CN112483176B - 基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法，根据已采工作面的微震监测数据，计算分析得到10个微震指标值及演化规律；按照正向、负向和双向指标的分类进行归一化处理；根据冲击地压危险的分级方法确定各微震指标在各冲击危险等级的占比及其权重，将权重进行归一化处理，构建得到冲击地压多参量综合预警指标，确定待预警工作面的冲击危险等级。采用本发明的基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法，充分利用了已采工作面的微震数据，可以降低误差、提高准确率，做到对冲击地压灾害进行实时预判、预警和报警，且实现方法简单，节约成本，具有更广泛的应用范围。

Description

基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法

技术领域：

本发明涉及煤矿开采监测预警技术领域，具体涉及一种基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法。

背景技术：

煤炭是我国的重要能源，随着近几年产业结构调整和环境保护的需求，石油、天然气以及新能源比例变大，煤炭资源的消费有所降低。但“富煤、贫油、少气”的现状使煤炭在未来几十年内仍占主要能源。目前，东部地区的浅部煤炭资源已基本被开采完，开采深度逐渐向深部发展。预计在未来20年，我国多数煤矿将进入1000m到1500m的开采深度。随着煤炭深部开采时代的到来，深部围岩受“三高一扰”(高地应力、高渗透压力、高地温、强开采扰动)影响，煤矿冲击地压发生趋于频繁。原来有冲击灾害的矿井，冲击危险性越发严峻；原来没有冲击灾害的矿井，也逐步出现冲击现象。

冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它不仅能造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，而且还会引起瓦斯、煤尘爆炸、火灾及水灾，干扰通风系统等，是煤矿重大灾害之一，严重影响着煤矿的安全、高效开采。由于煤矿地质和开采条件的复杂性，冲击地压灾害发生的时间与地域具有多样性和突发性，因此对其进行预测预警也就成为世界性难题。

目前较多学者利用微震进行冲击地压预警，取得了一定效果，但仍有较多不足之处：(1)采用单一指标，没有充分利用微震监测数据，导致预警准确率较低；(2)没有充分考虑地质和开采条件，预警指标无法适应复杂多变的环境；(3)没有考虑到开采情况的复杂而带来的微震不确定性；(4)进行冲击地压预警时，往往要通过人工调整监测指标，无法做到实时快速预警冲击地压。

发明内容：

鉴于上述现有技术中存在的不足，本发明提出基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法，能够实时监测采掘工作面微震数据，并通过综合模糊数学法来实现实时精确预警。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法，包括如下步骤：

(1)选择已采工作面，选择已采工作面的K个微震事件作为冲击地压事件；

(2)获取已采工作面的微震监测数据，并进行震源定位和能量计算处理，得到微震预处理数据；

(3)对微震预处理数据进行分析计算，得到10个微震指标及演化规律，这10个微震指标分别表示为：b、A_(b)、S_D、M_E、Z、AC、Q_t、b_L、A_(t)、R_E；b表示微震个数与微震能量关系的斜率，该指标越小，冲击地压发生的可性能越高；A_(b)表示微震能级转换系数，该指标越大，冲击地压发生的可能性越高；S_D表示微震活动度，该指标越大，冲击地压发生的可能性越高；M_E表示微震等效能级，该指标越大，冲击地压发生的可能性越高；Z表示微震异常值，该指标绝对值越大，冲击地压发生的可能性越高；AC表示算法复杂度，该指标下降的速率越大，冲击地压发生的可能性越高；Q_t表示微震活动信息熵，该指标下降，表示冲击地压发生的可能性越高；b_L表示缺震值，该指标越小，表示冲击地压发生的可能性越高；A_(t)表示断层总面积，该指标越大，表示冲击地压发生的可能性越高；R_E表示微震总能量，该指标越大，表示冲击地压发生的可能性越高；

