CN116842411A - 基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,先获取微震监测数据,并对数据筛选后,确定评价区域周围的微震台站,根据震动波到时标记情况计算每个微震台站在上述区域内探测到震动波的概率分布;根据获得的概率分布,计算微震台网对不同能级微震事件的探测概率分布;最后设定所需探测微震事件能级,获取微震台网对该能级微震事件的探测概率分布,设定探测概率阈值,对采场区域进行微震台网监测能力评价,若某一区域评价未达标,则对微震台网布局进行优化调整,台网布局调整后再次评价,直至微震台网在采场各区域的监测能力均达到要求,从而实现采场微震探测能力的量化评价,提高煤岩动力灾害预警准确率。
Description
技术领域
本发明涉及一种微震台网监测能力的评价方法,具体是一种基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,属于监测预警技术领域。
背景技术
随着煤炭资源开采深度的增加,煤岩动力灾害愈发明显,其中冲击地压作为一种典型的煤岩动力灾害,对矿井安全生产的影响逐步增加,而且冲击地压矿井数量也逐渐增多。对于冲击地压矿井而言,冲击地压监测预警已成为矿井安全生产的重点,但是由于冲击地压的突发性和地点的不确定等特点,使其监测预警变得极为困难,成为有待解决的难题。目前对于冲击地压的监测预警采用的方法主要为微震监测法、钻屑法、应力监测法、声发射法、地磁辐射法,其中微震监测法的运用最为广泛。
微震监测法作为一种地球物理学方法,通过在井下和地面布置微震台站对煤岩体破裂产生的声波进行实时的捕捉,然后将捕捉的波形传给地面数据处理中心,对其进行进一步的分析,获得煤岩体破坏位置和震源参数,根据震源参数进行冲击危险的实时评估。受台站布置、台站灵敏度、井下开采活动与地质环境等因素影响,微震监测系统对采场不同区域的监测能力存在较大差异。例如在采空区、超前工作面等区域,微震台网因很难对其进行完整包络而只能监测到部分微震事件,微震数据完整性偏低,导致煤岩动力灾害危险性评估准确率低、预警效果差。对于冲击地压监测预警来说,其重点防范区域为回采工作面和其周围受采动影响的区域,因此这部分区域的微震台网监测能力需要达到所需要求,否则可能由于监测能力较差使得微震台网无法获取所需的微震数据,最终导致无法对上述区域进行精准的冲击危险预测;因此,如何提供一种方法,能对当前微震台网在各个区域的监测能力进行评估,从而根据各个区域的监测能力对当前微震台网布置进行优化,从而提高煤岩动力灾害预警准确率,是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,能对当前微震台网在各个区域的监测能力进行评估,从而根据各个区域的监测能力对当前微震台网布置进行优化,从而提高煤岩动力灾害预警准确率。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,具体步骤为:
1)采集微震台网布置信息和微震监测数据;
2)根据步骤1)中采集的微震台网布置信息,对步骤1)采集的微震监测数据进行筛选;
3)根据微震事件能级和微震事件与台站间的位置关系,建立震源能级-距离坐标图;
4)处理筛选后的微震监测数据,根据震动波到时标记情况在震源能级-距离坐标图中,计算每个微震台站探测到震动波的概率分布;
5)根据获得的每个微震台站探测到震动波的概率分布,计算微震台网对不同能级微震事件的探测概率分布;
6)设定所需探测微震事件的能级,根据步骤5)得出微震台网对设定能级微震事件探测的概率分布,从而对回采工作面及其周围受采动影响各个区域的微震台网监测能力进行评价;
7)根据对回采工作面及其周围受采动影响各个区域的微震台网监测能力的评价结果,对微震台网中的微震台站布置位置进行优化调整,并再次重复步骤1)至6)对此时各个区域的微震台网监测能力进行评价,直至各个区域的评价结果均达到要求,完成优化微震台站布置工作,从而保证微震台网对各个区域的监测能力。
