CN114856705A - 一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，通过微震监测手段获取微震频度和微震总能量，获取通过地音监测手段获取的班频次变化率和班能量变化率，将所述微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率作为冲击风险熵指标；以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值；根据各冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值；将计算出的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警。本发明可结合突变理论模型对冲击地压中的冲击风险熵指标进行分析，以达到预警冲击地压危险的效果，从而预防此类事故的发生。

Description

一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法

技术领域

本发明属于煤矿工程事故应急预警技术领域，具体涉及一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法。

背景技术

随着我国煤矿开采强度和深度的不断增加，矿山动力灾害问题越来越严重，尤其是其中的冲击地压问题更是严重的影响了安全和经济问题。近年来，因为冲击地压遇难的人数逐渐剧增，因此国家越来越关注冲击地压的预警问题。很明显，冲击地压危险已成为我国威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。因此，准确监测矿山并预警冲击地压危险是必要且必须重视的问题。

微震与地音监测技术是利用岩体受力变形和破坏后本身发射出的微震和声波来进行监测工程岩体稳定性的技术方法。因此，微震法结合地音法可以使监测预警更准确。另外，冲击地压又具有震动性、瞬时性、复杂性以及突发性，但目前针对解决冲击地压突发性的有效方法比较有限，所以通过一种冲击风险熵对冲击地压突发性进行预警的问题亟待解决。

因此，现在针对煤矿矿山的突发冲击地压问题亟需一种有效精准的预警方法来进行监测预警，从而采用应急措施及卸压防治方法进行应对处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，该方法选择微震监测手段结合地音监测手段选定冲击风险熵指标，可结合突变理论模型对冲击地压中的冲击风险熵指标进行分析，以达到预警冲击地压危险的效果，从而预防此类事故的发生。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，其特征在于，该方法包括：

S1、通过微震监测手段获取微震频度和微震总能量，获取通过地音监测手段获取的班频次变化率和班能量变化率，将所述微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率作为冲击风险熵指标；

S2、以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值；

S3、根据各冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值；

S4、将计算出的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警；

所述突变模型的判别公式为：

Δ＝8u³+27v²，其中u表示熵增值，v表示熵减值。

优选地，S2中以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值，具体包括：

S201、构建冲击地压预警层次分析模型，确定目标层、中间层和最底层；

S202、以层次分析模型为基础设计专家打分表，收集专家打分表，提取其相关的数据，建立微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的判断矩阵；

S203、求解微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率两两判断矩阵的特征根，得出权重向量；

S204、对判断矩阵进行一致性检验，采用三个指标进行检验：一致性指标CI、一致性平均随机指标RI、相对一致性指标CR，若符合一致性检验条件，则接受该权重向量；若不符合，则调整标度值重新计算；

S205、计算微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的最终权重值。

优选地，S3中根据所述冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值，具体包括：

S301、建立熵增熵减矩阵：

分别构建微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率这四个冲击风险熵指标n个时刻的熵增矩阵B_z和熵减矩阵B_j；

所述熵增矩阵B_z中b_z,ki表示第i个风险熵指标第k时刻的风险熵增值，i＝1，2，3，4；

所述熵减矩阵B_j中b_j,ki表示第i个风险熵指标中第k时刻的风险熵减值，j＝1，2，3，4；

S302、计算熵增熵减值；

u＝G_u×W^T＝E×B_z×W^T；

v＝T_v×W^T＝E×B_j×W^T；

其中，u表示熵增值，v表示熵减值，W表示冲击风险熵指标权重矩阵，W^T为W的转置矩阵；E表示1×n的矩阵，G_u表示冲击风险熵指标的熵增值之和矩阵，T_v表示冲击风险熵指标的熵减值之和矩阵；

G_u＝E×B_z＝[z₁,z₂,z₃,z₄]；

T_v＝E×B_j＝[j₁,j₂,j₃,j₄]；

其中，z₁～z₄表示四个冲击风险熵指标所有时刻的熵增值之和，j₁～j₄表示四个冲击风险熵指标所有时刻的熵减值之和；

W＝[ω₁,ω₂,ω₃,ω₄]

其中，ω₁～ω₄表示微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率四个冲击风险熵指标的依次对应的权重值。

优选地，将计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警，具体包括：

以判别公式Δ作为突变模型，将计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值带入判别公式Δ，若Δ>0，说明冲击地压的检测处于稳定状态，暂时不会突发危险；若Δ<0，说明受载煤岩系统风险发生突变，有严重的冲击风险会发生，应实施有效的防治方法，做好提前的应急工作；若Δ＝0，说明风险达到临界状态，随时会因为一些外在不利因素的加入导致风险发生，应保持持续监测，并适当的采用防治方法。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明微震法结合地音法可以使监测预警更准确，能够解决冲击地压突发性，可结合突变理论模型对冲击地压中的冲击风险熵指标进行分析，以达到预警冲击地压危险的效果，从而预防此类事故的发生