(4)按照正向、负向和双向指标的分类方式，对上述10个微震指标进行归一化处理；

(5)根据冲击地压危险的分级方法，确定步骤(4)中各微震指标值在各冲击危险等级的占比及其权重，将权重进行归一化处理；

(6)根据待预警工作面的地质和开采条件，重复步骤(2)至步骤(4)，得到待预警工作面的10个指标归一化的微震指标值，然后构建冲击地压多参量预警指标F_j；

(7)根据冲击地压多参量预警指标F_j值，确定待预警工作面的冲击危险等级；

(8)根据工作面开采的周期来压的时间间隔T_p，选择合理的时间窗D_T，随着工作面的开采，将时间窗前移，即可实现冲击地压实时预警和防治。

进一步，所述步骤(1)中采用经验类比法选择与待预警工作面地质和开采条件类似的已采工作面，并选择有冲击显现或单个能量大于10⁵J的微震事件作为冲击地压事件。

进一步，所述步骤(2)中的微震预处理数据包括微震三维坐标、能量幅值、波形初次到时。

进一步，所述步骤(3)中10个微震指标的表达式如下：

上式中，a为常数；M为微震能级；N_(M)为能级大于M的微震个数；

上式中，M_i为第i个微震的能级，N为微震个数；

上式中，M_max为最大微震能级；

上式中，E_i为第i个微震的能量；

上式中，N_to为总体微震个数；n_sa为样本微震个数；σ_M ²为总体微震能级方差；σ_m ²为样本微震能级方差；

为总体微震能级平均值；

为样本微震能级平均值；

上式中，M_AC＝M_max-M_min+1；

上式中，p_i＝(t_i+1-t_i)/(t_N-t₁)，t_i为第i个微震发生的时刻；t_N为第N个微震发生的时刻；

上式中，r为一个微震的能级；r₀为微震的最小能级，N_(r)为微震能级分类的个数；

进一步，所述步骤(4)中进行归一化处理采用如下表达式进行：

其中，W_ij表示经过归一化处理后的微震指标，λ_ij(t)包含三种情况，分别为正向指标：λ_ij ^↑(t)＝[(Q_max-Q_ij)/(Q_max-Q_min)]；负向指标：λ_ij ^↓(t)＝[(Q_min-Q_ij)/(Q_max-Q_min)]；双向指标：

其中，λ_ij ^↑(t)为正向指标，λ_ij ^↓(t)为负向指标，

为双向指标；Q_max为指标的最大值，Q_min为指标的最小值；Q_ij为第ij个微震指标值。

进一步，所述步骤(4)中正向指标值越大，冲击地压发生的可性能越高；负向指标值越小，冲击地压发生的可性能越高；双向指标绝对值越大，冲击地压发生的可能性越高。

进一步，所述b、b_L、AC为负向指标；Q_t、A_(t)、R_E、A_(b)、S_D、M_E为正向指标；Z为双向指标。

进一步，所述步骤(5)中冲击地压危险分级按如下进行：强冲击危险[0.75～1]、中等冲击危险[0.5～0.75)、弱冲击危险[0.25～0.5)和无冲击危险[0～0.25)；

微震指标值在强冲击危险等级的权重占比为R_Bi，在中等冲击危险等级的权重占比为R_Ci，在弱冲击危险等级的权重占比为R_Di，上述权重占比表达式如下：R_Bi＝K_B/K；R_Ci＝K_C/K；R_Di＝K_D/K；其中，K_B为各微震指标在强冲击危险区间的微震事件个数，K_C为各微震指标在中等冲击危险区间的微震事件个数，K_D为各微震指标在弱冲击危险区间的微震事件个数；

