CN115201916B - 一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法 - Google Patents

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Abstract

一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法，该方法是根据微震监测系统实时接收到的矿震波形，确定矿震时间Tn、矿震空间(Xn，Yn，Zn)及矿震能量En，矿震事件设为Mn；从Tn时刻向前推移时间ΔT，筛选这段时间内的所有矿震事件并设为集合S1，S1集合中包含m个矿震事件；量化Mm矿震事件的时间离散度Jm、空间离散度Km和能量活动程度Lg(Em)；融合矿震时间离散度、矿震空间离散度及矿震能量活动程度三指标为矿震活动性指标Cm；构建矿震活动性异常指数Wb来评估当前工作面的冲击风险。该方法能准确实时量化评估矿震活动性，并进一步提出矿震活动性异常指数来用于实时判别工作面的冲击风险。

Description

一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法
技术领域
本发明属于煤岩动力灾害防治技术领域，具体涉及一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法。
背景技术
矿震即为矿山震动，是井下煤岩体在采掘扰动下释放弹性能产生震动的一种现象。随着我国煤矿进入深部开采阶段，在复杂地质条件下强矿震现象愈发普遍，强矿震导致的冲击地压灾害日趋严重。目前微震监测系统是定位矿震最有效的手段，经标波定位可以确定出矿震发生的时间及空间坐标，对波形沿时轴积分后可以计算矿震能量。矿震具有时间、空间和能量三个要素，利用这三个因素可以衡量矿震活动性。矿震活动性高的区域表明该区域矿震活跃、危险性高，矿震活动性高的时间段表明该时期矿震活跃、危险性高。但使用单因素指标，即矿震时序、空间密集度或能量级度指标无法准确量化评估矿震活动性，从而导致无法实时判别工作面的冲击风险。因此需要融合时间、空间、能量三要素进行矿震活动性的量化评估。目前，关于使用矿震三要素综合指标量化矿震活动性方面鲜有相关的研究成果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法，该方法能够准确实时量化评估矿震活动性，并进一步提出矿震活动性异常指数来用于实时判别工作面的冲击风险。
为了实现上述目的，本发明提供了一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法，包括如下步骤：
(1)根据微震监测系统实时接收到的矿震波形，经标波定位及能量计算来确定矿震时间Tn、矿震空间(Xn，Yn，Zn)及矿震能量En，该矿震事件设为Mn；
(2)从Tn时刻向前推移时间ΔT，将ΔT这段时间确定为矿震活动性分析的固定时间窗；从矿震数据库中筛选[(Tn-ΔT)，Tn]范围内的矿震事件，将筛选出的所有矿震事件集合设为S1，S1集合中包含m个矿震事件，即S1＝{M1，M2，M3，……，Mm-2，Mm-1，Mm}；
(3)量化Mm矿震事件的时间离散度Jm：计算矿震事件Mm与S1集合中其他矿震事件之间的时间差，Mm与M1之间的时间差为Tm-T1，表示为Tm-1，同理求得Mm与M2、M3、…、…、Mm-1间的时间差，依次命名为Tm-2、Tm-3、…、Tm-(m-1)，Mm矿震事件的时间离散度Jm按式Ⅰ计算，公式Ⅰ为其中i＝2，3，4…，m-2，m-1；
量化Mm矿震事件的空间离散度Km：计算矿震事件Mm与S1集合中其他矿震事件之间的空间距离，Mm与M1之间的空间距离为Dm-D1，表示为Dm-1，按欧式距离计算表示为同理求得Mm与M2、M3、…、…、Mm-1之间的空间距离，依次命名为Dm-2、Dm-3、…、Dm-(m-1)，最终取平均值作为Mm矿震事件的空间离散度，Mm矿震事件的空间离散度Km按式Ⅱ计算，公式Ⅱ为/>其中i＝2，3，4…，m-2，m-1；
量化Mm矿震事件的能量活动程度Lg(Em)：矿震能量一般为102～105J，最大的矿震能量达108J级别；选择矿震能量取对数作为衡量矿震能量活动程度的指标，Mm矿震事件的能量为Em，则其矿震能量活动程度为Lg(Em)；
