CN112379419A - 一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：具体包括如下步骤：S1、确定目标矿震群；S2、对震源机制的反演函数波形的远场条件进行核算，将不满足所述远场条件的震源剔除；S3、对矿震群中射线数与震源数满足的关系进行核算；S4、对目标矿震群矩张量成分求解；S5、对矿震群破裂类型进行判识；S6、对目标矿震群中采动裂隙发育类型判识；S7、判断采掘空间周围采动裂隙发育过程及破裂模式。本发明综合利用矿震群的微震监测数据完成矩张量反演，及采动裂隙的破裂特征识别；此外，本发明物理意义明确，具有适于编程实现智能化的特点。

Description

一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征判别方法

技术领域

本发明涉及冲击矿压微震监测技术领域，特别是涉及一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征判别方法。

背景技术

井下采动裂隙的发育一般经历了应力集中导致的裂隙萌生、原生裂隙进一步扩展、裂隙扩展后贯通的复杂力学过程。了解采动裂隙的发育过程与破裂机制是工作面设计、支护及安全防护设计、工作面卸压手段及参数选取等工作的重要依据和前提。

采动裂隙发育伴随着采掘扰动，是一个动态变化的过程，其变化性和随机性使得难以直接观测。同时，采动裂隙发育与井下冲击矿压、煤与瓦斯突出、水害、顶板事故等重大灾害的发生关系密切，换言之，充分了解采动裂隙的发育过程便是上述灾害防治的重要前提。目前针对采动裂隙发育监测的方法主要有微震法、地音法、电磁辐射法等，其中微震法具有实时、监测范围广的显著优点，可满足大范围监测采动裂隙发育的要求。目前使用微震法进行监测主流的手段有震源定位和能量计算、震动波速度层析成像、微震频次密度分布与能量密度分布、A(b)值法等，震动波速度层析成像技术根据纵波波速对煤岩体裂隙状态间接进行判断，同时计算量较大，实时性较差；微震频次密度分布与能量密度分布、A(b)值法可以在一定程度上推断裂隙分布，但难以定量化描述裂隙破裂面的几何特征。因此，基于微震数据重构出一种可反演采动裂隙的发育过程与破裂特征，且能进行大范围反演的方法，具有重大的现实意义和理论价值。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，具体根据实时获取的微震监测数据，对矿震群进行选择，并对震源数及射线数进行筛选，对矿震群破裂机制及产状进行计算，实现对采动裂隙发育特征的及时反演。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，具体包括如下步骤：

S1、确定目标矿震群；

S2、对震源机制的反演函数波形的远场条件进行核算，将不满足所述远场条件的震源剔除；

S3、对矿震群中射线数与震源数满足的关系进行核算；

S4、对目标矿震群矩张量成分求解；

S5、对矿震群破裂类型进行判识；

S6、对目标矿震群中采动裂隙发育类型判识；

S7、分析采掘空间周围采动裂隙发育过程及破裂模式。

优选地，所述S1中确定目标矿震群的方法为：对矿震群中的震源进行筛选，通过判断震源波形的通道和矿震群中的震源时间与空间分布的关系来确定是否为目标矿震群，若判定为否，则根据矿震震源的分布范围分区域构建目标矿震群。

优选地，所述S2中远场条件为：目标矿震群中的震源与台站距离至少大于500m。

优选地，所述S3矿震群中的震源数及射线数满足的关系为：

其中，s为矿震群中的震源总数量；v为目标区域布置的微震台站数量；∑α_i为矿震群中射线总数量；当矿震群中震源数及射线数条件不满足上述关系时，重新进行目标矿震群的选择。