进一步,所述微震台网布置信息包括微震台网布置时间、微震台网布置图、微震台站挪移记录;所述微震监测数据包含微震波形文件和微震数据,其中微震数据包括微震事件发生的时间、位置和能量,各个微震台站接收微震事件的震动波到时。
进一步,所述步骤2)具体为:根据微震台网布置信息中微震台网布置时间,对微震监测数据进行筛选,获得当前微震台网布置时间内的微震监测数据,并对筛选后的微震监测数据进行处理获得各个微震事件对应的波形数据。
进一步,步骤3)具体为:
(1)获得微震事件i与微震台站n之间的震源距离R:
其中,(xn,yn,zn)表示第n个微震台站的位置坐标,(xi,yi,zi)表示微震事件i的震源坐标;i为一个数据集合,包含筛选后的全部微震事件;
(2)通过地震波质点峰值速度ppv和震源距离R,计算微震事件的能级logE:
logE=c1 log(ppv)+c2 logR+c3 (2)
其中,c1、c2、c3为现场观测确定的常数;以震源距离R为纵坐标,能级logE为横坐标建立震源距离-能级坐标系。
进一步,步骤4)具体为:
a)设微震台网所有微震台站为M个,以微震波形文件是否被第n个微震台站所标定为界定,处理微震波形文件,将其分为已被标定和未被标定两类;同时将微震波形文件对应的微震事件分为已被标定和未被标定两类;
b)将步骤a)中分类的微震事件,投影到震源距离-能级坐标图中,获得微震事件被第n个微震台站标定和未被标定的分布图;
c)通过公式(3),公式(4)分别获得震源距离-能级图中两个微震事件之间的横坐标差值ΔlogE和纵坐标差值ΔR;将得到的横纵坐标差值通过公式(5),计算得到震源距离-能级域中两个微震事件的距离RM:
ΔlogE=logE1-logE2 (3)
ΔR=|c2 logR1-c2 logR2| (4)
d)将震源距离-能级图网格化,用RM表述微震事件到网格节点j的距离;针对节点j设置数据搜索半径RMT,将以节点j为圆心,RM为半径的范围内的所有微震事件作为数据样本N,通过公式(6)、公式(7)计算节点j处震动波被第n个微震台站探测的概率PD:
若N>0,则节点j处PD计算公式为:
其中N+表示样本N中被标记的微震事件个数;
若N=0,则节点j处PD计算公式为:
其中j1、j2、j3、j4表示节点j周围的4个节点;全部节点计算后获得第n个微震台站探测到震动波的概率PD分布情况,重复上述过程,能获得各个微震台站探测到震动波的概率PD分布情况。
进一步,在每个PD值计算过程中,增加两个约束条件优化PD值在震源距离-能级图中的分布,使其更符合实际;约束条件1为:当前计算节点的PD值不允许高于其它能级较高且震源距离较短的节点;约束条件2为:当前计算节点的PD值不允许低于其它能级较低的节点;若当前计算节点的PD值不满足上述任一约束条件,则直接舍弃当前节点的计算数据,并进行下一节点的计算。
进一步,所述步骤5)具体为:
①获取单个微震事件被探测的概率PE,其等于该微震事件的震动波被四个或者四个以上微震台站探测的概率,也等于1减去被三个及三个以下微震台站探测的概率之和:
其中表示n个微震台站探测到微震事件震动波的概率,n=1,2,3;
②假设微震台网有m个微震台站能探测到该微震事件的震动波到时,获得其所有微震台站的组合
③获得中第k个微震台站组合对该微震事件震动波的探测概率/>
其中G(p)表示组合中用于微震事件震动波探测的第p个微震台站,表示第p个微震台站震动波到时探测概率,/>表示组合中未用于微震事件震动波探测的第q个微震台站,/>表示被排除的第q个微震台站震动波到时探测概率;
④通过公式(11)获得n个微震台站探测到微震事件震动波的概率将其带入公式(8),获得单个微震事件被探测的概率PE;
⑤选择与步骤①微震事件相同能级的各个微震事件,并分别重复步骤①至④,能获得同一能级不同位置的各个微震事件被探测的概率PE,从而获得该能级微震事件被探测的概率分布,获取微震台网在各个区域对该能级微震事件被探测的概率;
