CN112594008B - 一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，首先采用层次分析法确定动静载扰动参量权重，其中静载扰动由震动波CT反演波速参量定量描述，动载扰动由微震累加震动效应参量定量刻画；然后采用加权平均方法确定最终冲击危险区域及其危险等级。本方法涉及的公式参量计算明确、普适性好，易于编程且实用性强，可以大范围近似实时预警矿井冲击地压危险。

Description

一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法
技术领域
本发明涉及矿井冲击地压危险监测领域，特别是涉及一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法。
背景技术
冲击地压的发生与煤岩的物理力学性质、煤岩所受的静载荷与动载荷等有关，当煤岩体的静载荷、动载荷的叠加超过煤岩体冲击破坏的临界载荷时将诱发大能量矿震或冲击地压。根据长期的理论研究、现场试验，冲击地压矿井断层、褶曲等地质构造及不合理区段煤柱、保护层遗留煤柱、临近的采掘活动、工作面见方等开采因素都会造成围岩局部应力集中，微震事件也会在以上区域集中出现，给周边煤岩体带来动静载扰动。冲击地压可以根据其诱发力源的不同进行划分:(1)静载扰动主导，矿井深部开采导致煤岩体原岩应力高，同时受采掘扰动次生应力影响静载应力水平进一步升高，少量小能量微震事件产生的动载扰动即可使煤岩体动静载叠加超过其临界载荷发生冲击破坏；(2)动载扰动主导，煤岩体的原岩应力、采掘扰动次生应力水平较低，但大量大能量微震事件的累加动载效应强，煤岩体动静载叠加超过其临界载荷发生冲击破坏。
大部分冲击地压矿井存在采掘布置不合理或大量复杂地质构造，导致煤岩体受采掘次生应力、构造应力的静载扰动明显，在微震累加震动效应作用下极易发生冲击地压。然而，常规震动波CT反演技术需要根据震动波传递到传感器的纵波速度计算来反应大范围的煤岩体静载应力扰动程度，为更准确的获得工作面围岩的静载应力分布情况，需要大量的微震事件作为反演原始数据，反演计算量大、周期长，很难实现实时反演；微震短临动载效应预警是根据震动波在煤岩介质中的衰减特征计算其对巷道或工作面附近煤岩体动载扰动，当某区域矿震连续发生时，其产生的累加震动效应可能进一步诱发强矿震事件甚至冲击地压显现，微震短临动载效应预警具有预警周期短、临近采掘工作面等优点，但由于震动波速度快其有效预警范围有限。
因此，丞需一种结合CT中长期反演预警、微震短临动载效应预警并反应煤岩动静载扰动程度、且能实时反应大范围冲击危险的预警方法，具有非常重要的实用价值和现实意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，提供一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，通过量化分析冲击地压矿井采掘工作面周边煤岩体动静载扰动叠加指数，实现对冲击地压的综合监测预警。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，首先采用层次分析法确定动静载扰动参量权重，其中静载扰动由震动波CT反演波速参量定量描述，动载扰动由微震累加震动效应参量定量刻画；然后采用加权平均方法确定最终冲击危险区域及其危险等级。
具体包括如下步骤：
S1：将待评估的矿井下工作面根据不同地质构造、采掘布局划分为不同类型的诱震区域；
S2：基于所述S1划分的诱震区域，对预警时间窗口内所有微震事件进行分类；
S3：统计各类型微震事件频次占矿井工作面总微震事件频次的比例和筛选出各类型微震事件中具有最大能量的微震事件；对各类型微震事件频次两两比较，并利用比较后的比值对各类型微震事件进行活跃度标定；
S4：将评估采掘区域进行网格划分，并在预警时间窗口内遍历网格监测点，分别计算监测点上各类型微震事件的震动效应指数；
S5：建立微震事件类型权重判别模型，确定不同类型微震事件的权重指数；
