CN111476420B - 一种微震监测冲击地压预警指标优化方法 - Google Patents

一种微震监测冲击地压预警指标优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微震监测冲击地压预警指标优化方法，该方法以冲击地压矿井实际动力显现、强矿震事件的长期观测数据为基础，首先建立单一预警指标确定准则，对单一预警指标进行预警能效评定，明确其各自预警效能，再综合各项预警指标的预警效能，形成多参数联合预警评价方法，实现微震监测的多参数联合预警，提高微震系统对冲击地压预警的准确性。本发明主要适用于冲击地压矿井微震监测系统的监测预警，特别是微震监测预警指标优化方面。

Description

一种微震监测冲击地压预警指标优化方法
技术领域
本发明涉及一种微震监测冲击地压预警指标优化方法，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、预警指标优化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。其中，微震监测作为区域监测手段在冲击地压矿井中应用广泛。其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，微震能量预警指标通常包括104J以上事件频次、每日微震事件总能量、每刀能量、每日事件总频次、单位推进度总能量、单位推进度总频次等，实际使用过程中每日将实测微震数据汇总统计，形成监测日报，用于冲击危险性判别。
但在实际监测工作中发现，目前的微震监测任何单一预警指标均无法实现准确预警，需要将各项指标综合起来实现多参数综合预警；其次，目前对每项预警指标实际预警效能评价不足，以104J以上事件频次为例，设定每日104J以上事件为10个时判定为强冲击危险，那如果当日出现10个104J以上事件，其预报准确性如何？有无漏报可能？有无误报的可能？能否准确反映当日冲击危险的真实水平？预警指标如何进一步优化。此类疑问为目前现场微震监测预警工作中继续攻克难题，也是目前冲击地压监测预警行业面临的共性难题。
此外，目前国内外对于冲击地压发生机理认识尚处于研究过程中，对于预警前兆信息识别及预警方法的研究尚处于摸索阶段，不同的冲击地压矿井实际条件千差万别，监测预警指标需要结合各矿实际条件采用“一矿一策”甚至是“一面一策”，如何结合各矿实际情况形成相对普遍使用的预警指标优化方法，是目前煤矿冲击地压防治重要研究课题之一。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种微震监测冲击地压预警指标优化方法，该方法以冲击地压矿井实际动力显现、强矿震事件的长期观测数据为基础，首先建立单一预警指标确定准则，对单一预警指标进行预警能效评定，明确其各自预警效能，再综合各项预警指标的预警效能，形成多参数联合预警评价方法，实现微震监测的多参数联合预警，提高微震系统对冲击地压预警的准确性。本发明主要适用于冲击地压矿井微震监测系统的监测预警，特别是微震监测预警指标优化方面。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种微震监测冲击地压预警指标优化方法，包括以下步骤：
(1)收集数据
收集冲击地压矿井工作面采掘期间微震监测数据、所有动力显现以及矿震事件相关微震监测数据；
(2)选择、拓展单一预警指标种类
初期借鉴本矿井其他采掘工作面、邻近矿井、行业常规单一预警指标种类，在日常监测预警工作中不断发掘新的预警指标；常规单一预警指标种类选择：单一大能量事件、104J以上事件频次、每日微震事件总能量、每日微震事件总频次以及每刀能量；
(3)对每项单一预警指标在工作面采掘期间微震监测数据进行倒序排列
对目标工作面采掘期间监测到的微震事件按每项单一预警指标进行统计计算，并将计算结果进行倒序排列，按横坐标为时间轴绘制倒序排列图表；
(4)在倒序排列图中标识历次动力显现、矿震事件
将收集到的本工作面历次动力显现、矿震事件按实际发生时间表示在倒序排列图表中；
(5)按以下原则确定每项单一预警指标具体预警值
①设定强冲击危险预警指标能够预警80％冲击事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kqi|；
②设定中等冲击危险预警指标能够预警100％冲击事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kzi|；
③设定弱等冲击危险预警指标能够预警100％强震动事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kri|；
④设定无冲击危险预警指标为＜|kri|；
其中，i为第i个单一预警指标种类，q、z、r、w分别代表强、中等、弱、无冲击危险等级；
(6)计算每项单一预警指标预警效能评价指标
预警指标预警效能评价指标包括准确率、漏报率和误报率；
(7)有效预警指标筛选
依据步骤(6)中计算结果，排查各项单一预警指标预警效能指标是否同时具备准确率最小、漏报率最大、误报率最大，如满足以上条件，说明该项单一预警指标预警效能差，不适合作为一项预警指标，应删去，否则保留；
(8)计算每项单一预警指标预警权重
①计算每项单一预警指标实际预警率
Figure GDA0004216552420000041
Figure GDA0004216552420000042
Figure GDA0004216552420000043
