CN112324506A - 一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法，属于煤矿安全技术领域。具体为（1）以每天单一工作面总频次和总能量为基数，生成能量和频次趋势图；（2）根据总能量三天是否连续在总能量趋势线下方判断是否缺震；（3）在缺震条件下分析频次与释放能量关系的4种情况判定是否预警，分别为：①能量与频次均上升，启动预警；②能量和频次均下降，不启动预警；③能量上升，频次下降，不启动预警；④频次上升，能量下降，启动预警；按照上述方法综合分析后，判断有无冲击危险，做到超前预警、超前防范，降低冲击地压事故风险。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿防范冲击地压的动态预警方法，属于煤矿安全技术领域。具体是一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法。
背景技术
冲击地压的预测是冲击地压防治的基础，其预测预报目前主要有以下两类。
一是采矿方法，包括根据采矿地质条件确定冲击地压危险性的综合指数法、数值模拟分析法、钻屑法、煤岩层冲击地压倾向性分类法等。钻屑法是根据最高煤粉量、与煤壁的距离，以及钻进过程中出现的动力现象来判定冲击危险程度。但其对冲击危险的监测在时间上是不连续的，监测范围有限，其监测结果的可靠性受施工设备及操作人员的技术和经验等人为因素的影响，因而经常被作为一种辅助、配合的监测手段。综合指数法综合了各种影响冲击地压的发生因素，常常在进行采区设计、工作面布置和采煤方法时被应用，确定主要冲击危险区域，为后期冲击地压的治理打下基础。冲击地压倾向性分类法主要采用冲击能量指数、弹性能指数和动态破坏时间指标来确定煤的冲击倾向性，是矿前期工作，成为矿鉴定冲击倾向性煤层的依据，也为后期冲击地压的治理打下基础。巷道围岩变形监测和顶板离层监测也是常规的冲击地压监测方法，在一些矿区仍在起着重大作用。数值模拟分析法是随着计算机技术的发展而发展起来的，可以确定工作面中应力分布状态，也可以预测开采空间、开采参数、开采历史对冲击地压的影响，其在冲击地压预测中被广泛应用。但这种方法对煤岩体进行了简化处理，只能作为一种近似方法使用，多年实践证明，数值模拟结果对于确定冲击地压危险区域是有效的，但不能作为点预测。
二是采矿地球物理方法，包括微震法、声发射法、电磁辐射法、振动法、重力法等。微震法与记录和分析大地地震的方法相类似，但震中浅，强度小，震动频率高，影响范围小；衡量矿山震动程度的大小采用单位时间内矿山震动的次数和震动的能量。声发射法是以脉冲形式记录弱的、低能量的地音现象；地音变化与煤体应力变化过程相似，地音活动集中在采区某一部位，且地音事件的强度逐渐增加时，预示着冲击地压危险，分为站式连续监测和便携式流动地音监测，主要记录声发射频度（脉冲数量）、一定时间内脉冲能量的总和、采矿地质条件及采矿活动等。电磁幅射法认为，煤岩电磁幅射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关，电磁幅射信息综合反映了冲击
地压等煤岩灾害动力现象的主要因素，电磁辐射信号可以反映煤岩体破坏的程度和快慢，主要记录指标有电磁辐射信号强度幅值和脉冲次数。近年来，有学者用混沌、分形理论分析电磁幅射参数曲线的分形特征，用关联维数描述电磁幅射强度、电磁幅射脉冲数等参数随时间的变化规律，为电磁幅射监测数据的处理方法提供了新的思路。振动法一开始用来研究开采层的连续性及揭露其构造的非均匀性。其测量参数为地震波的传播速度，后来被用来确定矿压参数，特别是用来确定巷道周围的应力应变状态。重力法是根据地层中岩石介质质量分布的不均匀性来测量重力的异常变化，主要应用于开采引起的岩体体积变化、地层震动的预测、小范围内煤层构造的变化、局部空洞的定位等。
由于发生冲击地压的时间、地点、区域、震源等的随机性、复杂多样性和突发性，使得冲击地压的预测工作变得极为困难复杂，是亟待解决的世界性难题。目前普遍采用的预测方法是静态的预警指标法，存在如下不足：
1、预警指标设置受人为因素影响较大，范围过宽。
2、预警方法主要是静态的指标法，不能反映井下实时状态，准确性差。
3、预警方法采用指标的参数部分取值困难，时效性不足。
4、预警方法对工作面冲击地压危险性预测准确性低。
因此建立一种动态的冲击地压预警方法是当前煤矿冲击地压防治的首要选择。
国内外对巷道围岩稳定性的监测主要以位移监测等浅部监测为主，但此类监测不能实质性地反映围岩微破裂萌生、发展、贯通过程的前兆信息，在位移监测得到的围岩破坏结果之前，岩体内部早已发生破坏，难以进行巷道失稳过程的真正预测。微震监测是实时，连续的岩体内发射监测技术，利用微震监测***通过探测微破裂所发射出的地震波，确定发生地震的位置，给出地震活动性强弱和频率，判断潜在的冲击地压活动规律，但目前微震预警指标多为静态的“一面一指标”在整个工作面回采期间不做调整或较少调整，不能对工作面冲击地压的危险性实时进行预测预报。
