大埋深工作面多參數(shù)沖擊地壓預(yù)警研究

郤智慧

（晉能控股集團(tuán)廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

煤礦沖擊地壓是嚴(yán)重的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象，是在高地應(yīng)力條件下進(jìn)行煤炭回采時(shí)，煤巖體受采動(dòng)影響，應(yīng)力重新分布造成局部應(yīng)力集中，在外部因素的影響下失穩(wěn)破壞，積聚在煤巖體內(nèi)的彈性能突然釋放，造成強(qiáng)烈震動(dòng)和巷道內(nèi)設(shè)備損壞及人員傷亡。山東省內(nèi)千米深井和沖擊礦井在全國(guó)占有比重最高，在全國(guó)存有的43處千米深井中，山東有16處，占全國(guó)深井?dāng)?shù)的37.2%，山東有沖擊礦井42處，占全國(guó)沖擊礦井的30%。山東龍鄆煤業(yè)10.20重大沖擊地壓事故造成21人死亡，1人重傷，影響山東42處沖擊礦井停產(chǎn)待查。沖擊地壓已成為影響煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?zāi)害。如何有效預(yù)測(cè)和治理煤礦沖擊地壓災(zāi)害是目前我國(guó)煤礦生產(chǎn)亟待解決的難題[1-4]。

煤礦沖擊地壓發(fā)生前會(huì)有一些前兆信息顯現(xiàn)，但有開(kāi)采環(huán)境的影響，使這些前兆信息呈現(xiàn)復(fù)雜性的混沌特征，給沖擊地壓預(yù)測(cè)變得十分困難。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在沖擊地壓的預(yù)測(cè)和防治中積累了許多的寶貴經(jīng)驗(yàn)。劉金海通過(guò)分析多種沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，總結(jié)了監(jiān)測(cè)預(yù)警在參量、閾值、測(cè)點(diǎn)布設(shè)等方面存在的問(wèn)題，并分析震動(dòng)-應(yīng)力聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)和全頻廣域監(jiān)測(cè)技術(shù)，指出全頻廣域監(jiān)測(cè)技術(shù)在未來(lái)的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警中具有廣闊前景[5]。王永，劉金海，王顏亮等通過(guò)分析當(dāng)前煤礦多參量沖擊地壓預(yù)警的現(xiàn)狀和問(wèn)題，提出沖擊地壓多參量預(yù)警平臺(tái)建設(shè)方案，通過(guò)充分挖掘個(gè)參量的監(jiān)測(cè)結(jié)果，克服了指標(biāo)獨(dú)立，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果差的的弊端，彌補(bǔ)了聯(lián)合監(jiān)測(cè)的不足，并在鄆城煤礦進(jìn)行測(cè)試，提高了沖擊地壓預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。劉曉悅，李朋園針對(duì)沖擊地壓非線性、強(qiáng)耦合性特點(diǎn)，單一的沖擊地壓預(yù)測(cè)模型，雖然方法可行性強(qiáng)，但是其處理速度慢，預(yù)測(cè)結(jié)果精度不高等問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用LGMS、PSO、SA、混沌搜索來(lái)修正果蠅算法(IFOA)，并通過(guò)BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)整權(quán)值和閾值，建立煤礦沖擊地壓預(yù)測(cè)模型，并在河北開(kāi)灤煤礦進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其預(yù)測(cè)精度明顯提高，網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的收斂性能和優(yōu)化能力[7]。

目前針對(duì)沖擊地壓預(yù)警的方法多，手段各異，單一參數(shù)預(yù)測(cè)沖擊地壓的結(jié)果不準(zhǔn)確，各種方法的預(yù)警指標(biāo)不一致，經(jīng)常造成現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法正確選擇沖擊地壓的預(yù)測(cè)方式，本文針對(duì)單一物理參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，預(yù)警指標(biāo)不一致的問(wèn)題，基于微震監(jiān)測(cè)和電磁輻射監(jiān)測(cè)提出多地球物理常數(shù)的沖擊地壓預(yù)測(cè)方法，運(yùn)用D-S證據(jù)理論整合多地球物理常數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，旨在為煤礦準(zhǔn)確越策沖擊地壓提供借鑒。