优选地，所述S4中目标矿震群矩张量成分求解方法具体为：

S41、根据弹性波理论，将每条射线在n方向上的格林函数分量简化成射线权重部分和线性部分，得到第i个震源被第j个台站观测到第k个震相的n方向上的位移；

S42、对反演过程进行进一步演化；

S43、将以震源为对象构建反演矩阵转变为以台站为对象构建反演矩阵；

S44、对R＝GS的反演形式做如下转变：

求解矩阵G^TG的特征向量与特征值，即可获得矿震群内每一个震源的矩张量分量的相对占比。

优选地，所述S5中对矿震群破裂类型进行判识是根据位错角的大小来进行破裂类型的判断。

优选地，所述S6中采动裂隙发育类型的参数包括破裂面的走向角、倾角、滑动角，求解出参数与矩张量分量满足的关系；并采用PS0粒子群算法，得到目标矿震群中采动裂隙发育类型的参数。

优选地，将所述S5和所述S6求出的矿震群破裂类型及采动裂隙发育类型绘制成沙滩球，并将其绘制在有震源位置的采掘工程平面图上。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明综合利用矿震群的微震监测数据完成矩张量反演，及采动裂隙的破裂特征判识；

(2)本发明能够得到描述采动裂隙几何特征的走向角、倾角等参数，并通过沙滩球绘制在采掘工程平面图上，可直观地进行分析判断及进一步采取措施；

(3)本发明所需的原始数据来自于冲击矿压矿井微震系统，该系统可实时、大范围监测数十平方公里的采掘区域，实施过程中对微震数据实时后处理，所得结果可实时分析监测范围内采动裂隙发育情况；

(4)本发明依托煤矿微震系统，物理意义明确，适于编程实现智能化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明采动裂隙发育判别方法流程图；

图2为本发明采场微震台站布置示意图；

图3为本发明微震定位后的采掘工程平面图；

图4为本发明绘制沙滩球后的采掘工程平面图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1所示，本实施例1提供一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，包括如下步骤：

S1、对矿震群中的震源进行筛选，并将满足筛选条件的震源所在的区域定义为目标矿震群；

筛选震源应遵循如下原则：

①矿震群中的震源至少含有4个清晰波形的通道；

②矿震群中的震源时间与空间分布相近，时间上分布不超过1个月，空间上分布范围集中在采动影响区域周围；若不满足上述条件，则根据矿震震源的分布范围分区域构建目标矿震群。

(2)基于弹性波理论，对震源机制的反演函数波形需满足的远场条件进行核算；

通常大能量矿震的f_c通常小于40Hz，假设v_p＝3000m/s，

当震源与台站距离大于等于500m时，波形中近、中、远场位移比例为1:1:21，近、中场位移基本可忽略，即此时震源与台站之间满足远场条件假设。

其中，f_c为拐角频率，v_p为P波波速，v_s为S波波速。

(3)对矿震群中射线数与震源数需满足的关系进行核算；

假设某片区域共有v个台站参与监测(编号依次为1,2,3,…v)，共监测到震源s个，各台站相应监测到射线数依次为α_i(i＝1,2,3，…v)，且需满足α_i≥2，则v个台站共形成的射线数为∑α_i。s个震源共有6s个矩张量分量，射线数α_i与震源数s应满足关系：

由均值不等式上式可进一步缩放为：

同时还需满足小于最大射线总数sv，即：

从震源定位角度，s个震源至少需要4s条射线，将其带入上式可得：

综上可得相对矩张量反演所需震源、射线数至少应当满足条件：

其中，s为矿震群中的震源总数量；v为采动影响区域布置的微震台站数量；∑α_i为矿震群中射线总数量；当矿震群中震源数及射线数条件不满足上述条件时应重新进行目标矿震群的选择。

(4)对目标矿震群矩张量成分求解；

根据弹性波理论，远场条件下任意位置和时刻下的质点受某一点源的单一体波扰动将产生震动，并将震源传递到台站的过程所经历的曲线路径简化为震源与站台之间的连线，此连线为若干条射线，将每条射线在n方向上的格林函数分量简化成射线权重部分(a_jkl)和线性部分(b_jk)，不同分量的射线权重部分是由射线的离源角θ和方位角