⑥选择不同能级的微震事件,并重复步骤①至⑤,从而能获取微震台网在各个区域对不同能级微震事件被探测的概率。
进一步,所述步骤6)具体为:根据煤矿实际情况,设定所需探测微震事件的能级,根据步骤5)得出微震台网对设定能级微震事件的探测概率分布,从而获得微震台网在回采工作面及其周围受采动影响各个区域内对该能级微震事件被探测的概率,设定该能级对应的探测概率阈值λlogE,λlogE取值范围为50~100%,具体取值根据矿井实际地质条件、设备情况和生产需要确定,若某一区域内的概率超过λlogE,则评价该区域内微震台网的监测能力好,否则评价该区域内微震台网的监测能力差,从而完成各个区域的微震台网监测能力评价。
与现有技术相比,本发明先获取微震台网布置信息和微震监测数据,并完成筛选数据的工作后,采用筛选后的数据,确定回采工作面及其周围各个区域周围的微震台站,根据震动波到时标记情况计算每个微震台站在上述区域内探测到震动波的概率分布;根据获得的每个微震台站探测到震动波的概率分布,计算微震台网(即上述确定的多个微震台站)对不同能级微震事件探测的概率分布;最后设定所需探测微震事件的能级,获取微震台网对该能级微震事件探测的概率分布,设定探测概率阈值λlogE,对回采工作面及其周围各个区域进行监测能力评价,若任一区域评价未达标,则对微震台网中的微震台站布置位置进行优化调整,并再次评价,直至各个区域的评价结果均达到要求,完成优化微震台站布置工作,从而保证微震台网对各个区域的监测能力,提高了煤岩动力灾害预警准确率。
附图说明
图1为本发明中微震台网布置示意图;
图中:1-回风大巷,2-胶带运输大巷,3-辅运大巷,4-转载巷,5-相邻回采工作面,6-回风顺槽,7-运输顺槽,8-1#台站,9-2#台站,10-7#台站,11-13#台站,12-16#台站,13-回采区域前方位置Ⅴ,14-工作面回采方向,15-回采区域东侧位置Ⅱ,16-回采区域西侧位置Ⅲ,17-回采区域中位置Ⅰ,18-回采区域后方采空区位置Ⅳ,19-指北针,20-采空区,21-微震数据记录服务器,22-微震数据处理中心,23-回采区域。
图2为本发明中微震台站探测的波形示意图,其中图(a)是被标定的波形示意图,图(b)是未被标定的波形示意图;
图3为本发明中微震事件在震源距离-能级坐标系中的分布图;
图中黑色点为已被微震台站标定的点,白色的点为未被微震台站标定的点;
图4为本发明中两个微震事件之间的距离示意图;
图5为本发明中节点j处数据样本选取的示意图;
图中实心点为样本区间选中的数据,空心点为未选中的数据;
图6为本发明中微震台站对震动波的探测能力示意图,其中图(a)是优化前的微震台站探测能力示意图,图(b)是优化后的微震台站探测能力示意图;
图7为本发明中能级为4的微震事件被探测的概率分布示意图;
图8为本发明中微震台网监测能力评估示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示,本实施例选择某煤矿某工作面中的一部分回采区域23周围的微震台网系统作为实施对象,实现该方法包括以下步骤:
1)采集微震台网布置信息和微震监测数据;所述微震台网布置信息包括微震台网布置时间、微震台网布置图、微震台站挪移记录;所述微震监测数据包含微震波形文件和微震数据,其中微震数据包括微震事件发生的时间、位置和能量,各个微震台站接收微震事件的震动波到时。
2)根据步骤1)中采集的微震台网布置信息,对步骤1)采集的微震监测数据进行筛选;具体为:根据微震台网布置信息中微震台网布置时间,对微震监测数据进行筛选,获得当前微震台网布置时间内的微震监测数据,并将其放入同一个(.xlsx)文件;将获得的(.xlsx)文件采用MATLAB软件进行处理,获得(.xlsx)文件中所有微震事件对应的波形文件。
3)根据微震事件能级和微震事件与台站间的位置关系,建立震源能级-距离坐标图,具体为:
