一种基于微震监测的多参数多指标震级分类联合预警方法

本发明属于深部矿山微震预警分级，具体涉及一种基于微震监测的多参数多指标震级分类联合预警方法。

背景技术：

1、随着浅部资源的日趋枯竭，矿山开采深度不断增加，地下采空区的空间也不断增加，岩爆灾害事故在矿山井下工程建设中频发，深部硬岩井下施工安全面临严峻挑战；进入深部开采环境的矿山，将面临高应力、高温度、高渗透压、高井深及强烈的开采扰动问题，一旦发生岩爆或地压灾害将会导致严重的事故后果，严重威胁矿工生命和国家财产安全。

2、传统的岩爆等灾害事故预测模型所得结果大部分为定性表达的风险等级，且多集中于事故发生倾向性判据的研究，尚未给出事故风险等级与发生概率间的对应关系，难以量化事故发生可能性的概率。

3、目前现有技术大多集中在对岩爆等灾害风险等级的预测上，如基于各种机器学习算法的岩爆预测方法，微震监测系统现也已经成为短期内预测岩爆等灾害的有效手段，但这些方法难以将灾害事故的发生概率进行量化，也并未给出事故概率与其风险等级间的关系。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种事故发生概率能够量化、指导性提高的基于微震监测的多参数多指标震级分类联合预警方法。

2、本发明提供的这种基于微震监测的多参数多指标震级分类联合预警方法，包括如下步骤：

3、s1.获取岩体失稳危险区域发生灾害事故的前兆微震信息；

4、s2.采用步骤s1获取的前兆微震信息数据进行分析处理，选取代表性震源参数；

5、s3.采用步骤s2选取的震源参数，通过多参数联合概率分布函数，建立危险区域发生岩爆等灾害事故的可能性概率可靠度估测模型，确定灾害事故发生概率，通过事故后果严重程度构建事故后果当量指标；

6、s4.采用步骤s3确定的指标，基于风险矩阵理论，构建风险矩阵期望表；

7、s5.采用步骤s4构建的风险矩阵期望表，通过对岩体失稳危险区域进行分级和评估处理，确定被监测区域的风险等级，采取相应防护措施，完成对监测区域的预警处理；

8、步骤s1所述的获取岩体失稳危险区域发生灾害事故的前兆微震信息，具体包括：

9、通过微震监测系统，从时序的角度分析微震事件，在不同的采动扰动下，根据岩石的微裂纹静态空间扩展分析岩体失稳变化过程，从工程进度的角度分析微震事件随开挖活动的变化规律，分析岩体在不同位置发生的裂纹孕育扩展破坏的动态过程；

10、步骤s2所述的采用步骤s1获取的前兆微震信息数据进行分析处理，选取代表性震源参数，具体包括：

11、选取常见的与微破裂活动密切相关，且能够反映出监测地区岩爆孕育规律的微震参数，包括：

12、累积事件数n(个)、累计释放能量对数lge(j)、累积视体积对数lgv(m3)；

13、步骤s3所述的采用步骤s2选取的震源参数，通过多参数联合概率分布函数，建立危险区域发生岩爆等灾害事故的可能性概率可靠度估测模型，确定灾害事故发生概率，通过事故后果严重程度构建事故后果当量指标，具体包括：

14、(3-1)多参数变量的联合概率分布函数：

15、采用非参数估计核密度估计法，针对震源参数进行核密度函数估计，分别确定岩爆灾害的三个微震监测参数的概率密度函数，计算公式如下所示：

16、

17、

18、

19、其中，fn(n)表示累积事件个数对应的概率密度函数；fe(e)表示累计释放能量对数对应的概率密度函数；fv(v)表示累积视体积对数对应的概率密度函数；k(·)表示核函数；n表示累积事件数；e表示累计释放能量；v表示累积视体积数；

