CN113565490A - 一种水害微震预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿井水害技术领域，具体涉及一种水害微震预警方法，包括：S1、实时获取矿井底板的环境数据和震动数据；S2、根据环境数据得到出现潜在突水危险区的第一概率，根据震动数据得到出现潜在突水危险区的第二概率，判断第一概率、第二概率是否均大于概率阈值：若是，进行S3；若否，返回进行S1；S3、采集矿井的各个钻孔的钻孔水位值、矿井的排水量；S4、根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患：若是，进行S5；若否，返回进行S3；S5、生成并发送水害预警信息。本发明在矿井底板出现水害的可能性比较大时才根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患，解决了难以识别出潜在的突水危险区的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及矿井水害技术领域，具体涉及一种水害微震预警方法。
背景技术
随着经济的飞速发展，煤炭的开采需求也持续增长。由于我国的煤矿地质条件相对复杂，时而会出现煤矿事故。对于煤矿事故来说，常见的是矿井水害，也即，在煤矿的开采过程中，孔隙水、裂隙水、岩溶水、老空水、地表水、地下水等各种水体溃入矿井下，造成矿井突水事故生，完全有必要采取措施对矿井水害进行预警。比如说，中国已有专利公开，采集矿井的微震信号、矿井的各个钻孔的钻孔水位值以及矿井的排水量，根据微震信号、各个钻孔的钻孔水位值以及排水量预测矿井是否存在着水害隐患，若矿井存在水害隐患，则生成并发送水害预警信息。
在监测矿井的钻孔水位值、排水量的同时，也监测矿井的威震信号，相较于仅通过水位值及排水量的变化监测水害信息来说，不需要持续的监测水位值及排水量的变化趋势，在较短的时间就能得到水害预测结果。但是，矿井水害形成的机理非常复杂，特别是针对威胁煤矿安全生产的底板水害，仍然处于探索和研究阶段，突水系数、“关键层”、“原位张裂”和“零位破坏”、“下三带”与“下四带”、“薄板结构”、“关键层”、脆弱性指数法等相关理论和观点，仍然存在较多的局限性。同时，现有技术忽略了底板构造的活化过程，从而难以识别出潜在的突水危险区。
发明内容
本发明提供一种水害微震预警方法，解决了现有技术难以识别出潜在的突水危险区的技术问题。
本发明提供的基础方案为：一种水害微震预警方法，包括：
S1、实时获取矿井底板的环境数据和震动数据；
S2、根据矿井底板的环境数据与预先建立的第一关系模型得到出现潜在突水危险区的第一概率，根据矿井底板的震动数据与预先建立的第二关系模型得到出现潜在突水危险区的第二概率，判断第一概率、第二概率是否均大于概率阈值：若是，进行S3；若否，返回进行S1；
S3、采集矿井的各个钻孔的钻孔水位值、矿井的排水量；
S4、根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患：若是，进行S5；若否，返回进行S3；
S5、生成并发送水害预警信息。
本发明的工作原理及优点在于：在根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患之前，获取矿井底板的环境数据和震动数据；根据矿井底板的环境数据和震动数据判断出现潜在突水危险区的第一概率、第二概率是否均大于概率阈值，如果出现潜在突水危险区的第一概率、第二概率均大于概率阈值，表明矿井底板出现水害的可能性比较大，故而，才根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患。相较于直接根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测水害隐患来说，能够识别出潜在突水危险区，防止潜在突水危险区在毫无征兆的情况下出现水害。
