基于震源参数反演的区域冲击危险等级及畛域的判识方法与流程

[0001]
本发明涉及一种冲击矿压的危险等级及畛域的判识方法，特别是涉及一种煤矿井下微震监测的基于震源参数反演的区域冲击危险等级及畛域的判识方法。


背景技术：

[0002]
我国煤炭开采深度以每年10-25m的速度迅速增加，导致采掘空间周围原岩应力水平急剧升高，加之煤层赋存的复杂性，以冲击矿压为代表的煤岩动力灾害成为掣肘煤炭高效开采的关键因素之一。冲击矿压的防治，尤其是冲击危险区域的精准探测是世界性难题之一。以微震监测为代表的地球物理方法，可实时、大范围对冲击危险区域进行监测，并且信息可实时传输，实现与其他预警信息多元化集中处理，在冲击矿压风险防控与预测预警方面具有广阔的前景。
[0003]
目前国内外学者已提出诸多微震预警指标，如能量、频次、时空扩散性、视应力、视体积，空间集中度等，但是上述指标通过指标值异常变化实现预警，如“指标值剧烈变化异常”、“高值或低值异常”，仅从定性方面进行判断，导致预测效率较低。此外，近年来发展迅速的基于微震的主、被动ct反演在冲击危险区域探测方面取得良好效果，但是其反演周期长、主动反演需人工放炮、布线(导致成本与劳动强度增加)、与生产相互干扰等成为制约其发展的主要问题之一。同时，波兰、中国的一些典型冲击矿压矿区，观测到常由低能矿震(能量小于104j)诱发冲击事件，反而高能矿震(能量大于104j)却未诱发冲击事件，这也是致使监测预警误报率增加的主要问题之一。因此对震源信息充分挖掘，提出一种综合多种震源信息的冲击危险等级及区域的判识方法意义重大。


