基于能量密度相似性的多煤層沖擊危險性評價方法

李 兵 ，沈 威 ，羅武賢 ，朱金標 ，朱彥飛 ，劉漢磊

（1.江蘇徐礦能源股份有限公司 張雙樓煤礦，江蘇 徐州 221600；2.南陽理工學院，河南 南陽 473004）

隨著煤礦向深部開采，沖擊礦壓發(fā)生的概率越來越高，對沖擊礦壓進行有效的監(jiān)測預警和治理是深部開采必須要解決的一個問題[1]。沖擊礦壓的治理的前提條件是預測沖擊危險區(qū)域，然后針對不同的危險區(qū)域采取不同的卸壓措施，做到有的放矢。在未進行煤層開采前，確定沖擊礦壓的危險區(qū)域的方法有綜合指數(shù)法、應力分析法、數(shù)理統(tǒng)計分析法、震動波CT反演等[2-14]。以上分析方法為沖擊礦壓的評價與預測提供了早期宏觀與及時監(jiān)測預警的基礎。然后多煤層、煤層群開始時受復雜的巷道布置、開采時空關系、應力改變時間效應等的影響，具有自身的特征。余斌[15]研究了大同礦區(qū)侏羅系煤層群開采沖擊地壓防治技術(shù)，提出了大同礦區(qū)煤層群開采沖擊礦壓特點與防治技術(shù)。李劍鋒等[16]針對徐礦張小樓煤礦多煤層開煤柱區(qū)沖擊危險，采用微震監(jiān)測，分析微震震動頻次與能量對沖擊礦壓進行監(jiān)測與防治。吳寶楊等[17]采用數(shù)值模擬的方法對近距離煤層群開采條件下的沖擊危險性進行了研究，得到了近距離煤層群開采過程中，邊界煤柱、停采線煤柱對下層煤的影響程度與范圍。針對多層煤開采的情況，提出運用上層煤開采礦震能量，建立沖擊礦壓危險性指數(shù)圖，運用沖擊危險性指數(shù)圖對下層煤開采過程中，沖擊危險區(qū)域進行劃分的新方法。

1 工程背景

張雙樓煤礦西一采區(qū)開采深度為750～1 100 m，主采煤層為7煤和9煤。開采順序為先采7煤再采9煤層，水平方向上為兩翼開采，中間留有上下山保護煤柱。7煤和9煤煤層傾角為25°，2層煤間距平均23 m，2層煤之間的巖性為平均3 m的砂質(zhì)泥巖和20 m的細砂巖。西一采區(qū)采深大，并且受堅硬頂板、斷層、煤層合并區(qū)和火成巖侵入?yún)^(qū)等地質(zhì)構(gòu)造影響，沖擊危險性高。為有效監(jiān)測西一采區(qū)礦震，進而確定沖擊礦壓危險性。自2011年4月6日安裝欣林公司的KJ20微震監(jiān)測系統(tǒng)，西一采區(qū)的微震系統(tǒng)由 3組三分量探頭（1#、2#、3#） 和1組單分量探頭（4#、5#、6#）組成，安裝時 7419 工作面、7421 工作面、7422工作面和7423工作面已經(jīng)回采完畢，工作面布局情況如圖1。

圖1 工作面采空區(qū)監(jiān)測點布置示意圖

2 多煤層開采沖擊礦壓評價方法

2.1 方法的建立

國內(nèi)外研究表明，礦震能量與應力和沖擊礦壓發(fā)生的比率成正相關[18]。然而目前運用礦震能量和頻次的分布判斷沖擊危險性還處于定性判斷階段。為了將礦震頻次和能量的分布定量化，反應礦震和沖擊危險性之間的關系，先將微震監(jiān)測出的礦震能量E通過式（1）進行處理，得到礦震能量指數(shù)，然后將礦震能量指數(shù)按照式（2）進行處理，得到評價沖擊危險性的能量密度危險性指數(shù)，簡稱危險性指數(shù)，取值范圍為[0，1]。

式中：∑Ej為第i個區(qū)域的所有能量j的和，J；A為第i個區(qū)域的面積，m2；ei為第i個區(qū)域的礦震密度的能量指數(shù)；emax為所有區(qū)域的最大礦震密度的能量指數(shù)；emin為所有區(qū)域的最小礦震密度的能量指數(shù)；Wi為第i個區(qū)域的沖擊危險性指數(shù)，取值[0，1]。

進行危險性指數(shù)的最大值和最小值的選取時，為了避免個別數(shù)據(jù)的誤差，將礦震能量指數(shù)的最大5個數(shù)的平均值作為emax，將礦震能量指數(shù)的最小5個數(shù)的平均值作為emin。

