一种煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法与流程

1.本发明涉及煤矿冲击地压灾害预测预报技术领域，特别是指一种煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法。


背景技术：

2.煤矿冲击地压灾害是世界范围内影响采矿业安全健康发展的主要因素之一，由于其机理复杂、类型多样，且此类灾害瞬时发生的特点使其“防不胜防”，具有极强的破坏性，一旦发生这种灾害将造成矿山人员生命和财产的重大损失。因此，对矿山动力灾害进行超前预测预报是预防重大冲击地压灾害事故发生的重要措施。目前针对冲击地压的实时预警技术方面已取得了较多的成果，但是对于采煤工作面超前预测预报的方法，目前尚无有效方案，更增加了煤矿冲击地压灾害治理的难度。
3.冲击地压是深埋地下工程在施工过程中常见的动力灾害破坏现象之一，目前，对于冲击地压灾害的监测预警，国内外已经提出了钻屑监测法、煤体应力监测法、电磁辐射监测法、地音和微震监测法等多种方法。
4.1)钻屑监测法：通过监测煤层钻孔排粉量变化规律以及相关的动力效应，了解煤体应力状态，以此预测冲击地压危险性，是目前最常使用的监测方法。但该方法具有因人而异的操作误差和不能连续监测的缺点。
5.2)煤体应力监测法：通过对煤体内采动应力进行连续监测，从应力场角度对煤岩体冲击危险性进行预测和评价，该方法实现了煤体采动应力变化量的连续监测。但该方法监测范围较小，而且监测结果对于自发型冲击地压的监测效果较好，对于诱发型冲击地压的监测效果较差。
6.3)电磁辐射监测法：对煤岩体破裂过程中向外辐射的电磁强度和脉冲数进行监测，以此判断煤岩体受载程度和破裂强度，得到冲击危险程度。但该方法受井下各种电信号的影响，所得结果具有不确定性。
7.4)地音和微震监测法：对煤岩体破裂过程中释放的震动信号进行监测，可分析得到煤岩体不同破裂阶段，了解煤岩体整体破坏情况和能量释放情况，实现冲击的预测和预警。但该方法只监测破裂产生的震动信号，且对于诱发型冲击地压的监测效果较好，对于自发型冲击地压的监测效果较差。
8.综上，针对于煤矿冲击地压影响因素的复杂性，矿井安装了很多监测系统，但存在各监测系统预警方法相对独立、联合预警效率低等突出问题，尤其是在多参量动态危险区的判识方面尤为突出。
9.在多参量监测预警方法方面，中国发明专利cn105257339b公开了一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，它主要通过规定掘进工作面分区域冲击地压多参量监测点的布置方案，实现了分区域的掘进工作面多参量联合预警，但是该方法仅限于掘进工作面，且仅得到了掘进工作面静态分区的多参量预警指数，并未对灾害的危险区域位置及危险程度进行处理分析。中国发明专利cn110043317b公开了一种矿山灾害多参量局部危险区判识预警
方法，该方法通过对监测点的空间定位，实现了矿山动力灾害的局部危险区的识别，并通过局部范围内的多参量监测结果，进行了局部危险程度的判识，但是该方法仅针对局部危险区的灾害风险进行了判识，没有对监测区整体危险程度进行分析与预警，无法完全满足现场监测需求。
10.目前行业内超前工作面防治的依据主要为静态危险性评价结果，这些评价结果通常是在工作面开采前提前完成的，忽略了工作面实际开采中的监测数据显现情况、卸压措施的落实情况等，上述问题导致超前工作面预测结果不具备很强的指导意义。


技术实现要素：

11.有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种超前预测精度高、广泛适用性强的煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法。