(1)获得微震事件i与微震台站n之间的震源距离R:
其中,(xn,yn,zn)表示第n个微震台站的位置坐标,(xi,yi,zi)表示微震事件i的震源坐标;i为一个数据集合,包含筛选后的全部微震事件;
(2)通过地震波质点峰值速度ppv和震源距离R,计算微震事件的能级logE:
logE=c1 log(ppv)+c2 logR+c3 (2)
其中,c1、c2、c3为现场观测确定的常数;以震源距离R为纵坐标,能级logE为横坐标建立震源距离-能级坐标系。
4)处理筛选后的微震监测数据,根据震动波到时标记情况分别计算回采区域23周围1#台站8,2#台站9,7#台站10,13#台站11,16#台站12探测到震动波的概率分布,具体为:
a)微震台网所有微震台站为5个,以微震波形文件是否被1#台站8所标定为界定,处理微震波形文件,将其分为已被标定和未被标定两类,如图2所示;同时将微震波形文件对应的微震事件分为已被标定和未被标定两类;
b)将步骤a)中分类的微震事件,投影到震源距离-能级坐标图中,获得微震事件被1#台站8微震台站标定和未被标定的分布图,如图3所示;
c)如图4所示,通过公式(3),公式(4)分别获得震源距离-能级图中两个微震事件(logE1,R1)和(logE2,R2)之间的横坐标差值ΔlogE和纵坐标差值ΔR;将得到的横纵坐标差值通过公式(5),计算得到震源距离-能级域中两个微震事件的距离RM:
ΔlogE=logE1-logE2 (3)
ΔR=|c2 logR1-c2 logR2| (4)
d)将震源距离-能级图网格化,用RM表述微震事件到网格节点j的距离;针对节点j设置数据搜索半径RMT,取0.1;如图5所示,将以节点j为圆心,RM为半径的范围内的所有微震事件作为数据样本N,通过公式(6)、公式(7)计算节点j处震动波被1#台站8探测的概率PD(logEj,Rj):计算全部节点获得1#台站8的初步PD分布情况,如图6(a)所示:
若N>0,则节点j处PD计算公式为:
其中N+表示样本N中被标记的微震事件个数;
若N=0,则节点j处PD计算公式为:
其中j1、j2、j3、j4表示节点j周围的4个节点;全部节点计算后获得1#台站8探测到震动波的概率PD分布情况,如图6(a)所示:重复上述过程,依次获得2#台站9,7#台站10,13#台站11,16#台站12探测到震动波的概率PD分布情况。
在每个PD值计算过程中,增加两个约束条件优化PD值在震源距离-能级图中的分布,使其更符合实际;约束条件1为:当前计算节点的PD值不允许高于其它能级较高且震源距离较短的节点;约束条件2为:当前计算节点的PD值不允许低于其它能级较低的节点;若当前计算节点的PD值不满足上述任一约束条件,则舍弃该节点计算获得的PD值,从而优化PD值分布,如图6(b)所示,为1#台站8优化后的概率PD分布情况
5)根据获得的5个微震台站探测到震动波的概率分布,计算微震台网对不同能级微震事件的探测概率分布,具体为:
①获取单个微震事件被探测的概率PE,其等于该微震事件的震动波被四个或者四个以上微震台站探测的概率,也等于1减去被三个及三个以下微震台站探测的概率之和:
其中表示n个微震台站探测到微震事件震动波的概率,n=1,2,3;
②假设微震台网有m个微震台站能探测到该微震事件的震动波到时,获得其所有微震台站的组合
③获得中第k个微震台站组合对该微震事件震动波的探测概率/>
其中G(p)表示组合中用于微震事件震动波探测的第p个微震台站,表示第p个微震台站震动波到时探测概率,/>表示组合中未用于微震事件震动波探测的第q个微震台站,/>表示被排除的第q个微震台站震动波到时探测概率;
④通过公式(11)获得n个(此时n为1,2,3,即三个及三个以下)微震台站探测到微震事件震动波的概率将其带入公式(8),获得单个微震事件被探测的概率PE;
⑤选择与步骤①微震事件相同能级的各个微震事件,并分别重复步骤①至④,从而获得能级为4的微震事件被探测的概率分布,如图7所示;