(4)矿震时间离散度Jm和矿震空间离散度Km均与矿震活动性负相关；矿震能量活动程度Lg(Em)与矿震活动性正相关；融合矿震时间离散度、矿震空间离散度及矿震能量活动程度三指标为一个矿震活动性指标，Mm矿震事件的矿震活动性按式Ⅲ计算，公式Ⅲ为
(5)构建矿震活动性异常指数Wb来评估当前工作面的冲击风险，当Wb>1.9或者Wb<0.10时，表示矿井具有冲击风险；Wb按式Ⅳ计算，公式Ⅳ为Cn为当前矿震活动性，Cm为一段时间内矿震活动性的平均值。
本发明提出了一种融合矿震时间、矿震空间及矿震能量的矿震活动性实时量化方法，可以用于冲击地压矿井矿震活动性实时量化评估，并进一步提出了矿震活动性异常指数，可用于实时判别工作面的冲击风险。本发明原理清晰，易于实现，便于在冲击地压矿井推广应用。
附图说明
图1是实施例一矿震事件的平面投影图；
图2是实施例一矿震事件的空间投影图；
图3是实施例一矿震活动性量化结果统计图；
图4是实施例一的矿震活动性异常指数的计算结果统计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法，包括如下步骤：
(1)根据微震监测系统实时接收到的矿震波形，经标波定位及能量计算来确定矿震时间Tn、矿震空间(Xn，Yn，Zn)及矿震能量En，该矿震事件设为Mn；
选择矿震活动性量化的区域及时间。本实施例选择某工作面2020年5月1日至5月2日的矿震数据进行量化，即本实施例ΔT确定为一天，ΔT＝1。表1为本实施例使用的矿震数据库，图1为本实施例矿震事件的平面投影；图2为本实施例全部矿震事件的空间投影矿震数据库的时间转换为时间戳；转换方法为以1900-1-1为1，每过一天加1，时、分、秒同样换算为天。如“2020-5-10:01:21”转换结果为43952.00094，“2020-5-20:18:34”转换结果为43953.01289。
表1矿震数据库
(2)从Tn时刻向前推移时间1天，将这一天时间确定为矿震活动性分析的固定时间窗；把M31～M56的矿震事件作为量化对象，M31矿震事件的时间为2020-5-20:18:34，从这个时刻往前推1天，从矿震数据库中筛选[2020-5-10:18:34，2020-5-20:18:34]范围内的矿震事件，将筛选出的所有矿震事件集合设为S1，S1集合中包含31个矿震事件，即S1＝{M1，M2，M3，……，M29，M30，M31}。
(3)量化Mm矿震事件的时间离散度Jm：计算矿震事件Mm与S1集合中其他矿震事件之间的时间差，Mm与M1之间的时间差为Tm-T1，表示为Tm-1，同理求得Mm与M2、M3、…、…、Mm-1间的时间差，依次命名为Tm-2、Tm-3、…、Tm-(m-1)，Mm矿震事件的时间离散度Jm按式Ⅰ计算，公式Ⅰ为其中i＝2，3，4…，m-2，m-1；
序号M31矿震事件的时间离散度计算所需数据为：43952.02671、43952.0905、43952.11843、43952.1358、43952.16084、43952.30882、43952.31795、43952.35641、43952.37956、43952.46626、43952.50093、43952.50242、43952.52969、43952.58109、43952.59531、43952.62939、43952.64476、43952.64568、43952.6686、43952.67889、43952.73769、43952.81628、43952.83219、43952.83733、43952.84809、43952.86333、43952.88479、43952.90183、43952.96001、43952.97648、43953.01289。代入公式Ⅰ计算的M31矿震事件的时间离散度J31为0.074。
同理，计算M32～M56矿震事件的时间离散度J32～J56，计算结果为：0.053，0.096，0.095，0.094，0.139，0.099，0.019，0.012，0.021，0.026，0.021，0.041，0.170，0.134，0.046，0.049，0.076，0.118，0.046，0.041，0.102，0.080，0.096，0.097，0.101。