12.为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
13.一种煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法，包括：
14.步骤1：工作面巷道空间定位及信息录入
15.将工作面上、下两巷进行空间定位及分析单元的划分，并录入巷道属性和巷道内关键节点坐标信息；
16.步骤2：工作面静态冲击影响因素定位及录入
17.录入对工作面冲击地压显现相关地质影响因素和开采条件影响因素，录入信息包括影响因素名称、影响程度相关的应力集中系数，并且录入相对工作面两巷的影响范围，确定分析单元是否处于该影响因素下；
18.步骤3：工作面两巷静态冲击影响因素耦合叠加
19.将步骤2中录入的所有静态因素进行叠加运算，得到静态影响因素下的超前工作面巷道每个分析单元的应力叠加情况，并计算工作面两巷静态影响因素下每个分析单元的冲击危险性初步预测预报结果；
20.步骤4：工作面动态监测数据定位及危险性预测结果修正
21.以分析单元为单位，将动态监测结果进行定位及耦合运算，得到“动、静态叠加”影响下每个分析单元的冲击危险性预测预报结果；
22.步骤5：防治措施的定位及危险性预测结果修正
23.根据分析单元是否完成卸压施工工作，对预测预报结果进行修正，得到最终的超前工作面预测预报结果，作为指导现场冲击地压防治工作开展的依据。
24.进一步的，所述步骤1中，将巷道自工作面开口至停采线每预设距离作为一个分析单元。
25.进一步的，所述步骤2中，地质影响因素包括断层、褶曲和相变带；开采条件影响因素包括煤柱、初次来压和工作面见方。
26.进一步的，所述步骤3中，应力叠加方法包括：无影响因素时，为垂直应力；一个影响因素时，叠加应力＝垂直应力+集中应力增量；多个影响因素时，响因素时，叠加应力＝垂直应力+集中应力增量；多个影响因素时，其中n为影响因素个数。
27.进一步的，所述步骤3中，每个分析单元的冲击危险性初步预测预报结果包括：
28.无冲击地压危险，叠加应力《1.5倍煤层单轴抗压强度；弱冲击地压危险，1.5倍煤层单轴抗压强度≤叠加应力《1.8倍煤层单轴抗压强度；中等冲击地压危险，1.8倍煤层单轴抗压强度≤叠加应力《2.0倍煤层单轴抗压强度；强冲击地压危险，2.0倍煤层单轴抗压强度≤叠加应力。
29.进一步的，所述步骤4中，将监测数据划分为局部监测和区域监测两类，局部监测包括煤层应力监测和钻屑检验，区域监测包括微震监测；
30.局部监测的叠加方法，首先判别测点所属的分析单元，将测点以分析单元进行划分，计算每个测点预设时间内测点监测平均值，若达到预警阈值，则判断测点所属分析单元为预警状态；
31.区域监测的叠加方法，首先将微震事件按照工作面走向分布情况，划分至每个分析单元，对分析单元内的微震能量进行统计分析，通过空间域加权微震能量来评价分析单元是否处于微震预警状态。
32.进一步的，空间域加权微震能量的计算方法：以巷道中心为原点，划分半径d的球形空间区域，并筛选空间区域内的微震事件，对筛选出的微震事件的能量采用反距加权插值算法计算原点的空间域加权微震能量；以分析单元的宽度为步距分别计算每段巷道的空间域加权微震能量。
33.进一步的，所述步骤4包括：
34.将动态监测结果进行耦合，耦合评价方法如下：
35.微震监测预警应力监测预警钻屑监测预警耦合结果√√
×
弱冲击√√
×
中等冲击√√√强冲击√
×
√中等冲击
×
√
×
弱冲击
×
√√中等冲击
××
√弱冲击
×××
无
36.进一步的，所述步骤4包括：
37.对步骤3所得到的两巷静态预测结果进行修正，得到“动、静态叠加”影响下每个分析单元的冲击危险性预测预报结果，修正方法如下表：
[0038][0039]
进一步的，所述步骤5包括：
[0040]