各微震指标的权重R_i按下式计算：

R_i＝0.75×R_Bi+0.5×R_Ci+0.25×R_Di  (公式12)；

将由公式12计算得到的各个指标权重按公式13进行归一化处理，并按照权重大小进行排序：

上式中，ω_i为各个指标归一化后的权重。

进一步，所述步骤(6)中的冲击地压多参量预警指标F_j表达式如下：

进一步，所述步骤(8)中时间窗表达式如下：

D_T＝T_p/5  (公式15)。

本发明所公开的预警方法采用模糊数学法，充分利用了已采工作面的微震数据，能够降低误差，提高预警准确率，做到对冲击地压灾害进行实时预判、预警的报警，且实现方法简单，节约成本，具有更广泛的应用范围。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为本发明的基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法的流程图。

具体实施方式：

本实施例公开一种基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法，其流程如图1所示，主要包括如下步骤：

步骤(1)：采用经验类比法选择与待预警工作面地质和开采条件类似的已采工作面，并选择有冲击显现或单个能量大于10⁵J的K个微震事件作为冲击地压事件。

步骤(2)：采集已采工作面采掘期间的微震系统监测的微震数据波形曲线，获取已采工作面的微震监测数据，并进行震源定位和能量计算处理，得到包括微震三维坐标、能量幅值、波形初次到时等微震预处理数据。

步骤(3)：利用MATLAB软件，按照如下给出的公式对微震预处理数据进行数学计算分析，得到10个微震指标及演化规律，这10个微震指标分别表示为：b、A_(b)、S_D、M_E、Z、AC、Q_t、b_L、A_(t)、R_E；其所对应的表达式以及含义说明如下(下列给出的各个表达式中符号相同者表示的含义相同)：

上式中，b表示微震个数与微震能量关系的斜率，该指标越小，表示微震能级越高，冲击地压发生的可性能越高；a为常数；M为微震能级；N_(M)为能级大于M的微震个数；

上式中，A_(b)表示微震能级转换系数，主要体现高能级微震，该指标越大，表示微震活动性越强，冲击地压发生的可能性越高；M_i为第i个微震的能级，N为微震个数；

上式中，S_D表示微震活动度，该指标越大，表示微震活动性越强，冲击地压发生的可能性越高；M_max为最大微震能级；

上式中，M_E表示微震等效能级，该指标越大，表示总体微震越强，冲击地压发生的可能性越高；E_i为第i个微震的能量；

上式中，Z表示微震异常值，该指标绝对值越大，表示微震活动性越强，冲击地压发生的可能性越高；N_to为总体微震个数；n_sa为样本微震个数；σ_M ²为总体微震能级方差；σ_m ²为样本微震能级方差；

为总体微震能级平均值；

为样本微震能级平均值；

上式中，AC表示算法复杂度，该指标下降的速率越大，冲击地压发生的可能性越高；M_AC＝M_max-M_min+1；

上式中，Q_t表示微震活动信息熵，该指标下降，表示冲击地压发生的可能性越高；p_i＝(t_i+1-t_i)/(t_N-t₁)，t_i为第i个微震发生的时刻；t_N为第N个微震发生的时刻；

上式中，b_L表示缺震值，该指标越小，表示冲击地压发生的可能性越高；

上式中，A_(t)表示断层总面积，该指标越大，表示冲击地压发生的可能性越高；r为一个微震的能级；r₀为微震的最小能级，N_(r)为微震能级分类的个数；

上式中，R_E表示微震总能量，该指标越大，表示冲击地压发生的可能性越高。

步骤(4)：按照正向指标、负向指标和双向指标的分类方式，对上述10个微震指标按照公式(11)进行归一化处理；

其中，W_ij表示经过归一化处理后的微震指标，λ_ij(t)包含三种情况，分别为正向指标：λ_ij ^↑(t)＝[(Q_max-Q_ij)/(Q_max-Q_min)]；负向指标：λ_ij ^↓(t)＝[(Q_min-Q_ij)/(Q_max-Q_min)]；双向指标：

