CN110043316A - 一种矿山复合动力灾害综合监测预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山动力灾害监测预警领域，目的是提供一种矿山复合动力灾害综合监测预警方法，适用范围广、准确度高、能够满足各矿井现场需求。上述预警方法包括步骤1，矿井分区；步骤2采集基础数据：包括地质条件数据、采动条件数据和监测数据；步骤3，获取所述回采工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，所述掘进工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，以及所述无明显采掘扰动监测区的地质条件预警指标和监测数据预警指标；步骤4，分别确定各区的常规预警指标。本发明的解决了现有预警方法都有各自的缺点，广泛适用性差，准确性一般，难以满足各个矿井现场需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及矿山动力灾害监测预警技术领域，特别是涉及一种矿山复合动力灾害综合监测预警方法。
背景技术
矿山动力灾害是影响世界范围内采矿业安全健康发展的主要因素之一，其具有突发性强、影响因素多、偶然性强等特点，具有极强的毁灭性，一旦发生这种灾害将造成矿山人员生命和财产的重大损失。因此，对矿山动力灾害进行提前监测预警是预防重大矿山动力灾害事故发生的重要措施。矿山动力灾害包括矿山开采与地下工程活动诱发的冲击地压(岩爆)、煤与瓦斯突出、顶板垮落、突水等，冲击地压等动力灾害的发生机理复杂，而且应力场受到顶板疏放水、地表沉降等因素影响较大，更增加了动力灾害发生机理的复杂性和治理的难度。
其中，冲击地压是深埋地下工程在施工过程中常见的动力灾害破坏现象之一，目前，对于冲击地压灾害的监测预警，国内外已经提出了钻屑监测法、煤体应力监测法、电磁辐射监测法、地音和微震监测法等多种方法。
1)钻屑监测法：通过监测煤层钻孔排粉量变化规律以及相关的动力效应，了解煤体应力状态，以此预测冲击地压危险性，是目前最常使用的监测方法。但该方法具有因人而异的操作误差和不能连续监测的缺点。
2)煤体应力监测法：通过对煤体内采动应力进行连续监测，从应力场角度对煤岩体冲击危险性进行预测和评价，该方法实现了煤体采动应力变化量的连续监测。但该方法监测范围较小，而且监测结果对于自发型冲击地压的监测效果较好，对于诱发型冲击地压监测效果较差。
3)电磁辐射监测法：对煤岩体破裂过程中向外辐射的电磁强度和脉冲数进行监测，以此判断煤岩体受载程度和破裂强度，得到冲击危险程度。但该方法受井下各种电信号的影响，所得结果具有不确定性。
4)地音和微震监测法：对煤岩体破裂过程中释放的震动信号进行监测，可分析得到煤岩体不同破裂阶段，了解煤岩体整体破坏情况和能量释放情况，实现冲击的预测和预警。但该方法只监测破裂产生的震动信号，且对于诱发型冲击地压的监测效果较好，对于自发型冲击地压监测效果较差。
因此，现有的矿山动力灾害监测预警方法都有各自的缺点，广泛适用性差，而且由于矿山动力灾害类型复杂，当前许多矿井的现状都是安装了很多类型的监测预警系统，监测预警技术从手工测量、单参量监测到多参量实时监测方式同时存在，再加上不同煤矿企业防治技术水平发展不均衡，很多煤矿企业缺乏专业数据分析人员，虽然能够通过各个监测系统能够获得海量的监测数据，但却经常发生多种类监测系统实时联合监测效果差、预警结果不统一的情况，预警准确性差，无法满足现场需要。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的矿山动力灾害监测预警方法都有各自的缺点，广泛适用性差，准确性一般，难以满足各个矿井现场需求，而提供一种适用范围广、准确度高、能够满足各矿井现场需求的矿山复合动力灾害综合监测预警方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种矿山复合动力灾害综合监测预警方法，包括：
步骤1，矿井分区
将矿井分为回采工作面监测区、掘进工作面监测区和无明显采掘扰动监测区三类；
步骤2，采集基础数据
采集各区与复合动力灾害预警有关的基础数据，包括地质条件数据、采动条件数据和监测数据；
步骤3，依据采集的基础数据，获取所述回采工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，所述掘进工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，以及所述无明显采掘扰动监测区的地质条件预警指标和监测数据预警指标；
步骤4，分别确定各区的常规预警指标
对每个区的各个预警指标分配权重并累加，得到各区的常规预警指标。
优选地，在所述步骤4之后还包括：
步骤5，特殊监测数据标准判断
判断各区的特殊监测数据是否满足判断标准，如果满足则该区的预警指标为“红色”预警，如果不满足则该区的预警指标为其常规预警指标。
优选地，所述回采工作面监测区的所述地质条件预警指标包括冲击危险性评价预警指标和水文条件预警指标；所述回采工作面监测区的所述采动条件预警指标为采掘强度预警指标；
所述掘进工作面监测区的所述地质条件包括冲击危险性评价预警指标；所述掘进工作面监测区的所述采动条件预警指标为采掘强度预警指标；
所述无明显采掘扰动监测区的所述地质条件包括冲击危险性评价预警指标和水文条件预警指标。
优选地，所述回采工作面监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支架阻力监测预警指标、钻屑量监测预警指标和地音监测预警指标；
