CN111915865A - 一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，本发明属于采矿生产过程中采动引起的地质灾害的预警技术领域。本发明所解决的技术问题是通过识别因开挖应力扰动造成煤矿采场岩层损伤破裂而引起的微震震源参数，得到引发煤矿复合地质灾害的前兆信息而实现及时预警。采场岩层的灾害性破断是一个循序渐进不断积累而达到极值瞬间释放的过程，在灾害发生前能量、震级、空间位置及其解译得到的震源参数矿山视体积、能量指数、b值具有显著的变化特征，准确捕捉采场工作面发生灾害前的震源参数分布规律并结合矿压及水位监测而划分不同预警等级，实现对煤矿复合地质灾害发布防控信息。本发明能够及时有效的发布预警，指导矿井安全生产。

Description

一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法

技术领域

本发明涉及深井采矿生产过程中采动引起的地质灾害的预警技术领域，尤其涉及一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法。

背景技术

随着煤炭资源逐渐开采，浅部资源枯竭造成煤炭开采深度加大，进而造成采场所受到的采动应力增大，所以矿井的冲击地压、顶板冒落、底板承压突水等复合地质灾害事故频发。对于多类型灾害事故传统往往采取矿压观测、水文数据监测等手段在回采过程中进行预测预警，以此来保证采场生产安全。但是由于数据采集所具有的滞后性及人为的依赖性，造成不能很好的实现对事故的预测，矿井地质灾害事故仍然威胁矿井的生产安全。

近年来为弥补传统监测技术的弊端，作为先进的监测手段微震监测技术逐渐普遍应用到矿井安全防控中，微震监测技术主要是依赖于高灵敏的检震器、数据采集仪、数据处理终端等设备软件，对获取得到的微震监测数据进行定位及后处理分析，根据微震监测数据在采场内的分布特点，对矿井地质灾害事故进行预测。但是目前所针对微震监测技术应用于矿井灾害预测的分析方法实用性较低，具有严重的滞后性。主要是因为仅采用对微震事件定位、大能量事件总结的手法进行单一参数变化的分析，缺乏从微震监测原理基础上采取的必要方法，缺乏对灾害发生前前兆信息的有效掌握，预测预警准确率极低。对于采动所引起的矿井复合地质灾害，缺乏行之有效的预警方法，并不能满足安全生产的需要。

发明内容

针对目前煤矿复合地质灾害预警所存在的问题，对基于微震监测技术得到的震源数据及煤矿常规监测手段得到的数据及进行融合应用，提出了对灾害发生前的征兆性特征拾取的解决办法，提出了一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其目的是提供一种针对采场灾害性事故发生前数据波动变化的分析方法，捕捉各类直接量化指标、统计指标数据的前兆规律，进而将此类应用于对符合地质灾害的预警中，尤其是这针对矿井采动引起的顶板事故、矿井突水事故，掌握采场岩层发生异常破断的震源机制，进一步掌握复合地质灾害发生的前兆特征及预警等级信息，指导矿井准确防控灾害事故，保证矿井安全生产。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案如下：

通过对直接量化指标、统计指标进行综合分析，进而得到系列指标的变化趋势，从而发布采场预测预警信息；

所述的直接量化指标包含有矿山能量指数变化率、矿山视体积变化率、矿山b值、矿山能量，统计指标包含有矿压变化趋势、底板破坏深度变化趋势、水流量变化趋势、微震事件分布。

一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，包括如下步骤：

步骤一，根据采场工作面的生产地质条件，确定安装巷道布置微震监测系统，微震传感器在单一巷道内间排距介于50-200m之间，且保证在采场空间内形成空间交错的传感器监测网，使其能够完全监测整个工作面的采动情况；

步骤二，同时在采场内布置矿压监测系统、水文监测系统，与微震系统监测同步采集工作面内矿压数据、水流量监测数据，运行后实时获取数据；

步骤三，工作面回采前调试微震监测系统，工作面推进后运行并实时处理采集得到的微震数据，定位微震事件所发生的位置，获得微震监测得到的采动引起的原始震源参数数据库；

步骤四，对所获得的微震监测数据进行波形识别及定位处理，按照时间顺序排列微震事件，计算所需要的震源参数：

矿山能量指数

其计算方法为：

其中

P_i为微震监测所得到的第i个微震事件的微震体变势，E_i为微震监测所得到的第i个微震事件的能量，而d和c为以logP_i为自变量、logE_i为因变量所得的线性拟合参数；