其中：
i＝0,1,2,…,n；
Eiq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的实际预警率；
Diq为第i项单一预警指标种类采用强冲击危险判定指标时在工作面采掘期间总的预警天数；
Eiz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的实际预警率；
Diz为第i项单一预警指标种类采用中等冲击危险判定指标时在工作面采掘期间总的预警天数；
Eir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的实际预警率；
Dir为第i项单一预警指标种类采用弱冲击危险判定指标时在工作面采掘期间总的预警天数；
S为采掘工作面全部生产天数；
②选择每项单一预警指标实际预警率最小值
Eminq＝MIN(Eiq)
Eminz＝MIN(Eiz）
Eminr＝MIN（Eir)
③计算每项单一预警指标预警权重
Figure GDA0004216552420000051
Figure GDA0004216552420000052
Figure GDA0004216552420000053
其中：
δiq为第i项单一预警指标种类采用强冲击危险判定指标时预警权重；
δiz为第i项单一预警指标种类采用中等冲击危险判定指标时预警权重；
δir为第i项单一预警指标种类采用弱冲击危险判定指标时预警权重；
(9)计算当日综合动载预警值
③计算当日单一预警指标的预警权重
若ki≥|kqi|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值达到强冲击危险等级，则取δi＝δiq；
若|kqi|＜ki≥|kzi|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值达到中等冲击危险等级，则取δi＝δiz；
若|kzi|＜ki≥|kri|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值达到弱冲击危险等级，则取δi＝δir；
若ki＜|kri|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值为无冲击危险等级，则取δi＝0；
④计算当日动载综合预警值
Figure GDA0004216552420000061
(10)每日进行综合预警
按以下原则判定当日动载扰动条件下冲击危险程度：
若
Figure GDA0004216552420000062
则判定为当日强冲击危险；
若
Figure GDA0004216552420000063
则判定为当日中等冲击危险；
若
Figure GDA0004216552420000064
则判定为当日弱冲击危险；
若|δ|＝0，则判定为当日无冲击危险；
(11)当日是否出现新的动力显现、矿震事件
如当日出现新的动力显现、矿震事件，则将当日微震监测数据统计后返回步骤(3)，重新优化预警值，直至工作面安全回采结束。
本发明进一步的改进在于，步骤(6)中，每项单一预警指标具体预警值的效能指标计算方法如下：
①准确率：
Figure GDA0004216552420000065
Figure GDA0004216552420000066
Figure GDA0004216552420000067
其中：
Yiq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的预警准确率；
Aiq为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的强冲击危险判定指标时，能够预测到的历史冲击显现事件次数；
Yiz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的预警准确率；
Aiz为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的强冲击危险判定指标时，能够预测到的历史冲击显现事件次数；
Yir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的预警准确率；
Air为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的弱冲击危险判定指标时，能够预测到的历史冲击显现事件次数；
B为步骤(1)中采掘工作面收集到的动力显现事件数量；
②漏报率：
漏报率Liq＝1-Yiq
漏报率Liz＝1-Yiz
漏报率Lir＝1-Yir
Liq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的预警漏报率；
Liz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的预警漏报率；
Lir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的预警漏报率；
③误报率：
Figure GDA0004216552420000071
Figure GDA0004216552420000072
Figure GDA0004216552420000073
其中：
Xiq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的预警误报率；