其中，λ_ij ^↑(t)为正向指标，λ_ij ^↓(t)为负向指标，

为双向指标；Q_max为指标的最大值，Q_min为指标的最小值；Q_ij为第ij个微震指标值。

其中，正向指标值越大，冲击地压发生的可性能越高；负向指标值越小，冲击地压发生的可性能越高；双向指标绝对值越大，冲击地压发生的可能性越高。上述给出的10个指标中，其中b、b_L、AC为负向指标；Q_t、A_(t)、R_E、A_(b)、S_D、M_E为正向指标；Z为双向指标。

步骤(5)：根据冲击地压危险的分级方法，确定步骤(4)中各微震指标值在各冲击危险等级的占比及其权重，将权重进行归一化处理；

其中，冲击地压危险分级按如下进行：强冲击危险[0.75～1]、中等冲击危险[0.5～0.75)、弱冲击危险[0.25～0.5)和无冲击危险[0～0.25)；

微震指标值在强冲击危险等级的权重占比为R_Bi，在中等冲击危险等级的权重占比为R_Ci，在弱冲击危险等级的权重占比为R_Di，上述权重占比表达式如下：R_Bi＝K_B/K；R_Ci＝K_C/K；R_Di＝K_D/K；其中，K_B为各微震指标在强冲击危险区间的微震事件个数，K_C为各微震指标在中等冲击危险区间的微震事件个数，K_D为各微震指标在弱冲击危险区间的微震事件个数；

各微震指标的权重R_i按下式计算：

R_i＝0.75×R_Bi+0.5×R_Ci+0.25×R_Di  (公式12)；

将由公式(12)计算得到的各个指标权重按公式(13)进行归一化处理，并按照权重大小进行排序：

上式中，ω_i为各个指标归一化后的权重。

步骤(6)：根据待预警工作面的地质和开采条件，重复步骤(2)至步骤(4)，得到待预警工作面的10个指标归一化的微震指标值W_ij，然后构建冲击地压多参量预警指标F_j；

步骤(7)：根据冲击地压多参量预警指标F_j值，确定待预警工作面的冲击危险等级；若F_j为[0.75～1]，则待预警工作面具有强冲击危险；若F_j为[0.5～0.75)，则待预警工作面具有中等冲击危险；若F_j为[0.25～0.5)，则待预警工作面具有弱冲击危险；若F_j为[0～0.25)，则待预警工作面不具有冲击危险。根据冲击危险等级可采取相应的防治措施。

步骤(8)：根据工作面开采的周期来压的时间间隔T_p，选择合理的时间窗D_T，随着工作面的开采，将时间窗前移，即可实现冲击地压实时预警和防治：

D_T＝T_p/5  (公式15)。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.基于模糊数学和微震监测的冲击地压多参量预警方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)选择已采工作面，选择已采工作面的K个微震事件作为冲击地压事件；

(2)获取已采工作面的微震监测数据，并进行震源定位和能量计算处理，得到微震预处理数据；

(3)对微震预处理数据进行分析计算，得到10个微震指标及演化规律，这10个微震指标分别表示为：b、A_(b)、S_D、M_E、Z、AC、Q_t、b_L、A_(t)、R_E；b表示微震个数与微震能量关系的斜率，该指标越小，冲击地压发生的可性能越高；A_(b)表示微震能级转换系数，该指标越大，冲击地压发生的可能性越高；S_D表示微震活动度，该指标越大，冲击地压发生的可能性越高；M_E表示微震等效能级，该指标越大，冲击地压发生的可能性越高；Z表示微震异常值，该指标绝对值越大，冲击地压发生的可能性越高；AC表示算法复杂度，该指标下降的速率越大，冲击地压发生的可能性越高；Q_t表示微震活动信息熵，该指标下降，表示冲击地压发生的可能性越高；b_L表示缺震值，该指标越小，表示冲击地压发生的可能性越高；A_(t)表示断层总面积，该指标越大，表示冲击地压发生的可能性越高；R_E表示微震总能量，该指标越大，表示冲击地压发生的可能性越高；

