一种矿井水害微震监测时空簇分析方法与流程

本发明涉及矿井水害监测与水资源保护技术领域，尤其涉及一种矿井水害微震监测时空簇分析方法。

背景技术：

随着华北地区越来越多的矿井进入深部开采和下组煤开采，煤层开采受奥陶系岩溶水害威胁问题非常突出和普遍，严重威胁着煤炭的安全开采，造成巨大损失和水资源破坏。

多年来，矿井水害研究一直是采矿工程中研究的重点和热点。

上世纪40年代匈牙利学者韦格弗伦斯首次提出了底板“相对隔水层”的概念，他认为煤层水害取决于底板隔水层厚度与底板含水层水压力共同作用影响，并建立了突水系数作为定量评价标识。上世纪80年代至90年代末期，国外学者对矿井底板水害进行了详细而深入的研究。波兰学者j.motyka与a.p.bosch指出采动裂隙导通了岩溶含水层与矿体的联系是矿井底板水害发生的最直接原因；前苏联学者v.mironenko与f.strelsky指出矿井底板水害是地下岩体与地下水在采动影响下的复杂作用过程；意大利学者o.sammarco发现矿井突水前常常会出现一些前兆信息，如水位出现急剧变化、瓦斯浓度陡变等，可以检测这些信息的变化来进行矿井底板水害预警。

20世纪80年代，王作宇等提出了“原位张裂与零位破坏”理论，在水平方向上把矿压与水压联合作用下的煤层工作面底板分为三个阶段，并综合考虑了矿山压力与水压力共同作用下煤层开采过程中的底板破坏过程，但该理论中的参数难以测定，限制了其在实际中的应用。20世纪90年代，李加祥和李白英在多年对隔水层底板内部进行综合观测的基础上，提出了“下三带理论”，认为底板导水破坏带中存在层向裂隙与竖向裂隙两种条带，由于矿山压力作用“压缩-膨胀-再压缩”的过程中，底板导水破坏带如遇到隐伏导水断裂或与承压水导升带所沟通，就会发生矿井突水。近几年来，武强院士提出了“脆弱性指数”评价法，将底板水害预测由采区尺度精确到工作面尺度，科学性、实用性大幅提高。

总体来讲，矿井水害预警方法和技术严重滞后，亟需一种适用性强、科学、有效的预警方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种矿井水害微震监测时空簇分析方法，该方法能够将随机发育混叠卷绕在一起的微震事件“群”，从时间和空间域着手解决了微震事件时空分布的秩序化问题，并在应用实践中取得明显技术效果，对矿井水害的监测预警及防治意义重大。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

步骤1：提取微震信号x(n)；

从采场工作面实时监测的微震信号记录中提取由于高压地下水运动异常，引发裂隙冲扩、岩石破裂产生的微震信号xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n，其中m是微震监测系统道集数，且m>4，n是微震监测有效信号的采样点个数，取n＝4000～7500，微震信号的采样率为2000～5000hz；

步骤2：微震信号去噪；

对所述微震信号xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n进行预处理，去除采掘干扰、电磁干扰及随机噪音；

步骤3：拾取p波和s波初至；

应用自动拾取算法拾取p波和s波初至到时集，并对其进行人工到时校正，得到校正后的初至到时集；

步骤4：利用所述微震信号xi(n),i＝1,2,...,m,n＝1,2,...,n和对应的初至到时集t(i,t)＝{(tpi,tsi),i＝1,2,...,m}对微震事件进行定位，得到微震事件集u＝{(qj(x,y,z),t(q)j),j＝1,2,...,k}；

步骤5：计算微震事件空间子簇；

根据区域钻孔柱状图及采掘资料确定采掘空间底板破碎带、野青灰岩、伏青灰岩、奥陶系灰岩顶界面位置；

以椭球体方程分别建立底板破碎带、野青灰岩、伏青灰岩、奥陶系灰岩顶界面微震事件空间子簇；

其中l＝1,2,3,4，

l＝1为底板破碎带微震事件空间子簇u¹，l＝2为野青灰岩微震事件空间子簇u²，l＝3为伏青灰岩微震事件空间子簇u³，l＝4为奥陶系灰岩微震事件空间子簇u⁴；

步骤6：对所述微震事件空间子簇按时间先后排序得微震事件时空簇；

对所述微震事件空间子簇进行时间排序分别得底板破碎带、野青灰岩、伏青灰岩、奥陶系灰岩顶界面的时空子簇，l＝1为底板破碎带微震事件时空子簇，简记l＝2为野青灰岩微震事件时空子簇，简记l＝3为伏青灰岩微震事件时空子簇，简记l＝4为奥陶系灰岩微震事件时空子簇，简记