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1公开的一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明实施例的一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，该方法包括：

S1、通过微震监测手段获取微震频度和微震总能量，获取通过地音监测手段获取的班频次变化率和班能量变化率，将所述微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率作为冲击风险熵指标；

S2、以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值；

S3、根据各冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值；

S4、将计算出的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警。

本实施例中采用微震及地音(声发射)监测预警是为了能够保证监测预警的可靠性和准确性。

本实施例中，采用微震及地音(声发射)监测预警是为了能够保证监测预警的可靠性和准确性，所述微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率通过以下方法得到：

①微震频度Z_a；

经仪器测量得出数据。

②微震总能量Z_e。

经仪器测量得出数据。

S202、对于地音(声发射)监测手段，有如下冲击风险熵指标：

①班频次变化率A_a；

按下式计算得出：

式中:

N_i———当天第i班的地音频次,“三八制”时,i≤3,“四六制”时,i≤4；

———前10天第i班地音频次的平均值。

②班能量变化率A_e。

按下式计算得出：

式中:

E_i———当天第i班的地音能量,单位为焦耳(J),“三八制”时,i≤3,“四六制”时,i≤4；

———前10天第i班地音能量的平均值,单位为焦耳(J)。

本实施例中，S2中以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值，具体包括：

S201、构建冲击地压预警层次分析模型，确定目标层、中间层和最底层；

目标层：判断是否有冲击地压风险

中间层；所有冲击风险熵指标；所有可以造成冲击地压发生的因素，且可以作为冲击地压预警指标，即为冲击风险熵指标。

最底层：备选的冲击风险熵指标，备选的冲击风险熵指标指从所有的冲击风险熵中选中的上述四个(微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率)做实验要用到的冲击风险熵指标。

S202、以层次分析模型为基础设计专家打分表，收集专家打分表，提取其相关的数据，建立微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的判断矩阵；

表1专家打分表

S203、求解由微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率构造的四阶矩阵的特征根，得出权重向量；

S204、对判断矩阵进行一致性检验，采用三个指标进行检验：一致性指标CI、一致性平均随机指标RI、相对一致性指标CR，若符合一致性检验条件，则接受该权重向量；若不符合，则调整标度值重新计算；

所述一致性指标CI通过下式得出，

式中:λmax为微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的判断矩阵最大特征值；n为判断矩阵阶数。

表2一致性平均随机指标RI

相对一致性指标CR通过下式(7)得到，

CR＝CI/RI

当CR＜0.1时，认为矩阵的一致性符合要求，可以接受所计算权重向量。若CR＞0.1时，认为矩阵一致性不符合要求，需要对矩阵中的值进行分析后重新给出各因素标度值，再进行验算，直至符合一致性要求；

S205、计算微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的最终权重值。

(1)通过下式计算汇总专家意见的各指标权重初值，

式中:

为第a个指标权重的计算值，a＝1，2，3，4；μ_ab为第a个指标对应于第b个专家的权重值，b＝1，2，3…k，其中，k为专家数量；

(2)通过下式归一化各指标权重得到最终的权重值，

式中：

ω_a为第a个指标最终权重值。

本实施例中，S3中根据所述冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值，具体包括：

S301、建立熵增熵减矩阵：

分别构建微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率这四个冲击风险熵指标n个时刻的熵增矩阵B_z和熵减矩阵B_j；

所述熵增矩阵B_z中b_z,ki表示第i个风险熵指标第k时刻的风险熵增值，i＝1，2，3，4；

所述熵减矩阵B_j中b_j,ki表示第i个风险熵指标中第k时刻的风险熵减值，j＝1，2，3，4；

S302、计算熵增熵减值；

u＝G_u×W^T＝E×B_z×W^T；

v＝T_v×W^T＝E×B_j×W^T；

其中，u表示熵增值，v表示熵减值，W表示冲击风险熵指标权重矩阵，W^T为W的转置矩阵；E表示1×n的矩阵，G_u表示冲击风险熵指标的熵增值之和矩阵，T_v表示冲击风险熵指标的熵减值之和矩阵；

G_u＝E×B_z＝[z₁,z₂,z₃,z₄]；

T_v＝E×B_j＝[j₁,j₂,j₃,j₄]；

其中，z₁～z₄表示四个冲击风险熵指标所有时刻的熵增值之和，j₁～j₄表示四个冲击风险熵指标所有时刻的熵减值之和；

W＝[ω₁,ω₂,ω₃,ω₄]

