险性长期维持在较高的危险等级以上，造成解危工程量较大，对矿井产量影响较大，这是由于单个微震事件具备偶发性，单个事件的能量难以精确反映煤岩体的宏观运动状态，分析微震事件整体分布规律对于冲击地压的预警更为准确。
我国蒙陕地区各井田地质构造相对东部地区较为简单，该区域的冲击矿压诱发大多由于较厚坚硬顶板及不合理的开采技术条件引起，在冲击地压监测预警工作中，发现其覆岩微震事件总能量存在明显的周期性特征，对于冲击地压的预警意义较大。
发明内容
本发明目的在于提供一种煤矿冲击地压预测预警方法，其在微震事件整体分布规律分析的基础上，建立一种以微震事件总能量周期性峰值区为关键预警指标的冲击地压预警方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种煤矿冲击地压预测预警方法，包括以下步骤：
1)目标矿井在工作面回采前进行冲击危险性评价，若评价结果为具有冲击危险性，则在工作面回采前建立微震监测系统；
2)统计目标矿井回采工作面已有微震事件历史数据，将每日每个微震事件的能量累计，得出每日微震事件总能量沿日期轴的分布曲线，查看每日微震事件总能量峰值是否存在周期性；若不具备周期性，该预警方法不适用该矿井；若具备周期性，依次进行以下步骤；
3)划分每日微震事件总能量异常峰值日；
4)初步划分每日微震事件总能量峰值周期区间；
5)调整峰值周期区间；
6)重新计算调整后的峰值周期区间总能量均值；
7)确定峰值日间距范围；
8)进行冲击地压预警；
9)不断优化预警指标，直至目标工作面回采结束。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：
301)建立每日微震事件总能量异常峰值临界值；
统计已回采工作面所有冲击事件发生当日或邻近1-3天内的微震事件总能量，并按总能量大小进行降序排列，取排序中前70～80％的当日微震事件总能量的平均值作为总能量异常峰值临界值，即：
其中：[E]为总能量异常峰值临界值；Ei为冲击事件发生当日的所有微震事件能量之和；n为当日或邻近1-3天内微震事件总能量排序中，排在前70～80％的冲击事件数量；
302)将每日按以下判据区分峰值日和非峰值日，如下：
非峰值日判据为：
峰值日判据为：
其中：ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内单个微震事件的能量值；n为当日事件总个数。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：
401)统计已回采工作面历史微震事件的日平均能量：
其中：
为已回采工作面历史微震事件的日平均能量；m为已回采工作面微震监测系统有效运行天数；ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内每单个微震事件的能量值；
402)按以下标准区分低能日和高能日：
低能日判别标准为：
高能日判别标准为：
其中：ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内每个微震事件的能量值；
403)依据以下原则初步划分微震事件总能量峰值周期区间：
A：每个峰值周期区间内必须具备至少一个峰值日；
B：依据步骤3)判定的峰值日若连续出现，间隔小于1-3天，则为归为一个峰值周期区间；
C：峰值日邻近的高能日归为一个峰值周期区间；
D：低能日与
差值较小且邻近高能日、峰值日1-3天，亦归于本高能日、峰值日所属的峰值周期区间；
E：连续的低值日的中间日期为两个相邻峰值周期区间的分界。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法如下：
501)统计步骤4)所划分峰值周期区间内的所有微震事件能量和，求得峰值周期区间总能量均值：
其中：
为峰值周期区间总能量均值；N为步骤4所划分峰值周期区间数量；E′j为步骤4所划分的单个峰值周期区间每日微震事件能量之和；
502)按以下原则调整峰值周期区间；
若
不对该峰值周期区间进行调整；
若
该峰值周期区间与邻近的峰值周期区间总能量较小者合并；
503)调整后重新计进行步骤501)和步骤502)，所有峰值周期区间无需调整为止。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体计算方法如下：
其中：
