大埋深工作面多參數沖擊地壓預警研究

郤智慧

（晉能控股集團廣發化學工業有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

煤礦沖擊地壓是嚴重的煤巖動力現象，是在高地應力條件下進行煤炭回采時，煤巖體受采動影響，應力重新分布造成局部應力集中，在外部因素的影響下失穩破壞，積聚在煤巖體內的彈性能突然釋放，造成強烈震動和巷道內設備損壞及人員傷亡。山東省內千米深井和沖擊礦井在全國占有比重最高，在全國存有的43處千米深井中，山東有16處，占全國深井數的37.2%，山東有沖擊礦井42處，占全國沖擊礦井的30%。山東龍鄆煤業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處沖擊礦井停產待查。沖擊地壓已成為影響煤礦生產的主要動力災害。如何有效預測和治理煤礦沖擊地壓災害是目前我國煤礦生產亟待解決的難題[1-4]。

煤礦沖擊地壓發生前會有一些前兆信息顯現，但有開采環境的影響，使這些前兆信息呈現復雜性的混沌特征，給沖擊地壓預測變得十分困難。國內外諸多學者在沖擊地壓的預測和防治中積累了許多的寶貴經驗。劉金海通過分析多種沖擊地壓的監測預警技術，總結了監測預警在參量、閾值、測點布設等方面存在的問題，并分析震動-應力聯合監測技術和全頻廣域監測技術，指出全頻廣域監測技術在未來的沖擊地壓監測預警中具有廣闊前景[5]。王永，劉金海，王顏亮等通過分析當前煤礦多參量沖擊地壓預警的現狀和問題，提出沖擊地壓多參量預警平臺建設方案，通過充分挖掘個參量的監測結果，克服了指標獨立，實時監測效果差的的弊端，彌補了聯合監測的不足，并在鄆城煤礦進行測試，提高了沖擊地壓預警結果的準確性[6]。劉曉悅，李朋園針對沖擊地壓非線性、強耦合性特點，單一的沖擊地壓預測模型，雖然方法可行性強，但是其處理速度慢，預測結果精度不高等問題，通過應用LGMS、PSO、SA、混沌搜索來修正果蠅算法(IFOA)，并通過BP網絡來調整權值和閾值，建立煤礦沖擊地壓預測模型，并在河北開灤煤礦進行仿真驗證，其預測精度明顯提高，網絡具有較強的收斂性能和優化能力[7]。

目前針對沖擊地壓預警的方法多，手段各異，單一參數預測沖擊地壓的結果不準確，各種方法的預警指標不一致，經常造成現場無法正確選擇沖擊地壓的預測方式，本文針對單一物理參數預測結果不準確，預警指標不一致的問題，基于微震監測和電磁輻射監測提出多地球物理常數的沖擊地壓預測方法，運用D-S證據理論整合多地球物理常數監測結果，旨在為煤礦準確越策沖擊地壓提供借鑒。

1 D-S證據理論

D-S證據理論于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證據理論的假設空間，也稱為識別框架，目前D-S證據理論廣泛應用于有限離散領域的推理[8-9]。主要包括基本概率分配函數、似然函數、信任函數等幾個要件。

1.1 基本概率分配函數

對于任意的命題，都應有2Θ→[0，1]的基本概率分配函數N，且基本概率分配函數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

對于任意命題集，D-S理論的信任度函數可表示為：

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

1.3 似然函數

D-S理論中似然函數pl可表示為：

1.4 Dempster合成規則

D-S證據理論的對于不同元素的信度合成有如下規則：設Bel1和Bel2為假設空間Θ上的2個信任函數，N1、N2為其對應的基本概率分配，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A?Θ有Ai∩Bj=A，則N1（Ai）N2（Bj）就是A上的部分信度。則2個信度的合成法則為：

對于多個信度的合成，以N1～N m表示m個信度分配，且它們由獨立的信息推得，則融合后的多信度函數由式（5）表示。

2 證據指標選取

微震監測和聲電監測為煤礦現場常用的沖擊地壓監測預警方式，本文選取微震法、電磁輻射法和聲發射監測數據作為D-S證據理論的證據指標[10-11]。

微震、電磁輻射和聲發射信號受采掘活動影響，煤巖體內原始地應力調整，圍巖變形破壞過程中能量、電磁波和彈性波的釋放，反應了煤巖體中的應力狀態和能量釋放的速度，當煤巖體的應力狀態發生較大幅度的變化時，能量信號、聲電信號均會出現明顯波動，當波動程度超過一定特定的范圍，即表示發生沖擊危險性增大。一般情況下，煤巖體內部能量的非均衡變化隨時間不斷波動，具有顯著的時間特性。因此，能量信號、聲電信號參數能應用于沖擊地壓的監測預警研究。

2.1 微震指標

由以往的微震資料研究發現，地震震級-頻度關系的G-R關系方程同樣適用于微震的震級和發生次數。

地震震級和頻度關系：

式中：α0、b0為常數；Z為震級；C為震級大于M的總次數。

微震法中微震能量和震級存在如式（7）所示的關系：

式中：α1、b1為常數；E為能量。

將式（7）帶入式（6）經化簡，微震能量和微震事件發生次數的表達式可由式（8）表示。

式中：α、b為常數。

經以往的研究表明，微震能量和微震事件發生次數的關系式中常數b可作為反映震源區的應力和介質條件一個因素，b值越大表明煤巖體斷裂面上的高應力點所占的比重越大。因此將常數b作為微震監測特征指標，并可根據最小二乘法原理，整理出常數b的計算公式為式中：m為能量分級數目；Ei為第i級能量；Ci為第i級能量的發生次數。

