一种冲击矿压时序监测预警方法

摘要

本发明公开了一种冲击矿压时序监测预警方法，包括如下步骤：（1）计算冲击变形能预警指标值W

说明书

技术领域

本发明涉及冲击矿压时序监测预警方法，是一种短期定量化时序监测预警新指标。

背景技术

冲击矿压灾害的监测预警是世界性难题之一，至今各国仍未完全解决此类灾害在时 间和地点上的准确预测预报。正因为如此，现场的多起冲击矿压事故给工作面安全回采 和巷道掘进带来了巨大威胁，也给矿井造成了巨大的经济损失。如河南义马千秋煤矿 2011年“11·3”冲击矿压事故，当时75名矿工被困，最终67名成功获救，8名矿工遇难； 江苏徐州张双楼煤矿2011年“7·30”冲击矿压事故，造成6名矿工遇难；孙家湾煤矿2005 年“2·14”特大瓦斯爆炸事故，冲击矿压诱发，214人死亡；卢岭煤矿2003年“5·13”瓦斯 爆炸事故，冲击矿压诱发，84人死亡。随着开采水平向深部转移，冲击矿压威胁会更大， 成为了制约矿井安全高效生产的首要难题。

目前，冲击矿压的监测预警方法主要包括：微震监测、电磁辐射监测、声发射监测、 钻屑量监测、工作面矿压监测、采动应力监测等。尤其是微震监测方法，能够对全矿范 围进行实时监测，是一种区域性、及时监测手段，能够给出震动后的各种信息，具有不 损伤煤体、劳动强度小、时间和空间连续等优点。该技术目前被公认为煤岩动力灾害， 特别是对于煤矿动力现象监测最有效和最有发展潜力的监测方法之一。在此基础上，国 内外学者提出了大量微震监测预警指标，如能量、频次、参数b值、A(b)、P(b)、η值、 时空扩散性、赫斯特指数、能量指数EI、视在应力、视在体积、地震黏度、空间集中 度、蠕变等。然而上述指标大部分仅仅包含统计学上的特征，缺乏明显的物理意义，少 量具有明显物理意义的指标，又仅停留在定性上的分析，如“指标曲线上升异常”，“下 降异常”、“低值异常”、“高值异常”等。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种冲击矿压时序监测预 警方法，是一种物理意义明确、可操作性强且量化危险等级的冲击矿压监测预警新指标。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种冲击矿压时序监测预警方法，包括如下步骤：

（1）根据下式计算冲击变形能预警指标值W_ε：

$W_{ϵ}=\frac{E_{\mathrm{ϵt}}-E_0}{E_{\mathrm{ϵl}}-E_0},E_{\mathrm{ϵt}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{E_i}$

其中，N为上一次宏观破裂之后矿震事件总数，E_i为上一次宏观破裂之后第i次矿 震事件所释放的能量，E_εt为冲击变形能的当前值，E_εl为冲击变形能的临界值，E₀为冲 击变形能的初始值；

（2）根据冲击变形能预警指标值W_ε确定危险等级和对应危险等级的防治对策；冲 击变形能预警指标值W_ε越大危险等级越高；

（3）危险性解除识别。

具体的，所述步骤（2）中，矿井尺度下：对于宏观破裂已发生的历史冲击变形能 指标曲线，以发生过的宏观破裂作为当前宏观破裂的结束点，以当前宏观破裂结束点对 应的E_εt值作为E_εl值，即宏观破裂结束时刻的W_ε=1，宏观破裂已经发生；对于下一次 宏观破裂还未开始，即向前预测时，根据对已发生的矿震事件进行样本训练获得E_εl值， 所述样本训练采取设定百分比的预测能效进行仿真训练。优选的，向前预测时，所述样 本训练采取75%预测能效进行仿真训练。