本发明在矿井底板出现水害的可能性比较大时才根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患，解决了难以识别出潜在的突水危险区的技术问题。
进一步，S2中，将矿井底板中第一概率、第二概率均大于概率阈值的区域定义为潜在突水危险区，得到若干个潜在突水危险区，并对各个潜在突水危险区进行定位。
有益效果在于：得到潜在突水危险区之后，对各个潜在突水危险区进行定位，便于针对性地采取预防措施。
进一步，S2中，根据各个潜在突水危险区的震动数据分析对应的威震活动，并按照威震活动的强弱对各个潜在突水危险区的危险性进行标记、排序。
有益效果在于：按照威震活动的强弱对各个潜在突水危险区的危险性进行标记、排序之后，便于根据危险性的高低针对性采取对应的防范措施。
进一步，S2中，根据各个潜在突水危险区的环境数据分析对应的稳定性，并按照稳定性的高低对各个潜在突水危险区的稳定性进行标记、排序。
有益效果在于：按照稳定性的高低对各个潜在突水危险区的稳定性进行标记、排序之后，便于对稳定性低的潜在突水危险区进行重点关注。
进一步，S2中，根据各个潜在突水危险区的危险性和稳定性判定是否存在矿产边界盗采，若是，S5中生成并发送盗采预警信息。
有益效果在于：如果可能存在矿产边界盗采，及时生成并发送盗采预警信息，可及早采取措施阻止矿产边界盗采。
进一步，S2中，剔除震动数据中的干扰震动，干扰震动包括车辆人员经过产生的震动、机械产生的震动和矿井放炮产生的震动。
有益效果在于：剔除车辆人员经过产生的震动、机械产生的震动和矿井放炮产生的震动，避免造成不必要的干扰。
进一步，S1中，矿井底板的环境数据包括矿井底板活化过程中伴生的岩石物性参数、岩石破裂参数；矿井底板的震动数据包括微震波形的频谱特征、时长、振幅特征、振幅分布、能量级别和门限阈值。
有益效果在于：岩石物性参数、岩石破裂参数能够反映外部因素对水害形成的影响，微震波形的频谱特征、时长、振幅特征、振幅分布、能量级别和门限阈值能够反映威震的具体细节。
进一步，S1中，采用初至综合拾取方法获取矿井底板的震动数据，初至综合拾取方法通过预先现场试验，结合信号初至前后有效信号的典型特征形成。
有益效果在于：通过现场试验方法，研究信号初至前后有效信号的典型特征，形成抗干扰能力强、拾取精度高、效率高的初至综合拾取方法，能够实现波形信号的自动识别；并开展有效信号的特征对比分析，实现有效信号的自动识别及初至拾取。
进一步，S2中，采用震源定位算法对潜在突水危险区进行定位，震源定位算由预先借鉴三维地震勘探均方根速度及层速度的处理方式，反演回采工作面顶底板及煤层地震波速度得建立的三维速度模型得到。
有益效果在于：针对微震精确定位技术难点，建立接近真实地质条件的三维速度模型，在此基础上得到震源定位算法，可以提升微震定位精度。
附图说明
图1为本发明一种水害微震预警方法实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
本发明一种水害微震预警方法实施例基本如附图1所示，包括：
S1、实时获取矿井底板的环境数据和震动数据；
S2、根据矿井底板的环境数据与预先建立的第一关系模型得到出现潜在突水危险区的第一概率，根据矿井底板的震动数据与预先建立的第二关系模型得到出现潜在突水危险区的第二概率，判断第一概率、第二概率是否均大于概率阈值：若是，进行S3；若否，返回进行S1；
S3、采集矿井的各个钻孔的钻孔水位值、矿井的排水量；
S4、根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患：若是，进行S5；若否，返回进行S3；
S5、生成并发送水害预警信息。
具体实施过程如下：
S1、实时获取矿井底板的环境数据和震动数据。在本实施例中，矿井底板的环境数据包括矿井底板活化过程中伴生的岩石物性参数、岩石破裂参数，这些参数能够反映外部因素对水害形成的影响；矿井底板的震动数据包括微震波形的频谱特征、时长、振幅特征、振幅分布、能量级别和门限阈值，这些参数能够反映威震的具体细节。