2.2 聲電指標

根據聲電監測儀監測數據，可引入時間波動梯度概念作為聲電信號的特征指標，其表達式為：

式中：ΔYt為t時刻時參量的時間波動梯度；Yt、Yt-n為t（t-n）時刻參量值；n為時間間隔。

聲電信號有以下4個分量指標組成，分別是電磁強度波動梯度ΔE、電磁脈沖波動梯度ΔN和聲發射振鈴波動梯度ΔR、聲發射幅值波動梯度ΔA。

根據現場的監測結果顯示，b、ΔE、ΔN、ΔR、ΔA指標閾值的合理波動范圍分別是0.33～0.40、-280～280m V/d、-200～200 kHz/d、-140～140（×103個/d）、-280～280m V/d。超出上述各指標值的合理波動范圍的監測結果可作為煤巖體內裂隙發展、貫通的標志，煤巖體出現明顯結構損傷，短時間內煤巖體可能會發生動力災害事故，應該注意預防。

3 多地球物理參數的多指標信息融合預警模型

根據D-S證據理論假設空間并結合現場實際情況，將D-S的證據體為Di=（D1，D2，D3，D4，D5），式中：D1、D2、D3、D4、D5分別表示b，ΔE、ΔN、ΔR、ΔA。假設空間分為四級評價體系，即Θ=（Θ1，Θ2，Θ3，Θ4），判別標準為：Θ1（0.7<μ<1），危險級別；Θ2（0.5<μ<0.7），較危險級別；Θ3（0.3<μ<0.5），較安全級別；Θ4（0<μ<0.3），安全級別；當μ=0時，工作面安全，不會發生沖擊事故，當μ=1時，工作面最危險，極易發生沖擊事故。微震特征指標b的危險級別概率值的隸屬函數和聲電時間波動梯度的危險級別的隸屬函數可表示為：

在確定各個指標的的預測危險級別概率后，就需要給主命題基本概率賦值，具體規則為：

式中：m（Xj）為X參量j時刻的基本概率賦值。

以上式分別計算指標b，ΔE、ΔN、ΔR、ΔA的基本概率賦值，并根據式（4）、式（5）對各指標賦值結果進行數據融合，最終的多指標融合結果的沖擊地壓預測標準為：當數據結果出現連續3 d明顯增長，或者達到級時，進行沖擊地壓預警。

4 現場實踐

朱家鎮煤礦2315工作面位于井下-940 m開采水平，地面標高+34～+36 m，工作面標高-975～-990 m，埋深超過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砂巖、相對完整，局部含粉砂巖，較破碎，底板為深灰色泥巖及砂質泥巖。工作面地質構造對開采活動具有一定影響，其中由于XDF203等斷層的存在使得工作面沖擊危險程度增大。

通過選取2315工作面2017年7月1日—2017年11月30日的微震監測數據和聲電監測數據，并通過公式（15）和公式（16）確定各指標的危險程度概率賦值情況，然后進行基本概率賦值并根據D-S數據融合方法進行數據處理，為得到更加直觀的結果，將D-S數據融合的結果進行變換，其過程為：

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間的下界值。

最終7、8、9、10、11月的預測結果分別如圖2中a、b、c、d、e所示。

圖2 綜合預測結果

2315工作面2017年7月1日—2017年11月30日生產期間，工作面共發生沖擊地壓事件9次，微震監測到大能量礦震事件8次。在此次驗證實踐中，均能提前1～4 d對沖擊地壓和大能量礦震進行預警，且沖擊地壓和大能量礦震事件均能被準確預警，事件預測的準確率為100%。其中存在3次為無礦震和沖擊地壓的誤報事件，多參量沖擊地壓預警的整體準確率為85%。因此基于改進的D-S證據理論融合微震指標和聲電指標多參量監測結果對沖擊地壓進行預警的準確率較高，對沖擊地壓和大能量礦震事件能準確預警，且所需數據為煤礦現場常設設備及監測數據，現場適用性好。

5 結論

沖擊地壓單指標監測預警的可靠性差，多指標聯合監測存在各指標相互獨立，預警閾值不確定，實時聯合效果差等問題，本文通過改進的D-S證據理論融合微震指標和聲電指標多參量監測結果，對沖擊地壓進行預測，得出以下結論：

1）微震能量和微震時間發生次數的表達式中常數b反映震源區的應力和介質條件，將常數b作為微震監測特征指標；根據聲電監測儀監測數據，引入時間波動梯度概念作為聲電信號的特征指標。

2）沖擊地壓預測標準為：當基本概率賦值結果出現連續3 d明顯增長，或者達到級時，進行沖擊地壓預警。

3）2315工作面2017年7月1日—2017年11月30日生產期間，工作面共發生沖擊地壓事件9次，微震監測到大能量礦震事件8次，均能提前1～4 d對沖擊地壓和大能量礦震進行預警，事件預測的準確率為100%。