Ciq为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的强冲击危险判定指标时，工作面采掘期间具备强冲击危险的总次数；
Xiz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的预警误报率；
Ciz为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的中等冲击危险判定指标时，工作面采掘期间具备中等冲击危险的总次数；
Xir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的预警误报率；
Cir为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的弱冲击危险判定指标时，工作面采掘期间具备弱冲击危险的总次数。
本发明与现有技术相比，具备以下几个优点：
1、通过引入预警指标预警效能评价指标，包括准确率、漏报率、误报率，可量化评价单一预警指标每日预报准确性，有无漏报可能，有无误报的可能，使得现场监测预警效果更加准确。此外，通过选择合理的准确率、漏报率、误报率，控制过大的误报率会导致工作面频繁预警，可以避免对工作面采掘作业的过度影响。
2、依据步骤(7)的有效预警指标筛选，可以筛选合理的预警指标类型，删除无效预警指标类型，使得现场监测预警工作更加准确。
3、通过当日动载综合预警值，可以有效反应出采掘工作面当日动载扰动条件下发生冲击危险的可能性，对于现场安全管理指导意义明显。本发明的对动静载叠加型冲击地压现场监测与防治指导意义较大。
附图说明
图1为本发明方法的流程原理示意图。
图2为每日104J以上事件频次倒序排列及动力显现事件分布图。
图3为每日微震事件总能量倒序排列及动力显现事件分布图。
图4为每刀能量降序倒序排列及动力显现事件分布图。
图5为每日事件总频次降序倒序排列及动力显现事件分布图。
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，本发明提供的一种微震监测冲击地压预警指标优化方法，其具体步骤如下：
步骤1：本实施例涉及的实验回采工作面采用KJ551微震监测系统，于2019年5月投入使用，截止2019年12月22日，系统在实验工作面区域共监测到微震事件23845个。期间记录动力显现8次，明显震感强矿震事件1次。
步骤2：工作面回采期间借鉴本矿井邻近回采工作面微震监测预警指标，选择单一大能量事件、104J以上事件频次、每日微震事件总能量、每日微震事件总频次、每刀能量，此外实际预警工作中发现能频差异系数预警指标实际预警效果较好，亦作为一项单一预警指标类型。
步骤3：对每项单一预警指标在工作面采掘期间微震监测数据进行倒序排列
对实验工作面回采期间监测到的微震事件按照104J以上事件频次、每日微震事件总能量、每日微震事件总频次、每刀能量等预警指标类型进行统计计算，并将计算结果进行倒序排列，按横坐标为时间轴绘制倒序排列图表。
步骤4：在倒序排列图中标识历次动力显现、矿震事件
将收集到的本工作面历次动力显现、矿震事件按实际发生时间表示在倒序排列图表中，结果如图2～图5所示。
步骤5：按以下原则确定每项单一预警指标具体预警值
①设定强冲击危险预警指标能够预警80％冲击事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kqi|；
选定8月18日对应的事件频次作为强冲击危险预警指标，104J以上事件每日频次16次，取|kq1|＝16。
选定8月01日对应的当日微震事件总能量作为强冲击危险预警指标，即867955J，取|kq2|＝8.67×105J。
选定9月03日对应的当日微震事件总能量作为强冲击危险预警指标，即140836J，取|kq3|＝1.40×105J。
选定7月29日对应的每日事件总频次作为强冲击危险预警指标，即85个，取|kq4|＝85。
②设定中等冲击危险预警指标能够预警100％冲击事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kzi|；
选定9月21日对应的事件频次作为中等冲击危险预警指标，即104J以上事件每日频次12次，取|kz1|＝12。
选定9月03日对应的事件频次作为中等冲击危险预警指标，即563345J，取|kz2|＝5.63×105J。
选定8月01日对应的事件频次作为中等冲击危险预警指标，即108494J，取|kz3|＝1.08×105J。
选定8月01日对应的事件频次作为中等冲击危险预警指标，取|kz4|＝68。
③设定弱等冲击危险预警指标能够预警100％强震动事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kri|；
选定弱冲击危险预警指标能够预警100％以上强震动事件，即104J以上事件每日频次1次，累计强震动事件56次，占总数的100％，取|kr1|＝1
选定弱冲击危险预警指标能够预警100％以上强震动事件，即91341J，取|kr2|＝9.13×104J。
选定弱冲击危险预警指标能够预警100％以上强震动事件，即22835.25J，取|kr3|＝2.28×104J。
设定弱冲击危险预警指标能够预警100％强震动事件，取|kr4|＝29。
④设定无冲击危险预警指标为|kwi|＜|kri|；
取|kw1|＜0；取|kw2|＜9.13×104；取|kw3|＜2.28×104；取|kw4|＜29；