S6：在评估周期内，结合所述S4构建的震动效应指数与所述S5确定的权重指数，对微震动载扰动强度以天为单位进行评估，并结合静载CT反演指标建立工作面静载与动载扰动叠加的冲击危险性评价指数，同时进行可视化处理。
优选地，所述S1中不同类型的诱震区域包括：断层诱震区域、褶曲诱震区域、区段煤柱诱震区域、保护层遗留煤柱诱震区域、相邻采掘工作面诱震区域、见方诱震区域和其他诱震区域。
优选地，所述S2中对微震事件进行分类的方法为：判断所述微震事件震源中心点所属的诱震区域类型，并根据所判断的诱震区域类型来判断所述微震事件的类型。
优选地，所述S3中活跃度标定是采用1～9标度对微震活跃度进行标定。
优选地，所述S4是采用累加方法来计算的，具体步骤为：
S41：计算微震事件传递到受载点的衰减震动能量；
S42：基于所述衰减震动能量，采用累加方法计算监测点的某一类型累加震动效应；
S43：基于所述累加震动效应，遍历网格节点，找到最大累加震动效应，得到该类型微震在各监测点引起的震动效应。
优选地，所述S5具体为：
S51：建立微震类型的权重判别模型；
S52：采用所述S3中的各微震活跃度的标度取值进行每两元素间的相对比较，得到构建权重判别矩阵；
S53：计算所述权重判别矩阵的最大特征根，并对所述最大特征根进行一致性检验，得到不同类型微震事件的权重指数。
优选地，所述S6是采用微震累加震动效应、震动波波速层析成像技术对一段预警周期内的矿井下工作面动静载扰动评估，具体步骤内容如下：
S61：基于所述S4划分的网格监测点，对监测点i的各类型的震动效应及震动波波速进行无量纲处理，得到静载集中指数和各类型微震震动效应指数；
S62：基于评估区域内的任意监测点，将所述静载集中指数和所述微震震动效应指数归一化处理，得到监测点的冲击危险预警数值Di；
S63：对各网格监测点处的冲击危险预警数值Di进行插值，得到评估区域的冲击危险预警指标云图分布；
S64：根据冲击危险预警数值Di确定评估区域危险等级并实时预警，并采取应对对策。
优选地，所述S64中应对对策的具体方案为：
当评估区域0≤Di＜0.15时，评估区域冲击危险等级为无，采掘作业位于该位置时正常作业；当评估区域0.15≤Di＜0.25时，评估区域冲击危险等级为弱，采掘作业位于该位置时，撤出无关作业人员，对工作面实施限员管理；当评估区域当0.25≤Di＜0.35时，评估区域冲击危险等级为中等，停止该位置的采掘作业，在评估区域前后20m范围进行卸压工作；当评估区域当0.35≤Di时，评估区域冲击危险等级为强，停止该位置的采掘作业，人员撤离采掘作业区域，等待一段时间后在评估区域前后20m范围进行卸压工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的动静载扰动叠加的冲击地压预警方法物理力学意义明确，公式涉及的参量计算明确、普适性好，易于编程且实用性强；
(2)本发明的计算方法融合了CT中长期反演预警的反映静载扰动、范围大及微震短临动载效应预警的描述动载扰动、实时预警等优点，可以大范围近似实时预警矿井冲击地压危险；
(3)本发明预警采集数据选用矿井区域监测的微震数据，其具有时效性强，范围广等优点，可实现工作面范围的日常监测预警，具有非常重要的实用价值和现实意义。
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为工作面的断层、褶曲、见方、保护层遗留煤柱等因素诱震区域示意图；
图2为工作面的区段煤柱、相邻采掘工作面等因素诱震区域示意图；
图3为本发明基于网格节点的微震累加震动效应计算示意图；
图4为基于工作面诱震区域空间划分的微震事件类型判别图；
图5为震动波CT反演获得的静载集中指数空间分布图；
图6为断层区域微震震动效应指数空间分布图；
图7为煤柱区域微震震动效应指数空间分布图；
图8为其他区域微震震动效应指数空间分布图；
图9为冲击地压危险预测的动静扰动指数空间分布图；