矿山视体积V_At，其计算方法为：

其中M_i为微震监测所得到的第i个微震事件的地震矩，σ_Ai为微震监测所得到的第i个微震事件的视应力；

矿山b_t值，其计算方法为：logm(M)＝a-bM，其中M为微震震级，m(M)为以震级M为中心的小区间(M+ΔM)在单日阶段内发生微震的次数，a和b值为M为自变量、以logn(M)为因变量所得的线性拟合系数；

矿山能量E_Dt，其计算方法为：

其中E_i为监测阶段单日内第i个微震事件数的能量值；

步骤五，按照时间顺序排列微震事件，计算直接量化指标矿山视体积及矿山能量指数随时间变化率，初始以连续发生的k个事件为基础拟合直线变化趋势，k>10，从而计算参数的拟合变化率，然后保证参与计算的事件数量为k，每次运算叠加k个事件后面发生的一个微震事件，并去掉k个事件中的第1个微震事件，以此类推完成对每个微震事件所引起的变化率计算；

步骤六，由于每个矿井和工作面所处的环境具备独特的特殊性，直接量化指标及统计指标的各参数在特定矿井及工作面进行大于1个月的稳定监测后，获取稳定阶段的数据，从而得到稳定阶段的直接量化指标的阈值及统计指标的稳定变化趋势，得到震源参数矿山视体积及矿山能量指数变化率的触发阈值；保证在工作面内所采用的各类阈值及指标符合采场内的实际生产需求，不采用固定的单一参数，保证方法的时效性。

步骤七，随时间发生的微震事件若触发步骤六所设定的变化率的触发阈值，且连续两次或者两天出现此类触发现象，则再验证矿山能量、矿山b_t值以及统计指标底板破坏深度变化趋势或微震事件分布是否存在异常，若存在异常则发布工作面岩层异常预警；

步骤八，针对所发布的预警时间及空间位置，经由矿井组织分析统计指标水流量变化趋势、矿压变化趋势，根据分析结合微震结果判别顶底板异常位置，启动安全治理预案而停工停产进行隐患排除，同时在不满足触发条件后解除预警，从而指导矿井安全生产。

进一步，所述的巷道布置微震监测系统，在两个巷道内布置传感器，且两条巷道应具有介于30-100m的高程差。在采场工作面内构成了在空间内交错布置的台网，优化了微震事件定位方法，可以达到精准的定位效果。

所述的矿山能量、矿山b_t值需每天更新数据。保证在工作面内所采用的指标符合采场内的实际生产需求，随工作面回采计算实时的参数而保证方法的及时性。

所述的统计指标中的矿压变化、底板破坏深度变化、水流量变化的异常是指处于波动稳定期后突然有增大的趋势，而微震事件分布异常是指在顶底板的深处有成线或成簇的微震事件群出现。捕捉了统计指标参数对预警方法的有益性趋势，能够很好的强化依据直接性指标所得出的结论。

进一步地，将预警等级划分为蓝、黄、橙、红四个预警等级，确定每个预警等级所对应的震源参数变化率的触发阈值包括矿山视体积变化率阈值、矿山能量指数变化率阈值，蓝(V0，Z0)、黄(V1，Z1)、橙(V2，Z2)、红(V3，Z3)，根据触发条件则发布所对应的预警，对第四等级则需重点关注统计指标的变化趋势，若持续异常则发布红色预警并停工停产进行隐患排除。

根据划分的预警等级进行安全防治措施的等级划分，蓝色预警需要实施统计指标分析而不停工，黄色预警开始实施统计指标分析并实地再次勘验而不停工，橙色预警需要实施统计指标分析、实地再次勘验、其他手段验证而做停工准备，红色预警则直接停工停产进行隐患排除。不同阈值对应不同的预警等级，则将微震数据进行了依次批量划分，这样再实施其他特征比较可以减少执行程序，同时多个等级可以方便矿井采取不同的防控方案。

