CN114814939A - 一种煤矿微震台网监测效果评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿微震台网监测效果评估方法，包括：采集微震数据，建立数据库；对数据库的震源进行迭代聚类，获得已聚类的微震数据；基于已聚类的微震数据，计算平均微震完整性等级；基于平均微震完整性等级，评估不同微震台网监测效果。本发明涉及的微震台网监测效果评估方法可有效评估煤矿微震台网不断挪移过程中微震系统监测效果，为改善微震监测精度以及提高动力灾害预警准确率提供可靠支撑，为相关技术人员制定微震台网挪移及优化布置方案提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采及煤矿安全技术领域，特别是涉及一种煤矿微震台网监测效果评估方法。
背景技术
矿震是开采过程中，煤岩体积聚的弹性能和变形能突然释放所产生的震动。当矿震能量足够大时，会引起煤体抛出、顶板下沉、底鼔等巷道破坏，从而形成冲击地压。冲击地压、煤与瓦斯突出以及矿震等是煤矿中的典型动力灾害，发生时具有突然、剧烈的特点，并伴随煤岩体的连续性破裂。为对冲击地压等动力灾害进行有效预防及控制，近年来微震系统广泛部署于矿井中用于对煤岩体破裂信号的捕捉。
微震监测技术是基于微震监测系统，利用岩体受力变形破坏过程中发出的震动波，监测矿井岩体破裂的位置和能量释放的技术方法。微震监测系统的主要功能是实时自动记录矿震活动，进行震源定位和矿震能量计算，获得开采区域矿震活动的强弱，为评价全矿范围内的冲击地压危险提供依据。该监测技术具有远距离、动态、三维、实时监测的特点。其原理是利用拾震仪接收的直达P波起始点的时间差，在给定波速条件下进行三维定位和能量计算，根据各时期矿震的监测结果，给出工作面以及巷道各区域矿震活动的强弱，划分出冲击地压危险区域，以便及时采取应对措施。
微震系统由井下系统和井上系统两部分组成，井下系统主要包括微震台站、信号线缆等；井上系统包括信号采集站、记录仪、分析仪等。通过对微震信息的进一步后处理，如采集震动信号波形，并对震源的发震时间、空间坐标以及震源能量准确计算等，可进一步分析、预测发生冲击地压等动力灾害的可能性，实现对动力灾害的可防可控。
使用微震数据进行分析的关键与前提便是保证系统监测效果好，能捕捉到大量的微震信息。但是，由于煤矿井下采掘区域的位置始终在移动，为实现对采掘区域的良好监测，要求井下微震台站布置需随着采掘区域的移动而转移，这便是微震台站部署的动态调整过程。在微震台网动态调整过程中，受井下复杂的地质与采掘作业环境等影响，同一台网布置条件下监测精度差异巨大。因此，如何利用现有数据对微震台网动态调整过程中不同部署方案进行监测效果评价，对改善微震台网部署方案，进一步改善微震监测效果，提高对冲击地压等动力灾害的预测预警精度有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿微震台网监测效果评估方法，以解决上述现有技术存在的问题，量化评估煤矿微震台网不断挪移过程中微震系统监测效果，为改善微震监测精度以及提高动力灾害预警准确率提供可靠支撑。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种煤矿微震台网监测效果评估方法，包括：
采集微震数据，建立数据库；
对所述数据库的震源进行迭代聚类，获得已聚类的微震数据；
基于所述已聚类的微震数据，计算平均微震完整性等级；
基于所述平均微震完整性等级，评估不同微震台网监测效果。
优选的，采集微震数据建立数据库的过程包括，采集不同微震台网部署方案下的微震数据，基于所述微震数据建立数据库。
优选的，对所述数据库的震源进行迭代聚类的过程包括，计算样本为微震事件的发震时间、震源三维坐标。
优选的，对所述数据库的震源进行迭代聚类的过程包括，
对所述数据库的震源进行归类，得到第一目标类别数和第二目标类别数；
基于所述第一目标类别数，通过聚类计算获得第一微震平均聚集度；
基于所述第二目标类别数，通过聚类计算获得第二微震平均聚集度；
对所述第一微震平均聚集度和第二微震平均聚集度进行比较，获得所述已聚类的微震数据。
优选的，对所述第一微震平均聚集度和第二微震平均聚集度进行比较的过程包括，
如果所述第二微震平均聚集度大于或等于第一微震平均聚集度，则增加聚类类别继续进行聚类；
如果所述第二微震平均聚集度小于第一微震平均聚集度，则停止聚类，基于所述第二目标类别数获得所述已聚类的微震数据。
优选的，计算微震平均聚集度的过程包括，
采集微震时-空坐标值，计算所述微震时-空坐标值的方差；
基于不同聚类下所有微震时-空坐标值的方差，获得时-空变异系数；
基于所述时-空变异系数、微震时-空坐标值，获得不同聚类内所有震源的几何中心坐标；
基于所述几何中心坐标、微震时-空坐标值、时-空变异系数以及不同聚类的微震事件数，获得所述微震平均聚集度。
优选的，计算平均微震完整性等级的具体方法为：
绘制不同聚类的所有震源的微震能级与事件累积频次曲线；
绘制不同聚类的所有震源的能级分布概率曲线；