图中：1-褶曲、2-工作面见方位置、3-断层、4-上覆煤层采空区；5-采空区遗留煤柱、6-褶曲诱震区域、7-见方诱震区域、8-断层诱震区域、9-采空区遗留煤柱诱震区域、10-工作面邻近采空区、11-区段煤柱、12-掘进工作面、13-区段煤柱诱震区域、14-采掘工作面诱震区域。
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
一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，该方法选择煤矿井下工作面为实施对象，采集时间窗口内的微震空间、时间、能量特征及震动波CT波速等参数并进行实时处理，具体包括以下步骤：
步骤一：将需评估的井下工作面根据地质构造、采掘布局划分为参照图1～2所示的不同类型诱震区域，区域划分见表1。
表1不同类型诱震区域划分情况
Figure GDA0003383683100000071
Figure GDA0003383683100000081
步骤二：根据步骤一划分的诱震区域，对预警时间窗口T内所有微震事件类型进行判别，例如某一微震事件震源中心点位于断层诱震区域内，则该微震事件类型为断层微震事件。
步骤三：统计各类型微震事件频次占工作面总微震频次比例及最大能量，对各类型微震频次两两比较，并采用1～9标度对微震活跃度进行标定，标定方法见表2。
表2微震事件活跃度的标定
Figure GDA0003383683100000082
Figure GDA0003383683100000091
步骤四：将评估采掘区域进行网格划分，得到参照图3所示的网格划分图，图中网格的边长l为统计滑移步长。在预警事件窗口T内，遍历网格监测点，采用累加方法分别计算监测点上断层、褶曲、区段煤柱、遗留煤柱、采掘扰动、见方及其他的微震震动效应：MSEDCi、MSEZQi、MSEQZi、MSEYZi、MSECJi、MSEJFi、MSEQTi。对于单一监测点i的某一类型微震震动效应具体计算过程为：图3中某一类型微震事件MSj的初始震动能量为Ej，传递到受载点i的衰减震动能量为Eij，Eij可根据单元点距震动的距离Rij及震动波能量衰减系数η及初始震动能量Ej，其计算公式为：
Figure GDA0003383683100000092
煤岩体的弹性应变增量与微震事件MSj输入的衰减能量Eij平方根成正比，因此微震事件MSj对监测点i的震动效应可用衰减能量Eij的平方根描述；采用累加方法计算监测点i的某一类型累加震动效应MSSEi，m为该类型微震事件频次，具体计算公式为：
Figure GDA0003383683100000093
为降低个别大能量微震震动效应集中程度可能产生局部集中，确保可视化结果能良好呈现不同节点的震动效应变化程度，遍历网格节点，找到该类型微震事件的最大累加震动效应MSSEmax，该类型微震在监测点i引起的震动效应可用累加震动效应MSSEi与最大累加震动效应比值MSSEmax的平方根描述，其计算公式为：
Figure GDA0003383683100000101
步骤五：不同类型微震事件的活跃程度不同，对冲击地压危险的影响程度不同，因此需建立微震类型权重判别模型对不同类型微震进行权重指数确定，具体计算流程如下：
a.首先建立微震类型的权重判别模型，模型由一个目标C及属于他的n个评价指数a1，a2，…，an及评价者组成。采用步骤三中的各微震活跃度的标度取值进行每两元素间的相对比较，构建权重判别矩阵A：
Figure GDA0003383683100000102
b.根据AW＝λmaxW计算判断矩阵A的最大特征根λmax，按照下式进行一致性检验：
Figure GDA0003383683100000103
其中，RI值按照Saaty提出的标度方法确定，取值见表3：
表3 RI值
Figure GDA0003383683100000104
Figure GDA0003383683100000111