上述技术方案的难点在于，矿井采动条件下的微震监测及统计监测，在这种前提下采场会得到因开采产生扰动应力而诱发岩体的损伤劈裂，并且会产生能量的释放而发生微震事件，进而会引起其他条件的改变，利用优化的精确微震系统可以实现对顶底板岩层破裂中的能量事件捕捉获取震源数据，利用矿压观测、水文监测系统获取矿压实时数据、顶底板含水层水文实时数据，获取直接性指标震源参数中的矿山能量指数变化率、视体积变化率、b值、能量释放量，进而再分析统计性指标矿压变化趋势、底板破坏深度变化趋势、水流量变化趋势、微震事件分布，确立直接性指标存在灾害触发阈值其连续2次发生的变化特征，以及统计性指标存在对应的异常增大的趋势，是本发明技术思想形成的前提和基础，是本发明技术方案的核心关键点。

本发明的有益效果为，实现了对煤矿复合地质灾害发生前采动震源参数规律的有效掌握，并提出了对应的行之有效的预警方法，对进一步规范矿井灾害事故防控技术、研究采场内地质灾害的发生条件及机理具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的工作流程图；

图2为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的微震、矿压及水文监测系统布置示意图；

图3为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的案例实施计算得到的矿山能量指数与矿山视体积随时间变化图；

图4为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的案例实施计算得到的矿山能量指数与矿山视体积变化率及分级图；

图5为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的案例实施计算得到的矿山能量随时间变化图；

图6为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的案例实施计算得到的b值随时间变化图；

图7为本发明的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法的案例实施监测得到的矿压变化随时间变化图。

图中：1工作面，2巷道，3微震传感器，4数据采集盒，5矿压监测，6水文监测，7工作面推进，8采空区，9数据接收终端，10数据处理终端，11线缆。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，通过在采场内布置微震监测系统、矿压监测及水文监测系统，实现对采动震源参数、矿压数据、水文数据的实时获取，并首先对微震监测数据进行处理，获取等级划分为的直接指标参数，联合其他直接指标参数及统计指标参数对采动影响下的复合地质灾害进行预警。

如图3-7所示，所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法在案例中所计算的直接性指标及统计性指标，通过图2在现场布置监测系统得到的数据，结合图1所示的执行程序完成对个指标的运算，得到矿山能量指数与矿山视体积变化率阈值，并通过其他指标参数完成预警。

下面结合案例附图进行说明：

所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，通过对直接量化指标、统计指标进行综合分析，进而得到系列指标的变化趋势，从而发布采场预测预警信息；

所述的直接量化指标包含有矿山能量指数变化率、矿山视体积变化率、矿山b值、矿山能量，统计指标包含有矿压变化趋势、底板破坏深度变化趋势、水流量变化趋势、微震事件分布；

所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，具体步骤如下：

步骤一，根据采场工作面1的生产地质条件，确定安装巷道2布置微震监测系统(微震传感器3、数据采集盒4、数据接收终端9、数据处理终端10、线缆11)，微震传感器3在单一巷道2内间排距介于50-200m之间，且保证在采场空间内形成空间交错的传感器3监测网，使其能够完全监测整个工作面1的采动情况；

步骤二，同时在采场内布置矿压监测5系统、水文监测6系统，与微震系统监测同步采集工作面内矿压数据、水流量监测数据，运行后实时获取数据；

步骤三，工作面回采前调试微震监测系统，工作面推进7后运行并实时处理采集得到的微震数据，定位微震事件所发生的位置，获得微震监测得到的采动引起的原始震源参数数据库；

步骤四，对所获得的微震监测数据进行波形识别及定位处理，按照时间顺序排列微震事件，计算所需要的震源参数：

矿山能量指数

其计算方法如下：

其中

P_i为微震监测所得到的第i个微震事件的微震体变势，E_i为微震监测所得到的第i个微震事件的能量，而d和c为以logP_i为自变量、logE_i为因变量所得的线性拟合参数，计算结果如图3所示；