为峰值周期区间总能量均值；N为步骤5)调整后的峰值周期区间数量；Ej为步骤5)所划分的单个峰值周期区间每日微震事件能量之和。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法如下：
查看经以上步骤最终确定的各峰值周期区间内的峰值日对应的工作面累计回采长度，求得相邻2个峰值周期区间内峰值日的间距，其最大值和最小值作为峰值日间距范围。
本发明进一步的改进在于，步骤8)中，按以下方法进行冲击地压预警：
801)矿井实际生产过程中，加强监测数据日常分析，每日统计当日回采工作面微震事件总能量；查看当日属于低能日还是高能日，当出现连续的高能日后，判断工作面可能进入下一个峰值周期区间，冲击危险将逐步加大；
802)查看最近一次峰值周期区间结束当日工作面累计回采长度，加上峰值日间距范围，即为下一次峰值周期区间内可能出现的峰值日位置；
803)查看应力煤层应力监测数据，按下表中预警指标对工作面目标位置进行冲击危险性预警；
表5冲击危险性预警方法与预警指标
804)当出现连续的低能日后，判断本次峰值周期区间可能结束，累计本次峰值周期区间内所有日期的当日微震总能量；若小于步骤6)中峰值周期区间总能量均值的50％-60％，则判定本次峰值周期区间尚未结束；若大于等于步骤6)中峰值周期区间总能量均值的50％-60％，则判定本次峰值周期区间已结束，同时，若本次峰值周期区间内所有日期的当日微震总能量小于步骤6)中峰值周期区间总能量均值，下一次的峰值周期区间微震总能量可能出现异常增加，下一次的峰值周期区间的冲击危险性加大。
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法如下：
在监测到一个新的峰值周期区间结束后，重新进行步骤3)～步骤8)，直至目标工作面回采结束。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、本发明的回采工作面冲击危险性预警方法与预警指标的确定，是基于目标矿井大量实测的微震监测数据建立起来的，大量实测的微震监测数据从宏观上如实反映了覆岩运动状态，相比目前常用的单个微震事件能量预警方法，更为客观、准确。
2、本发明的回采工作面冲击危险性预警方法中采用峰值日间距范围，可以对工作面超前某一位置的冲击危险性进行超前动态预测，这是目前已有冲击危险性预警方法无法实现的。而这一点对实际生产指导意义较大，依据本发明判定工作面超前某一位置冲击危险性较大时，可及时采取解危措施。
3、我国蒙陕地区煤炭资源赋存量大，地质条件相对简单，诱发冲击地压的因素相对简单，本发明的冲击地压预测预警方法对该地区顶板型、煤柱型冲击地压防治指导意义较大。
附图说明
图1为本发明的流程原理示意框图。
图2为本发明涉及实施例的步骤2中每日微震事件总能量峰值存在周期性分析图。
图3为本发明涉及实施例的步骤3中峰值日和非峰值日判定结果。
图4为本发明涉及实施例的步骤4中低能日和高能日判定结果。
图5为本发明涉及实施例的步骤4中初步划分微震事件总能量峰值周期区间判定结果。
图6为本发明涉及实施例的步骤7中峰值日间距范围确定结果。
图7为本发明涉及实施例的步骤8中当日应力煤层应力监测数据。
图8为本发明涉及实施例的步骤8中新的峰值周期区间判定结果。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其具体步骤如下：
步骤1：本实施例涉及的目标矿井在工作面回采前进行冲击危险性评价，评价结果为具有中等冲击危险性，现场已在回采前建立微震监测系统；
步骤2：本实施例涉及的目标矿井冲击地压防治的对象为31102工作面，为该矿第二个回采工作面，将31102工作面回采过程中的实测微震事件作为分析对象。将31102工作面回采过程中每日每个微震事件的能量累计，得出每日微震事件总能量沿日期轴的分布曲线，见附图2。由附图2可知，每日微震事件总能量峰值存在周期性。
步骤3：划分每日微震事件总能量异常峰值日：
①建立每日微震事件总能量异常峰值临界值；
统计已回采工作面所有冲击事件发生当日或邻近1-3天内的微震事件总能量，并按总能量大小进行降序排列，结果见表2。
取排序中前7位的当日微震事件总能量的平均值作为总能量异常峰值临界值，即：
②将每日按以下判据区分峰值日和非峰值日：
非峰值日判据为：
峰值日判据为：
其中：ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内每个微震事件的能量值；n为当日事件总个数；
判定结果见附图3，虚线方框中为峰值日，其余为非峰值日。