1 D-S證據(jù)理論

D-S證據(jù)理論于1967年提出，是一種建立在非空集合Θ（Θ=A1,A2,…,Am）上多信息融合方法，Θ為D-S證據(jù)理論的假設(shè)空間，也稱為識(shí)別框架，目前D-S證據(jù)理論廣泛應(yīng)用于有限離散領(lǐng)域的推理[8-9]。主要包括基本概率分配函數(shù)、似然函數(shù)、信任函數(shù)等幾個(gè)要件。

1.1 基本概率分配函數(shù)

對(duì)于任意的命題，都應(yīng)有2Θ→[0，1]的基本概率分配函數(shù)N，且基本概率分配函數(shù)N滿足基本概率分布，其公式為：

式中：φ為空集。

1.2 信任函數(shù)

對(duì)于任意命題集，D-S理論的信任度函數(shù)可表示為：

式中：任意集合B滿足B?A?Θ，A為每個(gè)子集的信任度之和。且如果存在條件滿足N（A）>0，則A稱為信任函數(shù)Bel的焦元。

1.3 似然函數(shù)

D-S理論中似然函數(shù)pl可表示為：

1.4 Dempster合成規(guī)則

D-S證據(jù)理論的對(duì)于不同元素的信度合成有如下規(guī)則：設(shè)Bel1和Bel2為假設(shè)空間Θ上的2個(gè)信任函數(shù)，N1、N2為其對(duì)應(yīng)的基本概率分配，以Ai、Bj為焦元，在Bel 1和Bel2的綜合影響下，N1（Ai）N2（Bj）將分配到Ai∩Bj上。當(dāng)A?Θ有Ai∩Bj=A，則N1（Ai）N2（Bj）就是A上的部分信度。則2個(gè)信度的合成法則為：

對(duì)于多個(gè)信度的合成，以N1～N m表示m個(gè)信度分配，且它們由獨(dú)立的信息推得，則融合后的多信度函數(shù)由式（5）表示。

2 證據(jù)指標(biāo)選取

微震監(jiān)測(cè)和聲電監(jiān)測(cè)為煤礦現(xiàn)場(chǎng)常用的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方式，本文選取微震法、電磁輻射法和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為D-S證據(jù)理論的證據(jù)指標(biāo)[10-11]。

微震、電磁輻射和聲發(fā)射信號(hào)受采掘活動(dòng)影響，煤巖體內(nèi)原始地應(yīng)力調(diào)整，圍巖變形破壞過(guò)程中能量、電磁波和彈性波的釋放，反應(yīng)了煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)和能量釋放的速度，當(dāng)煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大幅度的變化時(shí)，能量信號(hào)、聲電信號(hào)均會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)程度超過(guò)一定特定的范圍，即表示發(fā)生沖擊危險(xiǎn)性增大。一般情況下，煤巖體內(nèi)部能量的非均衡變化隨時(shí)間不斷波動(dòng)，具有顯著的時(shí)間特性。因此，能量信號(hào)、聲電信號(hào)參數(shù)能應(yīng)用于沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。

2.1 微震指標(biāo)

由以往的微震資料研究發(fā)現(xiàn)，地震震級(jí)-頻度關(guān)系的G-R關(guān)系方程同樣適用于微震的震級(jí)和發(fā)生次數(shù)。