当计算的CR值<0.1时，认为判断矩阵A的一致性可以接受，最大特征根特征λmax对应的特征向量W＝[w1,w2，...wn]为各因素的权重矩阵，且w1+w2+…+w7＝1，wk表示下层第k个因素对冲击地压危险影响程度的权值。
步骤六：震动波波速层析成像技术可以对一段周期内的工作面静载应力评估，在静载评估周期内，结合步骤四构建的震动效应指数与步骤五确定的权重指数，对微震动载扰动强度以天为单位进行评估，从而建立工作面静载与动载扰动叠加的冲击危险性评价指数，并进行可视化处理。具体计算过程为：
遍历步骤二划分的网格监测点，对监测点i的各类型的震动效应及震动波CT波速进行无量纲处理，得到静载集中指数SIi及各类型微震震动效应指数MSIi，其中，V为震动波波速层析成像技术反演得出的评估区域内传播速度，Vmin和Vmax分别为震动波波速层析成像反演结果中波速最大值和最小值，MSEmax和MSEmin分别是研究区域内各类型震动效应MSEi的最大值和最小值，具体计算公式如下：
Figure GDA0003383683100000112
Figure GDA0003383683100000113
将静载集中指数与微震震动效应指数的整体权重分别取值为0.5，对于评估区域内的任意监测点i，将静载集中指数及微震震动效应指数归一化处理后得到监测点的冲击危险预警数值为Di，具体计算公式如下：
Figure GDA0003383683100000121
最后对各网格监测点处的冲击危险预警数值进行插值，即可获得评估区域的冲击危险预警指标云图分布。
进一步地，根据冲击危险预警数值Di确定评估区域危险等级并实时预警，并采取应对对策，具体方案为：
当评估区域0≤Di＜0.15时，评估区域冲击危险等级为无，采掘作业位于该位置时正常作业；
当评估区域0.15≤Di＜0.25时，评估区域冲击危险等级为弱，采掘作业位于该位置时，撤出无关作业人员，对工作面实施限员管理；
当评估区域当0.25≤Di＜0.35时，评估区域冲击危险等级为中等，停止该位置的采掘作业，在评估区域前后20m范围进行卸压工作；
当评估区域当0.35≤Di时，评估区域冲击危险等级为强，停止该位置的采掘作业，人员远离采掘作业区域，等待一段时间后在评估区域前后20m范围进行卸压工作。
为了验证技术效果，实例分析选取某矿发生的一次强矿震事件(8\12)，同时选取强矿震发生前三天的微震事件(8\9-8\11)及CT反演(7\25-8\6)数据进行分析，对不同诱震区域冲击地压危险预测效果进行对比：
(1)利用图3中的工作面布置形式及微震数据(8\9-8\11)，采用步骤一诱震区域划分表将工作面划分为断层诱震区域、煤柱诱震区域及其他诱震区域，采用步骤三微震活跃度权重表对各类型微震活跃度进行权重标记，采用公式(4)-(5)计算获得各类型微震活跃度权重(煤柱微震活跃度权重w1＝0.125、断层微震活跃度权重w2＝0.125和其他微震活跃度权重w3＝0.750)。
(2)利用工作面历史微震数据(7\25-8\6)进行震动波CT反演分析获得纵波速度分布，然后采用公式(6)计算获得如图5所示的震动波CT反演获得的静载集中指数SIi云图。
(3)参照图4所示的微震数据(8\9-8\11)并采用公式(1)-(3)计算断层、煤柱及其他区域的微震震动效应，然后采用公式(7)计算获得如图6、图7、图8所示的断层、煤柱及其他区域微震震动效应指数MSIi云图。
(4)根据图5、6、7、8的计算结果，结合公式(4)-(5)计算获得各类型微震活跃度权重(煤柱微震活跃度权重w1＝0.125、断层微震活跃度权重w2＝0.125和其他微震活跃度权重w3＝0.750)，然后采用公式(8)计算获得如图9所示的冲击地压危险预测的动静载扰动指数(Di)结果图。
实例表明，震动波CT反演获得的静载集中指数(图5)反映了煤岩静载应力分布情况，断层区域微震震动效应指数(图7)和煤柱区域微震震动效应指数(图8)、其他区域微震震动效应指数反映了微震事件对周边煤岩体的动载扰动；冲击地压危险预测的动静载扰动指数(图9)很好的预测了强矿震事件的发生位置，预测效果好。

Claims (5)