20、针对计算得到的fn(n)、fe(e)、fv(v)进行积分处理，获取对应的边缘累积分布函数fn(n)、fe(e)、fv(v)；

21、将“岩爆灾害风险”定义为微震事件数、微震累积释放能量数和微震累积视体积数两两联合构建联合分布copula函数关系式，计算公式如下所示：

22、cθ(n,e)＝p(n≤n,lge≤lge)＝cθ(fn(n),fe(e))

23、cθ(n,v)＝p(n≤n,lge≤lgv)＝cθ(fn(n),fv(v))

24、cθ(e,v)＝p(lge≤lge,lgv≤lgv)＝cθ(fe(e),fv(v))

25、其中，cθ(·)表示关于微震参数的copula函数；θ表示待定系数；

26、基于copula函数，针对选取的微震参数的不确定性，构建多参数变量的联合概率分布函数，表示灾害发生的危险可能性与微震参数之间存在的非线性关系，采用下述公式表示基于copula函数建立的岩爆灾害发生危险性联合分布函数：

27、cgu(u,v)＝exp(-[(-lnu)1.19125+(-lnv)1.19125]1/1.19125)

28、cgu(u,w)＝exp(-[(-lnu)1.8934+(-lnw)1.8934]1/1.8934)

29、

30、其中，cgu(u,v)表示，选取gumbel copula函数建立的微震事件数与微震累积释放能量对数的二维联合分布copula函数；cgu(u,w)表示选取gumbel copula函数建立的微震事件数与微震累积视体积对数的二维联合分布copula函数；ct(v,w)表示选取t-copula函数建立的微震累积释放能量对数与微震累积视体积对数的二维联合分布copula函数；

31、u表示微震事件数对应的边缘分布函数的累积概率，计算公式如下所示：

32、u＝fn(n)

33、v表示微震累积释放能量对数对应的边缘分布函数的累积概率，计算公式如下所示：

34、v＝fe(e)

35、w表示微震累积视体积数对数对应的边缘分布函数的累积概率，计算公式如下所示：

36、w＝fv(v)

37、k表示自由度；t表示t分布；表示为自由度为k的一元t分布的分布函数的逆函数；

38、在研究岩爆灾害风险时，通常更关注微震事件、微震累积释放能量及微震视体积数超过某一数值时的岩爆灾害风险大小，采用下述公式计算岩爆灾害风险概率：

39、p(n＞n,e＞lge)＝1-fn(n)-fe(e)+fn,e(n,e)＝1-fn(n)-fe(e)+cgu(u,v)p(n＞n,v＞lgv)＝1-fn(n)-fv(v)+fn,v(n,v)＝1-fn(n)-fv(v)+cgu(u,w)

40、p(e＞e,v＞lgv)＝1-fe(e)-fv(v)+fe,v(e,v)＝1-fe(e)-fv(v)+ct(v,w)

41、其中，p(n＞n,e＞lge)表示微震事件、微震累积释放能量对数超过某一数值时的灾害概率；p(n＞n,v＞lgv)表示微震事件、微震累积视体积对数超过某一数值时的灾害概率；p(e＞e,v＞lgv)表示微震累积释放能量对数、微震累积视体积数对数超过某一数值时的灾害概率；

