一种煤矿动力现象危险性频谱声学预测方法与流程

本技术涉及采矿，具体涉及一种煤矿动力现象危险性频谱声学预测方法。

背景技术：

1、随着煤矿开采深度的增加，煤层地应力升高，煤层瓦斯压力和瓦斯含量增大，在煤矿开采过程中发生煤与瓦斯突出、冲击地压等动力现象的危险性显著增大。由于煤矿动力现象具有发生的突然性、过程的快速性、后果的破坏危害性等特点，对煤矿安全高效生产和矿工生命安全带来严重威胁，对动力现象危险性预测预报一直是煤矿安全领域研究的重要任务。

2、根据世界主要产煤国科技人员多年的研究，形成了一系列的煤矿动力现象危险性预测方法，并在煤矿生产实际中得到了应用。目前煤矿动力现象危险性预测方法可分为两大类，一类为接触式离散型预测方法，另一类为非接触式连续型预测方法。

3、接触式离散型预测方法是在工作面停工的情况下，沿着工作面煤层施工一定直径、一定深度的预测钻孔，并在预测钻孔施工过程中，测定表征工作面动力现象危险性的指标，如钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标等，取这些指标测定结果的最大值与临界值进行对比，如果这些指标测定结果的最大值等于或者大于临界值，或者在预测钻孔施工过程中出现动力现象危险性预兆，则判定工作面具有动力现象危险性。这类预测方法的主要缺点有：(1)钻孔施工和预测操作过程受预测人员的主观因素影响较大；(2)预测方法实施时，工作面需要停工停产，干扰工作面正常的生产工艺；(3)动力现象危险性在采掘工艺作用下是变化的，在采掘过程中工作面动力现象危险性最大，而此类预测方法是在工作面停工停产情况下进行的，不能反应工作面在采掘过程中的动力现象危险性的实时动态。

4、非接触式连续型预测方法是在工作面附近预先埋设特定功能的传感器，在工作面停工或者生产的情况下，连续监测工作面附近煤层或者围岩由于微破裂而发出的声、电信息，如微震指标、声发射指标、电磁辐射指标等，取这些指标测定结果的最大值与其临界值进行对比，如果这些指标测定结果的最大值等于或者大于其临界值，则判定工作面具有动力现象危险性。这类预测方法可实现动力现象危险性自动化连续在线监测预警，是矿井动力现象危险性监测预警的发展方向。微震指标、声发射指标、电磁辐射指标动力现象危险性预测机理是：(1)微破裂前兆是矿井动力现象的共性特征，在动力现象出现之前，都有微破裂(微震活动)前兆；(2)岩体中应力升高，导致微破裂增多，声发射、微震、电磁辐射指标升高；岩体中应力下降，引起微破裂减少，声发射、微震、电磁辐射指标下降；(3)采用声发射、微震、电磁辐射指标可以反映岩体中的微破裂事件和应力变化趋势，预测动力现象危险性。声发射、微震、电磁辐射指标预测机理来源于实验室中岩块加载受力时表现出的声发射、微震、电磁辐射指标随应力增大而增多的对应关系，与现场煤岩赋存条件存在着很大的差异，预测可靠性受到很大影响：(1)对声发射、微震、电磁辐射指标的煤矿监测实践表明，在动力现象发生前，煤岩体弹性能处于积聚增大状态，此时煤岩体声发射、微震、电磁辐射指标较低，工作面处于平静期；(2)声发射、微震、电磁辐射指标受煤岩体强度影响很大，当煤岩体强度较低时，声发射、微震、电磁辐射指标增大，煤岩体卸压，弹性能无法积聚，动力现象危险性降低；当煤岩体强度较高时，声发射、微震、电磁辐射指标降低，煤岩体增压，弹性能大量积聚，动力现象危险性升高；(3)在工作面施工卸压钻孔、应力向工作面深部转移、工作面附近煤岩体卸压过程中，声发射、微震、电磁辐射指标表现为增大，工作面实际动力现象危险性是降低的。综上所述，声发射、微震、电磁辐射指标仅表示煤岩体中的微破裂事件，与煤岩中的应力应变状态和动力现象危险性不存在单值对应关系，动力现象危险性预测可靠性较低。