⑥选择不同能级的微震事件,并重复步骤①至⑤,从而能获取微震台网在各个区域对不同能级微震事件被探测的概率。
6)根据该煤矿实际情况,设定所需探测微震事件的能级为5(logE=5),根据步骤5)得出微震台网对能级为5微震事件探测的概率分布,从而获得微震台网在回采工作面及其周围受采动影响各个区域内对能级为5的微震事件被探测的概率分布,获得如图8所示的微震台网监测能力评估示意图;根据该矿实际需要,能级为5时对应的探测概率阈值λlogE为90%,由图8可知回采区域23周围的微震台网对能级大于5的微震事件具有较好的监测能力,其中位置回采区域前方位置Ⅴ13、回采区域东侧位置Ⅱ15、回采区域西侧位置Ⅲ16、回采区域中位置Ⅰ17均达到了100%,回采区域后方采空区位置Ⅳ18也超过了90%,因此回采区域23周围各个区域的微震台网的监测能力评价结果均为好。
7)根据对回采工作面及其周围受采动影响各个区域的微震台网监测能力的评价结果,由于各个区域的微震台网监测能力评价结果均达到要求,因此无需进行优化微震台站布置工作,使得微震台网对回采区域23及其周围区域在后续监测中能获取更精准的探测数据,提高了煤岩动力灾害预警准确率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,具体步骤为:
1)采集微震台网布置信息和微震监测数据;
2)根据步骤1)中采集的微震台网布置信息,对步骤1)采集的微震监测数据进行筛选;
3)根据微震事件能级和微震事件与台站间的位置关系,建立震源能级-距离坐标图;
4)处理筛选后的微震监测数据,根据震动波到时标记情况在震源能级-距离坐标图中,计算每个微震台站探测到震动波的概率分布;
5)根据获得的每个微震台站探测到震动波的概率分布,计算微震台网对不同能级微震事件的探测概率分布;
6)设定所需探测微震事件的能级,根据步骤5)得出微震台网对设定能级微震事件的探测概率分布,从而对回采工作面及其周围受采动影响各个区域的微震台网监测能力进行评价;
7)根据对回采工作面及其周围受采动影响各个区域的微震台网监测能力的评价结果,对微震台网中的微震台站布置位置进行优化调整,并再次重复步骤1)至6)对此时各个区域的微震台网监测能力进行评价,直至各个区域的评价结果均达到要求,完成优化微震台站布置工作,从而保证微震台网对各个区域的监测能力。
2.根据权利要求1所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,所述微震台网布置信息包括微震台网布置时间、微震台网布置图、微震台站挪移记录;所述微震监测数据包含微震波形文件和微震数据,其中微震数据包括微震事件发生的时间、位置和能量,各个微震台站接收微震事件的震动波到时。
3.根据权利要求2所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,所述步骤2)具体为:根据微震台网布置信息中微震台网布置时间,对微震监测数据进行筛选,获得当前微震台网布置时间内的微震监测数据,并对筛选后的微震监测数据进行处理获得各个微震事件对应的波形数据。
4.根据权利要求1所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,步骤3)具体为:
(1)获得微震事件i与微震台站n之间的震源距离R:
其中,(xn,yn,zn)表示第n个微震台站的位置坐标,(xi,yi,zi)表示微震事件i的震源坐标;i为一个数据集合,包含筛选后的全部微震事件;
(2)通过地震波质点峰值速度ppv和震源距离R,计算微震事件的能级logE:
logE=c1 log(ppv)+c2 logR+c3 (2)
其中,c1、c2、c3为现场观测确定的常数;以震源距离R为纵坐标,能级logE为横坐标建立震源距离-能级坐标图。
5.根据权利要求1所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,步骤4)具体为:
