一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法技术

本发明专利技术公开了一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法，根据微震波形的特征，确定微震波形的初至幅值与初至到时；基于微震波形初至到时，构建新的定位目标函数，求解破裂源的坐标，通过考虑微震波形数和初至到时与反算初至到时差值的标准差，剔除不符合要求的定位点；计算微震波形的理论法向位移值，通过理论法向位移值与测量位移值的差值表达式，求解破裂源矩张量并将其正则化，通过破裂面的性质直接判断岩石破裂机理；在此基础上，建立岩石破裂失稳预测指标，根据风险评价等级对岩石破裂失稳风险性进行预测，为工作面冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出突水、崩塌、滑坡这些灾害提供监测预警。这些灾害提供监测预警。这些灾害提供监测预警。

【技术实现步骤摘要】
一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法


[0001]本专利技术涉及岩体变形破裂监测评价
，具体涉及一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法。

技术介绍

[0002]随着近地表煤炭资源逐渐枯竭，深部开采已成为一种必然趋势。深部条件下，煤岩受高地应力、高瓦斯及工作面采动影响，煤岩动力灾害日趋严重且复杂，严重影响煤矿的产能，威胁煤矿安全高效生产。准确监测预警是实现煤岩动力灾害有效防控的前提和基础。目前，微震监测技术由于其安装简单便捷、不损害被监测物体、监测空间范围大且可实现连续监测而被广泛使用。通过深入挖掘分析传感器采集的煤岩破裂产生的微震波形，可以确定煤岩破裂的空间坐标、得到煤岩周围应力状态、判断其破坏程度、获得破裂瞬间能量大小等，从而提前为可能发生的煤岩动力灾害发出预警。近些年来，大多数矿井都安装了微震监测系统，但煤矿生产环境复杂且煤层较具有松软、节理裂隙发育、非均匀性强的特点，致使岩爆、工作面冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害机理仍不明确。
[0003]为此，不少学者开展了小尺度煤岩样加卸载破坏实验，研究煤岩破裂产生声发射信号的时空演化规律。声发射信号与地震波在传播方式、产生机理、波形信号的特征具有相似性，因此，煤岩小尺度破裂诱发产生的矿震事件又称为：“小尺度地震”。由于两者的相似性，许多学者直接采用地震学中的知识，研究小尺寸煤岩样破裂产生的信号，揭示煤岩破裂力学机理。使用最多的是地震矩张量理论，如中国专利申请CN112964787A公布了一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法，该方法通过求解震源矩张量的三个特征值，并根据其占比来确定震源破裂类型；中国专利申请CN113218766A公布了一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法，中国专利申请CN113050159A公布了一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法，都采用矩张量分解后纯剪切部分的占比来判断岩石破裂机理，并没有考虑到分解部分中非线性偶极子CLVD意义指代不明，致使震源破裂类型判断结果值得质疑这一问题。此外在初至到时及振幅拾取方向，都采用了局部AIC法，容易出现多个局部最小值致使拾取结果不准确。中国专利申请CN106154307A公布了一种煤岩冲击失稳模式的微震识别方法，通过震源矩张量分析来获取破裂面产状，但并没有对煤岩冲击失稳模式做出任何的论述。上述文献都提到了如何求解矩张量，然而使用的方法单一，都采用了简化矩张量反演方法且针对岩石破裂机理但仅停留在理论和实验方面，并没有将其合理的利用起来，为岩石破裂失稳提供指导。事实上，岩石破裂机理及定位事件点蕴含丰富的信息。岩石破裂失稳前期，变形量较小，产生的裂缝较少，故定位事件点偏少，一旦失稳短时间内会产生大量裂缝，出现较多的定位事件点。此外，通过大量的实验室实验发现岩石破裂失稳时发生力学机理以剪切破裂为主，剪切破裂产生的微震波形能量较大。合理的利用这些信息可以对岩石破裂失稳风险性进行评价，为工作面冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出这些灾害提供监测预警。
[0004]因此，目前迫切需要一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0007]一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法，具体包括以下步骤：
[0008]a.根据实际的地质赋存条件及监测需要，确定微震传感器安装个数G并将其编号为第i＝1,2,3
…
G，同时利用已知的破裂源坐标标定微震传感器的坐标；
[0009]b.采集岩石破裂产生的微震波形并进行滤波；所述微震波形滤波完成后，基于波形特征，获取第i个微震传感器采集的微震波形的初至幅值T
iP
及初至到时B
ip
；
[0010]c.根据微震波形的初至到时、P波传播速度、微震传感器的坐标信息，构建破裂源定位的目标函数，并选择最先接收到微震波形的微震传感器作为初始体中心，通过迭代求解所述目标函数最小值来确定破裂源位置坐标，得到初始的破裂源定位点个数A；
[0011]d.将破裂源位置坐标作为输入数据，通过考虑同一微震事件的微震波形数、所述微震波形的初至到时与反算初至到时差值的标准差，对不符合条件的破裂源定位点进行剔除，得到最终破裂源定位点的个数H；
[0012]e.在微震传感器位置处进行锤击测试，采集锤击测试时产生的微震波形并得到其起跳幅值F
p
，然后计算第i个微震传感器位置处微震波形引起的垂直法向位移值