技术实现思路

1、为了解决现有预测方法可靠性的低问题，本技术提供一种煤矿动力现象危险性频谱声学预测方法。

2、第一方面，本发明实施例提供一种煤矿动力现象危险性频谱声学预测方法，包括：

3、根据煤矿工作面作业时顶板岩层的声学信号频谱，确定工作态的第一分谱、第二分谱、以及参考振幅，所述第一分谱中各频谱分量的频率小于所述第二分谱中各频谱分量的频率；

4、根据所述第一分谱，确定第一振幅；根据所述第二分谱，确定第二振幅；根据所述参考振幅，确定参考频率；

5、根据所述第一振幅、第二振幅、参考频率，以及第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值，预测煤矿动力现象危险性。

6、在一种具体的实施方案中，所述方法还包括：

7、根据无动力现象危险性的煤矿区段中工作面顶板岩层的声学信号频谱，确定安全态的第一分谱、第二分谱、参考振幅；

8、根据所述安全态的第一分谱、第二分谱、参考振幅，确定所述第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值。

9、在一种具体的实施方案中，所述根据所述第一分谱，确定第一振幅；根据所述第二分谱，确定第二振幅，包括：

10、根据所述第一分谱中各频谱分量的振幅之和，得到所述第一振幅；

11、根据所述第二分谱中各频谱分量的振幅之和，得到所述第二振幅。

12、在一种具体的实施方案中，所述根据所述参考振幅，确定参考频率，包括：

13、根据所述声学信号频谱的最大振幅amax，以λamax为参考振幅，其中，λ为倍数因子，0<λ<1；

14、根据所述参考振幅，从所述声学信号频谱中不小于所述参考振幅的频谱分量中，选择最小频率作为参考频率。

15、在一种具体的实施方案中，所述参考振幅至少包含第一参考振幅、第二参考振幅；所述参考频率至少包含与所述第一参考振幅相对应的第一参考频率、与所述第二参考振幅相对应的第二参考频率。

16、在一种具体的实施方案中，所述根据所述第一振幅、第二振幅、参考频率，以及第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值，预测煤矿动力现象危险性，包括：

17、若所述第一振幅不大于所述第一振幅临界值、所述第二振幅不小于所述第二振幅临界值、所述参考频率不小于参考频率临界值，预测煤矿工作面具有动力现象危险性。

18、在一种具体的实施方案中，所述方法还包括：根据所述第一振幅、第二振幅，确定相对应力系数，根据所述相对应力系数，预测煤矿动力现象危险性，所述相对应力系数k＝ab/ah，其中ah为所述第一振幅，ab为所述第二振幅。

19、在一种具体的实施方案中，所述方法还包括：根据煤矿工作面的采掘推进，对所述第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值进行校准。

20、在一种具体的实施方案中，所述根据煤矿工作面作业时顶板岩层的声学信号频谱，确定工作态的第一分谱、第二分谱、以及参考振幅之前，包括：在煤矿的掘进工作面安装第一地震检波器，在采煤工作面安装第二地震检波器。

21、在一种具体的实施方案中，所述根据所述安全态的第一分谱、第二分谱、参考振幅，确定所述第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值，包括：

22、根据安全态下多个采掘循环各自的第一分谱、第二分谱、参考振幅，确定所述多个采掘循环各自的第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值；

23、根据所述多个采掘循环的第一振幅临界值的平均值、第二振幅临界值的平均值、参考频率临界值的平均值，确定所述第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值。

24、本发明的实施例提供的煤矿动力现象危险性频谱声学预测方法，根据煤矿工作面作业时顶板岩层的声学信号频谱，确定工作态的第一分谱、第二分谱、以及参考振幅，所述第一分谱中各频谱分量的频率小于所述第二分谱中各频谱分量的频率；进而根据所述第一分谱，确定第一振幅；根据所述第二分谱，确定第二振幅；根据所述参考振幅，确定参考频率；然后根据所述第一振幅、第二振幅、参考频率，以及第一振幅临界值、第二振幅临界值、参考频率临界值，预测煤矿动力现象危险性。本方法基于对煤矿工作面顶板岩层在外力激发作用下的声学信号频谱特征的分析及处理，有效提高对煤矿动力现象危险性的非接触式连续型预测的可靠性。