所述掘进工作面监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支护阻力监测预警指标、顶板离层监测预警指标、钻屑量监测预警指标和地音监测预警指标；
所述无明显采掘扰动监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支护阻力监测预警指标、顶板离层监测预警指标和钻屑量监测预警指标。
优选地，所述特殊监测数据包括应力值红色等级数量、应力值橙色等级数量、增速值橙色等级数量、24小时内发生超大能量微震事件的能力级、24小时内发生大能量微震事件数量和24小时内钻屑量超标情况。
优选地，所述特殊监测数据的判断标准如下表：
优选地，在所述步骤4中：
所述回采工作面监测区的常规预警指标为：
I常规＝Kh1*I评价+Kh2*I水文+Kh3*I生产+Kh4*I应力+Kh5*I微震+Kh6*I钻屑+Kh7*I支架+Kh8*I地音
其中，I评价为冲击危险性评价预警指标，I水文为水文条件预警指标，I生产为采掘强度预警指标，I应力为煤体应力监测预警指标，I微震为微震监测预警指标，I钻屑钻屑量监测预警指标，I支架为支架阻力监测预警指标，I地音为地音监测预警指标，Kh1～Kh8(∑Khi＝1)；
所述掘进工作面监测区的常规预警指标为：
I常规＝Kj1*I评价+Kj2*I生产+Kj3*I应力+Kj4*I微震+Kj5*I钻屑+Kj6*I地音+Kj7*I支护+Kj8*I离层
其中，I评价为冲击危险性评价预警指标，I生产为采掘强度预警指标，I应力为煤体应力监测预警指标，I微震为微震监测预警指标，I钻屑为钻屑量监测预警指标，I地音为地音监测预警指标，I支护为支护阻力监测预警指标，I离层为顶板离层监测预警指标，Kj1～Kj8(∑Kji＝1)；
所述无明显采掘扰动监测区的常规预警指标为：
I常规＝Kw1*I评价+Kw2*I水文Kw3*I应力+Kw4*I微震+Kw5*I钻屑+Kw6*I支护+Kw7*I离层
其中，I评价为冲击危险性评价预警指标，I水文为水文条件预警指标，I应力为煤体应力监测预警指标，I微震为微震监测预警指标，I钻屑为钻屑量监测预警指标，I支护为支护阻力监测预警指标，I离层为顶板离层监测预警指标，Kw1～Kw7(∑Kwi＝1)。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明提供的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，根据矿山动力灾害的发生机理，以长期现场监测为基础，对矿井进行分区监测，将各监测指标在不同分区内的变化情况耦合，并充分考虑特殊监测数据条件，实时在线监测矿井分区的动力灾害危险性，实现矿井冲击危险性的综合预警。
(2)本发明提供的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，除了采集常规的监测数据，还特别采集了地质条件数据和采动条件数据，进而获得地质条件预警指标和采动条件预警指标，并将地质条件预警指标和采动条件预警指标加入到各个区域常规预警指标的确定过程中，充分考虑了矿井周围环境以及与生产相关数据对灾害预警的影响，将与灾害预警相关的静态数据和动态数据相结合，大大提高了本发明预警方法的全面性、准确性和可靠性，使得本发明的预警方法能够满足各矿井现场需求，适用范围更加广泛。
(3)本发明提供的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，通过设置特殊监测数据标准判断过程，对出现的单因素极端异常情况予以充分重视，实现对常规预警的修正和补充，进一步提高了本发明预警方法的准确性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明矿山复合动力灾害综合监测预警方法的总架构图；
图2是本发明中煤体应力监测预警指标I应力计算所需基础数据示意图；
图3是本发明中微震监测预警指标I微震计算所需基础数据示意图；
图4是本发明中回采工作面监测区常规预警的运算流程示意图；
图5是本发明中掘进工作面监测区常规预警的运算流程示意图；
图6是本发明中无明显采掘扰动监测区常规预警的运算流程示意图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，是本发明一种矿山复合动力灾害综合监测预警方法的优选实施例。所述矿山复合动力灾害综合监测预警方法包括：
步骤1，矿井分区
根据受采掘影响程度的不同，将矿井分为回采工作面监测区、掘进工作面监测区、无明显采掘扰动监测区三类。其中，回采工作面监测区主要包括回采工作面；掘进工作面监测区主要包括掘进工作面；无明显采掘扰动监测区主要包括长期处于高应力作用下的开采末期大巷、采区上下山等。
例如，某矿井101工作面为走向长臂综采工作面，则其属于“回采工作面监测区”。
步骤2，采集基础数据
采集各区与复合动力灾害预警有关的基础数据，包括地质条件数据、采动条件数据和监测数据。为实现更加准确地灾害预警，本发明充分考虑了矿井周围地质情况、开采过程的采动情况对监测数据、进而对灾害预警的影响，将地质条件数据和采动条件数据纳入基础数据的范围，为后续预警指标的确定提供更全面的数据分析基础。
步骤3，依据采集的基础数据，获取所述回采工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，所述掘进工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，以及所述无明显采掘扰动监测区的地质条件预警指标和监测数据预警指标。
由于不同类型监测区的自身特点，各监测区所需的基础数据类型不同，进而得到的预警指标种类不同。