矿山视体积V_At，其计算方法如下：

其中M_i为微震监测所得到的第i个微震事件的地震矩，σ_A为微震监测所得到的第i个微震事件的视应力，计算结果如图3所示；

矿山b_t值,其计算方法如下：logm(M)＝a-bM,其中M为微震震级，m(M)为以震级M为中心的小区间(M+ΔM)在单日阶段内发生微震的次数，a和b值为M为自变量、以logn(M)为因变量所得的线性拟合系数，计算结果如图6所示；

矿山能量E_Dt，其计算方法如下：

其中E_i为监测阶段单日内第i个微震事件数的能量值，计算结果如图5所示；

步骤五，按照事件顺序排列微震事件，计算直接量化指标矿山视体积及矿山能量指数随时间变化率，初始以连续发生的15个事件为基础计算参数的变化率，然后每次运算叠加后面发生的一个事件(16、17、…)而去掉第一个事件，以此类推完成对每个事件所引起的变化率计算，如图4所示；

步骤六，划分蓝、黄、橙、红四个预警等级，确定每个预警等级算所应的震源参数变化率的触发阈值，如图4所示，蓝色对应的阈值为(1E6、0)，黄色对应的阈值为(1.5E6、-10)，蓝色对应的阈值为(2E6、-16)，蓝色对应的阈值为(2.4E6、-20)，同时在前三级别每个等级触发阈值后，还要判断是否连续两次或者两天出现此类触发现象，若是则发布所对应的预警，而对第四等级则需再次验证矿山能量(15000J)、矿山b值(0.45)，以及统计指标矿压变化趋势(图7所示)、底板破坏深度变化趋势、水流量变化趋势、微震事件分布是否有异常，若是则发布红色预警，否则便降低预警等级；

步骤七，针对前三级别每个等级再次验证矿山能量、矿山b值以及统计指标矿压变化趋势、底板破坏深度变化趋势、水流量变化趋势、微震事件分布是否有异常，若是则提升预警等级；

步骤八，针对所发布的蓝、黄、橙、红四个预警等级，经由矿井组织分析统计指标水流量变化、矿压变化等，根据分析结合微震结果判别顶底板异常位置，启动安全治理预案，同时在不满足每个等级的触发条件后，则解除预警，指导矿井安全生产。

进一步，所述的巷道布置微震监测系统，确定了两个巷道内布置传感器，且两条巷道具有介于40m的高程差。

进一步，所述的直接量化指标及统计指标的各参数需要在特定矿井进行了3个月的稳定监测后，获取了稳定阶段的数据，从而得到稳定阶段的直接量化指标的阈值及统计指标的稳定变化趋势。

进一步，所述的参数矿山能量、矿山b值需每天获得数据后及时进行计算，持续更新。

进一步，所述的统计指标中的矿压变化、底板破坏深度变化、水流量变化的异常是指处于波动稳定期后突然有增大的趋势，而微震事件分布异常是指微震事件在顶底板的深处有成线或成簇的事件群出现。

进一步，所述的划分蓝、黄、橙、红三个预警等级，其是基于直接性指标中的矿山能量指数变化率、矿山视体积变化率两个参数设置阈值，在相对应的阈值触发后才能进行后续分析。

所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法在案例中的应用，如图3-7所示，该预警方法识别到该案例自2020/5/10-20:30:06开始发布了蓝色预警，并于2020/5/18-19:19:56提升为黄色预警，井进一步查验矿山能量大于15000J(图5)、矿山b值小于0.45(图6)、矿压变化持续增大(图7)以及微震事件的呈簇分布，于2020/5/19-5:24:52发布了红色预警，采取了防控措施后，于2020/5/23-20:45:21将至黄色预警以下。

Claims (7)

1.一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，通过对直接量化指标、统计指标进行综合分析，进而得到系列指标的变化趋势，从而发布采场预测预警信息；所述的直接量化指标包含有矿山能量指数变化率、矿山视体积变化率、矿山b值、矿山能量，统计指标包含有矿压变化趋势、底板破坏深度变化趋势、水流量变化趋势、微震事件分布。

