一种采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法

本发明涉及一种采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，属于煤岩体损伤监测评估。

背景技术：

1、在煤炭工作面回采过程中，工作面前方0～20m范围内的煤岩体会出现超前应力集中现象。这部分区域的煤岩体在顶板周期破断和临近工作面的采掘扰动下，会形成震源聚集的损伤区域。此外，由于回采工作面地质条件的复杂性和开采技术条件的困难性，会导致该损伤区域范围扩大，损伤程度加剧，进而导致常规卸压措施和支护措施无法满足需求而诱发动力灾害。由于目前针对于采煤工作面前方，因开采扰动形成损伤区域的范围不清晰和损伤区域的损伤等级判定不准确，从而无法提前采取针对性的卸压措施和支护措施，最终导致动力灾害的发生。

2、因此，如何提供一种新的方法，使其能针对工作面前方损伤区域的损伤等级进行精准评估，以便根据评估后不同的损伤等级指导实施针对性的解危措施，从而降低工作面动力灾害发生的概率和强度，保证采煤工作面的安全生产，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，能针对工作面前方损伤区域的损伤等级进行精准评估，以便根据评估后不同的损伤等级指导实施针对性的解危措施，从而降低工作面动力灾害发生的概率和强度，保证采煤工作面的安全生产。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，具体步骤为：

3、a、在煤炭开采工作面布置微震传感器，收集工作面回采期间的微震信号；

4、b、对收集的微震信号进行震源定位，确定震源聚集区域，即工作面开采扰动下形成的各个损伤区域；

5、c、依据步骤a收集的微震信号，分别计算步骤b确定各个损伤区域回采过程中的微震s值，微震b值，微震f值及微震q值；

6、d、依据各个损伤区域回采过程中微震s值，微震b值，微震f值及微震q值的计算结果，将各项指标值对各个损伤区域的判定结果分别记为θ1i，θ2i，θ3i，θ4i；

7、e、依据整个回采阶段的损伤区域各自四项指标值变化，采用熵权法赋予微震s值，微震b值，微震δf值及微震q值的权重分别为λ1，λ2，λ3，λ4；

8、f、基于各个损伤区域回采期间各项指标的权重与判定结果，计算损伤区域的综合评价指数ψ；

9、g、步骤f计算得到的ψ值判定煤岩体损伤等级，具体为：①当0.3<ψ<0.5，结果为低损伤等级；②0.5≤ψ<0.7，评价结果为中损伤等级；③0.7≤ψ≤1，评价结果为高损伤等级。

10、进一步，所述步骤c中各项微震指标的具体计算过程如下：

11、微震s值：

12、

13、微震b值：

14、

15、微震f值：

16、

17、微震q值：

18、

19、上述各式中：n为工作面回采期间收集的微震信号数量；m表示微震信号的震级；e表示微震信号的能量；m′为所有微震信号中的最大震级；t表示每个指标计算区间的时间段；mi表示第ni个微震信号的震级；ei表示第ni个微震信号的能量；其中微震s值和微震f值与煤岩体损伤程度呈正相关，微震b值和微震q值与煤岩体损伤程度呈负相关。

20、进一步，所述步骤e中采用熵权法确定各项微震指标权重的具体过程为：

21、将回采阶段四项指标的计算结果进行归一化处理，正向指标微震s值和微震f值按照公式(5)处理，负向指标微震b值和微震q值按照公式(6)处理；

22、正向指标：

23、

24、负向指标：

25、

26、式中：aij表示初始样本值，aij′表示标准化后样本值。根据信息论中熵的定义，能得到第i个样本的第j个指标的权重λj为：

27、

28、

29、

30、式中：pij为第i个样本的第j个指标的比重；ej第i个样本的第j个指标的熵值；n为样本个数，y表示指标数目，本次取4；依据上述公式，计算获得λ1，λ2，λ3，λ4各自的权重值。

31、进一步，所述步骤f按照公式(10)计算各损伤区域的综合评价指数ψ：

32、

33、式中：θimax表示判定结果最大值(即θ1max为θ1i取值范围内的最大值，θ2max为θ2i取值范围内的最大值，θ3max为θ3i取值范围内的最大值，θ4max为θ4i取值范围内的最大值)，ψ的取值范围为0.3<ψ≤1。

