本發(fā)明涉及礦井水害監(jiān)測(cè)與水資源保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種礦井水害微震監(jiān)測(cè)時(shí)空簇分析方法。

背景技術(shù)：

隨著華北地區(qū)越來(lái)越多的礦井進(jìn)入深部開采和下組煤開采，煤層開采受奧陶系巖溶水害威脅問題非常突出和普遍，嚴(yán)重威脅著煤炭的安全開采，造成巨大損失和水資源破壞。

多年來(lái)，礦井水害研究一直是采礦工程中研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

上世紀(jì)40年代匈牙利學(xué)者韋格弗倫斯首次提出了底板“相對(duì)隔水層”的概念，他認(rèn)為煤層水害取決于底板隔水層厚度與底板含水層水壓力共同作用影響，并建立了突水系數(shù)作為定量評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)。上世紀(jì)80年代至90年代末期，國(guó)外學(xué)者對(duì)礦井底板水害進(jìn)行了詳細(xì)而深入的研究。波蘭學(xué)者j.motyka與a.p.bosch指出采動(dòng)裂隙導(dǎo)通了巖溶含水層與礦體的聯(lián)系是礦井底板水害發(fā)生的最直接原因；前蘇聯(lián)學(xué)者v.mironenko與f.strelsky指出礦井底板水害是地下巖體與地下水在采動(dòng)影響下的復(fù)雜作用過程；意大利學(xué)者o.sammarco發(fā)現(xiàn)礦井突水前常常會(huì)出現(xiàn)一些前兆信息，如水位出現(xiàn)急劇變化、瓦斯?jié)舛榷缸兊?，可以檢測(cè)這些信息的變化來(lái)進(jìn)行礦井底板水害預(yù)警。

20世紀(jì)80年代，王作宇等提出了“原位張裂與零位破壞”理論，在水平方向上把礦壓與水壓聯(lián)合作用下的煤層工作面底板分為三個(gè)階段，并綜合考慮了礦山壓力與水壓力共同作用下煤層開采過程中的底板破壞過程，但該理論中的參數(shù)難以測(cè)定，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，李加祥和李白英在多年對(duì)隔水層底板內(nèi)部進(jìn)行綜合觀測(cè)的基礎(chǔ)上，提出了“下三帶理論”，認(rèn)為底板導(dǎo)水破壞帶中存在層向裂隙與豎向裂隙兩種條帶，由于礦山壓力作用“壓縮-膨脹-再壓縮”的過程中，底板導(dǎo)水破壞帶如遇到隱伏導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蚺c承壓水導(dǎo)升帶所溝通，就會(huì)發(fā)生礦井突水。近幾年來(lái)，武強(qiáng)院士提出了“脆弱性指數(shù)”評(píng)價(jià)法，將底板水害預(yù)測(cè)由采區(qū)尺度精確到工作面尺度，科學(xué)性、實(shí)用性大幅提高。

總體來(lái)講，礦井水害預(yù)警方法和技術(shù)嚴(yán)重滯后，亟需一種適用性強(qiáng)、科學(xué)、有效的預(yù)警方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種礦井水害微震監(jiān)測(cè)時(shí)空簇分析方法，該方法能夠?qū)㈦S機(jī)發(fā)育混疊卷繞在一起的微震事件“群”，從時(shí)間和空間域著手解決了微震事件時(shí)空分布的秩序化問題，并在應(yīng)用實(shí)踐中取得明顯技術(shù)效果，對(duì)礦井水害的監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治意義重大。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

步驟1：提取微震信號(hào)x(n)；

從采場(chǎng)工作面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的微震信號(hào)記錄中提取由于高壓地下水運(yùn)動(dòng)異常，引發(fā)裂隙沖擴(kuò)、巖石破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n，其中m是微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)道集數(shù)，且m>4，n是微震監(jiān)測(cè)有效信號(hào)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，取n＝4000～7500，微震信號(hào)的采樣率為2000～5000hz；

步驟2：微震信號(hào)去噪；

對(duì)所述微震信號(hào)xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n進(jìn)行預(yù)處理，去除采掘干擾、電磁干擾及隨機(jī)噪音；

步驟3：拾取p波和s波初至；

應(yīng)用自動(dòng)拾取算法拾取p波和s波初至到時(shí)集，并對(duì)其進(jìn)行人工到時(shí)校正，得到校正后的初至到時(shí)集；

步驟4：利用所述微震信號(hào)xi(n),i＝1,2,...,m,n＝1,2,...,n和對(duì)應(yīng)的初至到時(shí)集t(i,t)＝{(tpi,tsi),i＝1,2,...,m}對(duì)微震事件進(jìn)行定位，得到微震事件集u＝{(qj(x,y,z),t(q)j),j＝1,2,...,k}；