具体的，所述冲击变形能的初始值E₀默认设置为0。

具体的，所述宏观破裂以Gurtenberg-Richter幂率曲线高能量端偏离幂率的拐点作 为宏观破裂的分界线，所述拐点根据下式计算识别：

$R_i=\frac{\underset{j=i-1}{\overset{n}{\Sigma }}(x_j-\bar{x})(y_j-\bar{y})}{\sqrt{\underset{j=i-1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_j-\bar{x})}^2\underset{j=i-1}{\overset{n}{\Sigma }}{(y_j-\bar{y})}^{\text{2}}}}$

其中，i=2,3,…,n，R_i为Gurtenberg-Richter幂率曲线中横坐标lgE_i对应的相关系 数值，参与计算的x序列为lgE_i-1,lgE_i,lgE_i+1,…,lgE_n，y序列为 lgN_i-1,lgN_i,lgN_i+1,…,lgN_n，为x序列的样本均值，为y序列样本均值；

当时，宏观破裂的分界线为Gurtenberg-Richter 幂率曲线中纵坐标R_k对应横坐标值lgE_k中的能量E_k。

具体的，所述步骤（2）中，根据冲击变形能预警指标值W_ε确定危险等级和对应危 险等级的防治对策，具体方案为：

当W_ε＜0.25时，危险等级为A，危险状态为无危险，防治对策为：所有的采掘工作 可正常进行；

当0.25≤W_ε＜0.5时，危险等级为B，危险状态为弱危险，防治对策为：在采掘过程 中，加强冲击矿压危险的监测预报；

当0.5≤W_ε＜0.75时，危险等级为C，危险状态为中等危险，防治对策为：在采掘工 作的同时，采取强度弱化减冲治理措施，消除冲击危险；

当W_ε≥0.75时，危险等级为D，危险状态为强危险，防治对策为：首先停止采掘作 业，让人员撤离危险地点，然后采取强度弱化减冲治理措施，消除冲击危险。

具体的，所述步骤（3）中，危险性解除需满足下述条件：

$\left(\begin{array}{c}\Sigma E_{i-2}<\Sigma E_{i-1}<\Sigma E_i\\ E_{\max }>E_b\end{array}\right)$

其中，∑E_i-2＜∑E_i-1＜∑E_i表示统计区域内矿震事件后日释放总能量连续三天下 降，E_max为统计区域内矿震事件后连续三天内释放能量的最大值，E_b为统计区域内矿震 事件的释放能量背景值。优选的，取小于宏观破裂事件的所有矿震数据的平均值作为统 计区域内矿震事件的释放能量背景值E_b。

有益效果：本发明提供的冲击矿压时序监测预警方法，其给出的指标物理意义明确， 可操作性强且能够量化危险等级；且该方法中涉及的各项参数均可以采用自动识别算法 实现，适于编程实现智能化实时预警；同时本发明能够实时反映当前统计区域内的冲击 危险状态和指导现场采取对应的防治对策，以及实时检验当前卸压解危措施效果。

附图说明

图1为实验室试样尺度下应力-应变曲线；

图2为矿井尺度下的采场（巷道）围岩状态分布示意图；其中，(a)为采场（巷道） 围岩状态分布俯视示意图，(b)为(a)中Ⅰ-Ⅰ向剖视图，(c)为(a)中Ⅱ-Ⅱ向剖视图，(d)为 (a)中Ⅲ-Ⅲ向剖视图；

图3为特征矿震求解示意图；其中(a)为黑龙江七台河桃山煤矿的特征矿震求解，(b) 为甘肃华亭煤矿的特征矿震求解，(c)为河南义马跃进煤矿的特征矿震求解；

图4为实例中的矿震分布图；

图5为冲击变形能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种冲击矿压时序监测预警方法，具体为一种短期定量化时序监测预警新指标，能 够对井下当前监测区域的冲击危险状态进行实时反映，且该指标物理意义明确，可操作 性强，适于编程实现智能化实时预警。

下面首先从实验室试样尺度下的声发射现象和矿井尺度下的微震现象描述本发明 的理论基础；其次提出冲击变形能预警指标及指标中各参数的计算方法，并阐明了各自 代表的物理意义；然后构建指标判别准则，并制定相应危险等级所需采取的防治对策； 最后，给出危险性解除的指标识别条件，以检验卸压解危效果。