S2、根据矿井底板的环境数据与预先建立的第一关系模型得到出现潜在突水危险区的第一概率，根据矿井底板的震动数据与预先建立的第二关系模型得到出现潜在突水危险区的第二概率，判断第一概率、第二概率是否均大于概率阈值：若是，进行S3；若否，返回进行S1。
首先，剔除震动数据中的干扰震动，干扰震动包括车辆人员经过产生的震动、机械产生的震动和矿井放炮产生的震动，避免造成不必要的干扰。
然后，将矿井底板中第一概率、第二概率均大于概率阈值的区域定义为潜在突水危险区，得到若干个潜在突水危险区，并对各个潜在突水危险区进行定位，便于针对性地采取预防措施。
接着，根据各个潜在突水危险区的震动数据分析对应的威震活动，并按照威震活动的强弱对各个潜在突水危险区的危险性进行标记、排序，以便根据危险性的高低针对性采取对应的防范措施。
最后，根据各个潜在突水危险区的环境数据分析对应的稳定性，并按照稳定性的高低对各个潜在突水危险区的稳定性进行标记、排序，以便对稳定性低的潜在突水危险区进行重点关注。
S3、采集矿井的各个钻孔的钻孔水位值、矿井的排水量。
S4、根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患：若是，进行S5；若否，返回进行S3。
S5、生成并发送水害预警信息。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，
S1中，采用初至综合拾取方法获取矿井底板的震动数据，初至综合拾取方法通过预先现场试验，结合信号初至前后有效信号的典型特征形成。通过现场试验方法，研究信号初至前后有效信号的典型特征，形成抗干扰能力强、拾取精度高、效率高的初至综合拾取方法，能够实现波形信号的自动识别；并开展有效信号的特征对比分析，实现有效信号的自动识别及初至拾取。
S2中，采用震源定位算法对潜在突水危险区进行定位，震源定位算由预先借鉴三维地震勘探均方根速度及层速度的处理方式，反演回采工作面顶底板及煤层地震波速度得建立的三维速度模型得到。针对微震精确定位技术难点，建立接近真实地质条件的三维速度模型，在此基础上得到震源定位算法，可以提升微震定位精度。
S2中，根据各个潜在突水危险区的危险性和稳定性判定是否存在矿产边界盗采，若是，S5中生成并发送盗采预警信息。如果可能存在矿产边界盗采，及时生成并发送盗采预警信息，可及早采取措施阻止矿产边界盗采。
实施例3
与实施例2不同之处仅在于，生成并发送水害预警信息之后，还根据预先设置的报警阈值进行预警；但是，在根据预先设置的报警阈值进行预警之前，还需要对报警阈值进行修正。在本实施例中，水害微震由矿井底板地下水的压强和冲击引起：一方面，由于地下水处于不断流动的运动状态之中，地下水会对矿井底板产生冲击力；另一方面，地下水的压强也会对矿井底板产生挤压力；在这两方面的影响作用之下，地下水形成矿井底板的水害微震。
相关地质探测研究结果表明，矿井底板的地下水通常是流动的，矿井底板下岩层或者煤层的细小颗粒会逐渐融入地下水中，由于不同岩层或者煤层的成分组成有很大的差异，使得地下水的成分与纯净水的成分完全不同，比如说，地下水通常含有各种微量元素、矿物质和重金属，这些微量元素、矿物质和重金属会影响地下水的密度，使得不同位置的地下水的密度不同；此外，即使是相同位置的地下水，由于地下水不断流动，也会使得不同时刻的地下水的成分不同，从而导致不同时刻的地下水的密度不同。故而，地下水的密度ρ为位置和时间的函数，可以记为ρ＝ρ(x，y，z，t)，其中，x、y、z分别为三维坐标，t为时间。
地下水对矿井底板产生的单位面积的挤压力(也即压强)，可以根据压强计算公式得到，P＝ρgh，P为地下水的压强，ρ为地下水的密度，g为当地的重力加速度，h为地下水的深度；地下水对矿井底板产生的单位面积的冲击力，可以根据动量定理计算，F＝ρV2，V为地下水的流速，流速V通常也为位置和时间的函数，可以记为V＝V(x，y，z，t)。故而，为了简化问题，仅考虑地下水成分的影响，也即，仅考虑地下水的密度的影响，可以将单位面积的挤压力记为P＝k1×ρ(x，y，z，t)，将单位面积的冲击力记为F＝k2×ρ(x，y，z，t)，k1、k2均为常数。