具体的，所述回采工作面监测区的所述地质条件预警指标包括冲击危险性评价预警指标和水文条件预警指标；所述回采工作面监测区的所述采动条件预警指标为采掘强度预警指标；所述回采工作面监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支架阻力监测预警指标、钻屑量监测预警指标和地音监测预警指标，监测数据种类可扩展。
所述掘进工作面监测区的所述地质条件包括冲击危险性评价预警指标；所述掘进工作面监测区的所述采动条件预警指标为采掘强度预警指标；所述掘进工作面监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支护阻力监测预警指标、顶板离层监测预警指标、钻屑量监测预警指标和地音监测预警指标，监测数据种类可扩展。
所述无明显采掘扰动监测区的所述地质条件包括冲击危险性评价预警指标和水文条件预警指标；所述无明显采掘扰动监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支护阻力监测预警指标、顶板离层监测预警指标和钻屑量监测预警指标，监测数据种类可扩展。
各区获得地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标的方法相同，下面分别叙述各项预警指标的获得过程。
1.地质条件预警指标
地质条件预警指标包括区域冲击危险性评价预警指标(I评价)和水文条件预警指标(I水文)。
1.1冲击危险性评价预警指标(I评价)
考虑不同区域地质条件的差异，引入监测区冲击危险性评价，根据评价报告所得的危险区及危险等级结果，获取冲击危险性评价预警指标(I评价)，取值如下表：
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面当前累计推进100m，根据冲击危险性评价显示目前工作面属于中等冲击地压危险，则当前工作面推采阶段冲击危险评价预警指标为：0.66。
1.2水文条件预警指标(I水文)
由于掘进期间暂无水文物探数据，仅回采工作面监测区、无明显采掘扰动监测区具有水文条件预警指标(I水文)。根据回采工作面与富水区的距离关系，得到水文条件预警指标(I水文)，取值如下表：
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面当前累计推进100m，工作面50m范围内无富水区，则当前工作面推采阶段水文条件预警指标为：0。
2.采动条件预警指标
在本发明中，采动条件预警指标即为采掘强度预警指标(I生产)，依据采集日进尺获得。由于无明显采掘扰动监测区定义的开采末期大巷、采区上下山等周边无采掘扰动影响，因此，仅回采工作面监测区、掘进工作面监测区具有采掘强度预警指标(I生产)。根据回采与掘进期间的日开采强度，得到采掘强度预警指标(I生产)，取值如下表：
| 等级 | 蓝色 | 橙色 | 红色 |
| 掘进日进尺区间/m | [0，8) | [8,12) | [12,+∞) |
| 回采日进尺区间/m | [0，5) | [5,7) | [7,+∞) |
| 采掘强度预警指标(I<sub>生产</sub>) | 0 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面当天回采进尺为3m，则当前工作面推采阶段采掘强度预警指标为：0。
3.监测数据预警指标
监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支架阻力监测预警指标、钻屑量监测预警指标、地音监测预警指标、支护阻力监测预警指标和顶板离层监测预警指标。不同区域的监测数据预警指标种类不同。
3.1煤体应力监测预警指标(I应力)
区域内所有应力测点均参与计算，三类监测区的煤体应力监测预警指标(I应力)的获得方法相同，如图2所示。
(1)计算单测点应力值指标(IY)
应力值指标(IY)按照测点实时应力值给出四级取值，其中，深浅孔取值区间有所区别，取值标准为可调参量，取值如下表：
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面装有“测点1浅孔”、“测点2深孔”两个应力测点，当前应力值分别是10Mpa、11Mpa，则“测点1浅孔”应力值指标为0.66，“测点2深孔”应力值指标为0.33。
(2)计算单测点应力增幅值指标(II)
增幅值指标(II)是表征当前应力值与初装值之间的增长幅度的标准，增长幅度越大，表征的危险程度越高，取值如下表:
增长系数＝[(当前应力值-初装应力值)/初装应力值]*100％
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 增长系数 | [-∞，50％) | [50％，80％) | [80％，100％) | [100，+∞) |
| 应力增幅值指标(I<sub>I</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面“测点1浅孔”、“测点2深孔”两个应力测点初装应力值均为7Mpa，那么两测点的应力增长系数分别为42.9％、57.1％，则“测点1浅孔”增幅值指标为0，“测点2深孔”增幅值指标为0.33。
(3)计算单测点应力增速值指标(IG)
单测点应力增速值指标(IG)是表征应力值在短时间内快速增长程度的标准，增长速度越快，表征的危险程度越高，其计算过程如下：
①首先，为了规避地应力测点的补油操作等带来的影响，首先判别当前应力是否大于临界值Y增临界(可默认为6MPa，可调参数)，当小于Y增临界时，该测点不进行增速指标计算。
②计算增长速率
假设当前时刻为t2，应力值为Yt2，之前某时刻为t1，应力值为Yt1，增速速率：