步驟5：計(jì)算微震事件空間子簇；

根據(jù)區(qū)域鉆孔柱狀圖及采掘資料確定采掘空間底板破碎帶、野青灰?guī)r、伏青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面位置；

以橢球體方程分別建立底板破碎帶、野青灰?guī)r、伏青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面微震事件空間子簇；

其中l(wèi)＝1,2,3,4，

l＝1為底板破碎帶微震事件空間子簇u¹，l＝2為野青灰?guī)r微震事件空間子簇u²，l＝3為伏青灰?guī)r微震事件空間子簇u³，l＝4為奧陶系灰?guī)r微震事件空間子簇u⁴；

步驟6：對(duì)所述微震事件空間子簇按時(shí)間先后排序得微震事件時(shí)空簇；

對(duì)所述微震事件空間子簇進(jìn)行時(shí)間排序分別得底板破碎帶、野青灰?guī)r、伏青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面的時(shí)空子簇，l＝1為底板破碎帶微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記l＝2為野青灰?guī)r微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記l＝3為伏青灰?guī)r微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記l＝4為奧陶系灰?guī)r微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記

步驟7：計(jì)算微震事件時(shí)空子簇的時(shí)間簇密度，其中l(wèi)＝1,2,3,4；

步驟8：計(jì)算微震事件的時(shí)空子簇累積視體積；

步驟9：時(shí)空簇礦井水害分析和預(yù)警。

進(jìn)一步地，所述步驟1中n＝7500，微震信號(hào)的采樣率為5000hz。

進(jìn)一步地，所述步驟2中應(yīng)用自動(dòng)濾波器和蝶型濾波器去除采掘干擾、電磁干擾及隨機(jī)噪音。

進(jìn)一步地，所述步驟5中建立底板破碎帶，野青灰?guī)r，伏青灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r頂界面微震事件空間子簇橢球體參數(shù)分別是：

進(jìn)一步地，所述步驟8中累積視體積計(jì)算采用：式中：σa為視應(yīng)力；μ為剪切剛度；e為微震釋放的能量；m為微地震矩；va為視體積。

進(jìn)一步地，所述步驟1、步驟2、步驟3、步驟4中采集系統(tǒng)道集m＝24。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明的礦井水害微震監(jiān)測(cè)時(shí)空簇分析方法，包括如下步驟：提取微震波形信號(hào)；預(yù)處理微震波形信號(hào)；微震信號(hào)初至?xí)r刻拾取；微震事件定位；以采場(chǎng)底板破碎帶、底板灰?guī)r標(biāo)識(shí)層為基準(zhǔn)選擇基準(zhǔn)點(diǎn)qi(xi,yi,zi)，計(jì)算微震事件集與基準(zhǔn)點(diǎn)的空間距離且滿足若成立則得到微震的空間簇子集；對(duì)空間簇子集分別按照時(shí)間先后順序進(jìn)行排序，得到微震事件的時(shí)空簇子集；計(jì)算空間簇子集的時(shí)間簇密度；微震時(shí)空簇礦井水害分析和預(yù)警。本專利方法從時(shí)間和空間域著手解決了微震事件時(shí)空分布的秩序化問題，即實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)水通道形成過程、變化過程微震時(shí)空簇的描述方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井水害導(dǎo)水通道在時(shí)、空域的連續(xù)實(shí)時(shí)反演，極大地提升了礦井水災(zāi)的智能預(yù)警能力。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的礦井水害微震監(jiān)測(cè)分析方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的預(yù)處理前后微震波形信號(hào)對(duì)比圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的初至?xí)r刻拾取結(jié)果圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的奧陶系灰?guī)r層微震事件時(shí)空子簇的時(shí)間簇密度的示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的微震事件的時(shí)空簇累積視體積的示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于時(shí)空簇分析的突水通道空間發(fā)育規(guī)律的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下描述中，為了說(shuō)明而不是為了限定，提出了諸如特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)之類的具體細(xì)節(jié)，以便透徹理解本發(fā)明實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在沒有這些具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)施例中也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，省略對(duì)眾所周知的系統(tǒng)、裝置、電路以及方法的詳細(xì)說(shuō)明，以免不必要的細(xì)節(jié)妨礙本發(fā)明的描述。

下面結(jié)合附圖1～6和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明方法思想描述如下：針對(duì)礦井水害預(yù)警方法滯后的現(xiàn)狀，提出礦井水害微震時(shí)空簇預(yù)警方法，該方法以鉆井柱狀圖為空間依據(jù)將時(shí)空上混疊卷繞在一起的微震事件“群”，從時(shí)間和空間上著手實(shí)現(xiàn)秩序化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)水通道形成過程的時(shí)間反演和導(dǎo)水通道發(fā)育位置的空間定位，達(dá)到對(duì)礦井水害的智能化預(yù)警效果。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的礦井水害微震監(jiān)測(cè)分析方法的實(shí)現(xiàn)流程圖，包括如下步驟：步驟1：提取微震信號(hào)x(n)；