根据所述能级分布概率曲线中频次峰值对应的微震能级获得不同聚类的微震完整性等级；
根据所述不同聚类的微震完整性等级和不同微震布置方案下所有的聚类数，获得所述平均微震完整性等级。
优选的，评估不同微震台网监测效果的过程包括，对所述平均微震完整性等级进行排序，获得所述不同微震台网监测效果的优劣排序。
本发明的技术效果为：本发明涉及的微震台网监测效果评估方法计算模型明确，具有坚实的理论支撑，普适性及可操作性强；可有效评估煤矿微震台网不断挪移过程中微震系统监测效果，为改善微震监测精度以及提高动力灾害预警准确率提供可靠支撑，为相关技术人员制定微震台网挪移及优化布置方案提供可靠依据。
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为本发明实施例的微震台网监测效果评估方法流程图；
图2为本发明实施例的煤矿微震系统部署示意图；
图3为本发明实施例的微震台站移动前微震台网布置图；
图4为本发明实施例的微震台站移动后微震台网布置图；
图5为本发明实施例的迭代聚类过程中聚类数为1时的聚类结果示意图；
图6为本发明实施例的迭代聚类过程中聚类数为2时的聚类结果示意图；
图7为本发明实施例的迭代聚类过程中聚类数为3时的聚类结果示意图；
图8为本发明实施例的迭代聚类过程中聚类数为4时的聚类结果示意图；
图9为本发明实施例的迭代聚类过程中聚类数为5时的聚类结果示意图；
图10为本发明实施例的某一聚类微震完整性等级计算示意图。
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。
实施例一
如图1-2所示，由于煤矿井下采掘区域的位置始终在移动，为实现对采掘区域的良好监测，要求井下微震台站布置需随着采掘区域的移动而转移，这便是微震台站部署的动态调整过程。例如某煤矿为了监测LW250106-1工作面回采过程中的冲击地压风险，在矿井部署了微震监测系统，在重点监测区域及LW250106-1工作面周围重点布置了微震台站，如图3为2016-7-15至2016-8-15期间微震台站布置示意图；后续由于LW250106-1工作面继续向前推进，为了微震台站不被工作面其它机械所影响或破坏，对工作面附近的微震台站进行了挪移，如图4为挪移后2016-8-16至2016-9-15期间微震台站布置示意图，并且后续随着工作面继续向前推进微震台站还将继续进行类似的挪移过程。在此过程中，不同的微震台站布置方案对矿震信号的捕捉信号不同，即监测效果是有差异的，因此本发明提出一种煤矿微震台网监测效果评估方法，以量化评估煤矿微震台网不断挪移过程中微震系统监测效果，可有效改善微震监测精度，并且可为相关技术人员制定微震台网挪移及布置方案提供可靠依据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种煤矿微震台网监测效果评估方法：首先确定所有微震台网部署方案并收集相应布置方案下的微震数据建立数据库，利用迭代聚类的方法依次对所有微震台网部署方案下微震数据库内的震源进行聚类，筛选不同微震台网部署方案下已聚类的微震数据计算平均微震完整性等级评判微震台网监测效果；其中具体包括：迭代聚类过程中计算样本为微震事件的发震时间、震源三维坐标，评判微震台网监测效果时将平均微震完整性等级较小者评价为监测效果好。
例如，利用本发明提出的方法对微震布置方案一(图3中2016-7-15至2016-8-15期间微震台站布置方案)与方案二(图4中2016-8-16至2016-9-15期间微震台站布置方案)的监测效果进行评估。
首先，采集不同微震台网部署方案下监测到的微震数据作为数据库，例如表1为图3中2016-7-15至2016-8-15期间微震台站布置方案下所采集部分微震数据(由于微震数据庞大，此处仅列部分数据做示意)。
表一
其次，对方案一与方案二两种方案下所采集的所有微震数据使用层次聚类算法进行归类，聚类过程中首先将目标类别定为i类(i＝1)，聚类后计算不同聚类下微震平均聚集度qi；然后将目标类别定为i+1类，然后进行聚类并计算微震平均聚集度qi+1；对qi与qi+1的大小进行比较，若qi+1≥qi则继续增加聚类类别进行聚类；qi+1＜qi则停止聚类，并将当前类别数作为最终类别数量。
聚类方法中计算微震平均聚集度的公式为：
式中，
为某一聚类的微震平均聚集度；n为某一聚类的微震事件数；ai＝(x,y,z,c2t)为第i个震源时-空坐标，x，y，z与t分别为震源的X，Y，Z空间坐标数值以及发震时刻；
为某一聚类内所有震源的几何中心坐标；c2为时-空变异系数；Var(X)，Var(Y)，Var(Z)与Var(T)分别为某一聚类下所有微震时-空坐标x，y，z，t的方差。
由于此处对方案一与方案二的迭代聚类的计算过程类似，仅以方案一的计算过程举例进行说明。采用公式(1)，对方案一监测到的所有微震数据进行层次聚类分析，首先将目标类别定为1，得出聚类结果如图5所示，并同时计算平均聚集度qi，依次类推，继续增加目标类别分别进行聚类以及计算平均聚集度；目标类别为2，3，4，5时对应的聚类结果如图6～图9所示；计算出5种目标类别下对应的平均聚集度分别为6511.32，4567.47，3136.17，1979.78，6255.45，因此可将方案一的聚类类别数定为4。