增长速率＝100％(Yt2-Yt1)/(Yt1(t2-t1))
式中：默认时间间隔为1小时(即t2-t1＝1小时)，可调整
③增速值指标(IG)默认取值及计算方法如下表：
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 增长速率 | [-∞，10％) | [10％，15％) | [15％，30％) | [30％，+∞) |
| 增速值指标(I<sub>G</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，t2-t1取默认值1小时，101工作面“测点1浅孔”、“测点2深孔”两个应力测点1小时以前的应力值分别为9.5Mpa、9Mpa，那么两测点的增长速度分别为5.3％、22.2％，则“测点1浅孔”增速值指标为0，“测点2深孔”增幅值指标为0.66。
(4)计算煤体应力监测预警指标(I应力)
煤体应力危险性指数I应力计算过程分两步：
①判断应力单测点的预警状态I应力单测点，实时计算应力单测点的应力值、增幅、增速三个指标，并根据区域显现特点定义分别三个指标的权重系数K应力1～K应力3(∑K应力i＝1，可调参量)，计算过程如下：
I应力单测点＝K应力1*IY+K应力2*II+K应力3*IG
式中：IY-单测点应力值指标，K应力1默认值0.5；II-单测点应力增幅值指标，
K应力2默认值0.2；IG-单测点应力增速值指标，K应力3默认值0.3
②区域煤体应力监测预警指标(I应力)为测区内所有应力测点冲击危险性指标的平均值：
I应力＝AVERAGE(I应力单点1，I应力单点2……I应力单点n)
例如，K应力1～K应力3取默认值，101工作面两个应力测点的单点预警状态：
I测点1浅孔＝0.5*0.66+0.2*0+0.3*0＝0.33
I测点2深孔＝0.5*0.33+0.2*0.33+0.3*0.66＝0.43
则，101工作面的煤体应力监测预警指标为：
I应力＝AVERAGE(I测点1浅孔，I测点2深孔)＝0.38
3.2微震监测预警指标(I微震)
(1)最大能量事件能量异常率指标(IL)
取当前时刻滚动24小时(可调参数)内的微震事件最大能量事件的能量进行分类，IL取值方法如下表：
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 能量区间/J | [0，10<sup>4</sup>) | [10<sup>4</sup>,10<sup>5</sup>) | [10<sup>5</sup>,10<sup>6</sup>) | [10<sup>6</sup>,+∞) |
| 最大能量事件能量异常率指标(I<sub>L</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面24小时内最大能量的微震事件能量为1.2×104J，则最大能量事件能量异常率指标为0.33。
(2)事件总能量异常率指标(IE)
取当前时刻滚动24小时(可调参数)内的微震事件总能量进行分类，IE取值方法如下表：
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 能量区间/J | [0，5*10<sup>4</sup>) | [5*10<sup>4</sup>,5*10<sup>5</sup>) | [15*0<sup>5</sup>,5*10<sup>6</sup>) | [5*10<sup>6</sup>,+∞) |
| 总能量异常率指标(I<sub>E</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面24小时内微震事件总能量为1.2×105J，则事件总能量异常率指标为0.33。
(3)吨煤能量释放率指标(IFE)
吨煤能量释放率是指每采出一吨煤释放的微震总能量，即当日微震能量与当日产量的比值。吨煤能量释放率指标(IFE)取值方法如下表：
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 吨煤能量释放率/(J/吨) | [0，3) | [3,5) | [5,10) | [10,+∞) |
| 吨煤能量释放率指标(I<sub>FE</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面当天采出煤炭10000吨，24小时内微震事件总能量为1.2×105J，吨煤能量释放率为12J/吨，则101工作面吨煤能量释放率指标为1。
(4)事件总频次异常率指标(IF)
取当前时刻滚动24小时(可调参数)内的微震事件发生总频次进行分类，掘进工作面监测区与回采工作面监测区标准值有所区别，IF取值方法如下表：
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 回采频次区间/个 | [0，30) | [30,60) | [60,100) | [100,+∞) |
| 掘进频次区间/个 | [0，10) | [10,20) | [20,30) | [30,+∞) |
| 事件总频次异常率指标(I<sub>F</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面24小时内微震事件发生总频次为25次，则101工作面吨微震的总频次异常率指标为0。
(5)大能量事件频次指标(IS)
大能量事件频发往往是危险的表征，故定义104J(可调参数)以上的能量为大能量事件。取当前时刻滚动24小时(可调参数)内的大能量事件发生频次进行分类，掘进工作面监测区与回采工作面监测区标准值有所区别，IS取值方法如下表：
| 等级 | 蓝色 | 黄色 | 橙色 | 红色 |