其中，ω₁～ω₄表示微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率四个冲击风险熵指标的依次对应的权重值。

本实施例中，将计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警，具体包括：

要建立突变模型首先要判断变量数量来选择构建哪一种突变模型，根据控制变量与状态变量的数量选择突变模型中的尖点突变模型进行建立，模型如下：

F(x)＝x⁴+ux²+vx

对其求一阶导并另F'(x)＝0，得到突变模型平衡曲面方程：

4x³+2ux+v＝0

再次求导并另F”(x)＝0，可得控制变量平面方程：

12x²+2u＝0

联立F'(x)、F”(x)可得到分叉集方程，即最终判别公式Δ：

Δ＝8u³+27v²；其中u表示熵增值，v表示熵减值

以判别公式Δ作为突变模型，将计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值带入判别公式Δ，若Δ>0，说明冲击地压的检测处于稳定状态，暂时不会突发危险；若Δ<0，说明受载煤岩系统风险发生突变，有严重的冲击风险会发生，应实施有效的防治方法，做好提前的应急工作；若Δ＝0，说明风险达到临界状态，随时会因为一些外在不利因素的加入导致风险发生，应保持持续监测，并适当的采用防治方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，其特征在于，该方法包括：

S1、通过微震监测手段获取微震频度和微震总能量，获取通过地音监测手段获取的班频次变化率和班能量变化率，将所述微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率作为冲击风险熵指标；

S2、以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值；

S3、根据各冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值；

S4、将计算出的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警；

所述突变模型的判别公式为：

Δ＝8u³+27v²，其中u表示熵增值，v表示熵减值。

2.根据权利要求1所述的一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，其特征在于，S2中以专家打分表为基础，利用层次分析法确定各冲击风险熵指标的权重值，具体包括：

S201、构建冲击地压预警层次分析模型，确定目标层、中间层和最底层；

S202、以层次分析模型为基础设计专家打分表，收集专家打分表，提取其相关的数据，建立微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的判断矩阵；

S203、求解微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率两两判断矩阵的特征根，得出权重向量；

S204、对判断矩阵进行一致性检验，采用三个指标进行检验：一致性指标CI、一致性平均随机指标RI、相对一致性指标CR，若符合一致性检验条件，则接受该权重向量；若不符合，则调整标度值重新计算；

S205、计算微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率的最终权重值。

3.根据权利要求1所述的一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，其特征在于，S3中根据所述冲击风险熵指标构建熵增熵减估算模型，再结合确定的冲击风险熵指标的权重值计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值，具体包括：

S301、建立熵增熵减矩阵：

分别构建微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率这四个冲击风险熵指标n个时刻的熵增矩阵B_z和熵减矩阵B_j；

所述熵增矩阵B_z中b_z,ki表示第i个风险熵指标第k时刻的风险熵增值，i＝1，2，3，4；

所述熵减矩阵B_j中b_j,ki表示第i个风险熵指标中第k时刻的风险熵减值，j＝1，2，3，4；

S302、计算熵增熵减值；

u＝G_u×W^T＝E×B_z×W^T；

v＝T_v×W^T＝E×B_j×W^T；

其中，u表示熵增值，v表示熵减值，W表示冲击风险熵指标权重矩阵，W^T为W的转置矩阵；E表示1×n的矩阵，G_u表示冲击风险熵指标的熵增值之和矩阵，T_v表示冲击风险熵指标的熵减值之和矩阵；

G_u＝E×B_z＝[z₁,z₂,z₃,z₄]；

T_v＝E×B_j＝[j₁,j₂,j₃,j₄]；

其中，z₁～z₄表示四个冲击风险熵指标所有时刻的熵增值之和，j₁～j₄表示四个冲击风险熵指标所有时刻的熵减值之和；

W＝[ω₁,ω₂,ω₃,ω₄]

其中，ω₁～ω₄表示微震频度、微震总能量、班频次变化率和班能量变化率四个冲击风险熵指标的依次对应的权重值。

4.根据权利要求1所述的一种基于冲击风险熵的冲击地压预警方法，其特征在于，将计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值带入建立的突变模型中，判断冲击地压的风险，进而预警，具体包括：

以判别公式Δ作为突变模型，将计算出熵增熵减估算模型的熵增值和熵减值带入判别公式Δ，若Δ>0，说明冲击地压的检测处于稳定状态，暂时不会突发危险；若Δ<0，说明受载煤岩系统风险发生突变，有严重的冲击风险会发生，应实施有效的防治方法，做好提前的应急工作；若Δ＝0，说明风险达到临界状态，随时会因为一些外在不利因素的加入导致风险发生，应保持持续监测，并适当的采用防治方法。

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