决定的，那么第i个震源被第j个台站观测到第k个震相(k＝1代表P波，k＝2代表SH波，k＝3代表SV波)的n方向位移v可表示为：

对于P波：

对于SV波：

对于SH波：

m_1i＝0.5(M₂₂-M₁₁)；m_2i＝M₁₂；m_3i＝M₁₃；m_4i＝M₂₃；

其中，M_li为第s个震源的矩张量分量。

利用某一震源位置或区域内的两个震源的波形观测结果即可实现b项的消除：

当整个反演过程不局限于使用震源群中的两个震源进行反演，而是选取被m个相同台站观测到的n个震源时，反演过程可进一步演化为如下形式：

第i个震源和第j个震源被同一台站接收到的震动位移之间的关系的矩阵表达式为：

1＝(1 1 1 1 1 1)

其中，m、n分别为矿震群中所用的台站和震源总数；Hⁿ为第n个震源的矩张量；

将上述构建矩阵的思路由以震源为对象构建转变为以台站为对象构建，可得：

其中，G^m表示被第m个台站接收到的所有震源所构成的矩张量反演系数矩阵，为

的矩阵，n_m表示被第m个台站接收到的震源总数，整个G^m的构成即为

的堆叠；0^m为单列零矩阵，其行数等于G^m的行数；Hⁿ为第n个震源的矩张量，

和Hⁿ的具体形式如下：

其中，k表示台站编号；i与j均表示被台站k所接收到的震源编号，其编号是在整个震源群内的公共编号；0^ki、0^kij与0^kj均表示单行零矩阵，其列数分别等于6(i-1)、6(i+j-1)与6(n-j)，n表示震源群震源总数；K^ij表达两震源之间构成的相对矩张量关系，具体形式为：

对R＝GS的反演形式做如下转变：

求解矩阵G^TG的特征向量与特征值，即可获得矿震群内每一个震源的矩张量分量的相对占比。

(5)对目标矿震群破裂类型进行判识；

使用位错角α对矿震群破裂模式进行判断，位错角计算公式为：

其中，M₁为矩张量M最大特征值；M₃为矩张量M最小特征值。

根据位错角β的大小进行破裂类型判断：

①当位错角β＞0时，破裂类型为剪切与拉张破裂，相应判别标准为：

②当位错角β＜0时，破裂类型为剪切与压缩破裂，相应判别标准为：

式中，β为位错角；σ_n为煤岩体的抗压强度；σ_t为煤岩体的抗拉强度；σ_s为煤岩体的抗剪强度。

(6)对目标矿震群中采动裂隙发育类型判识；

求解表征矿震群采动裂隙发育类型的走向角χ、倾角

滑动角η，其与矩张量分量满足关系：

式中，M_ij(i,j＝1～3)为矩张量分量，A为破裂面面积，λ,μ为拉梅常数，U_s为剪切错动位移，U_t为拉张错动位移；

采用粒子群算法(PSO)求解上式，获得表达矿震群破裂面的走向角χ、倾角

滑动角η；

将步骤(5)中求得的矿震群破裂类型及破裂面产状绘制成沙滩球，并将其绘制在有震源位置的采掘工程平面图上。

井下采动裂隙的发育一般经历了应力集中导致的裂隙萌生、原生裂隙进一步扩展、裂隙扩展后贯通的复杂力学过程。根据原生裂隙的发育程度和煤岩体应力水平，裂隙扩展时基本的形式可分为压缩、剪切、拉张三种破裂模式为主的破裂类型，但是其破裂类型并不是完全由某一单一成分主导；结合所求的矿震群破裂面的走向角φ、倾角θ、滑动角γ与震源破裂类型，将其绘制成沙滩球，并结合震源定位，绘制在采掘工程平面图上，可直观的判断采掘空间周围采动裂隙发育过程及破裂模式。