步骤6：计算每项单一预警指标预警效能指标依据步骤6计算结果如下：
表1 104J以上事件频次预警指标预警效能指标
Figure GDA0004216552420000111
表2每日微震事件总能量预警指标预警效能指标
Figure GDA0004216552420000112
表3每刀能量预警指标预警效能指标
Figure GDA0004216552420000115
表4每日事件总频次指标预警效能指标
Figure GDA0004216552420000121
表5能-频差异系数预警效能指标
Figure GDA0004216552420000122
步骤7：有效预警指标筛选
经排查步骤6中各项单一预警指标预警效能指标不存在同时具备准确率最小、漏报率最大、误报率最大的条件，均予以保留。
汇总以上结果，得到实验工作面微震监测系统预警指标优化结果，如表6所示。
表6实验工作面微震系统预警指标优化结果
Figure GDA0004216552420000123
Figure GDA0004216552420000131
步骤8：计算每项单一预警指标预警权重
①计算每项单一预警指标实际预警率计算结果如表7所示。
表7每项单一预警指标实际预警率计算结果
Figure GDA0004216552420000132
Figure GDA0004216552420000141
②选择每项单一预警指标实际预警率最小值
Eminq＝MIN(Eiq)(i＝0,1,2......n)＝0.197183
Eminz＝MIN(Eiz)(i＝0,1,2......n)＝0.211268
Eminr＝MIN(Eir)(i＝0,1,2......n)＝0.230047
③计算每项单一预警指标预警权重
计算结果如表8所示。
表8每项单一预警指标预警权重计算结果
Figure GDA0004216552420000142
步骤9：计算当日综合动载预警值
①计算当日单一预警指标的预警权重
该方法自2019年12月25日试用，以2019年12月25日实验工作面微震监测数据为例说明当日综合动载预警值计算过程。
2019年12月25日，实验工作面各单一预警指标实际监测值如下：
Figure GDA0004216552420000143
Figure GDA0004216552420000151
⑤计算当日动载综合预警值
Figure GDA0004216552420000152
步骤10：每日进行综合预警
Figure GDA0004216552420000153
故判定当日动载扰动条件下冲击危险程度为中等。/>

Claims (1)

1.一种微震监测冲击地压预警指标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)收集数据
收集冲击地压矿井工作面采掘期间微震监测数据、所有动力显现以及矿震事件相关微震监测数据；
(2)选择、拓展单一预警指标种类
初期借鉴本矿井其他采掘工作面、邻近矿井、行业常规单一预警指标种类，在日常监测预警工作中不断发掘新的预警指标；常规单一预警指标种类选择：单一大能量事件、104J以上事件频次、每日微震事件总能量、每日微震事件总频次以及每刀能量；
(3)对每项单一预警指标在工作面采掘期间微震监测数据进行倒序排列
对目标工作面采掘期间监测到的微震事件按每项单一预警指标进行统计计算，并将计算结果进行倒序排列，按横坐标为时间轴绘制倒序排列图表；
(4)在倒序排列图中标识历次动力显现、矿震事件
将收集到的本工作面历次动力显现、矿震事件按实际发生时间表示在倒序排列图表中；
(5)按以下原则确定每项单一预警指标具体预警值
①设定强冲击危险预警指标能够预警80％冲击事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kqi|；
②设定中等冲击危险预警指标能够预警100％冲击事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kzi|；
③设定弱等冲击危险预警指标能够预警100％强震动事件，在倒序排列图表中在选定单一预警指标具体预警值|kri|；
④设定无冲击危险预警指标为＜|kri|；
其中，i为第i个单一预警指标种类，q、z、r、w分别代表强、中等、弱、无冲击危险等级；
(6)计算每项单一预警指标预警效能评价指标
预警指标预警效能评价指标包括准确率、漏报率和误报率；每项单一预警指标具体预警值的效能指标计算方法如下：
①准确率：
Figure FDA0004137017110000021
Figure FDA0004137017110000022
Figure FDA0004137017110000023
其中：
Yiq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的预警准确率；
Aiq为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的强冲击危险判定指标时，能够预测到的历史冲击显现事件次数；
Yiz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的预警准确率；
Aiz为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的强冲击危险判定指标时，能够预测到的历史冲击显现事件次数；
Yir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的预警准确率；