若某一分析单元开展了相应的卸压措施，在相应的预测预报耦合结果上降一个危险等级；若未开展防治措施施工，则保持原预测预报结果，得到最终的超前工作面预测预报结果，作为指导现场冲击地压防治工作开展的依据。
[0041]
本发明具有以下有益效果：
[0042]
本发明的煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法的优势在于，目前行业内超前工作面防治的依据主要为静态危险性评价结果，这些评价结果通常是在工作面开采前提前完成的，忽略了工作面实际开采中的监测数据显现情况、卸压措施的落实情况等，上述问题导致超前工作面预测结果不具备很强的指导意义。本发明则利用工作面实际监测数据、防治措施落实情况等对工作面静态评价结果给予修正，采用的因素更为全面，预测预报的精度更高。并且，该方法预测预报结果可以随着采煤工作面的推进，动态调整，以应对不断变化的复杂条件。
附图说明
[0043]
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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0044]
图1为本发明的煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法的流程原理图；
[0045]
图2为本发明中工作面巷道空间定位的示意图；
[0046]
图3为本发明中工作面静态冲击影响因素定位的示意图；
[0047]
图4为本发明中工作面静态冲击影响因素耦合叠加的示意图；
[0048]
图5为本发明中空间域加权微震能量计算方法的示意图；
[0049]
图6为本发明中反距加权插值算法的示意图；
[0050]
图7为本发明中工作面危险性预测结果修正的示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0052]
应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
本发明设计了一种煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法，提出了通过对煤矿回采工作面超前影响区采用多参量分析的方法，预测超前开采范围的冲击危险等级及范围的方法。参与分析的参量包括了监测数据、地质条件、开采条件、卸压工程等。
[0054]
当前回采工作面超前影响范围冲击地压防治多仅采用冲击危险性静态评价结果作为防治依据，而忽略了动态监测结果，预测的危险性与实际显现程度的结合程度相对较差，导致防治措施未能与现场实际需求相结合。本发明解决了上述超前预测预报方面的弊端，采用冲击地压动态监测与地质条件、开采条件等静态环境相结合的方法，超前预测精度更高、广泛适用性更强。
[0055]
本发明提供一种煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法，如图1-7所示，包括：
[0056]
步骤1：工作面巷道空间定位及信息录入
[0057]
将工作面上、下两巷进行空间定位及分析单元的划分，并录入巷道属性和巷道内关键节点坐标信息。
[0058]
本步骤中，可以选取工作面两巷的关键节点，将工作面上、下两巷进行空间定位，定位坐标可以采用大地坐标系。
[0059]
录入巷道属性(上巷、下巷)、巷道内关键节点坐标信息(x，y，z)，作为步骤2中各类冲击地压影响因素、步骤3中各类动态监测数据在工作面两巷的相对位置判别的依据。
[0060]
例如，图2中录入信息可以如下表：
[0061][0062]
如图2所示，对于直线巷道，可选取开口a点与停采线b点的巷道中心线坐标对巷道进行定位(如图2中的上巷)；对于非直线巷道，可选取多个关键点进行巷道定位(如图2中的c、d、e、f四点)，定位完成后的巷道坐标将作为后续步骤中多因素叠加的基础模型。