为了验证技术效果，本发明选取甘肃华亭煤矿250105-1工作面回采期间监测到的若干微震事件进行计算：

(1)采用本发明方法对震源进行筛选，并进行震源数及射线数核算，核算所使用的震源群射线情况如表1所示。

(2)根据发明内容步骤S4求得的矿震群矩张量特征值如表2所示。

(3)根据发明内容步骤S5求得的矿震群破裂面产状参数如表3所示。

(4)根据实测，华亭煤矿煤岩体的抗压强度≈3倍抗剪强度≈10倍抗拉强度，根据发明内容步骤S6判断矿震群各震源破裂方式，判断结果如表3所示。

(5)将上述步骤(3)和(4)所求的矿震群破裂面的走向角χ、倾角

滑动角η与震源破裂类型绘制成沙滩球，并结合震源定位，绘制在采掘工程平面图上如图4所示。

表1震源群射线分布情况

表2震源群内各震源矩张量特征值

表3矿震群各震源破裂面产状参数

煤矿采动裂隙的发育产生矿震，并可能诱发冲击地压等灾害，使用微震系统可对矿震实时监测。目前广泛使用的微震数据处理方法如图3所示，该方法可实时计算矿震的位置、能量及产生时间，根据上述结果，技术人员通过矿震数量及量级判断该区域采动裂隙发育情况，具有很大的主观性及误差可能性；实时本发明后的结果如图4所示，通过图中每个沙滩球的外观，技术人员可根据沙滩球直接判断该位置采动裂隙的产状，并采取应对措施。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S1、确定目标矿震群；

S2、对震源机制的反演函数波形的远场条件进行核算，将不满足所述远场条件的震源剔除；

S3、对矿震群中射线数与震源数满足的关系进行核算；

S4、对目标矿震群矩张量成分求解；

S5、对矿震群破裂类型进行判识；

S6、对目标矿震群中采动裂隙发育类型判识；

S7、分析采掘空间周围采动裂隙发育过程及破裂模式。

2.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：所述S1中确定目标矿震群的方法为：对矿震群中的震源进行筛选，通过判断震源波形的通道和矿震群中的震源时间与空间分布的关系来确定是否为目标矿震群，若判定为否，则根据矿震震源的分布范围分区域构建目标矿震群。

3.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：所述S2中远场条件为：目标矿震群中的震源与台站距离至少大于500m。

4.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：所述S3矿震群中的震源数及射线数满足的关系为：

其中，s为矿震群中的震源总数量；v为目标区域布置的微震台站数量；∑α_i为矿震群中射线总数量；当矿震群中震源数及射线数条件不满足上述关系时，重新进行目标矿震群的选择。

5.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：所述S4中目标矿震群矩张量成分求解方法具体为：

S41、根据弹性波理论，将每条射线在n方向上的格林函数分量简化成射线权重部分和线性部分，得到第i个震源被第j个台站观测到第k个震相的n方向上的位移；

S42、对反演过程进行进一步演化；

S43、将以震源为对象构建反演矩阵转变为以台站为对象构建反演矩阵；

S44、对R＝GS的反演形式做如下转变：

求解矩阵G^TG的特征向量与特征值，即可获得矿震群内每一个震源的矩张量分量的相对占比。

6.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：所述S5中对矿震群破裂类型进行判识是根据位错角的大小来进行破裂类型的判断。

7.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：所述S6中采动裂隙发育类型的参数包括破裂面的走向角、倾角、滑动角，求解出参数与矩张量分量满足的关系；并采用PS0粒子群算法，得到目标矿震群中采动裂隙发育类型的参数。

8.根据权利要求1所述的基于矿震群破裂机制反演的采动裂隙发育特征的判别方法，其特征在于：将所述S5和所述S6求出的矿震群破裂类型及采动裂隙发育类型绘制成沙滩球，并将其绘制在有震源位置的采掘工程平面图上。

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