发明内容
本发明提供一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法，主要利用微震活动性变化、活动趋势评判微震事件的展布规律，评价工作面冲击危险程度，并对冲击地压灾害进行动态预报，可以有效提高冲击地压矿井监测预警水平 。
本发明是以如下技术方案实现的：一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法，利用微震活动性变化、活动趋势评判微震事件的展布规律，评价工作面冲击危险程度，并对冲击地压灾害进行动态预报，具体方法是：
（1）建立工作面微震监测数据库；
（2）当工作面范围内无断层等明显地质构造期间，顶板岩性的断裂呈周期性，其释放总能量在一定区段范围内波动较小，判定采用本冲击危险性预测方法；
（3）对工作面微震数据进行筛选剔除断层、煤柱影响引起的微震事件，只对工作面范围内的微震数据进行统计汇总；
(4)以每天单一工作面总频次和总能量为基数，生成能量和频次趋势图，根据总能量趋势生成线性总能量趋势线；
(5) 判断缺震效应：根据总能量是否在总能量趋势线下方判断是否缺震，当总能量走势线三天连续在总能量趋势线以下判断为缺震；
（6）在缺震条件下分析频次与释放能量关系，确定是否启动预警；
①能量与频次均上升，说明煤岩层处于弹性能的积聚状态，后期发生大能量事件概率增大，启动预警；
②能量和频次均下降，出现这种状态一般为刚发生过大能量事件，煤岩层进入稳定期后期发生大能量事件概率小，不启动预警；
③能量上升，频次下降，说明煤岩层开始断裂发育，暂时处于稳定状态后期发生大能量事件概率小，不启动预警；
④频次上升，能量下降，岩层断裂发育，能量释放处于一个由量变到质变过程，后期发生大能量事件概率增大，启动预警。
工作面微震监测数据库数据信息包括：对工作面内发生的微震事件进行统计汇总，记录每日微震总能量、总频次和单次最大能量。
在不同地质因素和开采技术条件下微震能量和频次大小有很大的差异，但整体均呈正态分布，在矿震活动稳定的情况下，某一区域内应力释放总值基本可看作是稳定的，则该区域的平均释放能级也应当较为稳定。如果某区域在短时间段内平均能级比长时间段内的平均能级偏小的话，则这一区域极有可能会发生能量较大的矿震来弥补该区域在长时间段内所缺少的这一部分能级，“缺震”现象意味这一区域可能发生缺失能级，基于此规律，在不同矿区内可以模糊认定煤岩层在一定的地质条件下释放能量存在一个常数，微震频次与微震能量存在相关性，既频次高单次最大能量低，可对未来可能发生的微震最大能量进行预测。按照上述方法综合分析后，判断有无冲击危险，做到超前预警、超前防范，降低冲击地压事故风险。
当日总能量连续三天位于总能量趋势线以下启动预警流程，第四日如果①总能量和频次均呈上升趋势，判断为有冲击危险，下预警单；②总能量和频次均呈下降趋势，判断无冲击危险，持续关注；③总能量上升，频次下降，判断无冲击危险，持续关注；④总能量下降，频次上升判断为有冲击危险，下预警单；⑤总能量超过近阶段平均能量结束预警流程；第五日依据能量和频次关系按第四日判别方法判断冲击危险；直至总能量位于总能量趋势线以上结束预警流程。
本发明的有益效果是，按照上述方法综合分析后，判断有无冲击危险，做到超前预警、超前防范，降低冲击地压事故风险。
说明书附图
图1是本发明预警方法的流程图；
图2是能量和频次趋势图；
图2中横坐标代表日期，纵主坐标为能量，纵副坐标为频次。
具体实施方式
为方便本领域技术人员对本发明的进一步理解和实施，下面通过实施例对本发明进一步详细描述。
具体方法
1、建立工作面微震监测数据库。
（1）首先建立网络平台服务器；
（2）建立信号采集***，采集和记录相关监测数据；相关监测数据包括：微震空间三维位置，微震能量和频次。
（3）通过工作网络设立共享文件，利用数据传输能力，将监测数据上传至共享文件，实现信息共享；
（4）通过共享文件收集到的监测数据，统一汇总到网络平台服务器上，从而建立微震监测数据库，实现对冲击地压信息进行实时、综合监控。
2、对工作面微震数据进行筛选剔除断层、煤柱影响引起的微震事件，只对工作面范围内的微震数据进行统计汇总。
3、以每天单一工作面总频次和总能量为基数，生成如图2所示能量和频次趋势图，图2中横坐标代表日期，纵主坐标为能量，单位焦耳，纵副坐标为频次，单位个。根据总能量趋势生成线性总能量趋势线。
