一種沖擊地壓的微震多參量預警方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種沖擊地壓的微震多參量預警方法，包括在礦井中安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)；利用礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)，測量微震能量和頻次，計算斷層總面積A(t)、缺震b值、Z-MAP值并記錄該四項微震信號；將所得數(shù)據(jù)進行分析，繪制出能量、頻次時間序列圖；斷層總面積演變圖；缺震b值演變圖以及Z—Map值演變圖四項演變圖；根據(jù)所繪制的演變圖，分析是否在同一時間段內出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；|Z|>2四項指標，若同一時間段內四項指標中出現(xiàn)2—4項，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。有益效果是提高預警沖擊地壓的準確性。
【專利說明】—種沖擊地壓的微震多參量預警方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種沖擊地壓的微震多參量預警方法，屬于微震監(jiān)測預警【技術領域】。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國煤礦開采深度的逐年增加，很多礦區(qū)沖擊地壓問題越來越嚴重。煤礦沖擊地壓煤巖體中的壓力超過強度極限，聚積在巷道或采場周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道，同時發(fā)出劇烈聲響，是一種開采誘發(fā)的礦山地震，更是一種災害，不僅造成井巷破壞、人員傷亡、地面建筑物破壞，還會引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸以及水災，干擾通風系統(tǒng)，嚴重威脅著煤礦的生產(chǎn)安全。由于這種災害發(fā)生的時間與地域方面具有復雜性和突發(fā)性，因此，對其進行預測預警也成為世界性難題。傳統(tǒng)的利用礦壓預測沖擊地壓的方法局限性較大，利用微震監(jiān)測的方法大多指標單一，預警準確率低；費時費力，人員需要現(xiàn)場記錄，安全性低，經(jīng)濟上劣勢突出。


【發(fā)明內容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種沖擊地壓的微震多參量預警方法，用能量與頻次、斷層總面積、缺震、Z-MAP值四個指標來作為預測沖擊地壓的前兆性指標。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種沖擊地壓的微震多參量預警方法，具體步驟是:
[0005]A:在礦井中安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)；
[0006]B:利用礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)，測量微震能量和頻次，計算斷層總面積A(t)、缺震b值、Z-MAP值并記錄該四項微震信號；其中，
[0007]斷層總面積A(t):介于頻度和能量之間，根據(jù)雄)=Σ _Li—h (i = 4.5),求得






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A(t)值;其中，N(k)為時間t至t+ Λ t間隔內能級為k的微震數(shù)目，即微震彈性波能量在1k?10k+l之間的微震數(shù)目，kO為所統(tǒng)計微震的下限，k為每個微震的能級；
[0008]Z-Map值，簡寫為z值:通過分析平均震級樣本的變化即可了解研究區(qū)域不同時

M 一徽段平均的變化情況，根據(jù)—1+ " —......pr=T求得Z值；其中，孖為整個時間

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K MI N η
區(qū)間上對所有平均震級樣本的算術平均值，W為要考察的時間區(qū)段內樣本平均震級樣本^的算術平均值；σ μ和σ m分別是兩樣本的標準差；

L _ 0.4343—
[0009]缺震b值:根據(jù)宇津德治公式計算古登堡公式}，求得b

*1-1 Λ值，b值的變化依賴于平均能級i ,其中M為統(tǒng)計時段內微震的平均能級，M0為起始能級，N為微震總數(shù)，G為短期平均能級；
[0010]C:將所得數(shù)據(jù)進行分析，繪制出能量、頻次時間序列圖；斷層總面積演變圖；缺震b值演變圖以及Z — Map值演變圖四項演變圖；
[0011]D:根據(jù)所繪制的演變圖，分析是否在同一時間段內出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；|Z|>2四項指標，若同一時間段內四項指標中出現(xiàn)2— 4項，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。
[0012]優(yōu)選地，D步驟中，同時出現(xiàn)出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；I Z I >2四種情況，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。
[0013]本發(fā)明中，所述四項指標的基本原理分別是:
[0014]一、能量、頻次
[0015]微震監(jiān)測技術當中，使用比較多的兩個參數(shù)是能量和頻次。微震監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對全礦范圍內的礦震進行監(jiān)測，自動記錄礦震活動，通過分析和計算礦震能量和頻次的數(shù)值。研究結果表明，頻次主要反映煤巖體變形及微破裂的頻次，能量主要反映煤巖體的受載程度及變形破裂強度。能量與頻次的結合分析能較好的反映出煤巖體的破裂變化。
[0016]二、斷層總面積A⑴
[0017]用頻度和能量這兩個參量評價微震活動性的高低，由于低強度事件的數(shù)目通常遠多于高強度事件，所以頻度實際上是由低強度事件所決定的，但總能量卻是由為數(shù)不多的幾個高強度事件所決定的，而低強度事件被忽略了。為了克服這一矛盾，定義一個介于頻度和能量之間的A(t)，它既考慮到微震頻度，同時也包含了微震能量。
[0018]A(i) = ^N(k)Lk (I < ￡ < 10)