关于本发明的理论基础的说明。

监测预警冲击矿压其本质就是监测冲击矿压发生之前由矿山开采引起的一系列地 震活动，即矿震。其研究尺度可缩小至实验室试样尺度下的声发射现象，或扩大至地壳 尺度下的地震现象。

如图1所示，实验室试样尺度下的大量实验研究表明，煤岩体受载变形过程中，主 要经历四个变形区：非线性弹性变形（OA阶段）、线性弹性变形（AB阶段）、应变硬 化（BC阶段）及应变软化（CE）。发展至BC阶段，伴随着微裂纹的稳态扩展和扩容的 产生，试件内部产生新的裂隙并稳定发展，应力应变表现出非线性关系。由于释放的能 量与岩体体积的扩涨紧密相关，在B点附近，煤岩试件产生明显的非弹性变形，试件体 积增加，开始产生低能量的震动（10²-10⁴J）。接近C点前，微观裂纹明显增加，并沿 着试件中央部分的平面相互搭接。在应力最大点C处，试件中央部分发展成宏观破裂平 面，并出现高能量的震动（10⁵-10⁷J）。

对应于矿井尺度下的采场（巷道）围岩状态分布，如图2所示。图2中标注的A、 B、C、D、E临界点完全对应于图1中标注的A、B、C、D、E临界点。

冲击变形能监测预警指标提出：

实验室试样尺度下（图1），冲击变形能监测预警指标可表示为：

$W_{ϵ}=\frac{E_{\mathrm{ϵt}}-E_0}{E_{\mathrm{ϵl}}-E_0}---\left(1\right)$

式中，W_ε为冲击变形能预警指标（其范围在0～1之间），反映了煤岩样破裂前所处的危 险状态；E_εt为冲击变形能的当前值，即图1中BC段之间任意应力值；E_εl为冲击变形 能的临界值，即图1中C点对应的应力值；E₀为冲击变形能的初始值，即图1中B点 对应的应力值。

矿井尺度下（图2），冲击变形能监测预警指标计算同样采用式（1）。按照岩石力学 原理，一个矿震事件被定义为在一定体积内的突然非弹性变形，该变形引起可检测的地 震波，且每次矿震所释放能量的平方根与这次矿震发生前岩体内的应变呈正比，在弹性 范围内应力和应变成正比。而冲击矿压实际上是一种特殊的矿震事件，即产生围岩失稳 破坏的矿震事件，又称宏观破裂事件（特征矿震）。于是，矿震所释放能量的平方根就 是冲击矿压发生前岩体内应力状态的一个测度。在宏观破裂之前，对上一次宏观破裂之 后每次矿震所释放能量的平方根进行累加，即可得到震源体在扩容阶段（BC）的应力- 时间曲线。即式（1）中的E_εt表示为：

$E_{\mathrm{ϵt}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{E_i}---\left(2\right)$

式中，N为上一次宏观破裂之后矿震事件总数，E_i为上一次宏观破裂之后第i次矿震事 件所释放的能量。矿井尺度下：对于宏观破裂已发生的历史冲击变形能指标曲线，以发 生过的宏观破裂作为当前宏观破裂的结束点，以宏观破裂结束点对应的E_εt值作为E_εl值，即宏观破裂结束时刻的W_ε=1，宏观破裂已经发生；对于下一次宏观破裂还未开始， 即向前预测时，根据对已发生的矿震事件进行样本训练获得E_εl值，所述样本训练一般 采取75%的预测能效进行仿真训练。E₀默认设置为0。