| 回采频次区间/个 | [0，5) | [5,15) | [15,30) | [30,+∞) |
| 掘进频次区间/个 | [0，1) | [1,3) | [3,5) | [5,+∞) |
| 大能量事件频次指标(I<sub>S</sub>) | 0 | 0.33 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面24小时内104J以上的能量为大能量事件频次为8次，则101工作面大能量事件频次指标为0.33。
(6)计算微震监测预警指标(I微震)
回采工作面监测区微震预警指数(I微震)，由基础指标最大能量事件能量异常率指标(IL)、事件总能量异常率指标(IE)、事件总频次异常率指标(IF)、吨煤能量释放率指标(IFE)、大能量事件频次指标(Is)耦合计算获得。由于掘进工作面监测区显现强度明显弱于回采工作面监测区，其预警的指标仅选取其中的事件总频次异常率指标(IF)、大能量事件频次指标(Is)两个指标耦合计算获得。无明显采掘扰动监测区微震预警指数(I微震)与回采工作面类似，由基础指标最大能量事件能量异常率指标(IL)、事件总能量异常率指标(IE)、事件总频次异常率指标(IF)、大能量事件频次指标(Is)耦合计算获得，如图3所示。
掘进工作面监测区、回采工作面监测区与无明显采掘扰动监测区微震预警指数(I微震)的参量不同，但预警方法相同，微震危险性指数I微震计算方法如下。
①回采工作面监测区I微震计算：
I微震＝K微震h1*Il+K微震h2*IE+K微震h3*IFE+K微震h4*IF+K微震h5*IS注：权重系数K微震h1～K微震h5(∑K微震hi＝1，可调参量，K微震h1～K微震h5默认值均为0.2)
②无明显采掘扰动监测区I微震计算：
I微震＝K微震w1*Il+K微震w2*IE+K微震w3*IF+K微震w4*IS
注：权重系数K微震w1～K微震w4(∑K微震wi＝1，可调参量，K微震w1～K微震w4默认值均为0.25)
③掘进工作面监测区I微震计算：
I微震＝K微震j1*IF+K微震j2*IS
注：权重系数K微震j1～K微震j2(∑K微震ji＝1，可调参量。K微震j1～K微震j2默认值均为0.5)
例如，101工作面测区I微震的计算方法及结果如下：
I微震＝K微震h1*Il+K微震h2*IE+K微震h3*IFE+K微震h4*IF+K微震h4*
IS＝0.2*0.33+0.2*0.33+0.2*1+0.2*0+0.2*0.33＝0.40
3.3支架阻力监测预警指标(I支架)
支架阻力预警指数(I支架)仅适用于回采工作面监测区，通过判别当前推进状态是否处于来压期间，确定本指数对复合灾害显现的影响。其计算过程：
①定义单个支架的压力临界值为“P预警”(可调参量，默认值为40KN)，P预警作为判别该支架是否来压的判别标准，若当前支架阻力值大于P预警，认为该支架的阻力超标。
②根据阻力同时超标的支架数量a(a为可调参量，默认值为4)，判别工作面是否处于来压阶段(即判别工作面状态是“非来压期间”或者“来压期间”)。当同时超标的支架数量≥a时，判别为“来压阶段”，否则判别为“非来压阶段”。支架阻力监测预警指数(I支架)取值如下表：
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面共安装20个支架阻力监测点，其中3个测点的支架阻力达到40KN以上，其余均小于40KN，则支架阻力揭示的来压状态为“非来压期间”，支架阻力监测预警指标为0。
3.4钻屑量监测预警指标(I钻屑)
三类监测区域的钻屑量监测预警指标(I钻屑)的获得方法相同，根据24小时(可调参数)内钻检结果是否有动力显现和钻粉量是否超标，判别钻屑监测预警指数(I钻屑)的取值如下表：
| 等级 | 蓝色 | 橙色 | 红色 |
| 钻屑状态 | 无动力显现、煤粉无超标 | 有动力显现、煤粉无超标 | 煤粉超标 |
| 钻屑量监测预警指标(I<sub>钻屑</sub>) | 0 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面测24小时内施工“施工孔1”、“施工孔2”两个钻检孔，其中“施工孔1”无动力显现、煤粉无超标，“施工孔2”有动力显现、煤粉无超标，则101工作面钻屑量监测预警指标为0.66。
3.5地音监测预警指标(I地音)
地音监测通常用于回采工作面监测区与掘进工作面监测区，因此本发明地音监测预警指标I地音仅用于这两类监测区域。地音监测预警指标I地音计算过程分两步：
①计算地音测点Ci的能量异常率指标(IDE)：
根据测点单位时间的能量区间(可调参量，默认为1小时)，判别地音测点能量异常率指标(IDE)，如下表：
| 等级 | 蓝色 | 橙色 | 红色 |
| 掘进能量区间/J | [0，10<sup>2</sup>) | [10<sup>2</sup>,10<sup>3</sup>) | [10<sup>3</sup>,+∞) |
| 回采能量区间/J | [0，10<sup>3</sup>) | [10<sup>3</sup>,10<sup>4</sup>) | [10<sup>4</sup>,+∞) |
| 地音测点能量异常率指标(I<sub>DE</sub>) | 0 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面共安装“地音1测点”、“地音2测点”两个地音监测点，其中“地音1测点”1小时内能量和为1.1*103J，“地音2测点”1小时内能量和为1.5*102J，则“地音1测点”能量异常率指标为0.66，“地音2测点”能量异常率指标为0。
②计算地音测点Ci的频次异常率(IDF)：