步骤4：初步划分每日微震事件总能量峰值周期区间：
①统计已回采工作面历史微震事件的日平均能量：
②按以下标准区分低能日和高能日：
低能日判别标准为：
高能日判别标准为：
其中：ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内每个微震事件的能量值；
判定结果见附图4，单点划线方框中为高能日，其余为低能日。
③依据以下原则初步划分微震事件总能量峰值周期区间：
A：每个峰值周期区间内必须具备至少一个峰值日；
B：依据步骤3判定的峰值日若连续出现，间隔小于1-3天，则为归为一个峰值周期区间；
C：峰值日邻近的高能日归为一个峰值周期区间；
D：低能日与
差值较小且邻近高能日、峰值日1-3天，亦归于本高能日、峰值日所属的峰值周期区间；
E：连续的低值日的中间日期为两个相邻峰值周期区间的分界。
划分结果见附图5，双划画线方框中为初步划分的微震事件总能量峰值周期区间。
步骤5：调整峰值周期区间：
①统计步骤4所划分峰值周期区间内的所有微震事件能量和，结果见表3。
表3峰值周期区间内的所有微震事件能量和统计表
求峰值周期区间总能量均值：
②按以下原则调整峰值周期区间
若
不对该峰值周期区间进行调整。
若
该峰值周期区间与邻近的峰值周期区间总能量较小者合并。
判定结果见表4。
表4峰值周期区间判定结果
步骤6：重新计算调整后的峰值周期区间总能量均值。
步骤7：确定峰值日间距范围：
查看经以上步骤最终确定的各峰值周期区间内的峰值日对应的工作面累计回采长度，求得相邻2个峰值周期区间内峰值日的间距，其最大值和最小值作为峰值日间距范围。
峰值日间距范围确定结果见图6，取峰值日间距范围为120-240m。
步骤8：按以下方法进行冲击地压预警。
①4月19日以后，每日统计当日回采工作面微震事件总能量。查看当日属于低能日还是高能日，4月24日后出现高能日后，判断工作面可能进入下一个峰值周期区间，冲击危险将逐步加大。
②查看最近一次峰值周期区间结束当日工作面累计回采长度(即4月18日工作面累计回采1855m)，加上峰值日间距范围，即下一次峰值周期区间的峰值日位置可能出现在2018m-2138m。
③查看应力煤层应力监测数据，按下表中预警指标对工作面目标位置进行冲击危险性预警。
表5本发明的冲击危险性预警方法与预警指标
当日应力煤层应力监测数据如图7所示，2140m处应力预警，判别该处巷道处于强冲击危险区，随即实施泄压措施。
④4月30日出现连续的低能日，判断本次峰值周期区间可能结束，累计本次峰值周期区间内所有日期的当日微震总能量为2591562J。小于步骤6中峰值周期区间总能量均值的50％～60％，即2941663.5～3529996.2J，判定本次峰值周期区间尚未结束。5月9日再次出现高能日，且在5月10日至11日(工作面累计回采长度2035m)微震总能量再次达到峰值日，且能量较4月27日-4月29日更大。新的峰值周期区间判定如图8所示。
本实施例证明了本发明方法对峰值周期区间预测的准确性。此外，该矿井冲击地压防治工作中亦发现：在占总天数的23.3％的峰值日内工作面顺槽发生动力显现事件的次数占到总次数的88.9％，说明加强峰值日的安全管控是防灾的重点。故本发明方法对峰值周期区间预测的准确性，在结合应力监测数据的基础上，亦是对冲击地压预警的有效手段。
Claims (7)
1.一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)目标矿井在工作面回采前进行冲击危险性评价，若评价结果为具有冲击危险性，则在工作面回采前建立微震监测系统；
2)统计目标矿井回采工作面已有微震事件历史数据，将每日每个微震事件的能量累计，得出每日微震事件总能量沿日期轴的分布曲线，查看每日微震事件总能量峰值是否存在周期性；若不具备周期性，该预警方法不适用该矿井；若具备周期性，依次进行以下步骤；
3)划分每日微震事件总能量异常峰值日；具体实现方法如下：
301)建立每日微震事件总能量异常峰值临界值；
统计已回采工作面所有冲击事件发生当日或邻近1-3天内的微震事件总能量，并按总能量大小进行降序排列，取排序中前70～80％的当日微震事件总能量的平均值作为总能量异常峰值临界值，即：
其中：[E]为总能量异常峰值临界值；Ei为冲击事件发生当日或邻近1-3天内的所有微震事件能量之和；n为当日微震事件总能量排序中，排在前70～80％的冲击事件数量；
302)将每日按以下判据区分峰值日和非峰值日，如下：
非峰值日判据为：
