一種高應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓的微震多參量預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種沖擊地壓的預(yù)警方法，具體是一種高應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓的微震 多參量預(yù)警方法，屬于微震監(jiān)測預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[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(yán)重。 煤礦沖擊地壓是煤巖體中的壓力超過強(qiáng)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(zāi)害，不僅造成煤巖體震動及破壞、部分巷道垮落破壞、支架與設(shè) 備損壞、人員傷亡、地面建筑物等的破壞，還會引發(fā)瓦斯與煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通 風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。由于這種災(zāi)害的發(fā)生一般并無明顯的宏觀前兆，其時 間上的突發(fā)性、過程急劇的短暫性以及地質(zhì)條件上的復(fù)雜性，造成對其進(jìn)行預(yù)測預(yù)警也成 為世界性難題。傳統(tǒng)的利用礦壓預(yù)測沖擊地壓的方法局限性較大，而且傳統(tǒng)方法具有無法 回避的費(fèi)時費(fèi)力、必須人員現(xiàn)場操作記錄、安全性低及經(jīng)濟(jì)成本高等系列劣勢。目前雖然有 利用微震監(jiān)測的方法進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測，但是大多數(shù)采用單一指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，導(dǎo)致其預(yù)警 準(zhǔn)確率低，無法滿足礦井的預(yù)警需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種高應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓的微震多 參量預(yù)警方法，采用多個參數(shù)指標(biāo)綜合對沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警，能有效提高預(yù)警的準(zhǔn)確率。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該種高應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓的微 震多參量預(yù)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)記錄微震信號，將信號傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)中，利用相關(guān) 軟件(Mat lab，exce 1等)分析測量微震活動度S值、微震時間信息熵Qt值、微震累積沖擊指標(biāo) E值、微震活動異常指標(biāo)| Z |值并;其中，
[0007]微震活動度S:其計(jì)算公式為：
[0009]式中，N為微震總數(shù)，Mi為能級，Μ為最大能級；
[0010]微震時間信息熵Qt值:基于耗散結(jié)構(gòu)理論，將大地震的孕育、發(fā)生過程看作為一個 開放系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)力場作用達(dá)到一定閾值時，大范圍地震活動將從無序向新的穩(wěn)定有序狀態(tài) 變化，其計(jì)算公式為
[0012] 式中：η為某時間窗長的礦震事件總數(shù)，
ti為第i個礦震發(fā)生的時間，Pi 取值為0~1之間；
[0013] 微震累積沖擊指標(biāo)E值:定義 ，單位mm，表征煤巖體介質(zhì)的累積損 傷；
[0014] 其中Vi為垂直分量上信號在t時刻的振動速度值，單位為mm/s;
[0015] T1是信號中最大振幅時刻，T2為信號尾波截止時刻，單位為s;
[0016]設(shè)定微震累積沖擊指標(biāo)Em = 0.3mm。
[0017] 微震活動異常指標(biāo)I Z I值(微震活動異常指標(biāo)越接近零，即選取的樣本與微震背景 越接近，說明越不好預(yù)測；|z|值越大，說明樣本越異常，危險(xiǎn)性越高，實(shí)質(zhì)指的是樣本與總 體的偏差大?。和ㄟ^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
[0018] 其中，Μ為整個時間區(qū)間上對所有平均震級樣本％的算術(shù)平均值，瓦為要考察 的時間區(qū)段內(nèi)樣本平均震級樣本％;的算術(shù)平均值;σ Μ和分別是兩樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，Ν和η為 樣本數(shù)；
[0019] C:所得數(shù)據(jù)分析后，繪制出微震活動度S值演變圖、微震時間信息熵Qt值演變圖、 微震累積沖擊指標(biāo)E值演變圖以及微震活動異常指標(biāo)| Z |值演變圖共四項(xiàng)演變圖；
[0020] D:根據(jù)所繪制的演變圖，分析是否在同一時間段內(nèi)出現(xiàn)微震活動度S值在7天內(nèi)先 降低后以大于降低速率的速率迅速增加，微震時間信息熵Qt值在4天時間內(nèi)持續(xù)降低，微震 累積沖擊指標(biāo)E值大于臨界值Em，微震活動異常指標(biāo)| Z | >3，若同一時間段內(nèi)四項(xiàng)指標(biāo)中出 現(xiàn)2~4項(xiàng)，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。采用多個參數(shù)指標(biāo)綜合對沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警，能 有效提高預(yù)警的準(zhǔn)確率。