[0013]f.计算所述垂直法向位移值与锤击测试时产生微震波形的起跳幅值F
p
的比值W；将比值W与岩石破裂产生微震波形的初至幅值T
iP
相乘积，即得第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形的理论法向位移值D
ip
；
[0014]g.计算第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形引起的测量位移值，引入L2范数法，写出所述垂向理论位置值与测量位移值差值表达式，计算出破裂源矩张量M
jk
，j＝1,2,3；k＝1,2,3；
[0015]h.在矩张量M
jk
特征向量构成的直角坐标系下，将破裂源矩张量正则化，求取矩张量M
jk
的特征值x
i
，i＝1,2,3以及特征向量y
i
，i＝1,2,3，然后利用特征值进一步获取破裂源形成的破裂面方向向量与法向向量的夹角；根据破裂面方向向量与法向向量的关系，确定破裂源发生的破裂机制；
[0016]i.通过考虑破裂源定位事件点的个数与所述破裂源发生的破裂机制，结合岩石的单轴抗压强度Rc、岩石的弹性能指数W
ET
这四个预测指标，建立岩石破裂失稳预测指标W
i
，i＝1，2，3，4，并利用风险评价等级W
ti
对岩石破裂失稳危险性进行评价。
[0017]优选的，所述步骤b中，微震波形的初至幅值拾取方法如下：
[0018]首先根据微震波形特征，找出一个微震波形的最大幅值并确定其位于波峰还是波谷，然后选取前后相邻的波峰或波谷之间的距离作为时窗长度并记为L；确定时窗长度便可采用能量比法获取第j个时间窗口内其他微震传感器拾取的同一个微震事件对应的微震波形；
[0019]计算第j个时间窗口内同一个微震事件对应的所有微震波形的峰值度E及偏离度R；峰值度E及偏离度R的计算公式如下；
[0020][0021][0022]其中L为时窗长度(单位：ms
×
104)，σ
x
为微震波形的标准差，x
i
为微震波形数据点，为微震波形的平均值；
[0023]然后对比偏离度和峰值度的极值，同时计算极值点前峰度值与偏离度曲线斜率的最大值，其最大值位置处所对应的时间点即为初至时间；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：a.根据实际的地质赋存条件及监测需要，确定微震传感器安装个数G并将其编号为第i＝1,2,3
…
G，G≥6，同时利用已知的破裂源坐标标定微震传感器的坐标；b.采集岩石破裂产生的微震波形并进行滤波；所述微震波形滤波完成后，基于波形特征，获取第i个微震传感器采集的微震波形的初至幅值T
iP
及初至到时B
ip
；c.根据微震波形的初至到时、P波传播速度、微震传感器的坐标信息，构建破裂源定位的目标函数，并选择最先接收到微震波形的微震传感器作为初始体中心，通过迭代求解所述目标函数最小值来确定破裂源位置坐标，得到初始的破裂源定位点个数A；d.将破裂源位置坐标作为输入数据，通过考虑同一微震事件的微震波形数、微震波形的初至到时与反算初至到时差值的标准差，对不符合条件的破裂源定位点进行剔除，得到最终破裂源定位点的个数H；e.在微震传感器位置处进行锤击测试，采集锤击测试时产生的微震波形并得到其起跳幅值F
p
，然后计算第i个微震传感器位置处微震波形引起的垂直法向位移值f.计算所述垂直法向位移值与锤击测试时产生微震波形的起跳幅值F
p
的比值W；将比值W与岩石破裂产生微震波形的初至幅值T
iP
相乘积，即得第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形的理论法向位移值D
ip
；g.计算第i个微震传感器位置处岩石破裂产生微震波形引起的测量位移值引入L2范数法，写出所述理论法向位移值D
ip
与测量位移值差值表达式，并计算出破裂源矩张量M
jk
，j＝1,2,3；k＝1,2,3；h.在矩张量M
jk
特征向量构成的直角坐标系下，将破裂源矩张量正则化，求取矩张量M
jk
的特征值x
i
，i＝1,2,3以及特征向量y
i
，i＝1,2,3，然后利用特征值进一步获取破裂源形成的破裂面方向向量与法向向量的夹角；根据破裂面方向向量与法向向量的关系，确定破裂源发生的破裂机制；i.通过考虑破裂源定位事件点的个数与剪切破裂类型占比，结合岩石的单轴抗压强度、岩石的弹性能指数，建立岩石破裂失稳预测指标，并利用风险评价等级对岩石破裂失稳危险性进行预测。2.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法，其特征在于：所述步骤b中，微震波形的初至幅值拾取方法如下：首先根据微震波形特征，找出一个微震波形的最大幅值并确定其位于波峰还是波谷，然后选取前后相邻的波峰或波谷之间的距离作为时窗长度并记为L；采用能量比法获取第j个时间窗口内其他微震传感器拾取的同一个微震事件对应的微震波形；计算第j个时间窗口内同一个微震事件对应的所有微震波形的峰值度E及偏离度R；峰值度E及偏离度R的计算公式如下；
其中L为时窗长度，s；σ
x
为微震波形的标准差；x
i
为微震波形数据点；为微震波形的平均值；然后对比偏离度和峰值度的极值，同时计算极值点前峰度值与偏离度曲线斜率的最大值，其最大值位置处所对应的时间点即为初至时间；最后在已知微震波形初至时间的基础上，进一步确定所述微震波形的初至幅值。3.根据权利要求1所述一种利用微震监测数据反演岩石破裂机理及失稳预测方法，其特征在于：所述步骤c中，破裂源定位的目标函数的建立过程如下：首先利用理论上每个微震传感器接收到微震波形的初至到时与实际微震波形从破裂源传播至微震传感器时间之间的关系，建立如下表达式：其中，为理论上第i个微震传感器接收到微震波形的初至到时，ms；x
i
,y
i
,z
i

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，蔡超，刘贞堂，王笑然，陈鹏，张运鹏，兰学谨，单天成，刘璇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：