[0063]
将工作面两巷道进行分析单元的划分，具体可以将巷道自工作面开口至停采线每预设距离作为一个分析单元，例如，图2中上巷自工作面开口至停采线每5m作为一个分析单元；再例如，图2中工作面上巷长度为500m，则该巷道自开口至停采线共划分100个分析单元(最后一个分析单元不足5m的，可以视为一个单元格)。
[0064]
步骤2：工作面静态冲击影响因素定位及录入
[0065]
录入对工作面冲击地压显现相关地质影响因素和开采条件影响因素，录入信息包括影响因素名称、影响程度相关的应力集中系数，并且录入相对工作面两巷的影响范围，确定分析单元是否处于该影响因素下。
[0066]
本步骤是在步骤1的基础之上，录入对工作面冲击地压显现相关地质影响因素和开采条件影响因素。地质影响因素可以包括断层、褶曲和相变带等；开采条件影响因素可以包括煤柱、初次来压和工作面见方等，如下表所示。录入信息可以包括影响因素名称、影响程度相关的应力集中系数等，录入的影响因素可扩展。
[0067][0068][0069]
并且录入各影响因素相对工作面两巷的影响范围，确定分析单元是否处于该影响因素下。
[0070]
例如：工作面上巷受到f1断层构造影响，f1断层起始点坐标为：起点(488，300，-100)，终点(495，300，-100)，按照步骤1中录入的巷道信息，判别其与工作面上巷相对位置关系为上巷自工作面开口5m-12m范围内，根据经验设置应力集中系数为1.5，则该影响因素录入信息有：影响因素名称“f1断层构造”；影响范围为“上巷自工作面开口5m-12m范围内”；应力集中系数为“1.5”，如图3所示，第二分析单元及第三分析单元均受到f1断层构造影响。
[0071]
步骤3：工作面两巷静态冲击影响因素耦合叠加
[0072]
将步骤2中录入的所有静态因素进行叠加运算，得到静态影响因素下的超前工作面巷道每个分析单元的应力叠加情况，并计算工作面两巷静态影响因素下每个分析单元的冲击危险性初步预测预报结果。
[0073]
本步骤中，可以分别以超前工作面一定范围内上、下两巷(根据冲击显现规律，默认范围可以为超前工作面300m内的两巷，范围可以根据特点应用条件调整)为静态因素叠加对象，将步骤2中录入的所有静态因素进行叠加运算，得到静态影响因素下的超前工作面巷道每个分析单元的应力叠加情况。应力叠加方法可以包括：无影响因素时，为垂直应力；一个影响因素时，叠加应力＝垂直应力+集中应力增量；多个影响因素时，
其中n为影响因素个数。对每个分析单元/单元格的叠加应力进行运算。
[0074]
例如：某工作面上巷埋深为1000m，巷道长度为500m，则垂直应力预估为σ＝λh＝0.025*1000＝25mpa，若上巷自工作面开口5m-12m范围内受到f1断层构造影响，假设应力集中系数为1.5，那么第二、第三分析单元叠加应力为：叠加应力＝垂直应力+集中应力增量＝25+0.5*25＝37.5mpa。由此上巷各分析单元应力叠加结果如下表所示。
[0075][0076]
根据叠加结果，计算两巷静态影响因素下每个分析单元的冲击危险性初步预测预报结果。具体可以采用多因素耦合评价方法，此处每个分析单元的冲击危险性初步预测预报结果优选包括：
[0077]
无冲击地压危险，叠加应力《1.5倍煤层单轴抗压强度；弱冲击地压危险，1.5倍煤层单轴抗压强度≤叠加应力《1.8倍煤层单轴抗压强度；中等冲击地压危险，1.8倍煤层单轴抗压强度≤叠加应力《2.0倍煤层单轴抗压强度；强冲击地压危险，2.0倍煤层单轴抗压强度≤叠加应力。
[0078]
例如：某工作面煤层单周抗压强度为16mpa，则案例中的静态因素影响下初步预测预报结果如下表，预测结果如图4。
[0079][0080]
步骤4：工作面动态监测数据定位及危险性预测结果修正
[0081]
以分析单元为单位，将动态监测结果进行定位及耦合运算，得到“动、静态叠加”影响下每个分析单元的冲击危险性预测预报结果。