量化Mm矿震事件的空间离散度Km：Mm矿震与其他矿震事件的空间距离越近，表示该矿震事件越密集，计算矿震事件Mm与S1集合中其他矿震事件之间的空间距离，Mm与M1之间的空间距离为Dm-D1，表示为Dm-1，按欧式距离计算表示为同理求得Mm与M2、M3、…、…、Mm-1间的空间距离，依次命名为Dm-2、Dm-3、…、Dm-(m-1)，最终取平均值作为Mm矿震事件的空间离散度，Mm矿震事件的空间离散度Km按式Ⅱ计算，公式Ⅱ为/>其中i＝2，3，4…，m-2，m-1；
序号M31矿震事件的空间离散度计算所需数据为：(2783.61，3395.19，95.77)、(2919.19，3227.09，120.3)、(2783.09，3350.65，136.54)、(2845.77，3156.94，95.09)、(2842.22，3269.85，146.84)、(2842.54，3308.2，224.98)、(2867.41，3298.84，145.8)、(2851.07，3189.69，73.79)、(3006.18，3664.37，108.01)、(2875.5，3510.31，106.54)、(2867.97，3414.21，121.6)、(2997.32，3521.16，132.41)、(2854.54，3324.16，93.61)、(2983.47，3309.99，-29.95)、(2870.84，3229.56，67.51)、(2875.48，3323.32，114.49)、(2900.84，3417.93，113.06)、(2812.55，3345.58，118.44)、(2822.17，3347.74，12.37)、(2931.91，3401.3，83.09)、(2933.97，3401.9，81.85)、(2896.55，3509.85，110.91)、(2949.91，3392.15，78.67)、(2942.24，3418.39，48.92)、(2811.06，3327.32，151.91)、(2814.33，3344.54，97.24)、(2950.47，3419.52，92.04)、(2896.21，3232.47，127.45)、(2875.52，3503，113.37)、(2816.47，3214.45，92.76)、(2910.75，3420.13，85.71)。代入公式Ⅱ计算得M31矿震事件的时间离散度K31为88.806。
同理，计算M32～M56矿震事件的空间离散度K32～K56，计算结果为：94.2、193.576、126.32、160.095、170.229、166.172、296.189、105.507、299.822、125.754、149.028、79.71、59.013、102.705、53.828、112.49、155.774、73.216、133.899、131.889、218.429、286.533、166.094、218.104、111.338。
量化Mm矿震事件的能量活动程度Lg(Em)：矿震能量一般为102～105J，最大的矿震能量达108J级别；选择矿震能量取对数作为衡量矿震能量活动程度的指标，Mm矿震事件的能量为Em，则其矿震能量活动程度为Lg(Em)。M31矿震事件能量的对数为Lg(5480)＝3.74。
同理，计算M32～M56矿震事件能量的对数Lg(E32)～Lg(E56)，计算结果为：4.76、3.93、3.81、2.78、3.44、3.21、3.23、3.02、3.36、3.51、3.79、3.54、3.16、3.23、3.07、3.24、3.25、2.79、3.69、3.39、3.72、3.03、3.89、4.38、3.73。
(4)矿震时间离散度Jm和矿震空间离散度Km均与矿震活动性负相关；矿震能量活动程度Lg(Em)与矿震活动性正相关；融合矿震时间离散度、矿震空间离散度、矿震能量活动程度三指标作为一个矿震活动性指标，Mm矿震事件的矿震活动性按式Ⅲ计算，公式Ⅲ为
将J31、K31、Lg(E31)代入式Ⅲ中，计算得到M31矿震事件的矿震活动性C31为0.564；同理，通过M32～M56矿震事件的时间离散度、空间离散度及矿震能量活动程度计算得到M32～M56矿震事件的矿震活动性C32～C56为0.956、0.211、0.318、0.185、0.146、0.195、0.561、2.338、0.538、1.09、1.191、1.076、0.314、0.234、1.247、0.586、0.273、0.324、0.595、0.627、0.167、0.133、0.243、0.207、0.333。图3为矿震活动性量化结果统计图。
