一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法

本发明涉及煤岩受载破裂预警，尤其涉及一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法。

背景技术：

1、当今社会高速发展促使能源的需求量不断增大，其致使能源结构主要组成的煤炭开采量持续增大。此背景下各国煤炭开采愈发从地表浅层向地下深层迈进，在深部环境中开采时更易伴随发生煤岩动力灾害，其实质为煤岩受载达到抗压极限损伤破裂的过程。为降低此类灾害造成的损失需要从两方面入手，一方面是掌握其发生机理，另一方面是提出灾害预警手段，后者是前者的工程实践，有效且简明的受载煤岩破裂预警方法才能更好地完成预期目的。

2、目前有关煤岩受载破裂机理的假说与理论众多，主要包括“三因素”理论、冲击启动理论、扰动失稳理论等，尽管其阐述的角度不同，但其本质均与煤岩内部能量耦合与演化密不可分。基于这些理论学者们已提出众多煤岩预警方法，其较多是从力学参数或其对应能量角度去描述煤岩损伤过程，其虽具有较强的理论意义，但其在现场应用时弊端也尤为显著。因此，近年来随煤岩损伤变化且可无接触监测的物理量同样受到了广泛的关注，特别是电磁辐射，其前兆特征及连续动态监测的优势更适宜实际应用。但目前对电磁辐射产生及能量机理阐释仍不充分，且原始电磁辐射受本质特征影响多包含环境干扰分量，致使现存相关成果多数仍仅处在物理量表层变化规律或定性描述上，从一定程度上降低了其前兆特征的实际应用效果。综上可见，为提高煤岩动力灾害的防治水平，基于能量理论提出一种定量描述电磁辐射变化的煤岩受载破裂前兆特征的预警方法十分重要。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法。

2、本发明所采取的技术方案是一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，总体流程包括以下6个步骤。

3、步骤1：构建随时间t变化的受载煤岩电磁辐射能特征因子ef来表征受载煤岩损伤发展速率，该因子大小与煤岩损伤发展速率间呈正比，其可用式(1)表达。

4、ef(t)＝|k(t)+jk*(t)|    (1)

5、式中，k(t)为电磁辐射能密度增长率；k*(t)为希尔伯特变换后的电磁辐射能密度增长率。

6、进一步的，式(1)所述的电磁辐射能密度增长率k(t)本质为电磁辐射能密度累加量ue的一阶导数，其可用式(2)表示。

7、

8、更进一步的，式(2)所述的电磁辐射能密度累加量ue用式(3)表示。

9、

10、式中，we为电磁辐射能密度；ε为煤岩的介电常数；e(t)为与煤岩形变相关的电场强度；ee为煤岩未加载时环境中电场强度的平均值，其数值为利用电磁辐射仪采集至少1分钟空间电场强度数值再求其平均值而获得。

11、再进一步的，式(3)所述的与煤岩形变相关的电场强度e(t)是利用iceemdan-k-means-ip算法对煤岩加载过程中利用电磁辐射仪直接采集的原始电场强度e0(t)进行去噪后获得的，该算法可分为iceemdan分解产生模态函数、模态函数k-means聚类、基于改进皮尔逊系数的分类属性确定、信号重构共4步，其中基于改进皮尔逊系数的分类属性确定方法包括如下2条策略：

12、1)认定皮尔逊系数最大、趋于最大及最小的分量均应视为环境噪声(噪声主要来自采样装置、机械设备、电力系统、空间环境变化等)，应予以摒弃。

13、2)认定皮尔逊系数接近最小的分量(一般为皮尔逊系数次小的分量)为与煤岩形变相关电磁辐射信号，应予以保留。

14、进一步的，式(1)所述的希尔伯特变换后的电磁辐射能密度增长率k*(t)可用式(4)表示。

15、

16、步骤2：在复合煤岩加载过程中利用电磁辐射仪实时监测空间中的电场强度变化，并实时计算电磁辐射能特征因子ef并判断各个时刻是否为ef曲线的驻点，即ef是否满足(5)条件，当t时刻满足时则认定t时刻为ef的驻点。

17、

18、步骤3：判断驻点时刻的电磁辐射能特征因子ef是否满足极大值条件，若满足条件则记录该时刻及其对应ef数值，反之则继续等待，直至出现第一个极大值，极大值需要满足的条件如式(6)所示。

19、

20、步骤4：继续判断各时刻的ef是否为驻点直至出现第二个极大值点。

21、步骤5：对比第一个极大值点的ef与第二个极大值点的ef，并计算二者差值。

22、步骤6：若第二个ef大于第一个ef且二者差值介于0.1-0.25，则可认为这两个时刻之间为煤岩破裂预警区间，且受载复合煤岩即将发生破裂，若不满足上述条件，则证明第一次记录的时刻并不属于预警区间，应用第二个极大值时刻的代替第一个极大值时刻并继续上述步骤，直至满足预警条件，最终实现对煤岩破裂预警区间的明确。

23、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，利用iceemdan-k-means-ip算法对电磁辐射仪直接采集的电磁辐射去噪从而提升煤岩相关信号的占比，结合煤岩未加载时环境中电场强度的平均值获得电磁辐射能密度累加量，利用累加量的一阶导数及其希尔伯特变换构建受载煤岩电磁辐射能特征因子，实现对受载煤岩损伤发展速率的表征；结合复合煤岩电磁辐射能特征因子时间变化曲线上相邻两个极大值点的差值，明确煤岩破裂预警区间，突出受载煤岩破裂前兆特征。

技术特征：

1.一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，其特征在于，该方法包括以下6个步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，其特征在于，所述步骤1电磁辐射能密度增长率k(t)本质为电磁辐射能密度累加量ue的一阶导数，其可用式(2)表示，且希尔伯特变换后的电磁辐射能密度增长率k*(t)可用式(4)表示；

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，其特征在于，所述与煤岩形变相关的电场强度e(t)是利用iceemdan-k-means-ip算法对煤岩加载过程中利用电磁辐射仪直接采集的原始电场强度e0(t)进行去噪后获得的，该算法可分为iceemdan分解产生模态函数、模态函数k-means聚类、基于改进皮尔逊系数的分类属性确定、信号重构共4步，其中基于改进皮尔逊系数的分类属性确定方法包括如下2条策略：

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，其特征在于，所述步骤6预警区间确定方法如下：

技术总结
本发明公开了一种基于电磁辐射能特征因子的煤岩受载破裂前兆预警方法，属于灾害预警技术领域。该方法首先利用ICEEMDAN‑K‑Means‑IP算法提取原始电磁辐射中与煤岩形变相关分量，并结合未加载环境电场强度平均值计算电磁辐射能增量；之后累加电磁辐射能增量并分别求其一阶导数与希尔伯特变换，构造受载煤岩电磁辐射能特征因子；结合电磁辐射能特征因子时变规律，循环判断其极值点性质寻求预警区间开始时刻；分析特征因子临近极大值点的幅值大小，不断矫正预警区间开始时刻直至满足截止时刻，最终获得煤岩破裂前兆预警区间。利用本发明所提出的受载破裂前兆预警方法，可充分利用煤岩破裂过程中电磁辐射能量特征，量化前兆预警区间判断方法，有效提升煤岩动力灾害防治水平，对保障安全生产起到积极作用。

技术研发人员：李鑫,李昊,杨桢,卜婧然,李洪珠
受保护的技术使用者：辽宁工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15