根据测点单位时间(可调参量，默认为1小时)的地音事件频次区间，判别测点频次异常率指数(IDF)，如下表：
| 等级 | 蓝色 | 橙色 | 红色 |
| 掘进工作面监测区地音事件频次区间/J | [0，20) | [20,50) | [50,+∞) |
| 回采工作面监测区地音事件频次区间/J | [0，50) | [50,100) | [100,+∞) |
| 地音测点频次异常率指标(I<sub>DF</sub>) | 0 | 0.66 | 1 |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面“地音1测点”1小时内地音事件频次为15，“地音2测点”1小时内地音事件频次为55，则“地音1测点”频次异常率指标为0，“地音2测点”频次异常率指标为0.66。
③计算地音监测预警指标(I地音)：
通过对IDE、IDF分配权重系数，计算每个地音测点的地音监测预警指标ICi；
ICi＝K地音1*IDE+K地音2*IDF
注：权重系数K地音1、K地音2(∑K地音i＝1，可调参量。K地音1默认取值0.6，K地音2默认取值0.4)
取单点最大的ICi值，作为地音监测预警指标(I地音)：
I地音＝max(ICi)
例如，101工作面两个地音测点的危险指数分别为：
I地音1测点＝K地音1*IDE+K地音2*IDF＝0.6*0.66+0.4*0＝0.40
I地音2测点＝K地音1*IDE+K地音2*IDF＝0.6*0+0.4*0.66＝0.26
则，101工作面地音监测预警指标为：
I地音＝max(ICi)＝max(I地音1测点，I地音2测点)＝0.40
3.6支护阻力监测预警指标(I支护)
支护阻力监测预警指标(I支护)仅用于掘进工作面监测区和无明显采掘扰动监测区。支护阻力监测预警指标(I支护)按照累计变化量与日变化量进行分区，判别支护阻力预警指数(I支护)取值。
掘进工作面监测区由于锚杆索支护受掘进头的距离等因素影响，I支护取值条件有所区别，具体如下表所示。
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
无明显采掘扰动监测区由于锚杆索支护受安装时间等因素影响，I支护取值条件有所区别，具体如下表所示。
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面属于“回采工作面监测区”，支护阻力监测预警指标不参与计算。
3.7顶板离层监测预警指标(I离层)
顶板离层监测预警指标(I离层)仅用于掘进工作面监测区和无明显采掘扰动监测区。顶板离层监测预警指标(I离层)与支护阻力监测预警指标类似，按照其累计变化量与日变化量进行分区，判别顶板离层监测预警指标(I离层)取值。
掘进工作面监测区的顶板离层监测预警指标(I离层)取值如下表所示。
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
无明显采掘扰动监测区的顶板离层监测预警指标I支护取值如下表所示。
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101工作面属于“回采工作面监测区”，顶板离层监测预警指标不参与计算。
步骤4，分别确定各区的常规预警指标
在步骤3的基础上，对每个区的各个预警指标分配权重并累加，运算得到各区域的常规预警指标。常规预警指标按照预警等级由低到高划分为“蓝色”、“黄色”、“橙色”、“红色”四级。
1、回采工作面监测区常规预警指标确定
回采工作面监测区常规预警指标的算法考虑“地质条件”、“采动条件(开采强度)”和“监测数据”三类共8个因素。在计算回采工作面监测区常规预警指标之前，对各因素分别计算预警指标并赋予相应权重系数Kh1～Kh8(∑Khi＝1，可调参数，Kh1～Kh8默认值均为0.125)，最终得到回采工作面监测区常规预警指标I常规，(如图4所示)：
I常规＝Kh1*I评价+Kh2*I水文+Kh3*I生产+Kh4*I应力+Kh5*I微震+Kh6*I钻屑+Kh7*I支架+Kh8*I地音
其中，地质条件预警指标包括回采工作面监测区的冲击危险性评价预警指标(I评价)和水文条件预警指标(I水文)；采动条件预警指标包括回采工作面监测区的采掘强度预警指标(I生产)，主要考虑了回采工作面监测区推采强度对复合灾害显现的影响；监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标(I应力)、微震监测预警指标(I微震)、支架阻力监测预警指标(I支架)、钻屑量监测预警指标(I钻屑)和地音监测预警指标(I地音)，监测数据种类可扩展。
例如，101回采工作面监测区常规预警指标计算过程为：
I101工作面常规＝Kh1*I评价+Kh2*I水文+Kh3*I生产+Kh4*I应力+Kh5*I微震+Kh6*I钻屑+Kh7*I支架+Kh8*I地音＝0.125*(0.66+0+0+0.38+0.40+0.66+0+0.4)＝0.31
之后，根据区域计算得到的常规预警指标数值，对照下表，得到该区域的常规预警指标等级。
| I<sub>常规</sub> | [0,0.3) | [0.3,0.5) | [0.5,0.8) | [0.8,1] |
| 对应的常规预警指标等级 | 蓝色(无危险) | 黄色(弱危险) | 橙色色(中等危险) | 红色(强危险) |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101回采工作面监测区常规预警指标数值为：I101工作面常规＝0.31，则该回采工作面监测区对应的常规预警指标等级为“黄色(弱危险)”。
2、掘进工作面监测区常规预警指标确定
