CN109595036B - 一种矿山地压灾害的预警方法 - Google Patents

一种矿山地压灾害的预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿山地压灾害的预警方法，首先利用矿山微震监测系统定位矿山岩体变形破坏过程中发生微震事件的震源位置坐标；将所有微震事件的震源位置坐标组合后，每三个点组成一个面，并求出每个面的法矢量在垂向投影方位的分布，获得破裂面法矢量优势方位；将与破裂面法矢量优势方位垂直的面设为优势破裂面，统计所述优势破裂面区域的分布空间，得到预警空间；结合优势破裂面区域的累计视体积‑能量指数、b值时空变化规律进行分析，获得地压灾害的预警时间及风险等级；根据地压风险等级情况进行地压时间、空间及等级预警。上述方法采用多个指标对地压灾害进行预警，能及时确定地压灾害预警空间、时间和等级，从而为灾害防治提供指导。

Description

一种矿山地压灾害的预警方法
技术领域
本发明涉及矿山监测技术领域，尤其涉及一种矿山地压灾害的预警方法。
背景技术
目前，矿山开采过程中形成巷道和采空区，破坏了矿山区域原岩应力平衡，采场、围岩、矿体内应力重新分布，形成次生应力场，导致矿柱、工作面顶板和围岩发生位移和变形，甚至破坏。矿山开采过程中由于开采扰动会大范围改变岩体的应力分布，应力集中区域的岩体破裂、岩层急剧弹性能瞬间释放形成矿震(矿山微地震)，诱发顶板冒落、矿柱压裂、围岩开裂、底鼓、片帮等地压灾害。微震监测技术能够实现区域矿震时空定位、岩体稳定性评估，成为地压监测的重要手段，微震监测系统通过在矿山岩体内部分布的检波器接收微震事件(微弱的地震事件)的波形，根据微震波形的到时，选取合适的震源定位算法，可以定位出微震事件(震源)发生的空间位置、发震时刻及强度，再经过微震活动性参数及预警指标分析，可以推测矿山岩体内发生变形或破坏的位置及程度，得到矿山地压活动的规律，对矿山地压安全隐患进行预测、预报、预警。
现有预警指标大多是从天然地震预警指标中演化而来，例如微震监测领域使用的预警指标b值是描述微震震级-时间分布的一个参数，需要统计出不同震级的事件数的相对分布，得到微震频度与震级关系斜率(b值)，关系式如下：
logN＝a-bM
式中M为震级，N是以震级M为中心的小区间在一定时间内发生的微震数目，a表征在统计时间内的微震活动水平，b值表征微震震级与频次(微震事件发生的次数)关系的斜率，通过b值反映岩体的刚度和应力水平，作为地压灾害预警发生前的一个判据。但在实际工程中，预警指标b值受到时间、空间范围选择和事件数的多少影响，采用单一b值变化无法准确预警地下矿山大震事件的发生，单一b值预警指标不适用于定量判断地下矿山地压风险等级。
另外，在地下矿山地压安全监测领域，还可以采用累计视体积-能量指数随时间变化规律表征岩体变形过程的特征，视体积VA表达式如下：
Figure BDA0001906271700000021
其中M为地震矩(地震学家用来表示地震所释放出之能量的数量，是标志地震大小的物理量，是表征地震强度大小以及震源力学状态的基本参数之一)，μ为剪切刚度，E为微震能量。累计视体积∑VA为一段时间内视体积VA的和，累积视体积∑VA时间序列的特征描述了岩体变形随时间的变化特征。
微震事件的能量指数EI为该事件发射的微震能量与具有相同地震矩的事件发射的平均能量之比，能量指数越大表示产生同样大小同震变形的微震事件所发射的微震震能量越大，其表达式如下：
Figure BDA0001906271700000022
其中，E为微震能量，
Figure BDA0001906271700000023
由空间区域ΔV内的lgE与lgM的关系确定。
但实际观测中某一时间段内会有多次累计视体积-能量指数的变化，无法确定究竟哪一次才是最邻近“危险”的时刻，实际预警时间总是出现过早或者过晚预警的情况，直接影响到矿山的生产效率。
由此可见，上述现有技术的方案所采用的单一预警指标难以满足矿山安全生产指导要求，有效的指标多样化的预警方法成为当前地压监测亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿山地压灾害的预警方法，该方法采用多个指标对地压灾害进行预警，能及时确定地压灾害预警空间、时间和等级。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种矿山地压灾害的预警方法，所述方法包括：
步骤1、首先利用矿山微震监测系统定位矿山岩体变形破坏过程中发生微震事件的震源位置坐标；
步骤2、将所有微震事件的震源位置坐标组合后，每三个点组成一个面，并求出每个面的法矢量在垂向投影方位的分布，获得破裂面法矢量优势方位；
步骤3、将与所述破裂面法矢量优势方位垂直的面设为优势破裂面，统计所述优势破裂面区域的分布空间，得到预警空间；
步骤4、结合所述优势破裂面区域的累计视体积-能量指数、b值时空变化规律进行分析，获得地压灾害的预警时间及风险等级；
步骤5、根据地压风险等级情况进行地压时间、空间及等级预警。
所述步骤2的过程具体为：
若矿山微震监测系统定位到n个微震事件，将该n个微震事件经
Figure BDA0001906271700000031
组合，其中(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)为其中三个点组合在一起形成的空间面；
该空间面的法矢量为P1，第m个微震事件的空间法矢量为Pm，对应的空间法矢量在竖直面投影与竖直方向形成的夹角为βm，共
Figure BDA0001906271700000032
个夹角；
再对
Figure BDA0001906271700000033
个空间法矢量方位β进行分类，若在某一角度区间的β占比超过设定的阈值λ，则由此确定破裂面法矢量优势方位。
所述步骤4的过程具体为：
在所述优势破裂面所在空间统计累计视体积-能量指数、b值时空变化规律；其中，b值随时间骤变占预警权重为γ1，对应的能量指数下降而视体积增大占预警权重为γ2，两项权重指标累加值α＝γ1+γ2，代表了风险等级，两项权重指标累加值α确定的风险等级即为预警等级，包括低级、中级和高级预警；