42、(3-2)划分监测区域的岩爆灾害危险程度等级：

43、基于步骤(3-1)获取的岩爆灾害概率，按照岩爆等级，将监测区域的岩爆灾害危险程度划分为以下五个等级，分别为：

44、当岩爆灾害发生概率为0≤p＜0.2时，岩爆等级为“无危险区”；

45、当岩爆灾害发生概率为0.2≤p＜0.4时，岩爆等级为“低危险区”；

46、当岩爆灾害发生概率为0.4≤p＜0.6时，岩爆等级为“中危险区”；

47、当岩爆灾害发生概率为0.6≤p＜0.8时，岩爆等级为“高危险区”；

48、当岩爆灾害发生概率为0.8≤p＜1时，岩爆等级为“极高危险区”；

49、(3-3)确定事故后果当量指标：

50、从人员伤亡、巷道破坏、工期延误三个方面定量评估岩爆灾害发生后果严重程度，采用下述公式建立事故后果当量指标：

51、s1＝k1d1+k2d2+k3d3

52、s2＝br

53、dc＝s1+s2+s3

54、其中，s1表示人员伤损失；k1表示根据当前的经济状况，死亡人数为1人时造成的综合财产损失；k2表示根据当前的经济状况，重伤人数为1人时造成的综合财产损失；k3表示表示根据当前的经济状况，轻伤人数为1人时造成的综合财产损失；d1表示死亡人数；d2表示重伤人数；d3表示轻伤人数；s2表示巷道破坏损失；b表示根据项目规模选择单位距离巷道遭到破坏的损失；r表示遭到破坏的巷道距离；s3表示工期延误损失；dc表示事故总当量值，单位为万元；

55、当dc＞1000时，对应后果等级s为5，后果等级描述为“灾难性的”；

56、当dc的范围在300-1000时，对应后果等级s为4，后果等级描述为“重大的”；

57、当dc的范围在100-300时，对应后果等级s为3，后果等级描述为“严重的”；

58、当dc的范围在30-100时，对应后果等级s为2，后果等级描述为“一般的”；

59、当dc＜30时，对应后果等级s为1，后果等级描述为“轻微的”；

60、步骤s4所述的采用步骤s3确定的指标，构建风险矩阵期望表，具体包括：

61、采用步骤s3确定的指标，结合风险概率和事故后果，获取风险矩阵期望表，和对应的岩爆防控措施：

62、(4-1)当风险概率为“极高风险”0.8≤p＜1，后果程度等级为s＝1时，岩爆风险0.8≤r＜1，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

63、当风险概率为“极高风险”0.8≤p＜1，后果程度等级为s＝2时，岩爆风险1.6≤r＜2，表示“不可接受”，控制原则及方案选择：需进行决策并制定控制、预警措施；

64、当风险概率为“极高风险”0.8≤p＜1，后果程度等级为s＝3时，岩爆风险2.4≤r＜3，表示“不可接受”，控制原则及方案选择：需进行决策并制定控制、预警措施；

65、当风险概率为“极高风险”0.8≤p＜1，后果程度等级为s＝4时，岩爆风险3.2≤r＜4，表示“拒绝接受”，控制原则及方案选择：立即停止，整改、规避或启动紧急预案；

66、当风险概率为“极高风险”0.8≤p＜1，后果程度等级为s＝5时，岩爆风险4≤r＜5，表示“拒绝接受”，控制原则及方案选择：立即停止，整改、规避或启动紧急预案；

67、(4-2)当风险概率为“高风险”0.6≤p＜0.8，后果程度等级为s＝1时，岩爆风险0.6≤r＜0.8，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

68、当风险概率为“高风险”0.6≤p＜0.8，后果程度等级为s＝2时，岩爆风险1.2≤r＜1.6，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

69、当风险概率为“高风险”0.6≤p＜0.8，后果程度等级为s＝3时，岩爆风险1.8≤r＜2.4，表示“不可接受”，控制原则及方案选择：需进行决策并制定控制、预警措施；

70、当风险概率为“高风险”0.6≤p＜0.8，后果程度等级为s＝4时，岩爆风险2.4≤r＜3.2，表示“不可接受”，控制原则及方案选择：需进行决策并制定控制、预警措施；

71、当风险概率为“高风险”0.6≤p＜0.8，后果程度等级为s＝5时，岩爆风险3≤r＜4，表示“不可接受”，控制原则及方案选择：立即停止，整改、规避或启动紧急预案；

72、(4-3)当风险概率为“中风险”0.4≤p＜0.6，后果程度等级为s＝1时，岩爆风险0.4≤r＜0.6，表示“可接受”，控制原则及方案选择：注重并加强日常管理维护，努力降低风险；