[0021] 優(yōu)選地，B步驟中，微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置采集的微震信號能量大于100J，以減弱噪音 干擾;D步驟中，在同一時間段內(nèi)出現(xiàn)微震活動度S值在7天內(nèi)先降低后以大于降低速率的速 率迅速增加，微震時間信息熵Qt值在4天時間內(nèi)持續(xù)降低，微震累積沖擊指標(biāo)E值大于臨界 值Em，微震活動異常指標(biāo)| Z | >3，則判斷會出現(xiàn)沖擊地壓的情況。
[0022]本發(fā)明中，所述四項(xiàng)指標(biāo)的基本原理分別是：
[0023] 一、微震活動度S
[0024]微震活動度S包含了微震活動性的時、空、強(qiáng)等因素即下述控制因素:微震頻度、平 均能級或平均釋放能量、最大能級、以及微震空間分布的集中度及其記憶效應(yīng)。其計(jì)算公式 為：
[0026]式中，N為微震總數(shù)，Mi為能級，Μ為最大能級
[0027]強(qiáng)能量釋放理論上發(fā)生在S值持續(xù)增強(qiáng)后。
[0028]二、微震時間信息熵Qt
[0029] 朱傳鎮(zhèn)等根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)論的基本思想，把地震孕育，發(fā)生和發(fā)展的過程看作一個 與周圍環(huán)境有能量交換的開放系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)力場作用達(dá)到一定闡值時，小震活動的時、空、強(qiáng) 分布將會從無序狀態(tài)向有序狀態(tài)變化。據(jù)此，依熱力學(xué)第一，第二定律定義了描述小震動 時、空、強(qiáng)各因子分布狀態(tài)的特征量:地震活動熵，強(qiáng)震發(fā)生前，微觀無序的裂隙發(fā)育向宏觀 大裂隙發(fā)育，地震活動熵明顯降低，本發(fā)明將其引入到礦山微震活動的分析中，具有相似的 作用和意義。
[0030] Qt的定義如下：

[0032] 式中：η為某時間窗長的礦震事件總數(shù)， ti為第i個礦震發(fā)生的時間，Pi i 取值為0~1之間。
[0033] 礦震時間信息熵Qt方法主要刻劃礦震事件時間分布結(jié)構(gòu)的叢集特征，描述礦震時 間演化過程中的無序到有序，理論上，在孕育強(qiáng)能量過程前，熵值存在一個持續(xù)下降過程， 其本質(zhì)是礦震能量空間分布的有序性增加。
[0034]三、微震累積沖擊指標(biāo)E值
[0035] 微震累積沖擊指標(biāo)E值:定義
，單位mm，表征煤巖體介質(zhì)的累積損 傷。
[0036] 其中Vi為垂直分量上信號在t時刻的振動速度值，單位為mm/s;
[0037] T1是信號中最大振幅時刻，T2為信號尾波截止時刻，單位為s;
[0038]設(shè)定微震累積沖擊指標(biāo)Em = 0.3mm。
[0039] 四、微震活動異常指標(biāo)I Z I值：
[0040] 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：
[0043] 式中，Μ為整個時間區(qū)間上對所有平均震級樣本％的算術(shù)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；W為要考察的時間區(qū)段內(nèi)樣本平均震級樣本％的算術(shù) 平均值;分別是兩樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0044] 因?yàn)閆值是從相同母體中抽取出的平均值之差，近似服從于標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。
[0045] 當(dāng)Z = 0時，微震發(fā)生率與背景微震發(fā)生率相同；當(dāng)Z〈0時，微震發(fā)生率上升；當(dāng)Z>0 時，該時段微震發(fā)生率下降，以此來判斷強(qiáng)能量釋放前的微震活動平靜。
[0046] 無論是當(dāng)Z>3,還是Z〈-3,都是小概率事件，然而強(qiáng)能量礦震的發(fā)生也正是小概率 事件，故在本發(fā)明中取I Z | >3為異常臨界值。
[0047]若把整個研究區(qū)域作為一個整體，則上述微震活動度S值、微震時間信息熵Qt值、 微震累積沖擊指標(biāo)E值以及微震活動異常指標(biāo)| Z I值四個指標(biāo)的演變曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線 耦合。
[0048] 與現(xiàn)有微震方法單一指標(biāo)預(yù)警沖擊地壓相比，本發(fā)明采用微震活動度S值、微震時 間信息熵Qt值、微震累積沖擊指標(biāo)E值以及微震活動異常指標(biāo)| Z |值共四項(xiàng)指標(biāo)綜合分析后 對沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警，能有效地提高預(yù)警的準(zhǔn)確率；另外可克服傳統(tǒng)方法具有無法回避的 費(fèi)時費(fèi)力、必須人員現(xiàn)場操作記錄、安全性低及經(jīng)濟(jì)成本高等系列劣勢。
【附圖說明】
[0049] 圖1為實(shí)施例中微震活動度S值演變圖；
[0050] 圖2為實(shí)施例中微震時間信息熵Qt值演變圖；
[0051 ]圖3為實(shí)施例中微震累積沖擊指標(biāo)E值演變圖；
[0052]圖4為實(shí)施例中Z值演變圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面將對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0054]本發(fā)明的具體步驟是：
[0055] A:在礦井中安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)；
[0056] B:利用礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄微震信號，將信號傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)中，利用相關(guān) 軟件(Mat lab，exce 1等)分析測量微震活動度S值、微震時間信息熵Qt值、微震累積沖擊指標(biāo) E值、微震活動異常指標(biāo)| Z |值并;其中，
[0057]微震活動度S:其計(jì)算公式為：
[0059] 式中，N為微震總數(shù)，Mi為能級，Μ為最大能級；
[0060] 微震時間信息熵Qt值:基于耗散結(jié)構(gòu)理論，將大地震的孕育