(5)当矿震活动性比较稳定时，表示矿震能量有序释放，当前工作面比较安全，而当工作面矿震活动性处于异常活跃或者异常平静时往往预示着一定的冲击危险；构建矿震活动性异常指数Wb来评估当前工作面的冲击风险，当Wb>1.9或者Wb<0.10时，表示矿井具有冲击风险；Wb按式Ⅳ计算，公式Ⅳ为Cm为当前矿震活动性，Cn为一段时间内矿震活动性的平均值。本实施例选择2020-4-15～2020-4-30的时间段，用上面同样的方法计算了这段时间内全部矿震事件量化后的矿震活动性C值，Cn是这段时间C值的平均值。根据该工作面2020-4-15～2020-4-30的矿震数据计算得到Cn为1.31。
将序号M31～M56矿震事件的矿震活动性与Cm代入公式Ⅳ计算得到各矿震事件的矿震活动性异常指数Wb。M31～M56矿震事件的矿震活动性异常指数W31～W56分别为：0.43、0.73、0.16、0.24、0.14、0.11、0.15、0.43、1.78、0.41、0.83、0.91、0.82、0.24、0.18、0.95、0.45、0.21、0.25、0.45、0.48、0.13、0.1、0.19、0.16、0.25，如图4所示，可见Wb不在危险区间，表示当前工作面安全，可以正常进行生产作业。
当微震监测系统采集到下一个矿震事件时，经标波定位及能量计算来确定矿震时间、矿震空间及矿震能量，从震动时间向前推移时间ΔT，将这段时间内的矿震事件确定为矿震活动性分析集合S2，依据本实施例的步骤(3)～(5)来量化实时的矿震活动性和构建用于评估当前工作面冲击风险的矿震活动性异常指数。

Claims (1)

1.一种冲击地压矿井矿震活动性实时量化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据微震监测系统实时接收到的矿震波形，经标波定位及能量计算来确定矿震时间Tn、矿震空间(Xn，Yn，Zn)及矿震能量En，该矿震事件设为Mn；
(2)从Tn时刻向前推移时间ΔT，将ΔT这段时间确定为矿震活动性分析的固定时间窗；从矿震数据库中筛选[(Tn-ΔT)，Tn]范围内的矿震事件，将筛选出的所有矿震事件集合设为S1，S1集合中包含m个矿震事件，即S1＝{M1，M2，M3，……，Mm-2，Mm-1，Mm}；
(3)量化Mm矿震事件的时间离散度Jm：计算矿震事件Mm与S1集合中其他矿震事件之间的时间差，Mm与M1之间的时间差为Tm-T1，表示为Tm-1，同理求得Mm与M2、M3、…、…、Mm-1间的时间差，依次命名为Tm-2、Tm-3、…、Tm-(m-1)，Mm矿震事件的时间离散度Jm按式Ⅰ计算，公式Ⅰ为其中i＝2，3，4…，m-2，m-1；
量化Mm矿震事件的空间离散度Km：计算矿震事件Mm与S1集合中其他矿震事件之间的空间距离，Mm与M1之间的空间距离为Dm-D1，表示为Dm-1，按欧式距离计算表示为同理求得Mm与M2、M3、…、…、Mm-1之间的空间距离，依次命名为Dm-2、Dm-3、…、Dm-(m-1)，最终取平均值作为Mm矿震事件的空间离散度，Mm矿震事件的空间离散度Km按式Ⅱ计算，公式Ⅱ为/>其中i＝2，3，4…，m-2，m-1；
量化Mm矿震事件的能量活动程度Lg(Em)：矿震能量一般为102～105J，最大的矿震能量达108J级别；选择矿震能量取对数作为衡量矿震能量活动程度的指标，Mm矿震事件的能量为Em，则其矿震能量活动程度为Lg(Em)；
(4)矿震时间离散度Jm和矿震空间离散度Km均与矿震活动性负相关；矿震能量活动程度Lg(Em)与矿震活动性正相关；融合矿震时间离散度、矿震空间离散度及矿震能量活动程度三指标为一个矿震活动性指标Cm，Mm矿震事件的矿震活动性按式Ⅲ计算，公式Ⅲ为
(5)构建矿震活动性异常指数Wb来评估当前工作面的冲击风险，当Wb>1.9或者Wb<0.10时，表示矿井具有冲击风险；Wb按式Ⅳ计算，公式Ⅳ为Cm1为当前矿震活动性，Cn为一段时间内矿震活动性的平均值。
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