k
[0019]式中N(k)為時間t至t+ Λ t間隔內能級為k的微震數(shù)目，即微震彈性波能量在1k?10k+l之間的微震數(shù)目。顯然，當L = I時，A(t)僅表示微震數(shù)目；L = 10時，A(t)表示微震總能量。若取L = 4.5,則IgL = 2/3,此時上式寫為
[0020]= Σ N )1 ()

k
[0021]設微震彈性波能量E正比于微震能量E0，即E ?C EO,因能量比例于震源體積
(即震源體大小的三次方)，即正比于震源斷層面積S的3/2次方，EO - S3/2,因此，
S - E2/3 - l02k/3 ;即L = 4.5時，A(t)相當于斷層總面積。這就是A(t)的物理意義。為方便起見，將上式寫為
k-\
[0022]A(t) = Yd N(k、Lk—h (L = 4.5)
[0023]式中kO為所統(tǒng)計微震的下限，k為每個微震的能級。
[0024]較強微震往往發(fā)生在活動斷裂帶上，微震在孕育過程中積聚大量的能量，這些能量要通過裂隙發(fā)育的地方來釋放，因此斷層裂隙多的地方發(fā)生強礦震的可能性較大，理論上在強能量釋放前，A(t)出現(xiàn)高值異常，表明在強能量釋放前，微震活動性增強。
[0025]三、Z-Map值，簡寫為z值:
[0026]通過分析平均震級樣本^的變化即可了解研究區(qū)域不同時段平均的變化情況:

I k
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[0027]m,
L 」J /.JLmd 1

鬈ι-l
_ M 一 m
[0028]z— !K
[0029]式中，M為整個時間區(qū)間上對所有平均震級樣本兩J的算術平均值，是一個較為穩(wěn)定的量，表征研究區(qū)域的背景特征；歷為要考察的時間區(qū)段內樣本平均震級樣本,I/的算術平均值；ο μ和σ m分別是兩樣本的標準差。
[0030]因為Z是從相同母體中抽取出的平均值之差，近似服從于標準正態(tài)分布，因此它具有正態(tài)分布的顯著特征，即Z = 1.64，具有90%的顯著水平；Z = 1.96，具有95%的顯著水平；當Z = 2.57時，具有99%的顯著水平。據(jù)此，可分析平均震級變化所反映的平靜特征顯著性。
[0031]當Z = O時，微震發(fā)生率與背景微震發(fā)生率相同；當Z〈0時，微震發(fā)生率上升；當z>0時，該時段微震發(fā)生率下降，以此來判斷強能量釋放前的微震活動平靜。
[0032]無論是當Z>2，還是Z〈-2，都是小概率事件，然而強能量礦震的發(fā)生也正是小概率事件，于是，取Izl >2為異常臨界值。
[0033]四、缺震b值
[0034]根據(jù)宇津德治公式，古登堡公式中的b值可為:
L 0.4343rnmsl b =-=-
[動」M-M0.Y?
[0036]M=T ?
ft N
[0037]這里M為統(tǒng)計時段內微震的平均能級，M0為起始能級，N為微震總數(shù)。由宇津公式可知，b值的變化依賴于平均能級M ,在正常微震活動情況下，一個區(qū)域的b值基本可看作穩(wěn)定的，則平均能級M也應該是比較穩(wěn)定的，即平均能級Λ/代表一個區(qū)域的平均礦震水平。如果一個區(qū)域在一段時間內的短期平均能級&比長期平均能級_偏小的話，那么這個區(qū)域就可能發(fā)生一些較大微震來補足這個長期平均能級的缺額。這就是缺震的基本含義，“缺震”意味著將要發(fā)生缺失能級的趨勢。如果一個區(qū)域在一段時間內的短期平均能級ii比長期平均能級好偏大的話，那么這個區(qū)域將不會發(fā)生一些較大微震，這就是過震的基本含義。
[0038]本發(fā)明的有益效果是:通過對能量與頻次、斷層總面積A(t)、缺震b值、Z-MAP值四個指標來作為預測沖擊地壓的前兆性指標，從而提高預警沖擊地壓的準確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為實施例中能量、頻次時間序列圖；
[0040]圖2為實施例中斷層總面積演變圖；
[0041 ] 圖3為實施例中Z-Map值演變圖；
[0042]圖4為實施例中缺震b值演變圖。