对报警阈值进行修正的基本原理如下：不难理解，如果说地下水对矿井底板产生的单位面积的挤压力和冲击力越大，那么矿井底板的结构越容易被损坏，也就越容易产生微震；反之，如果说地下水对矿井底板产生的单位面积的挤压力和冲击力越小，那么矿井底板的结构越不容易被损坏，也就越不容易产生微震。故而，具体修正过程如下：首先，实时监测地下水的成分，得到地下水的成分以及对应的质量分数，比如说，将地下水采集起来，通过化学分析仪器就可以得到这样的结果；然后，根据地下水的成分以及对应的质量分数进行加权运算(具体可参照现有技术)，就可以得出地下水的实际密度；最后，根据地下水的实际密度与初始密度计算修正系数，并根据修正系数对报警阈值进行修正，得到修正后的报警阈值，比如说，初始密度记为ρ0，实际密度记为ρR，那么修正系数就为ρ0/ρR，可以认为初始密度ρ0就是纯净水的密度，也即ρ0＝1克/立方厘米，修正系数就为1/ρR。
可见，修正系数与实际密度ρR成反比。如果实际密度ρR大于初始密度ρ0，地下水对矿井底板产生的单位面积的挤压力和冲击力相对较大，那么矿井底板的结构越容易被损坏，也就越容易产生微震，故而报警阈值就越小；反之，如果实际密度ρR小于初始密度ρ0，地下水对矿井底板产生的单位面积的挤压力和冲击力相对较小，那么矿井底板的结构越不容易被损坏，也就越不容易产生微震，故而报警阈值就越大。通过这样的方式，能够随着地下水的成分动态地对报警阈值进行修正，使得修正后的报警阈值能够适应性、动态性地准确进行预警。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种水害微震预警方法，其特征在于，包括：
S1、实时获取矿井底板的环境数据和震动数据；
S2、根据矿井底板的环境数据与预先建立的第一关系模型得到出现潜在突水危险区的第一概率，根据矿井底板的震动数据与预先建立的第二关系模型得到出现潜在突水危险区的第二概率，判断第一概率、第二概率是否均大于概率阈值：若是，进行S3；若否，返回进行S1；
S3、采集矿井的各个钻孔的钻孔水位值、矿井的排水量；
S4、根据各个钻孔的钻孔水位值、排水量预测矿井是否存在水害隐患：若是，进行S5；若否，返回进行S3；
S5、生成并发送水害预警信息。
2.如权利要求1所述的水害微震预警方法，其特征在于，S2中，将矿井底板中第一概率、第二概率均大于概率阈值的区域定义为潜在突水危险区，得到若干个潜在突水危险区，并对各个潜在突水危险区进行定位。
3.如权利要求2所述的水害微震预警方法，其特征在于，S2中，根据各个潜在突水危险区的震动数据分析对应的威震活动，并按照威震活动的强弱对各个潜在突水危险区的危险性进行标记、排序。
4.如权利要求3所述的水害微震预警方法，其特征在于，S2中，根据各个潜在突水危险区的环境数据分析对应的稳定性，并按照稳定性的高低对各个潜在突水危险区的稳定性进行标记、排序。
5.如权利要求4所述的水害微震预警方法，其特征在于，S2中，根据各个潜在突水危险区的危险性和稳定性判定是否存在矿产边界盗采，若是，S5中生成并发送盗采预警信息。
6.如权利要求5所述的水害微震预警方法，其特征在于，S2中，剔除震动数据中的干扰震动，干扰震动包括车辆人员经过产生的震动、机械产生的震动和矿井放炮产生的震动。
7.如权利要求6所述的水害微震预警方法，其特征在于，S1中，矿井底板的环境数据包括矿井底板活化过程中伴生的岩石物性参数、岩石破裂参数；矿井底板的震动数据包括微震波形的频谱特征、时长、振幅特征、振幅分布、能量级别和门限阈值。
8.如权利要求7所述的水害微震预警方法，其特征在于，S1中，采用初至综合拾取方法获取矿井底板的震动数据，初至综合拾取方法通过预先现场试验，结合信号初至前后有效信号的典型特征形成。
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