步骤7：计算微震事件时空子簇的时间簇密度，其中l＝1,2,3,4；

步骤8：计算微震事件的时空子簇累积视体积；

步骤9：时空簇矿井水害分析和预警。

进一步地，所述步骤1中n＝7500，微震信号的采样率为5000hz。

进一步地，所述步骤2中应用自动滤波器和蝶型滤波器去除采掘干扰、电磁干扰及随机噪音。

进一步地，所述步骤5中建立底板破碎带，野青灰岩，伏青灰岩，奥陶系灰岩顶界面微震事件空间子簇椭球体参数分别是：

进一步地，所述步骤8中累积视体积计算采用：式中：σa为视应力；μ为剪切刚度；e为微震释放的能量；m为微地震矩；va为视体积。

进一步地，所述步骤1、步骤2、步骤3、步骤4中采集系统道集m＝24。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的矿井水害微震监测时空簇分析方法，包括如下步骤：提取微震波形信号；预处理微震波形信号；微震信号初至时刻拾取；微震事件定位；以采场底板破碎带、底板灰岩标识层为基准选择基准点qi(xi,yi,zi)，计算微震事件集与基准点的空间距离且满足若成立则得到微震的空间簇子集；对空间簇子集分别按照时间先后顺序进行排序，得到微震事件的时空簇子集；计算空间簇子集的时间簇密度；微震时空簇矿井水害分析和预警。本专利方法从时间和空间域着手解决了微震事件时空分布的秩序化问题，即实现了导水通道形成过程、变化过程微震时空簇的描述方法，实现了对矿井水害导水通道在时、空域的连续实时反演，极大地提升了矿井水灾的智能预警能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的矿井水害微震监测分析方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的预处理前后微震波形信号对比图；

图3是本发明实施例提供的初至时刻拾取结果图；

图4是本发明实施例提供的奥陶系灰岩层微震事件时空子簇的时间簇密度的示意图；

图5是本发明实施例提供的微震事件的时空簇累积视体积的示意图；

图6是本发明实施例提供的基于时空簇分析的突水通道空间发育规律的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

下面结合附图1～6和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明方法思想描述如下：针对矿井水害预警方法滞后的现状，提出矿井水害微震时空簇预警方法，该方法以钻井柱状图为空间依据将时空上混叠卷绕在一起的微震事件“群”，从时间和空间上着手实现秩序化，从而实现了对导水通道形成过程的时间反演和导水通道发育位置的空间定位，达到对矿井水害的智能化预警效果。

图1为本发明实施例提供的矿井水害微震监测分析方法的实现流程图，包括如下步骤：步骤1：提取微震信号x(n)；

从采场工作面实时监测的微震信号记录中提取由于高压地下水运动异常，引发裂隙冲扩、岩石破裂产生的微震信号xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n，其中m是微震监测系统道集数，且m>4，n是微震监测有效信号的采样点个数，取n＝4000～7500，微震信号的采样率为2000～5000hz；

步骤2：微震信号去噪；

对所述微震信号xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n进行预处理，去除采掘干扰、电磁干扰及随机噪音；

步骤3：拾取p波和s波初至；

应用自动拾取算法拾取p波和s波初至到时集，并对其进行人工到时校正，得到校正后的初至到时集；

步骤4：利用所述微震信号xi(n),i＝1,2,...,m,n＝1,2,...,n和对应的初至到时集t(i,t)＝{(tpi,tsi),i＝1,2,...,m}对微震事件进行定位，得到微震事件集u＝{(qj(x,y,z),t(q)j),j＝1,2,...,k}；

步骤5：计算微震事件空间子簇；

根据区域钻孔柱状图及采掘资料确定采掘空间底板破碎带、野青灰岩、伏青灰岩、奥陶系灰岩顶界面位置；

以椭球体方程分别建立底板破碎带、野青灰岩、伏青灰岩、奥陶系灰岩顶界面微震事件空间子簇；

其中l＝1,2,3,4，

l＝1为底板破碎带微震事件空间子簇u¹，l＝2为野青灰岩微震事件空间子簇u²，l＝3为伏青灰岩微震事件空间子簇u³，l＝4为奥陶系灰岩微震事件空间子簇u⁴；

步骤6：对所述微震事件空间子簇按时间先后排序得微震事件时空簇；

对所述微震事件空间子簇进行时间排序分别得底板破碎带、野青灰岩、伏青灰岩、奥陶系灰岩顶界面的时空子簇，l＝1为底板破碎带微震事件时空子簇，简记l＝2为野青灰岩微震事件时空子簇，简记l＝3为伏青灰岩微震事件时空子簇，简记l＝4为奥陶系灰岩微震事件时空子簇，简记