技术实现要素：

[0004]
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于震源参数反演的区域冲击危险等级及畛域的判识方法，是一种综合利用震源参数信息，定量评估冲击危险程度、判识冲击危险畛域的区域冲击危险性探测方法。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案，包括以下步骤：
[0006]
步骤s1、建立目标区域空间坐标系及筛选矿震数据；
[0007]
步骤s2、建立目标区域冲击危险等级评估的指标体系，包括强度指标q和离散度指标h；
[0008]
步骤s3、计算目标区域冲击危险等级的评估指标值：
[0009]
步骤s4、根据目标区域冲击危险等级的评估指标值d判断目标区域的冲击危险等级，d值越大危险等级越高；
[0010]
步骤s5、根据震源中心与巷道间的最近距离及与震源半径的关系判断冲击危险畛域，根据目标区域危险等级和畛域制定预防对策。
[0011]
优选地，所述步骤s1中建立目标区域空间坐标系及筛选矿震数据的步骤是：
[0012]
s1.1、选择能量大于100j的震源作为目标区域，建立震源库并进行分析；
[0013]
s1.2、根据目标区域空间位置，选择参照点o(x0,y0,z0)为原点建立空间直角坐标系z；
[0014]
s1.3、根据与参照点o的相对位置，将震源库内所有震源坐标由世界坐标转换为相对坐标，其任意震源的坐标表示为(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0015]
s1.4、根据目标区域巷道与参照点o的空间相对位置，列出巷道在坐标系z下的几何表达式：其中x
j
,y
j
,z
j
为坐标系z下巷道首尾任意一点坐标(x
j
,y
j
,z
j
)的坐标分量，为巷道的空间方向向量。
[0016]
优选地，所述步骤s2中计算强度指标q的方法是：
[0017][0018]
其中，q
j
为震源库中第j个震源的强度指数q值，w
i
为震源库中第i种震源参数预测权重，v
ij
为震源库中第j个震源的第i种震源参数值，此处i取1，2，3时分别代表地震矩、辐射能量和视应力，为震源库中第j个震源的第i种震源参数的平均值，n为所用的震源参数类型总数。
[0019]
优选地，所述步骤s2中计算离散度指标h的方法是：
[0020][0021]
其中，w
ij
为震源参数相关关系的预测权重，u
ij
为两两对应的震源参数间的离散度，满足关系其中x，y分别为一组对应的震源参数类型，g
ij
(x)为一组拟合的震源参数相关关系，为一组震源参数间的离散极限，n为所用到的震源参数对数。
[0022]
优选地，所述震源参数包括：地震矩、辐射能量、视应力、震源半径，采用brune模型进行计算。
[0023]
优选地，对所述震源参数求解时，首先采用粒子群算法求解零频极限δ0与拐角频率f0，最终确定所述震源参数值。
[0024]
优选地，所述步骤s5中根据统计区域危险等级和畛域制定预防对策的具体方案为：
[0025]
当对应区域的冲击危险等级为a时，巷道冲击危险区域不需要进行卸压工作，只需加强目标区域的检测；
[0026]
当对应区域的冲击危险等级为b时，巷道冲击危险区域需要进行卸压工作，同时加
强目标区域的检测；
[0027]
当对应区域的冲击危险等级为c时，此时危险区域附近的人员立即撤离，间隔一段时间后进行卸压工作；
[0028]
当不同危险等级判断的巷道危险区域重合时，该区域危险等级应以高者为准。
[0029]
本发明的有益效果为：本发明对煤矿微震数据进行深度挖掘，可快速、精准预测冲击危险区域及危险等级，根据预测结果提前采取相关措施，降低该区域冲击危险，保障人员作业安全；根据微震数据实时计算危险区域，满足矿井冲击危险动态预警需要，符合煤矿智能化发展要求；综合利用震源参数进行冲击危险等级及畛域预测，所得结果便于现场实施，本发明建立的方法还具有物理意义明确、适于编程实现智能化的特点。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
[0031]
图1为本发明震源库中震源对应的各微震台站的波形记录；
[0032]
图2为本发明目标区域采掘工程平面图；
[0033]
图3为本发明目标区域空间坐标系；
[0034]
图4为本发明震源参数间的统计关系图；
[0035]
图5为本发明目标区域微震台站布置示意图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0038]
选取甘肃砚北煤矿250105-1工作面回采期间监测到的若干微震事件进行计算，微震台站的波形记录如图1所示；目标区域采掘工程平面图如图2所示。
[0039]
(1)建立目标区域空间模型及空间坐标系如图3所示，筛选矿震数据，按照如下方式进行：
[0040]
a.选择目标区域能量大于100j的震源建立分析震源库；
[0041]
b.根据目标区域空间位置，选择参照点o(x0,y0,z0)为原点建立空间直角坐标系z；
[0042]
c.根据与参照点o的相对位置，将震源库内所有震源坐标由世界坐标转换为相对坐标，其任意震源的坐标可表示为(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0043]
d.根据目标区域巷道与参照点o的空间相对位置，可列出巷道在坐标系z下的几何表达式：其中x
j
,y
j
,z
j
为坐标系z下巷道首尾任意一点坐标(x
j
,y
j
,
z
j
)的坐标分量，为巷道的空间方向向量；
[0044]
(2)建立目标区域冲击危险等级评估的指标体系，包括强度指标q和离散度指标h；
[0045]
强度指标q的计算方法为：
[0046][0047]
其中，q
j
为震源库中第j个震源的强度指数q值，w
i
为震源库中第i种震源参数预测权重，v
ij
为震源库中第j个震源的第i种震源参数值，此处i取1，2，3是时分别代表地震矩、辐射能量和视应力，为震源库中第j个震源的第i种震源参数的平均值，n为所用的震源参数类型总数；
[0048]
离散度指标h的计算方法为：
[0049][0050]
其中，w
ij
为震源参数相关关系的预测权重，u
ij
为两两对应的震源参数间的离散度，满足关系其中x，y分别为一组对应的震源参数类型，g
ij
(x)为一组拟合的震源参数相关关系，为一组震源参数间的离散极限，n为所用到的震源参数对数；当存在历史训练数据时，使用预测效能评分方法确定权重w
i
与w
ij
，当没有历史训练数据时各参数值w
i
与w
ij
相等；
[0051]
计算离散度指标h过程中，计算震源参数间离散度u
ij
与离散极限u
max
时，需先获得某一对震源参数间的统计关系如图4所示，根据该统计关系可获得离散极限u
max
，进一步可计算得到离散度u
ij
。
[0052]
所述的震源参数包括地震矩、辐射能量、视应力，采用brune模型进行计算：
[0053]
地震矩：
[0054]
其中，ρ为岩石密度，v为p波或s波的传播速度，r为震源与台站之间的距离，δ0为震源的零频极限，q为p波或s波的辐射因子(p波取0.52，s波取0.63)；
[0055]
辐射能量：
[0056]
其中，ρ为岩石密度，v
p
、v
s
分别为p波或s波的传播速度，r为震源与台站之间的距离，分别为震源辐射项，分别为在震源球上的平均值，t1、t2分别为p波、s波在时域波形中的起震点和和终止点。
[0057]
视应力：
[0058]
其中，τ为震源处岩体的剪切模量；e
s
为震动波辐射能量；m0为地震矩。
[0059]
采用brune模型计算震源半径：
[0060][0061]
其中，f
c
表示震源的拐角频率；v
p
为p波波速；
[0062]
进一步地，根据下式最终确定震源参数值：
[0063][0064]
其中，ψ为震源的某种震源力学参量的平均值；ψi为各台站的震源力学参量；n为参与计算的台站总数。
[0065]
采用粒子群算法求解零频极限δ0与拐角频率f0，采用下式计算迭代过程中理论值与实际值的残差(当残差满足条件时停止迭代)：
[0066][0067]
其中，r
i
表示采用第i组理论震源谱与实际震源谱之间的残差；k
i
为采用第i组f0与δ0时的理论震源谱；s
i
为实际震源谱。
[0068]
(3)根据下式计算目标区域冲击危险等级的评估指标值：
[0069][0070]
(4)根据目标区域冲击危险等级的评估指标值d判断目标区域的冲击危险等级，d值越大危险等级越高；
[0071]
(5)根据震源破裂半径与巷道间的距离判断冲击危险畛域，统计区域危险等级和畛域制定预防对策，具体方案为：
[0072]
当d＜0.5时，危险等级为a，对应区域为弱冲击危险等级，此时巷道冲击危险区域均不需进行卸压工作，只需加强目标区域的监测；
[0073]
当0.5≤d＜0.75时，危险等级为b，对应区域为中等冲击危险等级，此时应对危险区域进行卸压工作，同时加强监测；
[0074]
当d≥0.75时，危险等级为c，对应区域为强冲击危险等级，此时危险区域附近人员应立即撤离，间隔一段时间后进行卸压工作；
[0075]
如图5所示。
[0076]
当不同危险等级判断的巷道危险区域重合时，该区域危险等级应以高者为准。
[0077]
筛选目标区域震源共27个如表1所示：
[0078]
(2)震源参量反演结果及冲击危险等级评价结果如表1所示。
[0079]
表1
[0080][0081]
[0082]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。