[0082]
本步骤是在步骤3静态影响因素下的冲击危险性初步划分基础上，将工作面动态监测结果进行耦合修正，即以分析单元为单位，将包括应力、微震、钻屑检验等动态监测结果进行定位及耦合运算，得到“动、静态叠加”影响下每个分析单元的冲击危险性预测预报结果。
[0083]
本步骤中，优选的，将监测数据划分为局部监测和区域监测两类，局部监测包括煤层应力监测、钻屑检验等有固定测点位置的监测数据，区域监测包括微震监测等。
[0084]
局部监测的叠加方法，首先判别测点所属的分析单元，将测点以分析单元进行划分，计算每个测点预设时间内测点监测平均值，若达到预警阈值，则判断测点所属分析单元为预警状态；
[0085]
具体来说，局部监测的叠加方法，以煤层应力监测为例，首先判别应力测点所属的分析单元(格)，将应力测点以分析单元进行划分，计算每个应力测点当天(时间可调)应力测点监测平均值，若达到应力预警阈值，则判断应力测点所属分析单元为应力预警状态。
[0086]
例如：某工作面上巷安装了煤层应力监测系统，应力预警值为10mpa。上巷安装了
三个应力计，编号分别为y1、y2、y3，坐标分别为：y1(488，293，-100)；y2(487，286，-100)；y3(484，293，-100)，按照步骤1中录入的巷道信息，判别三个应力计与工作面上巷相对位置关系为上巷自工作面开口12m、13m、16m位置，则三个应力计所属分析单元分别为第三、第三和第四分析单元。假设当天应力平均值分别为6.5mpa、11.5mpa、12.0mpa，则上巷第三、第四分析单元均触发应力监测预警，如下表所示。
[0087][0088]
钻屑监测的判别方法与煤层应力监测相同，通过钻屑量是否超限，评判钻屑监测所属分析单元为预警状态。
[0089]
例如：某工作面上巷当天施工了3个钻屑监测孔，钻屑预警指标为每米最大钻屑量不超过2.0kg，施工位置分别是上巷自工作面开口12m、18m、21m，则三个监测孔所属分析单元分别为第三、第四和第五分析单元。假设钻屑量分别为每米最大1.8kg、2.5kg、5.1kg，则上巷第四、第五分析单元均触发钻屑监测预警，如下表所示。
[0090][0091]
区域监测的叠加方法，以微震监测为例，首先将微震事件按照工作面走向分布情况，划分至每个分析单元，对分析单元内的微震能量进行统计分析，通过空间域加权微震能量来评价分析单元是否处于微震预警状态。
[0092]
空间域加权微震能量定义为根据微震振动波在介质中传播时，随传播距离存在能量衰减的特性，采用反距加权插值算法计算一定空间区域内的微震事件能量对巷道某一点的影响值。
[0093]
空间域加权微震能量的计算方法可以是：如图5所示，以巷道中心为原点，划分半径d(例如可以暂定为150m，可调)的球形空间区域，并筛选空间区域内的微震事件，对筛选出的微震事件的能量采用反距加权插值算法计算原点的空间域加权微震能量；以分析单元的宽度(上面例子中为5m)为步距分别计算每段巷道的空间域加权微震能量。(实时数据显示，计算距离可以为工作面前300m巷道；历史数据查询，计算距离可以为起始时间至结束时间内的巷道)。
[0094]
其中，反距加权插值算法，是一种应用广泛的空间插值算法，采样点对插值结果的影响随距离增加而减弱。如图6所示，设点集为e＝{e1(x1，y1，z1)，e2(x2，y2，z2)，e3(x3，y3，z3)，...，en(xn，yn，zn)，}，每个点集的微震能量为e1，e2，e3，...，en，则目标点的空间域加权微震能量为：
[0095]
[0096]
式中：e0为计算原点的空间域加权微震能量；ei为第i离散点ei的微震能量；wi为第i离散点ei的计算权重；di为第i离散点与计算原点的空间距离，若某离散点空间距离0≤di＜1，则此点计算权重取1；β为常数，取1.62，根据《岩土介质中冲击震动波传播规律的微震试验研究》中得到的4种介质能量平均衰减指数为1.62。