步骤7：计算微震事件时空子簇的时间簇密度，其中l＝1,2,3,4；

步骤8：计算微震事件的时空子簇累积视体积；

步骤9：时空簇矿井水害分析和预警。

进一步地，所述步骤1中n＝7500，微震信号的采样率为5000hz。

进一步地，所述步骤2中应用自动滤波器和蝶型滤波器去除采掘干扰、电磁干扰及随机噪音。

进一步地，所述步骤5中建立底板破碎带，野青灰岩，伏青灰岩，奥陶系灰岩顶界面微震事件空间子簇椭球体参数分别是：

进一步地，所述步骤8中累积视体积计算采用：式中：σa为视应力；μ为剪切刚度；e为微震释放的能量；m为微地震矩；va为视体积。

进一步地，所述步骤1、步骤2、步骤3、步骤4中采集系统道集m＝24。

实施实例如下：

如图2所示是微震监测信号预处理的对比结果，从图2(a)上可以清晰的看到原始波形数据含有大量的噪音，经过预处理后在图2(b)中有效地将噪音干扰去除，得到的波形信号主要是由于高压水冲扩岩石破裂产生的有效信号。

如图3所示是微震信号初至时刻拾取结果，图3是经过步骤2预处理后波形数据，以该数据为例拾取微破裂信号的初至时刻，在图3中双向箭头所指的位置为去除噪音后自动拾取的信号初至时刻，从图3(b)的局部最大值点位置②为自动拾取的初至，与图中箭头所指的图3(a)位置①完全吻合，可以看出拾取位置精确。

图4是经过步骤4、步骤5、步骤6得到的奥陶系灰岩层微震事件时空簇的时间簇密度，图4中奥陶系灰岩层微震时间簇密度有三个阶段的急剧增加现象，如图4箭头①、②、③所示。图4箭头①阶段是井下施工放水钻孔阶段，当施工的放水钻孔临近奥陶系灰岩含水层时(2.12日)微震事件时间簇密度开始缓慢增加，直至2.26日晚班钻孔施工完毕，以1.3m3/min的速度开始放水后，地下水流场再次处于新的平衡态，微震时间簇密度降低且处于平稳状态；图4箭头②阶段是放水钻孔转为注浆钻孔，该阶段以低泵压稀水泥浆液注入，浆液的扰动打破了放水平衡，引起了新的微震事件集中发育在奥灰含水层，故出现了微震时间簇密度急剧增大的现象；图4箭头③阶段是改变注浆方式，采用高泵压注入水玻璃浆液，与低压稀水泥浆液注浆方式相比较，该阶段高压注入水玻璃又一次打破了稀浆注入时的平衡，引起微震时间簇密度的急剧增大现象；由此分析微震事件的时空簇密度可以有效地指示外界扰动引起地下水径流场的变化。

图5是奥陶系灰岩层时空簇累积视体积，如图5所示该参数与图4的三个阶段分别对应：第一个阶段是2.16日～2.26日，与图4箭头①对应，该阶段图5所示2.16日～2.26日微震事件的累积视体积急剧上升，上升斜率近90度，表明岩体活动的应变速率剧增，预示岩体非弹性形变的增加，在此阶段的2.26日晚班钻孔钻到指定层位，奥灰放水钻孔施工完毕；第二个阶段是2.28日～3.12日前，与图4箭头②对应，该阶段是钻孔施工成功后转为注浆孔采用低压稀浆注入方式，由于扰动发生的微震事件居多，与岩体的非弹性失稳无关，因此累积视体积曲线表现为近似水平向增加的状态；第三个阶段是3.12日～3.15日，与图4箭头③对应，该阶段采用的是高压注入水玻璃的注浆方式，由于注浆压力高对奥灰含水层的薄弱部位作用而产生少量的非弹性形变引起的微震事件，与图4箭头③对应表现为微震时间簇密度剧增的现象，但是累积视体积增加的斜率没有完全由于岩体非弹性形变引起的微震事件累积视体积增加的快(图4箭头①)，而比由于扰动产生微震事件与岩体非弹性失稳无关的情况增加的快(图4箭头②)。基于微震时空簇分析方法及微震时空簇密度和微震时空簇累积视体积参数，对矿井水害预警滞后的问题实现预警和提高矿井水害防治水平。

图4和5应用时空簇参数的变化分析了突水通道的形成和演化扩展过程及其力学变化，图6则从空间分布上展示了通道在形成过程中，空间展布形态，是突水通道的发育形态，指示出了通道横向的发育宽度和连通性。图6中的微震事件从下游至5#放水钻孔位置连续发育，形成了具有一定宽度的条带，指示出承压奥灰水从错综复杂的岩溶裂隙网络从不同方向向5#放水钻孔位置附近渗流运移的路径，形成了具有一定宽度的通道集合，即图6中包络线所指范围。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。