关于宏观破裂事件（特征矿震）识别的说明。

根据Lepeltier（1969）提出的相对累计总量分析，在相对累计密度与样本元素值的 双对数分布图中，分布曲线的拐点处元素值就是该样本背景与异常的分界线。Tsukakoshi （2008）、Amitrano（2012）在统计分析地震、矿震及声发射的Gurtenberg-Richter幂率 时发现，在高能量（震级）端存在偏离幂率的现象，并以拐点作为特征矿震的分界线， 很好地解释了特征矿震发生的前兆信息。Gurtenberg-Richter幂率方程如下：

lgN(≥lgE)=a-blgE     （3）

式中，E为震动能量；N(≥lgE)为大于等于该震动能量的震动数量；a,b为常数。

为了精确识别Gurtenberg-Richter幂率曲线的高值拐点，本发明采用相关系数，计 算公式如下：

$R_i=\frac{\underset{j=i-1}{\overset{n}{\Sigma }}(x_j-\bar{x})(y_j-\bar{y})}{\sqrt{\underset{j=i-1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_j-\bar{x})}^2\underset{j=i-1}{\overset{n}{\Sigma }}{(y_j-\bar{y})}^2}}---\left(4\right)$

式中，i=2,3,…,n，R_i为Gurtenberg-Richter幂率曲线中横坐标lgE_i对应的相关系数值， 参与计算的x序列为lgE_i-1,lgE_i,lgE_i+1,…,lgE_n，y序列为lgN_i-1,lgN_i,lgN_i+1,…,lgN_n，为x序列的样本均值，为y序列样本均值。

采用该方法分别研究了黑龙江七台河桃山煤矿、甘肃华亭煤矿和河南义马跃进煤矿 的矿震数据，如图3所示。从图中可以看出，当时， 特征矿震就是纵坐标值R_k对应横坐标值lgE_k中的能量E_k，如图中实心点标示。

关于冲击变形能监测预警指标判别准则构建的说明。

在矿井监测区域内，在一定的时间内，已进行了一定的矿震观测。在这种情况下， 就可以通过冲击变形能预警指标值W_ε，对当前的冲击矿压危险等级进行预警。冲击矿 压危险程度分为四级，根据不同的危险程度，可采用相应的防治措施，见表1。

表1对应危险等级的防治措施

关于危险性解除识别（卸压解危效果检验）的说明。

当现场冲击危险等级为C级以上时，见表1，现场将按照相应的防治对策采取强度 弱化减冲治理措施。然而如何识别当前危险性是否解除，即检验当前卸压解危效果， 本发明提出，当满足式（5）条件时，当前冲击危险性解除，并下调一个危险等级。

$\left(\begin{array}{c}\Sigma E_{i-2}<\Sigma E_{i-1}<\Sigma E_i\\ E_{\max }>E_b\end{array}---\left(5\right)\right)$

式中，∑E_i-2＜∑E_i-1＜∑E_i表示统计区域内矿震事件后日释放总能量连续三天（可以 根据现场实际情况进行调整，可以多于三天或少于三天）下降，E_max为统计区域内矿震 事件后连续三天内释放能量的最大值，E_b为统计区域内矿震事件的释放能量背景值；采 用Lepeltier（1969）介绍的统计方法，取小于宏观破裂事件的所有矿震数据的平均值作 为统计区域内矿震事件的释放能量背景值E_b。

下面结合实例对本发明作出进一步的说明。

实例背景分析。

实例分析选取河南义马跃进煤矿25110工作面回采过二次见方及断层危险区期间 （2011-5-1～2011-10-1）的微震监测数据，总共得到25110工作面微震事件757个，其 中特征矿震10^6.93J以上事件11个，其分布如图5所示。另外，期间共发生有记录的冲 击矿压显现4次，当中包括一次工作面透水事件，见表2。

表2实例的背景数据

按照本发明思想实施本发明：

（1）按公式（3）得出实例分析样本矿震的Gurtenberg-Richter幂率曲线，如图3 所示；

（2）根据式（4）求出特征矿震，如图3所示的实心点标识；

（3）取小于特征矿震的所有矿震数据的平均值作为统计区域矿震释放能量的背景 值，即E_b=99528J；

（4）根据已发生的大量矿震事件，选取75%的预测效能进行样本训练获得 E_εl=2151；

（5）根据式（1）、（2），并结合式（5）危险性解除识别条件，绘制出冲击变形能 指数曲线，如图5所示。

实例表明，现场强矿震（特征矿震）和冲击显现与冲击变形能预警指标对应较好， 预测效能较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。