峰值日判据为：
其中：ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内单个微震事件的能量值；n为当日事件总个数；
4)初步划分每日微震事件总能量峰值周期区间；
5)调整峰值周期区间；
6)重新计算调整后的峰值周期区间总能量均值；
7)确定峰值日间距范围；
8)进行冲击地压预警；
9)不断优化预警指标，直至目标工作面回采结束。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法如下：
401)统计已回采工作面历史微震事件的日平均能量：
其中：
为已回采工作面历史微震事件的日平均能量；m为已回采工作面微震监测系统有效运行天数；ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内每个微震事件的能量值；
402)按以下标准区分低能日和高能日：
低能日判别标准为：
高能日判别标准为：
其中：ei为已回采工作面微震监测系统有效运行天数内每个微震事件的能量值；
403)依据以下原则初步划分微震事件总能量峰值周期区间：
A：每个峰值周期区间内必须具备至少一个峰值日；
B：依据步骤3)判定的峰值日若连续出现，间隔小于1-3天，则归为一个峰值周期区间；
C：峰值日邻近的高能日归为一个峰值周期区间；
D：低能日与
差值较小且邻近高能日、峰值日1-3天，亦归于本高能日、峰值日所属的峰值周期区间；
E：连续的低值日的中间日期为两个相邻峰值周期区间的分界。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法如下：
501)统计步骤4)所划分峰值周期区间内的所有微震事件能量和，求得峰值周期区间总能量均值：
其中：
为峰值周期区间总能量均值；N为步骤4所划分峰值周期区间数量；E′j为步骤4所划分的单个峰值周期区间每日微震事件能量之和；
502)按以下原则调整峰值周期区间；
若
不对该峰值周期区间进行调整；
若
该峰值周期区间与邻近的峰值周期区间总能量较小者合并；
503)调整后重新计进行步骤501)和步骤502)，所有峰值周期区间无需调整为止。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，步骤6)的具体计算方法如下：
其中：
为峰值周期区间总能量均值；N为步骤5)调整后的峰值周期区间数量；Ej为步骤5)所划分的单个峰值周期区间每日微震事件能量之和。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法如下：
查看经以上步骤最终确定的各峰值周期区间内的峰值日对应的工作面累计回采长度，求得相邻2个峰值周期区间内峰值日的间距，其最大值和最小值作为峰值日间距范围。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，步骤8)中，按以下方法进行冲击地压预警：
801)矿井实际生产过程中，加强监测数据日常分析，每日统计当日回采工作面微震事件总能量；查看当日属于低能日还是高能日，当出现连续的高能日后，判断工作面可能进入下一个峰值周期区间，冲击危险将逐步加大；
802)查看最近一次峰值周期区间结束当日工作面累计回采长度，加上峰值日间距范围，即为下一次峰值周期区间内可能出现的峰值日位置；
803)查看应力煤层应力监测数据，按下表中预警指标对工作面目标位置进行冲击危险性预警；
表5冲击危险性预警方法与预警指标
804)当出现连续的低能日后，判断本次峰值周期区间可能结束，累计本次峰值周期区间内所有日期的当日微震总能量；若小于步骤6)中峰值周期区间总能量均值的50％-60％，则判定本次峰值周期区间尚未结束；若大于等于步骤6)中峰值周期区间总能量均值的50％-60％，则判定本次峰值周期区间已结束，同时，若本次峰值周期区间内所有日期的当日微震总能量小于步骤6)中峰值周期区间总能量均值，下一次的峰值周期区间微震总能量可能出现异常增加，下一次的峰值周期区间的冲击危险性加大。
7.根据权利要求6所述的一种煤矿冲击地压预测预警方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法如下：
在监测到一个新的峰值周期区间结束后，重新进行步骤3)～步骤8)，直至目标工作面回采结束。
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