【具體實施方式】
[0043]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0044]本發(fā)明的具體步驟是:
[0045]A:在礦井中安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)；
[0046]B:利用礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)，測量微震能量和頻次，計算斷層總面積A(t)、缺震b值、Z-MAP值并記錄該四項微震信號；其中，
[0047]斷層總面積A(t):介于頻度和能量之間，根據(jù)郝(“4.5),求得






A -A0
A(t)值;其中，N(k)為時間t至t+ Λ t間隔內能級為k的微震數(shù)目，即微震彈性波能量在1k?10k+l之間的微震數(shù)目，kO為所統(tǒng)計微震的下限，k為每個微震的能級；
[0048]Z-Map值:通過分析平均震級樣本的變化即可了解研究區(qū)域不同時段平均的變化

—M -m
情況，根據(jù)—I V Ζ [σΙ^求得ζ值；其中，為整個時間區(qū)間上對所
謂.=■~ > FH- 9I +........— 9
1 kj^V N η
有平均震級樣本iy的算術平均值，W為要考察的時間區(qū)段內樣本平均震級樣本的算術平均值；σ μ和σ m分別是兩樣本的標準差，；

t — 0.4343—
[0049]缺震b值:根據(jù)宇津德治公式計算6 =豆二^古登堡公式M =求得b值，

,Tt N
b值的變化依賴于平均能級I，其中JT為統(tǒng)計時段內微震的平均能級，M0為起始能級，N為微震總數(shù)，-為短期平均能級；
[0050]C:將所得數(shù)據(jù)進行分析，繪制出能量、頻次時間序列圖；斷層總面積演變圖；缺震b值演變圖以及Z — Map值演變圖四項演變圖；
[0051]D:根據(jù)所繪制的演變圖，分析是否在同一時間段內出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；|Z|>2四項指標，若同一時間段內四項指標中出現(xiàn)2— 4項，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。
[0052]D步驟中，若同時出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；|Z|>2四種情況，則出現(xiàn)沖擊地壓的情況會大大增加，通過這種方法提高預警沖擊地壓的準確性。
[0053]實施例為某礦一起沖擊地壓事故，根據(jù)本發(fā)明的預警方法，從圖中可以分析出，該起事故于2013年3月15日發(fā)生。具體四項分析的時間演變圖見附圖。
【權利要求】
1.一種沖擊地壓的微震多參量預警方法，其特征在于，具體步驟是: A:在礦井中安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)； B:利用礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)，測量微震能量和頻次，計算斷層總面積A(t)、缺震b值、Z-MAP值并記錄該四項微震信號；其中， 斷層總面積A⑴:介于頻度和能量之間，根據(jù).作)=Σ N喊h (L = 4.5),求得A (t)值；其中，N(k)為時間t至t+ Λ t間隔內能級為k的微震數(shù)目，即微震彈性波能量在1k?10k+l之間的微震數(shù)目，k0為所統(tǒng)計微震的下限，k為每個微震的能級； Z-Map值:通過分析平均震級樣本的變化即可了解研究區(qū)域不同時段平均的變化情
M-M
z ~_況，根據(jù)—I七Ial1 σ:求得ζ值；其中，Μ為整個時間區(qū)間上對所有平
m,=—/ Mi 7 J -1 + ,IVA
J kj^ 1V Λ, II均震級樣本的算術平均值，--?為要考察的時間區(qū)段內樣本平均震級樣本的算術平均值；σ μ和σ m分別是兩樣本的標準差；
0.4343.— 缺震b值:根據(jù)宇津德治公式計算—M-M0古登堡公式]^ = ^土求得b值，b值
,tf N ,的變化依賴于平均能級Μ ,其中U為統(tǒng)計時段內微震的平均能級，M0為起始能級，N為微震總數(shù)，為短期平均能級； C:將所得數(shù)據(jù)進行分析，繪制出能量、頻次時間序列圖；斷層總面積演變圖；缺震b值演變圖以及Z — Map值演變圖四項演變圖； D:根據(jù)所繪制的演變圖，分析是否在同一時間段內出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；|Z|>2四項指標，若同一時間段內四項指標中出現(xiàn)2— 4項，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種沖擊地壓的微震多參量預警方法，其特征在于，D步驟中，同時出現(xiàn)出現(xiàn)礦震頻次降低、能量增加；斷層總面積值出現(xiàn)高值異常；缺震b值低值異常；I Z I >2四種情況，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。
【文檔編號】E21F17/18GK104153814SQ201410284705
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權日:2014年6月23日
【發(fā)明者】陸菜平, 劉廣建, 張農(nóng), 劉洋, 左源耀 申請人:中國礦業(yè)大學