2.根据权利要求1一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据采场工作面的生产地质条件，确定安装巷道布置微震监测系统，微震传感器在单一巷道内间排距介于50-200m之间，且保证在采场空间内形成空间交错的传感器监测网，使其能够完全监测整个工作面的采动情况；

步骤二，同时在采场内布置矿压监测系统、水文监测系统，与微震系统监测同步采集工作面内矿压数据、水流量监测数据，运行后实时获取数据；

步骤三，工作面回采前调试微震监测系统，工作面推进后运行并实时处理采集得到的微震数据，定位微震事件所发生的位置，获得微震监测得到的采动引起的原始震源参数数据库；

步骤四，对所获得的微震监测数据进行波形识别及定位处理，按照时间顺序排列微震事件，计算所需要的震源参数：

矿山能量指数

其计算方法为：

其中

P_i为微震监测所得到的第i个微震事件的微震体变势，E_i为微震监测所得到的第i个微震事件的能量，而d和c为以logP_i为自变量、logE_i为因变量所得的线性拟合参数；

矿山视体积V_At，其计算方法为：

其中M_i为微震监测所得到的第i个微震事件的地震矩，σ_Ai为微震监测所得到的第i个微震事件的视应力；

矿山b_t值，其计算方法为：logm(M)＝a-bM，其中M为微震震级，m(M)为以震级M为中心的小区间(M+ΔM)在单日阶段内发生微震的次数，a和b值为M为自变量、以logn(M)为因变量所得的线性拟合系数；

矿山能量E_Dt，其计算方法为：

其中E_i为监测阶段单日内第i个微震事件数的能量值；

步骤五，按照时间顺序排列微震事件，计算直接量化指标矿山视体积及矿山能量指数随时间变化率，初始以连续发生的k个事件为基础拟合直线变化趋势，k>10，从而计算参数的拟合变化率，然后保证参与计算的事件数量为k，每次运算叠加k个事件后面发生的一个微震事件，并去掉k个事件中的第1个微震事件，以此类推完成对每个微震事件所引起的变化率计算；

步骤六，直接量化指标及统计指标的各参数在特定矿井及工作面进行大于1个月的稳定监测后，获取稳定阶段的数据，从而得到稳定阶段的直接量化指标的阈值及统计指标的稳定变化趋势，得到震源参数矿山视体积及矿山能量指数变化率的触发阈值；

步骤七，随时间发生的微震事件若触发步骤六所设定的变化率的触发阈值，且连续两次或者两天出现此类触发现象，则再验证矿山能量、矿山b_t值以及统计指标底板破坏深度变化趋势或微震事件分布是否存在异常，若存在异常则发布工作面岩层异常预警；

步骤八，针对所发布的预警时间及空间位置，经由矿井组织分析统计指标水流量变化趋势、矿压变化趋势，根据分析结合微震结果判别顶底板异常位置，启动安全治理预案而停工停产进行隐患排除，同时在不满足触发条件后解除预警，从而指导矿井安全生产。

3.根据权利要求1所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，所述的巷道布置微震监测系统，在两个巷道内布置传感器，且两条巷道应具有介于30-100m的高程差。

4.根据权利要求1所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，所述的矿山能量、矿山b_t值需每天更新数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，所述的统计指标中的矿压变化、底板破坏深度变化、水流量变化的异常是指处于波动稳定期后突然有增大的趋势，而微震事件分布异常是指在顶底板的深处有成线或成簇的微震事件群出现。

6.根据权利要求1所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，将预警等级划分为蓝、黄、橙、红四个预警等级，确定每个预警等级所对应的震源参数变化率的触发阈值包括矿山视体积变化率阈值、矿山能量指数变化率阈值，根据触发条件则发布所对应的预警。

7.根据权利要求6所述的一种基于采动震源参数的煤矿复合地质灾害预警方法，其特征在于，根据划分的预警等级进行安全防治措施的等级划分，蓝色预警需要实施统计指标分析而不停工，黄色预警开始实施统计指标分析并实地再次勘验而不停工，橙色预警需要实施统计指标分析、实地再次勘验、其他手段验证而做停工准备，红色预警则直接停工停产进行隐患排除。

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