法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-07-22
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明涉及煤矿开采及煤矿安全技术领域，特别是涉及一种基于微震监测的采掘工作面主裂隙方位分析预测方法。
背景技术
冲击地压是煤矿采掘空间周围煤(岩)体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤(岩)体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。采掘过程中采掘工作面周围震动波扰动会使煤岩体内部裂隙发育扩展，造成煤岩体损伤劣化，整体强度降低；同时，煤矿井煤岩体本身赋存大量地质弱面、原生裂隙以及断层构造等，均会在采掘扰动下导致裂隙的进一步萌生、扩展以及汇聚等，当多条裂隙汇聚在一起形成主裂隙时可能会导致煤岩体发生大规模的失稳破坏进而诱发冲击地压，实现对裂隙发育的有效预测某种程度上也可提高对冲击地压预测预警的准确率。
采掘工作面周围裂隙扩展过程中会产生大量的微震信号，使用微震系统可实现对微震信号的捕捉，通过该系统可获得震动信号的清晰波形，并且可以实现对震源的发震时间、空间坐标以及震源能量准确计算。通过对微震信息的进一步后处理，可对采掘工作面周围的裂隙发育情况进行判断。而如何深入分析震源定位及破裂面产状信息，进而对采掘工作面的裂隙发育方位进行预测尚未有行之有效的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微震监测的采掘工作面主裂隙方位分析预测方法，以解决上述现有技术存在的问题，量化分析采掘工作面回采过程中主裂隙的发育情况，实现对冲击地压危险的准确预测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于微震监测的采掘工作面主裂隙方位分析预测方法，包括以下步骤：
采集煤岩体破裂产生的微震数据；
对所述微震数据进行层次聚类，获得目标震源群，其中，所述目标震源群包括若干类震源；
获取所述目标震源群中所有震源的震源机制解，基于所述震源机制解获取震源方位角和震源倾角；
对震源定位、所述震源方位角和震源倾角进行层次聚类，预测所述采掘工作面主裂隙方位。
可选地，对所述微震数据进行层次聚类，获得目标震源群包括：
设置初始聚类类别；
基于所述初始聚类类别对所述微震数据进行聚类，获得微震数据聚类结果，计算初始类别的微震平均聚集度；
增加聚类类别，重新对所述微震数据进行聚类，获得新的微震数据聚类结果，计算增加聚类类别后新的微震平均聚集度；
比较所述初始类别的微震平均聚集度和所述新的微震平均聚集度，若所述新的微震平均聚集度大于所述初始类别的微震平均聚集度，则继续增加聚类类别进行聚类；若所述新的微震平均聚集度小于所述初始类别的微震平均聚集度，则终止聚类，输出当前类别数作为最终类别数量，并输出聚类结果，得到所述目标震源群。
可选地，所述微震平均聚集度的计算方法为：
其中，
可选地，获取所述目标震源群中所有震源的震源机制解，基于所述震源机制解计算震源方位角和震源倾角包括：对所述目标震源群中包括的不同类别震源进行震源机制解计算，并计算相应类别的所述震源方位角和所述震源倾角，基于不同类别的震源机制解、所述震源方位角和所述震源倾角，获取所述目标震源群中所有震源的震源机制解、震源方位角和震源倾角。
可选地，计算不同类别的所述震源机制解，并计算相应类别的所述震源方位角和所述震源倾角包括：
S1、对同一类别中的震源进行筛选，剔除不满足远场条件的震源，获得该类别中待分析震源；
S2、求解所述待分析震源的震源机制；
S3、计算所有所述待分析震源的在不同台站产生的理论位移和误差系数，判断所述误差系数是否大于预设值，如果是，则返回S1；若不是，则终止循环输出对应的所述震源机制解，基于所述震源机制解计算震源的方位角和倾角；
S4、重复S1-S3计算不同类别震源的所述震源机制解，并计算相应类别的所述震源方位角和所述震源倾角。
可选地，求解所述待分析震源的震源机制包括：
计算所述待分析震源的远场位移；
基于所述远场位移计算震源矩张量；
分解并分析所述震源矩张量，获得所述震源机制。