從采場(chǎng)工作面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的微震信號(hào)記錄中提取由于高壓地下水運(yùn)動(dòng)異常，引發(fā)裂隙沖擴(kuò)、巖石破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n，其中m是微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)道集數(shù)，且m>4，n是微震監(jiān)測(cè)有效信號(hào)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，取n＝4000～7500，微震信號(hào)的采樣率為2000～5000hz；

步驟2：微震信號(hào)去噪；

對(duì)所述微震信號(hào)xi(n),i＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n進(jìn)行預(yù)處理，去除采掘干擾、電磁干擾及隨機(jī)噪音；

步驟3：拾取p波和s波初至；

應(yīng)用自動(dòng)拾取算法拾取p波和s波初至到時(shí)集，并對(duì)其進(jìn)行人工到時(shí)校正，得到校正后的初至到時(shí)集；

步驟4：利用所述微震信號(hào)xi(n),i＝1,2,...,m,n＝1,2,...,n和對(duì)應(yīng)的初至到時(shí)集t(i,t)＝{(tpi,tsi),i＝1,2,...,m}對(duì)微震事件進(jìn)行定位，得到微震事件集u＝{(qj(x,y,z),t(q)j),j＝1,2,...,k}；

步驟5：計(jì)算微震事件空間子簇；

根據(jù)區(qū)域鉆孔柱狀圖及采掘資料確定采掘空間底板破碎帶、野青灰?guī)r、伏青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面位置；

以橢球體方程分別建立底板破碎帶、野青灰?guī)r、伏青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面微震事件空間子簇；

其中l(wèi)＝1,2,3,4，

l＝1為底板破碎帶微震事件空間子簇u¹，l＝2為野青灰?guī)r微震事件空間子簇u²，l＝3為伏青灰?guī)r微震事件空間子簇u³，l＝4為奧陶系灰?guī)r微震事件空間子簇u⁴；

步驟6：對(duì)所述微震事件空間子簇按時(shí)間先后排序得微震事件時(shí)空簇；

對(duì)所述微震事件空間子簇進(jìn)行時(shí)間排序分別得底板破碎帶、野青灰?guī)r、伏青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r頂界面的時(shí)空子簇，l＝1為底板破碎帶微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記l＝2為野青灰?guī)r微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記l＝3為伏青灰?guī)r微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記l＝4為奧陶系灰?guī)r微震事件時(shí)空子簇，簡(jiǎn)記

步驟7：計(jì)算微震事件時(shí)空子簇的時(shí)間簇密度，其中l(wèi)＝1,2,3,4；

步驟8：計(jì)算微震事件的時(shí)空子簇累積視體積；

步驟9：時(shí)空簇礦井水害分析和預(yù)警。

進(jìn)一步地，所述步驟1中n＝7500，微震信號(hào)的采樣率為5000hz。

進(jìn)一步地，所述步驟2中應(yīng)用自動(dòng)濾波器和蝶型濾波器去除采掘干擾、電磁干擾及隨機(jī)噪音。

進(jìn)一步地，所述步驟5中建立底板破碎帶，野青灰?guī)r，伏青灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r頂界面微震事件空間子簇橢球體參數(shù)分別是：

進(jìn)一步地，所述步驟8中累積視體積計(jì)算采用：式中：σa為視應(yīng)力；μ為剪切剛度；e為微震釋放的能量；m為微地震矩；va為視體積。

進(jìn)一步地，所述步驟1、步驟2、步驟3、步驟4中采集系統(tǒng)道集m＝24。

實(shí)施實(shí)例如下：

如圖2所示是微震監(jiān)測(cè)信號(hào)預(yù)處理的對(duì)比結(jié)果，從圖2(a)上可以清晰的看到原始波形數(shù)據(jù)含有大量的噪音，經(jīng)過預(yù)處理后在圖2(b)中有效地將噪音干擾去除，得到的波形信號(hào)主要是由于高壓水沖擴(kuò)巖石破裂產(chǎn)生的有效信號(hào)。

如圖3所示是微震信號(hào)初至?xí)r刻拾取結(jié)果，圖3是經(jīng)過步驟2預(yù)處理后波形數(shù)據(jù)，以該數(shù)據(jù)為例拾取微破裂信號(hào)的初至?xí)r刻，在圖3中雙向箭頭所指的位置為去除噪音后自動(dòng)拾取的信號(hào)初至?xí)r刻，從圖3(b)的局部最大值點(diǎn)位置②為自動(dòng)拾取的初至，與圖中箭頭所指的圖3(a)位置①完全吻合，可以看出拾取位置精確。