掘进工作面监测区常规预警指标的算法与回采工作面监测区类似，也考虑“地质条件”、“采动条件(开采强度)”和“监测数据”三类共8个因素，但影响因素种类和预警指标获得方法略有不同。在计算掘进工作面监测区常规预警指标之前，对各因素分别计算预警指标并赋予相应权重系数Kj1～Kj8(∑Kji＝1，可调参数，Kj1～Kj8默认值均为0.125)，最终得到掘进工作面监测区常规预警指数I常规，如图5所示：
I常规＝Kj1*I评价+Kj2*I生产+Kj3*I应力+Kj4*I微震+Kj5*I钻屑+Kj6*I地音+Kj7*I支护+Kj8*I离层
其中，地质条件预警指标包括掘进工作面监测区的冲击危险性评价预警指标(I评价)；采动条件预警指标包括掘进工作面监测区的采掘强度预警指标(I生产)，主要考虑了掘进工作面监测区推进强度对复合灾害显现的影响；监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标(I应力)、微震监测预警指标(I微震)、支护阻力监测预警指标(I支护)、顶板离层监测预警指标(I离层)、钻屑量监测预警指标(I钻屑)和地音监测预警指标(I地音)，监测数据种类可扩展。
例如，某矿“102胶带运输巷”掘进工作面，假设个预警指标如下：I评价＝0.33；I生产＝0；I应力＝0.5；I微震＝0.4；I支护＝0；I离层＝0；I钻屑＝0.66；I地音＝0.4。测区常规预警指标计算过程为：
I102胶带运输巷常规＝Kj1*I评价+Kj2*I生产+Kj3*I应力+Kj4*I微震+Kj5*I钻屑+Kj6*I地音+Kj7*I支护+Kj8*I离层＝0.125*(0.33+0+0.5+0.4+0+0+0.66+0.4)＝0.29
之后，根据区域计算得到的常规预警指标数值，对照下表，得到该区域的常规预警指标等级。
| I<sub>常规</sub> | [0,0.3) | [0.3,0.5) | [0.5,0.8) | [0.8,1] |
| 对应的常规预警指标等级 | 蓝色(无危险) | 黄色(弱危险) | 橙色色(中等危险) | 红色(强危险) |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，“102胶带运输巷”掘进工作面监测区常规预警指标数值为：I102胶带运输巷常规＝0.29，则该回采工作面监测区对应的常规预警指标等级为“蓝色(无危险)”。
3、无明显采掘扰动监测区常规预警指标确定
无明显采掘扰动监测区常规预警指标的算法考虑“地质条件”和“监测数据”两类共7个因素。在计算无明显采掘扰动监测区常规预警指标之前，对各因素分别计算预警指标并赋予相应权重系数Kw1～Kw7(∑Kwi＝1，可调参数，Kw1～Kw8默认值均为0.143)，最终得到无明显采掘扰动监测区常规预警指标I常规，如图6所示：
I常规＝Kw1*I评价+Kw2*I水文Kw3*I应力+Kw4*I微震+Kw5*I钻屑+Kw6*I支护+Kw7*I离层
其中，地质条件预警指标包括无明显采掘扰动监测区的冲击危险性评价预警指标(I评价)和水文条件预警指标(I水文)；监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标(I应力)、微震监测预警指标(I微震)、支护力监测预警指标(I支护)、顶板离层监测预警指数(I离层)和钻屑量监测预警指标(I钻屑)，监测数据种类可扩展。
例如，某矿“一采区下山”监测区，区域类型属于无明显采掘扰动影响监测区，假设个预警指标如下：I评价＝0.33；I水文＝0；I应力＝0.5；I微震＝0.4；I钻屑＝0.66；I支护＝0；I离层＝1。测区常规预警指标计算过程为：
I常规＝Kw1*I评价+Kw2*I水文Kw3*I应力+Kw4*I微震+Kw5*I钻屑+Kw6*I支护+Kw7*I离层＝0.143*(0.33+0+0.5+0.4+0.66+0+1)＝0.41
之后，根据区域计算得到的常规预警指标数值，对照下表，得到该区域的常规预警指标等级。
| I<sub>常规</sub> | [0,0.3) | [0.3,0.5) | [0.5,0.8) | [0.8,1] |
| 对应的常规预警指标等级 | 蓝色(无危险) | 黄色(弱危险) | 橙色色(中等危险) | 红色(强危险) |
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，“一采区下山”监测区常规预警指标数值为：I一采区下山＝0.41，则该回采工作面监测区对应的常规预警指标等级为“黄色(弱危险)”。
为了使本发明提供的预警方法更准确、全面，在步骤4之后增加了对常规预警指标的结果进行修正和补充的步骤，即：
步骤5，特殊监测数据标准判断的步骤：
判断各区的特殊监测数据是否满足判断标准，如果满足则该区的预警指标为“红色”预警，如果不满足则该区的预警指标为其常规预警指标。
由于常规监测预警指标的算法考虑的指标种类较多，单因素出现极端异常情况极可能被忽略，为此，通过设置特殊监测数据标准判断的步骤对常规预警指标的算法进行补充。
在本实施例中，所述特殊监测数据包括应力值红色等级数量、应力值橙色等级数量、增速值橙色等级数量、24小时内发生超大能量微震事件的能力级、24小时内发生大能量微震事件数量和24小时内钻屑量超标情况。
具体地，所述特殊监测数据的判断标准如下表(“特殊监测数据条件”种类包括但不仅限于下表)：
注：上表中各参数值和参数区间可依据实际应用场合重新设定，本发明对此不作限定。