[0097]
评价方法：可以采用设置预警阈值对每段巷道的空间域加权微震能量进行判定，判断阈值需要根据现场监测数据分析得出。初始阈值可以设定为：无危险阈值为0≤e0＜5000j，有危险判断阈值为5000j≤e0。
[0098]
例如：经以上预算分析，得到第四、第五分析单元有冲击危险，其他位置无冲击危险，如下表所示。
[0099][0100]
将动态监测结果进行耦合，耦合评价方法可以如下：
[0101]
微震监测预警应力监测预警钻屑监测预警耦合结果√√
×
弱冲击√√
×
中等冲击√√√强冲击√
×
√中等冲击
×
√
×
弱冲击
×
√√中等冲击
××
√弱冲击
×××
无
[0102]
例如：根据以上案例的煤层应力、微震、钻屑监测结果，评价工作面上巷各分析单元的动态耦合预测预报结果如下表。
[0103]
分析单元微震预测结果应力预测结果钻屑预测结果动态耦合结果一、二
×××
无冲击危险三√
ꢀ×
弱冲击危险四√√√强冲击危险五
×
√√中等冲击危险六～一百
×××
无冲击危险
[0104]
然后，根据以上每个分析单元的动态监测耦合评价结果，对步骤3所得到的两巷静态预测结果进行修正，得到“动、静态叠加”影响下的冲击危险性预测预报结果，修正方法可以如下表。
[0105][0106]
例如：根据以上案例的上巷各分析单元的动态耦合预测预报结果，对步骤3所得到的两巷静态预测结果进行修正，得到“动、静态叠加”影响下每个分析单元的冲击危险性预测预报结果如下表：
[0107][0108]
步骤5：防治措施的定位及危险性预测结果修正
[0109]
根据分析单元(格)内是否完成卸压施工工作，对预测预报结果进行修正，得到最终的超前工作面预测预报结果，作为指导现场冲击地压防治工作开展的依据。
[0110]
本步骤是在步骤4“动、静态叠加”影响下的冲击危险性预测预报结果基础之上，将分析单元内主动施工的卸压等防治措施情况进行定位，根据分析单元内是否完成卸压施工工作，对预测预报结果进行修正，得到最终的超前工作面预测预报结果，作为指导现场冲击地压防治工作开展的依据。
[0111]
本步骤可以录入防治措施施工记录，按照工作面走向位置情况，划分至每个分析单元，根据分析单元是否采取了煤层大直径卸压、顶板爆破等防治措施，对步骤4所得到的动、静态叠加”影响下的冲击危险性预测预报结果进行修正。
[0112]
具体来说，本步骤可以包括：若某一分析单元开展了相应的卸压措施，比如煤层大直径卸压、顶板爆破等防治措施，在相应的预测预报耦合结果上降一个危险等级；若未开展防治措施施工，则保持原预测预报结果，得到最终的超前工作面预测预报结果，作为指导现场冲击地压防治工作开展的依据。
[0113]
例如：假设上巷自工作面开口5-20m按照冲击地压相关的防治要求开展了煤层大直径卸压施工，则对应第二～第四分析单元的危险等级降低一级，修正后的结果如下表及图7。
[0114][0115]
综上，本发明的煤矿冲击地压多参量超前预测预报方法的优势在于，目前行业内
超前工作面防治的依据主要为静态危险性评价结果，这些评价结果通常是在工作面开采前提前完成的，忽略了工作面实际开采中的监测数据显现情况、卸压措施的落实情况等，上述问题导致超前工作面预测结果不具备很强的指导意义。本发明则利用工作面实际监测数据、防治措施落实情况等对工作面静态评价结果给予修正，采用的因素更为全面，预测预报的精度更高。并且，该方法预测预报结果可以随着采煤工作面的推进，动态调整，以应对不断变化的复杂条件。
[0116]
本发明可广泛适用于受煤矿冲击地压灾害威胁的矿井危险性预测预报，适用范围广、针对性强、能够满足各矿井现场需求。
[0117]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。