(4)按照正向、负向和双向指标的分类方式，对上述10个微震指标进行归一化处理；

(5)根据冲击地压危险的分级方法，确定步骤(4)中各微震指标值在各冲击危险等级的占比及其权重，将权重进行归一化处理；

(6)根据待预警工作面的地质和开采条件，重复步骤(2)至步骤(4)，得到待预警工作面的10个指标归一化的微震指标值，然后构建冲击地压多参量预警指标F_j；

(7)根据冲击地压多参量预警指标F_j值，确定待预警工作面的冲击危险等级；

(8)根据工作面开采的周期来压的时间间隔T_p，选择合理的时间窗D_T，随着工作面的开采，将时间窗前移，即可实现冲击地压实时预警和防治；

所述步骤(1)中采用经验类比法选择与待预警工作面地质和开采条件类似的已采工作面，并选择有冲击显现或单个能量大于10⁵J的微震事件作为冲击地压事件；

所述步骤(2)中的微震预处理数据包括微震三维坐标、能量幅值、波形初次到时；

所述步骤(3)中10个微震指标的表达式如下：

上式中，a为常数；M为微震能级；N_(M)为能级大于M的微震个数；

上式中，M_i为第i个微震的能级，N为微震个数；

上式中，M_max为最大微震能级；

上式中，E_i为第i个微震的能量；

上式中，N_to为总体微震个数；n_sa为样本微震个数；σ_M ²为总体微震能级方差；σ_m ²为样本微震能级方差；

为总体微震能级平均值；

为样本微震能级平均值；

上式中，M_AC＝M_max-M_min+1；

上式中，p_i＝(t_i+1-t_i)/(t_N-t₁)，t_i为第i个微震发生的时刻；t_N为第N个微震发生的时刻；

上式中，r为一个微震的能级；r₀为微震的最小能级，N_(r)为微震能级分类的个数；

所述步骤(4)中进行归一化处理采用如下表达式进行：

其中，W_ij表示经过归一化处理后的微震指标，λ_ij(t)包含三种情况，分别为正向指标：λ_ij ^↑(t)＝[(Q_max-Q_ij)/(Q_max-Q_min)]；负向指标：λ_ij ^↓(t)＝[(Q_min-Q_ij)/(Q_max-Q_min)]；双向指标：

其中，λ_ij ^↑(t)为正向指标，λ_ij ^↓(t)为负向指标，

为双向指标；Q_max为指标的最大值，Q_min为指标的最小值；Q_ij为第ij个微震指标值；

所述步骤(4)中正向指标值越大，冲击地压发生的可性能越高；负向指标值越小，冲击地压发生的可性能越高；双向指标绝对值越大，冲击地压发生的可能性越高；

所述b、b_L、AC为负向指标；Q_t、A_(t)、R_E、A_(b)、S_D、M_E为正向指标；Z为双向指标；

所述步骤(5)中冲击地压危险分级按如下进行：强冲击危险[0.75～1]、中等冲击危险[0.5～0.75)、弱冲击危险[0.25～0.5)和无冲击危险[0～0.25)；

微震指标值在强冲击危险等级的权重占比为R_Bi，在中等冲击危险等级的权重占比为R_Ci，在弱冲击危险等级的权重占比为R_Di，上述权重占比表达式如下：R_Bi＝K_B/K；R_Ci＝K_C/K；R_Di＝K_D/K；其中，K_B为各微震指标在强冲击危险区间的微震事件个数，K_C为各微震指标在中等冲击危险区间的微震事件个数，K_D为各微震指标在弱冲击危险区间的微震事件个数；

各微震指标的权重R_i按下式计算：

R_i＝0.75×R_Bi+0.5×R_Ci+0.25×R_Di         (公式12)；

将由公式12计算得到的各个指标权重按公式13进行归一化处理，并按照权重大小进行排序：

上式中，ω_i为各个指标归一化后的权重；

所述步骤(6)中的冲击地压多参量预警指标F_j表达式如下：

所述步骤(8)中时间窗表达式如下：

D_T＝T_p/5          (公式15)。

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