地震震級(jí)和頻度關(guān)系：

式中：α0、b0為常數(shù)；Z為震級(jí)；C為震級(jí)大于M的總次數(shù)。

微震法中微震能量和震級(jí)存在如式（7）所示的關(guān)系：

式中：α1、b1為常數(shù)；E為能量。

將式（7）帶入式（6）經(jīng)化簡(jiǎn)，微震能量和微震事件發(fā)生次數(shù)的表達(dá)式可由式（8）表示。

式中：α、b為常數(shù)。

經(jīng)以往的研究表明，微震能量和微震事件發(fā)生次數(shù)的關(guān)系式中常數(shù)b可作為反映震源區(qū)的應(yīng)力和介質(zhì)條件一個(gè)因素，b值越大表明煤巖體斷裂面上的高應(yīng)力點(diǎn)所占的比重越大。因此將常數(shù)b作為微震監(jiān)測(cè)特征指標(biāo)，并可根據(jù)最小二乘法原理，整理出常數(shù)b的計(jì)算公式為式中：m為能量分級(jí)數(shù)目；Ei為第i級(jí)能量；Ci為第i級(jí)能量的發(fā)生次數(shù)。

2.2 聲電指標(biāo)

根據(jù)聲電監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可引入時(shí)間波動(dòng)梯度概念作為聲電信號(hào)的特征指標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：ΔYt為t時(shí)刻時(shí)參量的時(shí)間波動(dòng)梯度；Yt、Yt-n為t（t-n）時(shí)刻參量值；n為時(shí)間間隔。

聲電信號(hào)有以下4個(gè)分量指標(biāo)組成，分別是電磁強(qiáng)度波動(dòng)梯度ΔE、電磁脈沖波動(dòng)梯度ΔN和聲發(fā)射振鈴波動(dòng)梯度ΔR、聲發(fā)射幅值波動(dòng)梯度ΔA。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，b、ΔE、ΔN、ΔR、ΔA指標(biāo)閾值的合理波動(dòng)范圍分別是0.33～0.40、-280～280m V/d、-200～200 kHz/d、-140～140（×103個(gè)/d）、-280～280m V/d。超出上述各指標(biāo)值的合理波動(dòng)范圍的監(jiān)測(cè)結(jié)果可作為煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)展、貫通的標(biāo)志，煤巖體出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)損傷，短時(shí)間內(nèi)煤巖體可能會(huì)發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害事故，應(yīng)該注意預(yù)防。

3 多地球物理參數(shù)的多指標(biāo)信息融合預(yù)警模型

根據(jù)D-S證據(jù)理論假設(shè)空間并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將D-S的證據(jù)體為Di=（D1，D2，D3，D4，D5），式中：D1、D2、D3、D4、D5分別表示b，ΔE、ΔN、ΔR、ΔA。假設(shè)空間分為四級(jí)評(píng)價(jià)體系，即Θ=（Θ1，Θ2，Θ3，Θ4），判別標(biāo)準(zhǔn)為：Θ1（0.7<μ<1），危險(xiǎn)級(jí)別；Θ2（0.5<μ<0.7），較危險(xiǎn)級(jí)別；Θ3（0.3<μ<0.5），較安全級(jí)別；Θ4（0<μ<0.3），安全級(jí)別；當(dāng)μ=0時(shí)，工作面安全，不會(huì)發(fā)生沖擊事故，當(dāng)μ=1時(shí)，工作面最危險(xiǎn)，極易發(fā)生沖擊事故。微震特征指標(biāo)b的危險(xiǎn)級(jí)別概率值的隸屬函數(shù)和聲電時(shí)間波動(dòng)梯度的危險(xiǎn)級(jí)別的隸屬函數(shù)可表示為：

在確定各個(gè)指標(biāo)的的預(yù)測(cè)危險(xiǎn)級(jí)別概率后，就需要給主命題基本概率賦值，具體規(guī)則為：

式中：m（Xj）為X參量j時(shí)刻的基本概率賦值。

以上式分別計(jì)算指標(biāo)b，ΔE、ΔN、ΔR、ΔA的基本概率賦值，并根據(jù)式（4）、式（5）對(duì)各指標(biāo)賦值結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終的多指標(biāo)融合結(jié)果的沖擊地壓預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)連續(xù)3 d明顯增長(zhǎng)，或者達(dá)到級(jí)時(shí)，進(jìn)行沖擊地壓預(yù)警。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