34、进一步，所述步骤b中微震定位前需要对震源信号进行筛选，剔除微震能量小于500j微震信号(且筛选门槛值应在500j～800j之间，环境噪声越高，筛选门槛值越高)，保证所有微震信号均是煤岩体破裂释放的弹性波，进而精准划分损伤区域。

35、进一步，所述步骤d中微震s值，微震b值，微震f值及微震q值对采煤工作面损伤区域的判定结果，需要结合该煤矿已建立的微震数据库(即已经回采完毕工作面的微震数据)，确定单一指标在不同损伤等级区域的取值范围，从而确定θi的值；设定单一指标评价结果的低、中、高等级损伤对应值分别为1、2、3，即为θ1i，θ2i，θ3i，θ4i的取值范围。

36、进一步，所述步骤e中在工作面开始回采前，结合该煤矿已建立的微震数据库(即已经回采完毕工作面的微震数据)，采用熵权法计算各项指标的初始权重λ1，λ2，λ3，λ4；之后在整个回采过程中，在既有微震数据库中持续加入当前工作面回采的微震数据，并持续采用熵权法重新计算各项指标的权重，从而对各项指标的初始权重进行实时更新。

37、与现有技术相比，本发明先收集工作面回采期间的微震信号，并对收集的微震信号进行震源定位，确定损伤区域；根据收集的微震信号，分别计算损伤区域回采过程中的微震s值，微震b值，微震f值及微震q值；并根据计算结果，获得各项微震指标对各个损伤区域的判定结果；接着依据整个回采阶段的四项指标值变化，采用熵权法赋予各项微震指标的权重；基于各个损伤区域回采期间各项指标的权重与判定结果，计算损伤区域的综合评价指数ψ；最后根据ψ值判定各个损伤区域的煤岩体损伤等级；通过上述过程，使得本发明能针对工作面前方损伤区域的损伤等级进行精准评估，以便根据评估后不同的损伤等级指导实施针对性的解危措施，从而降低工作面动力灾害发生的概率和强度，保证采煤工作面的安全生产。

技术特征：

1.一种采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，具体步骤为：

2.根据权利要求1所述采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，所述步骤c中各项微震指标的具体计算过程如下：

3.根据权利要求1所述采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，所述步骤e中采用熵权法确定各项微震指标权重的具体过程为：

4.根据权利要求1所述采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，所述步骤f按照公式(10)计算各损伤区域的综合评价指数ψ：

5.根据权利要求1所述采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，所述步骤b中微震定位前需要对震源信号进行筛选，剔除微震能量小于500j的微震信号，保证所有微震信号均是煤岩体破裂释放的弹性波，进而精准划分损伤区域。

6.根据权利要求1所述采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，所述步骤d中微震s值，微震b值，微震f值及微震q值对采煤工作面损伤区域的判定结果，需要结合该煤矿已建立的微震数据库，确定单一指标在不同损伤等级区域的取值范围，从而确定θi的值；设定单一指标评价结果的低、中、高等级损伤对应值分别为1、2、3，即为θ1i，θ2i，θ3i，θ4i的取值范围。

7.根据权利要求1所述采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，其特征在于，所述步骤e中在工作面开始回采前，结合该煤矿已建立的微震数据库，采用熵权法计算各项指标的初始权重λ1，λ2，λ3，λ4；之后在整个回采过程中，在既有微震数据库中持续加入当前工作面回采的微震数据，并持续采用熵权法重新计算各项指标的权重，从而对各项指标的初始权重进行实时更新。

技术总结
本发明公开了一种采煤工作面煤岩体损伤等级判定的综合评价方法，先收集工作面回采期间的微震信号，并确定损伤区域；根据收集的微震信号，分别计算损伤区域回采过程中四项微震指标；根据计算结果获得各项微震指标对各个损伤区域的判定结果；接着依据整个回采阶段的四项指标值变化，采用熵权法赋予各项微震指标的权重；基于各个损伤区域回采期间各项指标的权重与判定结果，计算损伤区域的综合评价指数Ψ；最后根据Ψ值判定各个损伤区域的煤岩体损伤等级；因此能针对工作面前方损伤区域的损伤等级进行精准评估，以便根据评估后不同的损伤等级指导实施针对性的解危措施，从而降低工作面动力灾害发生的概率和强度，保证采煤工作面的安全生产。

技术研发人员：杨景,王磊,唐劲舟,周坤友,卜宜顺,阚吉亮
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15