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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

冲击危险区域多元地球物理指标动态辨识方法及其应用

2024-09-03



创新点
(1)利用梯度显著性指标分析了冲击危险巷道掘进期间微震事件空间分布特征,结合变形局部化原理圈定了采前冲击危险区域。
(2)采用滑动窗扫描方法研究了工作面开采过程中冲击危险区域内物理指标空间分布特征,以掘进期间梯度显著性指标识别的微震聚集区域内大能量微震事件对应的物理指标值作为划分工作面回采期间冲击危险等级的阈值,实现了冲击危险区域的动态追踪。

(3)构建了多物理指标对冲击危险区域的空间预测模型和综合预测指标,工作面开采过程中多次迭代微震数据发现冲击危险区域更集中,在判别冲击危险时综合预测指标的结果更稳定。

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冲击危险区域多元地球物理指标动态辨识方法及其应用

作者:王爱1, 2,李 超1,潘一山1, 2,宋义敏3,范德威2, 5,魏传奇1,于新河4,卢 闯4
单位:1.辽宁工程技术大学 矿业学院;2.辽宁大学 灾害岩体力学研究所;3.北方工业大学 土木工程学院;4. 吉林省龙家堡矿业有限责任公司;5. 辽宁大学 环境学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

精准识别危险区域并给出危险区域的危险程度及其演化规律,一直是冲击地压预测的热点难点问题。长期以来,国内外学者开展了大量的研究,先后提出了钻屑监测、应力监测、地音监测、微震监测等多种监测预警手段。微震监测作为一种有效的区域监测方法,已经被所有的冲击地压矿井采用。在对冲击地压的微震监测中发现,灾害发生前,微震事件数量增多,且向某一区域集中,这种微震聚集现象也被认为是冲击地压灾害的前兆特征之一。有效地捕捉微震聚集的特征,分析微震事件的聚集区域,确定煤岩体破裂位置,利用微震监测数据携带的地球物理信息识别危险区域,判别各个危险区域的危险程度,对预测冲击危险具有重要意义。 

微震数据所携带的地球物理信息,如bA(b)S等,可以作为分析大能量事件发生前兆信息,得到区域危险程度。夏永学等提取了5个监测微震事件能级、频度关系的指标,发现当出现冲击地压时bηP(b)处于低值,而A(b)、缺震Mm处于高值。窦林名等开展了煤样单轴加载的声发射试验,分别选取了b、缺震、A(b)、断层总面积和活动度S6个煤岩灾变破坏的前兆敏感指标,基于模糊综合评价方法构建了综合预警模型。王盛川基于冲击地压“3耦合模型,选择bA(b)A(t)、活动度S、微震活动标度F、缺震作为褶皱区冲击地压显现和强矿震前兆信息指标,建立了多指标冲击地压综合预警模型。曹安业等采用卷积神经网络提取数据特征,分析了不同时长预测大能量事件的准确程度。崔峰等选取了5个微震指标深入分析了急倾斜巨厚煤层开采煤岩灾变时序特征,并通过微震事件定位掌握矿震发生的空间特征,明确卸压关键区域。LU Caiping等通过对微震和电磁辐射监测数据挖掘,揭示了冲击地压前微震能量、频次、缺震b、主频、断层总面积及电磁辐射振幅等参量前兆特征演化规律。蔡武、窦林名等基于优选的频次参量、震源集中程度、最大应力当量和总应力当量参量构建了微震多维信息识别参量体系,实现了冲击危险多参量定量预警。何生全、何学秋等针对各监测方法预警结果不一致且准确率低等问题,开发多系统多参量集成预警模型及智能判识云平台,提高了冲击地压监测预警效率。陈结、杜俊生等提出双驱动冲击地压智能预警架构,结合物理驱动与数据驱动,动态实时确定工作面冲击地压的等级、时间及区域。以上研究基于多地球物理指标的融合方法,对冲击危险时序特征进行研究,有效提升了冲击地压监测预警水平。然而冲击地压发生具有一定的区域性,在冲击地压危险区域识别方面,采掘前通常采用综合指数法、多因素耦合叠加法等经验类比法进行静态预判,在采掘过程中大都以能量场、应力场为指标进行动态监测,而应力场监测范围小,能量场又存在对微震数据时空特征挖掘不充分的缺陷,这导致冲击地压危险性预测仍然存在时间与空间协同难的问题。因此,充分挖掘利用微震监测数据携带的地球物理信息,准确辨识物理指标时空演化规律,分析冲击危险前兆特征,精准定位冲击危险区域,实现时间与空间协调预测,对提高冲击地压监测预警效能、指导冲击地压防治具有重要作用。 