將危險性指數(shù)劃分為4個等級，分別對應于無沖擊危險，弱沖擊危險，中等沖擊危險和強沖擊危險，能量分布危險指數(shù)和沖擊危險性等級對應表見表1。

2.2 方法的可行性評價

結(jié)構(gòu)相似性理論（SSIM）[19]認為自然圖像信號是高度結(jié)構(gòu)化的，像素間有很強的相關性，這種相關性蘊含著視覺場景中物體結(jié)構(gòu)的重要信息。結(jié)構(gòu)相似性理論是基于人類的視覺系統(tǒng)能夠從圖像中抽象出結(jié)構(gòu)性信息的理論，結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）通過式（3）建立。

表1 能量分布危險性指數(shù)和沖擊危險性等級對應表

式中：μx、μy分別為圖像信號X和Y的平均值，用于評估圖形質(zhì)量；σx、σy為標準差，進行圖像信號的對比；σxy為協(xié)方差，估計信號的結(jié)構(gòu)；C1=（K1L）2；C2=（K2L）2；L 為像素值的動態(tài)范圍；K1、K2為默認值，K1=0.01，K2=0.03。

相似性指數(shù)能夠定量化的評價2張圖片的相似性，SSIM值的取值范圍為[0，1]，在2幅圖像完全相同時，SSIM的值達到最大值1，SSIM值越高說明2張圖像的結(jié)構(gòu)性相似度越高。將SSIM指數(shù)引入判別所預測的沖擊危險區(qū)和實際危險區(qū)的相似性，進而定量判斷所建立的多煤層開采沖擊礦壓預測的可行性。

2.3 危險性云圖計算

進行微震震源定位時，微震震源通常是被看作1個點[20]。進行能量密度危險性指數(shù)計算時，未防止遺漏震源數(shù)據(jù)導致計算結(jié)果產(chǎn)生偏差，需要網(wǎng)格間距S和震源統(tǒng)計計算半徑R滿足關系式。每個節(jié)點對應1個震源統(tǒng)計計算半徑，半徑之內(nèi)的微震事件通過式（1）和式（2）得到能量密度危險性指數(shù)，這個值作為網(wǎng)格節(jié)點的值；最終能量密度危險性云圖通過網(wǎng)格節(jié)點之間的插值獲得。本文中網(wǎng)格間距S被設置為28 m，震源統(tǒng)計計算半徑R被設置為20 m。

3 工程實踐

3.1 能量密度云圖與沖擊礦壓危險性關系

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，張雙樓煤礦發(fā)生沖擊礦壓的能量需要大于105J，因此要預測出沖擊礦壓的發(fā)生位置就是要對能量大于105J的礦震發(fā)生位置進行預測。以西一采區(qū)礦震事件為基礎，計算得出采區(qū)沖擊危險性指數(shù)（圖2），圖中紅、綠、藍、淺藍分別對應強、中等、弱、無4個沖擊危險等級。黑色圓圈為西一采區(qū)回采過程中能量＞105J以上的礦震，能量＞105J的礦震共20個，其中有19個發(fā)生在強沖擊危險性指數(shù)區(qū)域，僅有1次大礦震不是位于強沖擊危險性指數(shù)區(qū)域，說明通過所建立的危險性指數(shù)圖能夠預測出大礦震的發(fā)生區(qū)域。圖2中的1#～4#為西一采區(qū)發(fā)生的4次沖擊礦壓事故序號，附近的黑色橢圓形區(qū)域為對應的沖擊礦壓的破壞區(qū)域?？梢钥闯?，西一采區(qū)所發(fā)生的4次沖擊礦壓對應的破壞區(qū)域全部位于強沖擊危險性指數(shù)區(qū)。通過能量＞105J的礦震和沖擊破壞區(qū)域位置與沖擊危險性指數(shù)圖的對應關系可以得出，沖擊危險性指數(shù)圖能夠預測出沖擊礦壓的發(fā)生區(qū)域。

圖2 沖擊危險性指數(shù)與105J以上礦震及沖擊礦壓破壞位置的對應關系

從西一采區(qū)開采過程中沖擊礦壓破壞區(qū)位置可 以看出，西一采區(qū)所發(fā)生的4次沖擊礦壓破壞區(qū)域全部位于強沖擊危險區(qū)，能量密度危險性云圖能夠精確的預測出沖擊礦壓破壞區(qū)。從礦震能量大于105J的事件的分布、沖擊破壞區(qū)域位置與能量密度危險性云圖的對應關系可以得出，運用建立的能量密度危險性云圖描述沖擊危險特征，是合理的、有效的。