然后对方案一进行平均微震完整性等级计算。分别根据方案一中4个聚类下微震数据的完整性等级mi，计算某种微震布置方案下平均微震完整性等级，其具体方法为：
(1)绘制不同聚类的所有震源的微震能级与事件累积频次曲线；
(2)绘制不同聚类的所有震源的能级分布概率曲线；
(3)取能级分布概率曲线中频次峰值对应的微震能级作为第i个聚类的微震完整性等级mi。
采用上述方法，可对确定的4个分类分别计算微震完整性等级mi。例如，其中一例微震完整性计算结果如图10所示，其中mi＝-1.28；采用同样方法得出其它3个分类微震完整性等级分别为-1.35，-1.46，-1.24。
进一步地，采用下式求解方案一所有聚类的平均微震完整性等级
式中，k为某种微震布置方案下所有的聚类数。
可得，方案一所有聚类的平均微震完整性等级
为(-1.28-1.35-1.46-1.24)/4＝-1.33。
同样采用上述方法对方案二进行平均微震完整性等级计算，可的结果为-1.41，则比较可得方案二的微震监测效果比方案一的监测效果差；则后续监测人员可进一步对微震布置方案进行调整，调整完成之后可采用本发明进一步判断微震监测效果，如此循环调整，可最终获得较优的微震布置方案。
需要注意的是，本发明提出的方案同样适用于有多种微震监测方案监测效果分析的情况，该情况下评判微震台网监测效果时依次比较不同台网布置方案的平均微震完整性等级并由小到大排序，对应的排序结果即为不同微震台网部署方案监测效果的优劣排序。
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)
1.一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
采集微震数据，建立数据库；
对所述数据库的震源进行迭代聚类，获得已聚类的微震数据；
基于所述已聚类的微震数据，计算平均微震完整性等级；
基于所述平均微震完整性等级，评估不同微震台网监测效果。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
采集微震数据建立数据库的过程包括，采集不同微震台网部署方案下的微震数据，基于所述微震数据建立数据库。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
对所述数据库的震源进行迭代聚类的过程包括，计算样本为微震事件的发震时间、震源三维坐标。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
对所述数据库的震源进行迭代聚类的过程包括，
对所述数据库的震源进行归类，得到第一目标类别数和第二目标类别数；
基于所述第一目标类别数，通过聚类计算获得第一微震平均聚集度；
基于所述第二目标类别数，通过聚类计算获得第二微震平均聚集度；
对所述第一微震平均聚集度和第二微震平均聚集度进行比较，获得所述已聚类的微震数据。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
对所述第一微震平均聚集度和第二微震平均聚集度进行比较的过程包括，
如果所述第二微震平均聚集度大于或等于第一微震平均聚集度，则增加聚类类别继续进行聚类；
如果所述第二微震平均聚集度小于第一微震平均聚集度，则停止聚类，基于所述第二目标类别数获得所述已聚类的微震数据。
6.根据权利要求4所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
计算微震平均聚集度的过程包括，
采集微震时-空坐标值，计算所述微震时-空坐标值的方差；
基于不同聚类下所有微震时-空坐标值的方差，获得时-空变异系数；
基于所述时-空变异系数、微震时-空坐标值，获得不同聚类内所有震源的几何中心坐标；
基于所述几何中心坐标、微震时-空坐标值、时-空变异系数以及不同聚类的微震事件数，获得所述微震平均聚集度。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
计算平均微震完整性等级的具体方法为：
绘制不同聚类的所有震源的微震能级与事件累积频次曲线；
绘制不同聚类的所有震源的能级分布概率曲线；
根据所述能级分布概率曲线中频次峰值对应的微震能级获得不同聚类的微震完整性等级；
根据所述不同聚类的微震完整性等级和不同微震布置方案下所有的聚类数，获得所述平均微震完整性等级。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿微震台网监测效果评估方法，其特征在于，包括：
评估不同微震台网监测效果的过程包括，对所述平均微震完整性等级进行排序，获得所述不同微震台网监测效果的优劣排序。
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