Air为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的弱冲击危险判定指标时，能够预测到的历史冲击显现事件次数；
B为步骤(1)中采掘工作面收集到的动力显现事件数量；
②漏报率：
漏报率Liq＝1-Yiq
漏报率Liz＝1-Yiz
漏报率Lir＝1-Yir
Liq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的预警漏报率；
Liz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的预警漏报率；
Lir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的预警漏报率；
③误报率：
Figure FDA0004137017110000031
Figure FDA0004137017110000032
Figure FDA0004137017110000033
其中：
Xiq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的预警误报率；
Ciq为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的强冲击危险判定指标时，工作面采掘期间具备强冲击危险的总次数；
Xiz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的预警误报率；
Ciz为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的中等冲击危险判定指标时，工作面采掘期间具备中等冲击危险的总次数；
Xir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的预警误报率；
Cir为采用kqi作为第i项单一预警指标种类的弱冲击危险判定指标时，工作面采掘期间具备弱冲击危险的总次数；
(7)有效预警指标筛选
依据步骤(6)中计算结果，排查各项单一预警指标预警效能指标是否同时具备准确率最小、漏报率最大、误报率最大，如满足以上条件，说明该项单一预警指标预警效能差，不适合作为一项预警指标，应删去，否则保留；
(8)计算每项单一预警指标预警权重
①计算每项单一预警指标实际预警率
Figure FDA0004137017110000041
Figure FDA0004137017110000042
Figure FDA0004137017110000043
其中：
i＝0,1,2,…,n；
Eiq为第i项单一预警指标种类强冲击危险判定指标的实际预警率；
Diq为第i项单一预警指标种类采用强冲击危险判定指标时在工作面采掘期间总的预警天数；
Eiz为第i项单一预警指标种类中等冲击危险判定指标的实际预警率；
Diz为第i项单一预警指标种类采用中等冲击危险判定指标时在工作面采掘期间总的预警天数；
Eir为第i项单一预警指标种类弱冲击危险判定指标的实际预警率；
Dir为第i项单一预警指标种类采用弱冲击危险判定指标时在工作面采掘期间总的预警天数；
S为采掘工作面全部生产天数；
②选择每项单一预警指标实际预警率最小值
Eminq＝MIN(Eiq)
Eminz＝MIN(Eiz)
Eminr＝MIN(Eir)
③计算每项单一预警指标预警权重
Figure FDA0004137017110000051
Figure FDA0004137017110000052
Figure FDA0004137017110000053
其中：
δiq为第i项单一预警指标种类采用强冲击危险判定指标时预警权重；
δiz为第i项单一预警指标种类采用中等冲击危险判定指标时预警权重；
δir为第i项单一预警指标种类采用弱冲击危险判定指标时预警权重；
(9)计算当日综合动载预警值
①计算当日单一预警指标的预警权重
若ki≥|kqi|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值达到强冲击危险等级，则取δi＝δiq；
若|kqi|＜ki≥|kzi|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值达到中等冲击危险等级，则取δi＝δiz；
若|kzi|＜ki≥|kri|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值达到弱冲击危险等级，则取δi＝δir；
若ki＜|kri|，表示当日第i项单一预警指标实际监测值为无冲击危险等级，则取δi＝0；
②计算当日动载综合预警值
Figure FDA0004137017110000054
(10)每日进行综合预警
按以下原则判定当日动载扰动条件下冲击危险程度：
若
Figure FDA0004137017110000061
则判定为当日强冲击危险；
若
Figure FDA0004137017110000062
则判定为当日中等冲击危险；
若
Figure FDA0004137017110000063
则判定为当日弱冲击危险；
若|δ|＝0，则判定为当日无冲击危险；
(11)当日是否出现新的动力显现、矿震事件
如当日出现新的动力显现、矿震事件，则将当日微震监测数据统计后返回步骤(3)，重新优化预警值，直至工作面安全回采结束。
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