73、当风险概率为“中风险”0.4≤p＜0.6，后果程度等级为s＝2时，岩爆风险0.8≤r＜1.2，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

74、当风险概率为“中风险”0.4≤p＜0.6，后果程度等级为s＝3时，岩爆风险1.2≤r＜1.8，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

75、当风险概率为“中风险”0.4≤p＜0.6，后果程度等级为s＝4时，岩爆风险1.6≤r＜2.4，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

76、当风险概率为“中风险”0.4≤p＜0.6，后果程度等级为s＝5时，岩爆风险2≤r＜3，表示“不可接受”，控制原则及方案选择：需进行决策并制定控制、预警措施；

77、(4-4)当风险概率为“低风险”0.2≤p＜0.4，后果程度等级为s＝1时，岩爆风险0.2≤r＜0.4，表示“可忽略”，控制原则及方案选择：只需进行日常管理和监测；

78、当风险概率为“低风险”0.2≤p＜0.4，后果程度等级为s＝2时，岩爆风险0.4≤r＜0.8，表示“可接受”，控制原则及方案选择：注重并加强日常管理维护，努力降低风险；

79、当风险概率为“低风险”0.2≤p＜0.4，后果程度等级为s＝3时，岩爆风险0.6≤r＜1.2，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

80、当风险概率为“低风险”0.2≤p＜0.4，后果程度等级为s＝4时，岩爆风险0.8≤r＜1.6，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

81、当风险概率为“低风险”0.2≤p＜0.4，后果程度等级为s＝5时，岩爆风险1≤r＜2，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

82、(4-5)当风险概率为“无风险”0≤p＜0.2，后果程度等级为s＝1时，岩爆风险0≤r＜0.2，表示“可忽略”，控制原则及方案选择：只需进行日常管理和监测；

83、当风险概率为“无风险”0≤p＜0.2，后果程度等级为s＝2时，岩爆风险0.2≤r＜0.4，表示“可忽略”，控制原则及方案选择：只需进行日常管理和监测；

84、当风险概率为“无风险”0≤p＜0.2，后果程度等级为s＝3时，岩爆风险0.4≤r＜0.6，表示“可接受”，控制原则及方案选择：注重并加强日常管理维护，努力降低风险；

85、当风险概率为“无风险”0≤p＜0.2，后果程度等级为s＝4时，岩爆风险0.6≤r＜0.8，表示“可接受”，控制原则及方案选择：注重并加强日常管理维护，努力降低风险；

86、当风险概率为“无风险”0≤p＜0.2，后果程度等级为s＝5时，岩爆风险0.8≤r＜1，表示“不期望”，控制原则及方案选择：应当引起重视，需防范并采取监控措施；

87、步骤s5所述的采用步骤s4构建的风险矩阵期望表，通过对岩体失稳危险区域进行分级和评估处理，确定被监测区域的风险等级，采取防护措施，完成对监测区域的预警处理，具体包括：

88、在确定岩体失稳危险区域的风险值的基础上，构建高应力岩体区域危险性动态监测与风险分级模型，并对危险分级效果的评价体系进行可行性分析。

89、本发明提供的这种基于微震监测的多参数多指标震级分类联合预警方法，通过获取岩体失稳危险区域发生灾害事故的前兆微震信息选取震源参数；提出多参数联合概率分布函数，建立灾害发生可能性概率模型，根据事故后果严重程度确定事故后果当量指标；基于风险矩阵理论，构建风险矩阵期望表，确定被监测区域的风险等级，进而完成对监测区域的预警处理；本发明方法对于对微震监测的岩体失稳危险区域进行危险性和震级分级、指导微震事件发生异常区域的人员及设备撤离、降低短期人员作业的风险具有极为重要的意义；而且本发明方法能够量化事故发生概率、且指导性提高。