例如，101回采工作面监测区的煤体应力监测“测点1浅孔”、“测点2深孔”两个应力测点，当前应力值分别是10Mpa(橙色)、11Mpa(黄色)，未达到应力监测的异常条件；101回采工作面监测区的微震监测结果显示，24小时内最大能量的微震事件能量为1.2×104J，能量在104J以上的事件频次为8次，未达到微震监测的异常条件；101回采工作面钻屑监测结果显示，两个施工孔均为超标，未达到钻屑量监测的异常条件。综上，101回采工作面监测区的不满足“特殊监测数据条件”，该区域的最终预警指标结果仍为其常规预警指标，即黄色(弱危险)，常规预警指标数值为I101工作面常规＝0.31。
在本发明中，“可调参量”是指本发明实施例中示意的各参数和参数范围均可以依据实际应用场合重新设定，本发明对这些具体数值和范围此不作限定。
在其他实施例中，特殊监测数据的种类可根据实际应用场合增减或重新设定。
在其他实施例中，回采工作面监测区、掘进工作面监测区、无明显采掘扰动监测区在获得各区预警指标的过程中，所采集和使用的监测数据种类、数量都可以根据矿区实际情况增减或修改。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，包括：
步骤1，矿井分区
将矿井分为回采工作面监测区、掘进工作面监测区和无明显采掘扰动监测区三类；
步骤2，采集基础数据
采集各区与复合动力灾害预警有关的基础数据，包括地质条件数据、采动条件数据和监测数据；
步骤3，依据采集的基础数据，获取所述回采工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，所述掘进工作面监测区的地质条件预警指标、采动条件预警指标和监测数据预警指标，以及所述无明显采掘扰动监测区的地质条件预警指标和监测数据预警指标；
步骤4，分别确定各区的常规预警指标
对每个区的各个预警指标分配权重并累加，得到各区的常规预警指标。
2.根据权利要求1所述的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，在所述步骤4之后还包括：
步骤5，特殊监测数据标准判断
判断各区的特殊监测数据是否满足判断标准，如果满足则该区的预警指标为“红色”预警，如果不满足则该区的预警指标为其常规预警指标。
3.根据权利要求1或2所述的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于：所述回采工作面监测区的所述地质条件预警指标包括冲击危险性评价预警指标和水文条件预警指标；所述回采工作面监测区的所述采动条件预警指标为采掘强度预警指标；
所述掘进工作面监测区的所述地质条件包括冲击危险性评价预警指标；所述掘进工作面监测区的所述采动条件预警指标为采掘强度预警指标；
所述无明显采掘扰动监测区的所述地质条件包括冲击危险性评价预警指标和水文条件预警指标。
4.根据权利要求3所述的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，所述回采工作面监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支架阻力监测预警指标、钻屑量监测预警指标和地音监测预警指标；
所述掘进工作面监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支护阻力监测预警指标、顶板离层监测预警指标、钻屑量监测预警指标和地音监测预警指标；
所述无明显采掘扰动监测区的所述监测数据预警指标包括煤体应力监测预警指标、微震监测预警指标、支护阻力监测预警指标、顶板离层监测预警指标和钻屑量监测预警指标。
5.根据权利要求4所述的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，所述特殊监测数据包括应力值红色等级数量、应力值橙色等级数量、增速值橙色等级数量、24小时内发生超大能量微震事件的能力级、24小时内发生大能量微震事件数量和24小时内钻屑量超标情况。
6.根据权利要求5所述的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，所述特殊监测数据的判断标准如下表：
7.根据权利要求4所述的矿山复合动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，在所述步骤4中：
所述回采工作面监测区的常规预警指标为：
I常规＝Kh1*I评价+Kh2*I水文+Kh3*I生产+Kh4*I应力+Kh5*I微震+Kh6*I钻屑+Kh7*I支架+Kh8*I地音
其中，I评价为冲击危险性评价预警指标，I水文为水文条件预警指标，I生产为采掘强度预警指标，I应力为煤体应力监测预警指标，I微震为微震监测预警指标，I钻屑钻屑量监测预警指标，I支架为支架阻力监测预警指标，I地音为地音监测预警指标，Kh1～Kh8(∑Khi＝1)；
所述掘进工作面监测区的常规预警指标为：
I常规＝Kj1*I评价+Kj2*I生产+Kj3*I应力+Kj4*I微震+Kj5*I钻屑+Kj6*I地音+Kj7*I支护+Kj8*I离层
其中，I评价为冲击危险性评价预警指标，I生产为采掘强度预警指标，I应力为煤体应力监测预警指标，I微震为微震监测预警指标，I钻屑为钻屑量监测预警指标，I地音为地音监测预警指标，I支护为支护阻力监测预警指标，I离层为顶板离层监测预警指标，Kj1～Kj8(∑Kji＝1)；
所述无明显采掘扰动监测区的常规预警指标为：
I常规＝Kw1*I评价+Kw2*I水文Kw3*I应力+Kw4*I微震+Kw5*I钻屑+Kw6*I支护+Kw7*I离层
其中，I评价为冲击危险性评价预警指标，I水文为水文条件预警指标，I应力为煤体应力监测预警指标，I微震为微震监测预警指标，I钻屑为钻屑量监测预警指标，I支护为支护阻力监测预警指标，I离层为顶板离层监测预警指标，Kw1～Kw7(∑Kwi＝1)。
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