可选地，计算所述待分析震源的远场位移包括：
从所述待分析震源的波形中剪切P波时域波形；
结合微震记录仪的采样频率将所述P波时域波形进行傅里叶变换，转化为频域波形；
对所述频域波形进行衰减修正，计算所述待分析震源的远场位移。
可选地，所述S3中基于所述震源机制解计算震源的方向角和倾角包括：
基于所述震源机制解，构建煤岩体破裂面特征矢量与破裂面运动方向和法向方向的关系，获取破裂面法向方向的空间矢量值，基于所述破裂面法向方向的空间矢量值构建破裂面的几何方程模型，计算所述震源的方向角和倾角。
可选地，对震源定位、所述震源方位角和震源倾角进行聚类，预测所述采掘工作面主裂隙方位包括：
采用层次聚类方法对震源定位、所述震源方位角和震源倾角进行聚类，获得震源聚类结果；
基于所述震源聚类结果构建主裂隙分类模型，根据所述主裂隙分类模型进行所述采掘工作面主裂隙方位预测。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的基于微震监测的采掘工作面主裂隙方位分析预测方法，所需的原始数据来自于煤矿微震系统，实施过程中对微震数据实时后处理，所得结果可实时分析监测范围内采掘工作面裂隙方位发育情况，进而实现对冲击地压危险的辅助分析，有助于提高和改善煤矿冲击地压危险预测的准确率；物理意义明确，适于编程实现智能化。
附图说明
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中实施采掘工作面主裂隙方位分析预测方法流程图；
图2为本发明实施例中工作面采动后裂隙发育示意图；
图3为本发明实施例中研究区域以及微震台站布置示意图；
图4为本发明实施例中对微震事件分类迭代过程中聚类数为1时的聚类结果示意图；
图5为本发明实施例中对微震事件分类迭代过程中聚类数为2时的聚类结果示意图；
图6为本发明实施例中对微震事件分类迭代过程中聚类数为3时的聚类结果示意图；
图7为本发明实施例中对微震事件分类迭代过程中聚类数为4时的聚类结果示意图；
图8为本发明实施例中对微震事件分类迭代过程中聚类数为5时的聚类结果示意图；
图9为本发明实施例中对主裂隙方位信息分类迭代过程中聚类数为1时的聚类结果示意图；
图10为本发明实施例中对主裂隙方位信息分类迭代过程中聚类数为2时的聚类结果示意图；
图11为本发明实施例中对主裂隙方位信息分类迭代过程中聚类数为3时的聚类结果示意图；
图12为本发明实施例中对主裂隙方位信息分类迭代过程中聚类数为4时的聚类结果示意图；
图13为本发明实施例中对主裂隙方位信息分类迭代过程中聚类数为5时的聚类结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于微震监测的采掘工作面主裂隙方位分析预测方法，如图1-13所示。
在原始地应力条件下，原岩处于准静水压力状态，而煤体被采出后，横向上在煤壁前方形成支承压力区，随工作面的推进，煤体中的支承压力由三向等压的静水压力状态逐渐升高至峰值应力，而后伴随煤体的破坏而进入卸压状态，期间煤岩体的原生裂隙会进一步萌生、扩展乃至汇聚(如图2所示)，期间会诱发矿震事件，而裂隙的不断扩展也会导致煤矿巷道支护体失效、巷道变形等，从而可诱发冲击地压。期间，使用微震系统可对矿震事件进行定位，获得矿震震源坐标，从而可进一步分析，预测工作面采掘过程中裂隙的发育情况。
本实例选取甘肃某矿250106-1工作面某回采时期的微震数据(表1)进行计算。如图3所示为250106-1工作面及周边微震探头布置情况，通过微震系统可获得微震波形并计算得到微震数据库用于后续分析计算。
表1
首先，为后续使用本发明提出的反复迭代的方法求解震源方位角与倾角信息，首先需对表1中所有的震源进行归类，相对于人为归类容易产生误差的特点，基于数据特征的聚类方法可充分考虑数据分布特征，并且可避免主观判断所产生的误差，因此此处采用层次聚类的方法进行归类，所述层次聚类确定目标震源群的具体规则为：
对所采集的所有微震数据使用层次聚类算法进行归类，聚类过程中首先将目标类别定为i类(i＝1)，聚类后计算不同聚类下微震平均聚集度q
所述的聚类方法中计算微震平均聚集度如式(1)所示：
式中，
采用式(1)，对表1中所有的微震数据进行层次聚类分析，首先将目标类别定为1，得出聚类结果如图4所示，并同时计算平均聚集度q