a)设微震台网所有微震台站为M个,以微震波形文件是否被第n个微震台站所标定为界定,处理微震波形文件,将其分为已被标定和未被标定两类;同时将微震波形文件对应的微震事件分为已被标定和未被标定两类;
b)将步骤a)中分类的微震事件,投影到震源距离-能级坐标图中,获得微震事件被第n个微震台站标定和未被标定的分布图;
c)通过公式(3),公式(4)分别获得震源距离-能级图中两个微震事件之间的横坐标差值ΔlogE和纵坐标差值ΔR;将得到的横纵坐标差值通过公式(5),计算得到震源距离-能级域中两个微震事件的距离RM:
ΔlogE=logE1-logE2 (3)
ΔR=|c2 logR1-c2 logR2| (4)
d)将震源距离-能级图网格化,用RM表述微震事件到网格节点j的距离;针对节点j设置数据搜索半径RMT,将以节点j为圆心,RM为半径的范围内的所有微震事件作为数据样本N,通过公式(6)、公式(7)计算节点j处震动波被第n个微震台站探测的概率PD:
若N>0,则节点j处PD计算公式为:
其中N+表示样本N中被标记的微震事件个数;
若N=0,则节点j处PD计算公式为:
其中j1、j2、j3、j4表示节点j周围的4个节点;全部节点计算后获得第n个微震台站探测到震动波的概率PD分布情况,重复上述过程,能获得各个微震台站探测到震动波的概率PD分布情况。
6.根据权利要求5所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,在每个PD值计算过程中,增加两个约束条件优化PD值在震源距离-能级图中的分布,使其更符合实际;约束条件1为:当前计算节点的PD值不允许高于其它能级较高且震源距离较短的节点;约束条件2为:当前计算节点的PD值不允许低于其它能级较低的节点;若当前计算节点的PD值不满足上述任一约束条件,则直接舍弃当前节点的计算数据,并进行下一节点的计算。
7.根据权利要求1所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,所述步骤5)具体为:
①获取单个微震事件被探测的概率PE,其等于该微震事件的震动波被四个或者四个以上微震台站探测的概率,也等于1减去被三个及三个以下微震台站探测的概率之和:
其中表示n个微震台站探测到微震事件震动波的概率,n=1,2,3;
②假设微震台网有m个微震台站能探测到该微震事件的震动波到时,获得其所有微震台站的组合
③获得中第k个微震台站组合对该微震事件震动波的探测概率/>
其中G(p)表示组合中用于微震事件震动波探测的第p个微震台站,表示第p个微震台站震动波到时探测概率,/>表示组合中未用于微震事件震动波探测的第q个微震台站,表示被排除的第q个微震台站震动波到时探测概率;
④通过公式(11)获得n个微震台站探测到微震事件震动波的概率将其带入公式(8),获得单个微震事件被探测的概率PE;
⑤选择与步骤①微震事件相同能级的各个微震事件,并分别重复步骤①至④,能获得同一能级不同位置的各个微震事件被探测的概率PE,从而获得该能级微震事件被探测的概率分布,获取微震台网在各个区域对该能级微震事件被探测的概率;
⑥选择不同能级的微震事件,并重复步骤①至⑤,从而能获取微震台网在各个区域对不同能级微震事件被探测的概率。
8.根据权利要求1所述基于震动波探测概率的煤矿微震台网监测能力评价方法,其特征在于,所述步骤6)具体为:根据煤矿实际情况,设定所需探测微震事件的能级,根据步骤5)得出微震台网对设定能级微震事件的探测概率分布,从而获得微震台网在回采工作面及其周围受采动影响各个区域内对该能级微震事件被探测的概率,设定该能级对应的探测概率阈值λlogE,若某一区域内的概率超过λlogE,则评价该区域内微震台网的监测能力好,否则评价该区域内微震台网的监测能力差,从而完成各个区域的微震台网监测能力评价。
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