1.一种基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1：将待评估的矿井下工作面根据不同地质构造、采掘布局划分为不同类型的诱震区域；
所述S1中不同类型的诱震区域包括：断层诱震区域、褶曲诱震区域、区段煤柱诱震区域、保护层遗留煤柱诱震区域、相邻采掘工作面诱震区域、见方诱震区域和其他诱震区域；
S2：基于所述S1划分的诱震区域，对预警时间窗口内所有微震事件进行分类；
所述S2中对微震事件进行分类的方法为：判断所述微震事件震源中心点所属的诱震区域类型，并根据所判断的诱震区域类型来判断所述微震事件的类型；
S3：统计各类型微震事件频次占矿井工作面总微震事件频次的比例和筛选出各类型微震事件中具有最大能量的微震事件；对各类型微震事件频次两两比较，并利用比较后的比值对各类型微震事件进行活跃度标定；
所述S3中活跃度标定是采用1～9标度对微震活跃度进行标定；
S4：将评估采掘区域进行网格划分，并在预警时间窗口内遍历网格监测点，分别计算监测点上各类型微震事件的震动效应指数；
S5：建立微震事件类型权重判别模型，确定不同类型微震事件的权重指数；
S6：在评估周期内，结合所述S4构建的震动效应指数与所述S5确定的权重指数，对微震动载扰动强度以天为单位进行评估，并结合静载CT反演指标建立工作面静载与动载扰动叠加的冲击危险性评价指数，同时进行可视化处理。
2.根据权利要求1所述的基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，其特征在于：所述S4是采用累加方法来计算的，具体步骤为：
S41：计算微震事件传递到受载点的衰减震动能量；
S42：基于所述衰减震动能量，采用累加方法计算监测点的某一类型累加震动效应；
S43：基于所述累加震动效应，遍历网格节点，找到最大累加震动效应，得到该类型微震在各监测点引起的震动效应。
3.根据权利要求1所述的基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，其特征在于：所述S5具体为：
S51：建立微震类型的权重判别模型；
S52：采用所述S3中的各微震活跃度的标度取值进行每两元素间的相对比较，得到构建权重判别矩阵；
S53：计算所述权重判别矩阵的最大特征根，并对所述最大特征根进行一致性检验，得到不同类型微震事件的权重指数。
4.根据权利要求1所述的基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，其特征在于：所述S6是采用微震累加震动效应、震动波波速层析成像技术对一段预警周期内的矿井下工作面动静载扰动评估，具体步骤内容如下：
S61：基于所述S4划分的网格监测点，对监测点i的各类型的震动效应及震动波波速进行无量纲处理，得到静载集中指数和各类型微震震动效应指数；
S62：基于评估区域内的任意监测点，将所述静载集中指数和所述微震震动效应指数归一化处理，得到监测点的冲击危险预警数值Di；
S63：对各网格监测点处的冲击危险预警数值Di进行插值，得到评估区域的冲击危险预警指标云图分布；
S64：根据冲击危险预警数值Di确定评估区域危险等级并实时预警，并采取应对对策。
5.根据权利要求4所述的基于动静载扰动叠加的冲击地压预警方法，其特征在于：所述S64中应对对策的具体方案为：
当评估区域0≤Di＜0.15时，评估区域冲击危险等级为无，采掘作业位于该位置时正常作业；当评估区域0.15≤Di＜0.25时，评估区域冲击危险等级为弱，采掘作业位于该位置时，撤出无关作业人员，对工作面实施限员管理；当评估区域当0.25≤Di＜0.35时，评估区域冲击危险等级为中等，停止该位置的采掘作业，在评估区域前后20m范围进行卸压工作；当评估区域当0.35≤Di时，评估区域冲击危险等级为强，停止该位置的采掘作业，人员撤离采掘作业区域，等待一段时间后在评估区域前后20m范围进行卸压工作。
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