笔者基于变形局部化原理中微震事件空间显著性指标,初步圈定变形局部化区域;利用变形局部化与地球物理指标的关系,在变形局部化区域内通过多物理指标空间扫描,寻求更为准确的空间危险区域,以及对危险区域危险程度进行评价;通过贝叶斯网络构建多物理指标对于变形局部化区域的空间预测模型,对各物理指标进行综合评价,提高预测冲击地压危险区域的能力。
摘要
 ABSTRACT

精准识别冲击危险区域并给出危险程度及其演化规律对冲击地压防治具有重要意义。采用变形局部化与多元地球物理指标空间扫描相结合的方法,探究大能量事件发生区域的微震前兆特征,追踪冲击危险区域的动态演化过程。基于变形局部化原理,利用梯度显著性指标识别变形局部化区域,圈定冲击危险区域;采用滑动窗扫描方法,研究了变形局部化区域内的bA(b)S等物理指标空间分布特征,以掘进期间梯度显著性指标识别的微震聚集区域内大能量微震事件对应的bA(b)SFA(t)作为划分工作面回采期间冲击危险等级的阈值;利用贝叶斯网络法分析各个物理指标预测危险区域的效能,构建综合预测危险区域模型,计算物理指标权重并得到综合预测指标,并以513工作面进行实例分析。

结果表明:地球物理指标可以识别微震聚集信号,判断危险区域,根据513工作面实际监测数据判断出3个微震事件聚集区域;物理指标的空间扫描结果与微震数据的聚集区域具有同步的特征,大能量事件发生时,所在区域的物理指标值高于冲击危险阈值,物理指标空间扫描辨识的危险区域与微震数据聚集区域基本一致;利用综合预测危险区域模型,对工作面回采期间危险区域进行迭代式预测,结果表明:冲击危险事件多发生在综合预测指标所预测的强冲击危险区域内,并随着回采期间微震数据的叠加,强冲击危险区域逐步集中,与冲击危险事件位置的重合度更高。综合预测指标预测效能总体高于单个物理指标,显著增强了精准预测冲击危险区域的能力。
部分图表






 1    梯度显著性指标核密度估计


 2    掘进期间大能量事件分布、能量分布及变形 局部化区域


 3    回采期间大事件分布


 4    叠加回采期间能量分布


 5   物理指标扫描示意


 6    最小完整震级


 7   物理指标总体标准偏差


8   b间扫描结果


9   A(b) 空间扫描结果


10  S空间扫描结果


图11   ∆F空间扫描结


图12   A(t)空间扫描结果


图14   综合预测指标成像


图15  大能量事件发生区域识别危险的滑动窗数


作者简介


王爱文,辽宁大学,教授,博士生导师,长期从事煤矿冲击地压预测与防治方面的教学及研究工作。矿山安全行业标准化技术委员会冲击地压(岩爆)防治分技术委员会主任委员,中国煤炭学会煤矿动力灾害防治专业委员会委员秘书长,中国矿山安全学会冲击地压和岩爆防治专业委员会兼职秘书长。入选新疆“天池百人”计划、“兴辽英才计划”青年拔尖人才。主持国家自然基金项目3项、国家重点研发计划项目子课题1项、全国重点实验室开放基金重点项目1项,作为骨干参与完成多项国家级科研项目,主持完成30余项校企合作科研项目。获国家科技进步奖二等奖1项,省部级科技进步奖励一等奖1项,二等奖2项,发表学术论文30余篇,授权国家发明专利16项,参与制定国家标准2项。参与《防治煤矿冲击地压细则》、《防治煤矿冲击地压细则监察手册》的编写工作,作为专家组成员多次参与重大冲击地压事故的调查工作。




来源:

王爱文,李超,潘一山,等. 冲击危险区域多元地球物理指标动态辨识方法及其应用[J]. 煤炭学报,2024,49(6):2573−2588.

  责任编辑:宫在芹

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