朱家鎮(zhèn)煤礦2315工作面位于井下-940 m開(kāi)采水平，地面標(biāo)高+34～+36 m，工作面標(biāo)高-975～-990 m，埋深超過(guò)1 000 m，主采3煤，煤層傾角2°～9°，平均4°，煤厚2.1～3.1 m，平均2.6 m。煤層頂板主要為深灰色泥質(zhì)砂巖、相對(duì)完整，局部含粉砂巖，較破碎，底板為深灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖。工作面地質(zhì)構(gòu)造對(duì)開(kāi)采活動(dòng)具有一定影響，其中由于XDF203等斷層的存在使得工作面沖擊危險(xiǎn)程度增大。

通過(guò)選取2315工作面2017年7月1日—2017年11月30日的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和聲電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)公式（15）和公式（16）確定各指標(biāo)的危險(xiǎn)程度概率賦值情況，然后進(jìn)行基本概率賦值并根據(jù)D-S數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為得到更加直觀的結(jié)果，將D-S數(shù)據(jù)融合的結(jié)果進(jìn)行變換，其過(guò)程為：

式中：m為融合后變換后的基本概率賦值；mmax為未變換前的最大概率值；mmin為未變換前的最大概率值所在區(qū)間的下界值。

最終7、8、9、10、11月的預(yù)測(cè)結(jié)果分別如圖2中a、b、c、d、e所示。

圖2 綜合預(yù)測(cè)結(jié)果

2315工作面2017年7月1日—2017年11月30日生產(chǎn)期間，工作面共發(fā)生沖擊地壓事件9次，微震監(jiān)測(cè)到大能量礦震事件8次。在此次驗(yàn)證實(shí)踐中，均能提前1～4 d對(duì)沖擊地壓和大能量礦震進(jìn)行預(yù)警，且沖擊地壓和大能量礦震事件均能被準(zhǔn)確預(yù)警，事件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為100%。其中存在3次為無(wú)礦震和沖擊地壓的誤報(bào)事件，多參量沖擊地壓預(yù)警的整體準(zhǔn)確率為85%。因此基于改進(jìn)的D-S證據(jù)理論融合微震指標(biāo)和聲電指標(biāo)多參量監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警的準(zhǔn)確率較高，對(duì)沖擊地壓和大能量礦震事件能準(zhǔn)確預(yù)警，且所需數(shù)據(jù)為煤礦現(xiàn)場(chǎng)常設(shè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)適用性好。

5 結(jié)論

沖擊地壓?jiǎn)沃笜?biāo)監(jiān)測(cè)預(yù)警的可靠性差，多指標(biāo)聯(lián)合監(jiān)測(cè)存在各指標(biāo)相互獨(dú)立，預(yù)警閾值不確定，實(shí)時(shí)聯(lián)合效果差等問(wèn)題，本文通過(guò)改進(jìn)的D-S證據(jù)理論融合微震指標(biāo)和聲電指標(biāo)多參量監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出以下結(jié)論：

1）微震能量和微震時(shí)間發(fā)生次數(shù)的表達(dá)式中常數(shù)b反映震源區(qū)的應(yīng)力和介質(zhì)條件，將常數(shù)b作為微震監(jiān)測(cè)特征指標(biāo)；根據(jù)聲電監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，引入時(shí)間波動(dòng)梯度概念作為聲電信號(hào)的特征指標(biāo)。

2）沖擊地壓預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)基本概率賦值結(jié)果出現(xiàn)連續(xù)3 d明顯增長(zhǎng)，或者達(dá)到級(jí)時(shí)，進(jìn)行沖擊地壓預(yù)警。

3）2315工作面2017年7月1日—2017年11月30日生產(chǎn)期間，工作面共發(fā)生沖擊地壓事件9次，微震監(jiān)測(cè)到大能量礦震事件8次，均能提前1～4 d對(duì)沖擊地壓和大能量礦震進(jìn)行預(yù)警，事件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為100%。