因此将表1中所有微震震源可划分为4类，具体划分类别如表1所示。对表1中不同类别的微震震源采取反复迭代的方法求解震源机制解，首先对第1类震源进行震源机制求解，具体方法如下：
1)依据反演所需的远场条件进行震源筛选。对于单个震源，在监测到的微震记录中，选择至少6个相对清晰的微震波形，所有通道距离震源距离须大于500m，将不满足所述远场条件的震源剔除；
2)计算震源远场位移；
根据筛选的微震波形，拾取P波初振幅值，记作U
(1)在筛选的微震波形中剪切P波时域波形；
(2)结合微震记录仪固有采样频率将上一步剪切的P波时域波形进行傅里叶变换，转化为频域波形；
(3)对上一步得到的频域波形进行衰减修正，如式(2)所示：
其中，A(f)为时域速度谱进行FFT变换的结果；f为相应频率；v为P波速度；Q为衰减因子。
(4)计算某一微震记录仪记录波形的远场位移
本发明中，采用低频位移振幅来表示岩石破裂的远场位移，低频位移幅值计算如式(3)-(6)所示：
其中，
若U
3)计算震源矩张量；
根据弹性波理论推导可以得出P波的远场位移，如式(7)所示：
v
对于单分量微震记录仪无需进行偏振处理，则上式可以表示为如式(8)所示：
其矩阵表示为如式(9)所示：
其中，γ上标表示通道号，下表表示坐标分量。
震源矩张量可以表示为如式(10)所示：
4)分解并分析震源矩张量；
在主坐标轴(a
a
P＝(M
针对矿井采动诱发冲击微震的震源破裂机理研究，矩张量可分解为一个各向同性部分、一个补偿线性矢量偶极子及一个双力偶，如式(13)所示：
式中：F＝-M
将矩张量M分解后得到M′(偏张量部分)，在主坐标轴(b
其中，b
5)计算该分类下所有震源的在不同台站产生的理论位移并计算误差系数，误差系数为每次迭代计算的理论位移与观测位移差值，若误差系数大于5％，则循环1)～4)对该分类下所有震源重新求解矩张量M；若误差系数不大于5％，则认为求解的矩张量误差可接受，则输出所有震源的矩张量结果，震源矩张量即为震源机制解。通过反复迭代可最大程度保证震源机制求解的准确度，进而可为后续主裂隙方位的分析提供可靠的数据保障。
6)根据矩张量结果求解震源方位角与倾角参数：
由于矩张量的对称性，破裂面滑动矢量v和破裂面法向矢量n互易带来矩张量的结果一致的，且根据矩张量特征值的大小关系，可以得到如下特征矢量与破裂面运动方向和法向方向的关系，如式(15)所示：
式中，e
假设矢量v和矢量n的夹角为β，v和e
于是，可以得到破裂面运动方向和法向方向与矩张量最大特征值对应特征矢量和最小特征值对应特征矢量的关系如式(19)-(20)所示：
根据破裂面法向方向的空间矢量值就可以得到破裂面的几何方程表达式，可以确定破裂面的方位角和倾角。
在求解破裂面法向向量和滑动向量的基础上，可以求解破裂面方位角和倾角：
方位角：
式中，n(3)为破裂面法向矢量Z轴分量，|n|表示法向向量的模
若dip>90°，则破裂面方位角为(180°-dip)
倾角:
式中，n(1)为破裂面法向向量X轴分量，n(2)为破裂面法向向量Y轴分量。采用矩张量反演理论求解震源的破裂面参数，物理意义明确，能够较为准确的求解破裂面的产状，可为裂隙发育特征的判断提供准确的数据基础。
对第1类别下震源方位角与倾角求解完毕后，按照步骤1)～6)计算其它3类的震源方位角与倾角参数，计算结果如表2所示，
表2
然后，根据震源定位X、Y坐标、方位角以及倾角信息进行聚类并对主裂隙方位进行预测分析。对表2中所有微震数据基于震源定位、方位角与倾角信息使用层次聚类算法进行归类，聚类过程中首先将目标类别定为d类(d＝1)，聚类后计算不同聚类下微震平均聚集度Q
所述的聚类方法中计算平均聚集度如式(21)所示：
式中，
采用式(21)，对表2中所有的微震数据进行层次聚类分析，首先将目标类别定为1，得出聚类结果如图9所示，并同时计算平均聚集度Q
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
机译： 一种用于保护长壁工作面空间免受在采掘工作面行进中的偏移场或破坏场的影响的设备
机译： 预测模式选择方法，一种基于主边的方向性来减少预测模式候选的数量的装置，一种使用该方法的运动图像压缩方法，一种包括该装置的运动图像编码器以及一种编码器执行该方法的程序
机译： 煤矿采掘工作面设备的监测方法和装置