b值、累计视体积-能量指数的突变时间为对应的预警时间，其中：
所述阈值λ根据矿山巷道、空区、矿体、围岩体的岩体结构来确定。
所述权重γ1，γ2由矿山开采岩体破坏程度来确定。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法采用多个指标对地压灾害进行预警，能及时确定地压灾害预警空间、时间和等级，从而为灾害防治提供指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的矿山地压灾害的预警方法流程示意图；
图2为本发明实施例所举的微震事件示意图；
图3为本发明实施例所述法矢量方位分类的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的矿山地压灾害的预警方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、首先利用矿山微震监测系统定位矿山岩体变形破坏过程中发生微震事件的震源位置坐标；
这里，矿山岩体在变形破坏的过程中伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦，积聚的能量在释放的过程中，产生微震事件。
步骤2、将所有微震事件的震源位置坐标组合后，每三个点组成一个面，并求出每个面的法矢量在垂向投影方位的分布，获得破裂面法矢量优势方位；
在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所举的微震事件示意图，若矿山微震监测系统定位到n个微震事件，将该n个微震事件经
Figure BDA0001906271700000043
组合，其中(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)为其中三个点组合在一起形成的空间面；
该空间面的法矢量为P1，第m个微震事件的空间法矢量为Pm，对应的空间法矢量在竖直面投影与竖直方向形成的夹角为βm，共
Figure BDA0001906271700000041
个夹角；
再对
Figure BDA0001906271700000042
个空间法矢量方位β进行分类，如图3所示为本发明实施例所述法矢量方位分类的示意图，将360°分为八个区间，若在某一角度区间的β占比超过设定的阈值λ，则由此确定破裂面法矢量优势方位。
例如，如图3所示，在0～45°区间法矢量方位β占比超过特定阈值λ，那么与竖直面夹角为0～45°区间的方位即是破裂面法矢量优势方位。
这里，阈值λ可以根据矿山巷道、空区、矿体、围岩体的岩体结构来确定。
步骤3、将与所述破裂面法矢量优势方位垂直的面设为优势破裂面，统计所述优势破裂面区域的分布空间，得到预警空间；
步骤4、结合所述优势破裂面区域的累计视体积-能量指数、b值时空变化规律进行分析，获得地压灾害的预警时间及风险等级；
该步骤中，首先在所述优势破裂面所在空间统计累计视体积-能量指数、b值时空变化规律；其中，b值随时间骤变占预警权重为γ1，对应的能量指数下降而视体积增大占预警权重为γ2，两项权重指标累加值α＝γ1+γ2，代表了风险等级，两项权重指标累加值α确定的风险等级即为预警等级，包括低级、中级和高级预警；
b值、累计视体积-能量指数的突变时间为对应的预警时间，其中，所述权重γ1，γ2由矿山开采岩体破坏程度来确定。
上述累计视体积-能量指数、b值时空变化规律的分析过程可参考现有技术的记载。
步骤5、根据地压风险等级情况进行地压时间、空间及等级预警。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述方法采用多个指标对地压灾害进行预警，能及时确定地压灾害预警空间、时间和等级，从而为灾害防治提供指导。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种矿山地压灾害的预警方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、首先利用矿山微震监测系统定位矿山岩体变形破坏过程中发生微震事件的震源位置坐标；
步骤2、将所有微震事件的震源位置坐标组合后，每三个点组成一个面，并求出每个面的法矢量在垂向投影方位的分布，获得破裂面法矢量优势方位，具体过程为：
若矿山微震监测系统定位到n个微震事件，将该n个微震事件经
Figure FDA0002440592290000011
组合，其中(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)为其中三个点组合在一起形成的空间面；
该空间面的法矢量为P1，第m个微震事件的空间法矢量为Pm，对应的空间法矢量在竖直面投影与竖直方向形成的夹角为βm，共
Figure FDA0002440592290000012
个夹角；
再对
Figure FDA0002440592290000013
个空间法矢量方位β进行分类，若在某一角度区间的β占比超过设定的阈值λ，则由此确定破裂面法矢量优势方位；
步骤3、将与所述破裂面法矢量优势方位垂直的面设为优势破裂面，统计所述优势破裂面区域的分布空间，得到预警空间；
步骤4、结合所述优势破裂面区域的累计视体积-能量指数、b值时空变化规律进行分析，获得地压灾害的预警时间及风险等级，具体过程为：
在所述优势破裂面所在空间统计累计视体积-能量指数、b值时空变化规律；其中，b值随时间骤变占预警权重为γ1，对应的能量指数下降而视体积增大占预警权重为γ2，两项权重指标累加值α＝γ1+γ2，代表了风险等级，两项权重指标累加值α确定的风险等级即为预警等级，包括低级、中级和高级预警；b值、累计视体积-能量指数的突变时间为对应的预警时间；
步骤5、根据地压风险等级情况进行地压时间、空间及等级预警。
2.根据权利要求1所述矿山地压灾害的预警方法，其特征在于，
所述阈值λ根据矿山巷道、空区、矿体、围岩体的岩体结构来确定。
3.根据权利要求1所述矿山地压灾害的预警方法，其特征在于，
所述权重γ1，γ2由矿山开采岩体破坏程度来确定。
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