3.2 方法有效性分析

3.2.1 預測準確率評價

根據(jù)上煤層的礦震數(shù)據(jù)得到的預測沖擊危險性云圖和下層煤礦震數(shù)據(jù)得到的實際沖擊危險性云圖如圖3。

圖3 預測沖擊危險云圖和實際沖擊危險云圖

如圖3（a），預測上下山孤島煤柱區(qū)的A區(qū)域和9421孤島煤柱區(qū)的B區(qū)為強沖擊危險區(qū)，其他的上下山孤島煤柱區(qū)和9421孤島煤柱區(qū)則大部分處于中等沖擊危險區(qū)，這和9煤實際的沖擊危險區(qū)結(jié)果基本相同（如圖3（b））；針對9418半孤島工作面，預測為弱或者無沖擊危險，而9煤實際的沖擊危險性等級為弱到中等沖擊危險，這是由于在9418工作面煤柱下方進行回采時，相應的增加了煤柱區(qū)的沖擊危險等級。

為了能夠定量的描述預測的沖擊危險區(qū)和實際的沖擊危險區(qū)之間的差異性，引入結(jié)構(gòu)相似性系數(shù)（SSIM）。結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）評價要求進行評價的2張圖像需要有相同的尺寸，且應當剔除非評價區(qū)域的干擾。根據(jù)前面所研究，在解放層區(qū)域運用層之間的對比是不合理的，因此應當剔除解放層區(qū)域，只保留煤柱區(qū)域。如圖3（c）和圖3（d）圖像尺寸相同，研究煤柱區(qū)域的沖擊危險性云圖的相似性；圖3（e）和圖3（f）圖像尺寸相同，研究煤柱區(qū)域的強沖擊危險性云圖的相似性；同時為了確保SSIM指數(shù)評估的準確性，將2張礦震云圖相同危險性段選用相同的顏色進行比較，所得到的SSIM指數(shù)所有等級的SSIM值為0.870 1，強沖擊危險等級的SSIM值為0.943 2。9煤煤柱區(qū)預測的沖擊危險性云圖（圖3（c））和實際沖擊危險性云圖（圖3（d））相似性系數(shù)達到0.870 1，即有87.01%的相似性；9煤煤柱區(qū)預測的強沖擊危險區(qū)（圖3（e））和實際強沖擊危險區(qū)（圖3（f））相似性系數(shù)達到 0.943 2，既有 94.32%的相似性?？梢缘贸?，在下煤層開采時，利用所建立的危險性評價指標可以對煤柱區(qū)的沖擊危險區(qū)進行預測，對強沖擊危險區(qū)的預測精度更高。當煤柱下方有開采活動時，應當增加其沖擊危險等級。

3.2.2 預測沖擊危險云圖和臨界礦震位置關系

預測的下層煤開采時煤柱區(qū)沖擊危險性云圖如圖4。紅、綠、藍、淺藍分別對應強、中等、弱、無的沖擊危險等級。黑色的圓點為下煤層開采過程中能量＞105J的礦震震源位置。預測上下山孤島煤柱區(qū)的A區(qū)域和9421孤島煤柱區(qū)的B區(qū)為強沖擊危險區(qū)，而9煤回采過程中產(chǎn)生的能量＞105J以上的礦震全部位于煤柱區(qū)的A區(qū)和B區(qū)，說明運用上層煤開采過程中的強沖擊危險指數(shù)云圖能夠有效地預測下層煤開采過程中煤柱區(qū)的大能量礦震分布位置。

圖4 預測的沖擊危險性指數(shù)圖和9煤的誘沖臨界礦震對應關系

4 結(jié)論

1）提出并建立了礦震能量指數(shù)，并通過歸一化處理，得到能量密度危險性指數(shù)，基于能量目睹危險性指數(shù)將沖擊礦壓危險劃分為無危險、弱危險、中等危險、強危險4個等級。

2）基于結(jié)構(gòu)相似性理論與方法，提出了基于能量密度危險性指數(shù)的多煤層開采條件下，利用上分層礦震數(shù)據(jù)預測下分層沖擊危險性與區(qū)域的方法。

3）下層煤開采產(chǎn)生的強礦震（能量大于105J）和沖擊破壞區(qū)基本位于能量密度危險性指數(shù)所確定的強沖擊危險區(qū)；預測的9煤煤柱區(qū)強沖擊危險區(qū)域和開采過程中監(jiān)測的強沖擊危險區(qū)相似度達到0.943 2。實踐證明所建立的能量密度危險性評價指標可有效的預測下煤層開采時的煤柱區(qū)強沖擊危險區(qū)域，提高了煤柱區(qū)沖擊礦壓預測的準確率。