圖4是經(jīng)過步驟4、步驟5、步驟6得到的奧陶系灰?guī)r層微震事件時(shí)空簇的時(shí)間簇密度，圖4中奧陶系灰?guī)r層微震時(shí)間簇密度有三個(gè)階段的急劇增加現(xiàn)象，如圖4箭頭①、②、③所示。圖4箭頭①階段是井下施工放水鉆孔階段，當(dāng)施工的放水鉆孔臨近奧陶系灰?guī)r含水層時(shí)(2.12日)微震事件時(shí)間簇密度開始緩慢增加，直至2.26日晚班鉆孔施工完畢，以1.3m3/min的速度開始放水后，地下水流場(chǎng)再次處于新的平衡態(tài)，微震時(shí)間簇密度降低且處于平穩(wěn)狀態(tài)；圖4箭頭②階段是放水鉆孔轉(zhuǎn)為注漿鉆孔，該階段以低泵壓稀水泥漿液注入，漿液的擾動(dòng)打破了放水平衡，引起了新的微震事件集中發(fā)育在奧灰含水層，故出現(xiàn)了微震時(shí)間簇密度急劇增大的現(xiàn)象；圖4箭頭③階段是改變注漿方式，采用高泵壓注入水玻璃漿液，與低壓稀水泥漿液注漿方式相比較，該階段高壓注入水玻璃又一次打破了稀漿注入時(shí)的平衡，引起微震時(shí)間簇密度的急劇增大現(xiàn)象；由此分析微震事件的時(shí)空簇密度可以有效地指示外界擾動(dòng)引起地下水徑流場(chǎng)的變化。

圖5是奧陶系灰?guī)r層時(shí)空簇累積視體積，如圖5所示該參數(shù)與圖4的三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)：第一個(gè)階段是2.16日～2.26日，與圖4箭頭①對(duì)應(yīng)，該階段圖5所示2.16日～2.26日微震事件的累積視體積急劇上升，上升斜率近90度，表明巖體活動(dòng)的應(yīng)變速率劇增，預(yù)示巖體非彈性形變的增加，在此階段的2.26日晚班鉆孔鉆到指定層位，奧灰放水鉆孔施工完畢；第二個(gè)階段是2.28日～3.12日前，與圖4箭頭②對(duì)應(yīng)，該階段是鉆孔施工成功后轉(zhuǎn)為注漿孔采用低壓稀漿注入方式，由于擾動(dòng)發(fā)生的微震事件居多，與巖體的非彈性失穩(wěn)無(wú)關(guān)，因此累積視體積曲線表現(xiàn)為近似水平向增加的狀態(tài)；第三個(gè)階段是3.12日～3.15日，與圖4箭頭③對(duì)應(yīng)，該階段采用的是高壓注入水玻璃的注漿方式，由于注漿壓力高對(duì)奧灰含水層的薄弱部位作用而產(chǎn)生少量的非彈性形變引起的微震事件，與圖4箭頭③對(duì)應(yīng)表現(xiàn)為微震時(shí)間簇密度劇增的現(xiàn)象，但是累積視體積增加的斜率沒有完全由于巖體非彈性形變引起的微震事件累積視體積增加的快(圖4箭頭①)，而比由于擾動(dòng)產(chǎn)生微震事件與巖體非彈性失穩(wěn)無(wú)關(guān)的情況增加的快(圖4箭頭②)?；谖⒄饡r(shí)空簇分析方法及微震時(shí)空簇密度和微震時(shí)空簇累積視體積參數(shù)，對(duì)礦井水害預(yù)警滯后的問題實(shí)現(xiàn)預(yù)警和提高礦井水害防治水平。

圖4和5應(yīng)用時(shí)空簇參數(shù)的變化分析了突水通道的形成和演化擴(kuò)展過程及其力學(xué)變化，圖6則從空間分布上展示了通道在形成過程中，空間展布形態(tài)，是突水通道的發(fā)育形態(tài)，指示出了通道橫向的發(fā)育寬度和連通性。圖6中的微震事件從下游至5#放水鉆孔位置連續(xù)發(fā)育，形成了具有一定寬度的條帶，指示出承壓奧灰水從錯(cuò)綜復(fù)雜的巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)從不同方向向5#放水鉆孔位置附近滲流運(yùn)移的路徑，形成了具有一定寬度的通道集合，即圖6中包絡(luò)線所指范圍。

應(yīng)理解，上述實(shí)施例中各步驟的序號(hào)的大小并不意味著執(zhí)行順序的先后，各過程的執(zhí)行順序應(yīng)以其功能和內(nèi)在邏輯確定，而不應(yīng)對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)施過程構(gòu)成任何限定。

以上所述實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。