4、根据总能量是否在总能量趋势线下方判断是否缺震，如果总能量走势线在趋势线以下判断为缺震。
5、在缺震条件下分析频次与释放能量关系，一般有以下4种情况：
①能量与频次均上升，说明煤岩层处于弹性能的积聚状态，后期发生大能量事件概率增大；
②能量和频次均下降，出现这种状态一般为刚发生过大能量事件，煤岩层进入稳定期后期发生大能量事件概率小；
③能量上升、频次下降，说明煤岩层开始断裂发育，暂时处于稳定状态后期发生大能量事件概率小；
④频次上升、能量下降，岩层断裂发育，能量释放处于一个由量变到质变过程，后期发生大能量事件概率增大。
6、预警：工作面总能量连续3天位于总能量趋势线下，启动冲击危险性预警程序。整个预警流程如图1所示。
以某矿回采工作面为实例，该工作面走向长度为1200m,倾向长度为220m，最大采深680m，一侧临空，小煤柱护巷，工作面内主要受断层构造影响，回采速度平均1.6m/d，顶板100m内存在一层16m厚的坚硬中砂岩，主要采取的防冲措施为：顶板***、煤层卸压、和底板卸压。
2020年7月开始使用微震动态预警方法，首先建立数据库对工作面内发生的微震事件进行统计汇总，每日记录微震总能量、总频次和单次最大能量；利用WPS表格图表功能生成能量、频次趋势图，添加总能量趋势线，设置自动更新函数，自动记录数据更新图表，生成效果见附图2。图2中横坐标代表日期，纵主坐标为能量，单位焦耳，纵副坐标为频次，单位个。
例1：见附图2所示：7月3日至7月5日连续三天总能量走势线在总能量趋势线下方，形成缺震效应，启动预警流程，7月6日总能量下降、频次上升防冲科下发预警通知单，7月7日总能下降、频次上升，提升预警级别，7月8日工作面上部发生一次十万级以上破坏事件，由于提前对该区域进行了限员，为发生人员的伤亡，预警成功。
例2：附图2：7月12日至7月7.14日连续三日微震监测总能量在总能量趋势线下方，处于缺震状态，启动预警流程，7月15日能量和频次均上升，防冲科下发预警通知单，7月16日工作面发生一次十万级微震事件，预警成功。
不同矿区煤层赋存条件不同，顶板周期性释放的总能量大小不同，但具体到单工作面顶板能量释放可以近似的认为一个定值，通过判断总能量的大小可以对工作面顶板能量是否存在缺震做出判断，再根据频次和能量关系就可以对当前工作面的冲击危险性进行预测。
Claims (3)
1.一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法，其特征在于，利用微震活动性变化、活动趋势评判微震事件的展布规律，评价工作面冲击危险程度，并对冲击地压灾害进行动态预报，具体方法是：
（1）建立工作面微震监测数据库；依据工作面微震监测***对煤岩体内的微震事件进行定位，
（2）当工作面范围内无断层等明显地质构造期间，顶板岩性的断裂呈周期性，其释放总能量在一定区段范围内波动较小，判定采用本冲击危险性预测方法；
（3）对工作面微震数据进行筛选剔除断层、煤柱影响引起的微震事件，只对工作面范围内的微震数据进行统计汇总；
(4)以每天单一工作面总频次和总能量为基数，生成能量和频次趋势图，根据总能量趋势生成线性总能量趋势线；
(5) 判断缺震效应：根据总能量是否在总能量趋势线下方判断是否缺震，当总能量走势线三天连续在总能量趋势线以下判断为缺震；
（6）在缺震条件下分析频次与释放能量关系，确定是否启动预警；
①能量与频次均上升，说明煤岩层处于弹性能的积聚状态，后期发生大能量事件概率增大，启动预警；
②能量和频次均下降，出现这种状态一般为刚发生过大能量事件，煤岩层进入稳定期后期发生大能量事件概率小，不启动预警；
③能量上升，频次下降，说明煤岩层开始断裂发育，暂时处于稳定状态后期发生大能量事件概率小，不启动预警；
④频次上升，能量下降，岩层断裂发育，能量释放处于一个由量变到质变过程，后期发生大能量事件概率增大，启动预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法，其特征在于，建立工作面微震监测数据库包括：
（1）首要建立网络平台服务器；
（2）建立信号采集***，采集和记录相关监测数据；
（3）通过工作网络设立共享文件，利用数据传输能力，将监测数据上传至共享文件，实现信息共享；
（4）通过共享文件收集到的监测数据，统一汇总到网络平台服务器上，从而建立微震监测数据库，实现对冲击地压信息进行实时、综合监控。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于微震的煤矿防治冲击地压动态预警方法，其特征在于，震监测数据库记录的相关监测数据包括：微震空间三维位置，微震能量和频次。
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