【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于矿山动力灾害防治领域，特别涉及一种冲击地压物理监测指标构建方法及应用，具体涉及一种基于微震时空演化特征的指标构建方法及应用。
技术介绍
1、冲击地压是煤矿井下巷道或工作面周围煤岩体弹性能突然释放而产生猛烈破坏的动力现象。冲击地压发生时，井下几米至几百米的巷道或工作面被瞬间摧毁，往往造成巷道堵塞、设备损坏、人员伤亡，是威胁煤矿安全生产的严重灾害。冲击地压具有突发性、破坏性和复杂性特点，一直是采矿与岩石力学领域研究难点问题。冲击地压防治的核心思想之一是通过冲击地压矿井监测手段，进行冲击危险区域的实时监测，以获取岩体应力和变形情况，及时预测和评估冲击地压的危险性，并采取相应的措施来减轻冲击地压的影响和危害。
2、微震监测技术是广泛应用于煤矿安全生产的一项关键技术，微震事件的时空演化过程中蕴含丰富的煤岩体破裂信息，且灾害发生前，微震事件数量会逐渐增多，并会向某一区域集中，密度增大，微震事件的聚集是工程地质灾害的前兆特征已经在工程中得到证实。但微震事件的分布与采场煤(岩)体裂隙的发生扩展同样具有较强的非线性特征，加之微震产生的原因多样，造成时空分布异常复杂，肉眼难以分辨，面对海量的监测数据缺乏有效的分析方法，且单纯采用数据统计等方法，难以提取出可靠的时空特征指标，因此通过构建基于微震时空演化特征的指标，并应用指标辨识冲击危险区域对冲击地压的有效防治具有重要意义。
技术实现思路
1、为解决现有微震指标无法全面表征时空特性的问题，本发提供了基于微震时空演化特征的指标构建
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，步骤1全局聚集性指标构建
3、随时间演化的过程中，微震定位点的空间分布类型可以分为集聚、离散和随机等三种，通过空间自相关指数可以对微震事件随时间演化过程的空间分布特征进行定量分析，因此，提出全局聚集性指标，具体计算方法如下：
4、全局moran’s i：
5、
6、式中：n为区域单元个数；xi为区域单元i的属性观测值。wij为空间权重系数，当区域i与j邻接时，wij等于1，当区域i与j不邻接时，wij等于0。
7、当moran’s i接近1时，为正空间自相关，呈集聚分布；moran’s i接近-1时，为负空间自相关，呈离散分布；moran’s i等于0时，则无空间自相关，呈随机分布。
8、moran’s i的期望值为：
9、
10、moran’s i的方差为：
11、
12、式中，wi,wj为第i列和第j列之和。
13、检验统计量计算：
14、
15、根据z值大小，在设定显著性水平下做出接受或拒绝零假设的判断。双边置信概率α取5％，当z值大于1.96，呈集聚格局，当z值小于-1.96，呈离散格局。
16、步骤2局部密度指标构建
17、在定量分析全局微震事件时空演化的基础上，进一步定量分析事件的局部分布规律，需针对数据进行局部密度计算。由于微震数据的随机性较强，分布不均匀，传统的局部密度算法受到固定带宽参数限制，导致得到的局部估计密度可能与实际的分布相差较大。因此，提出了的局部密度指标方法，即通过基于自适应带宽的二维核密度估计计算实现指标计算，具体计算方法如下：
18、步骤2-1固定带宽二维核密度估计
19、
20、式中，fn(x，y)是二维数据点(x,y)的密度估计值，n是数据集的样本数量，h是带宽参数，k是核函数，(xi,yi)第i个样本点的坐标。
21、步骤2-2自适应带宽二维核密度估计
22、其中，带宽参数决定了核函数在每个点周围应该具有多大的影响范围，正确选取合适的带宽是非参数核密度估计的核心。因此在固定带宽计算的基础上，引入了带宽因子。
23、
24、λi＝(g-1fn(x，y))-α (7)
25、
26、式中，λi为带宽的自适应修订系数；α为敏感性参数，取值0～1，一般情况下为0.5时，核密度估计的拟合效果最佳。
27、计算采用了高斯核函数(也称为正态分布核函数)进行核密度估计。高斯核函数的公式如下：
28、
29、步骤3指标可靠性验证
30、通过煤岩变形演化实验计算声发射事件的全局聚集性指标值，以及由局部密度指标计算方法提取的最大密度值得到试件加载与指标值对应演化曲线。分别采用数字散斑相关方法和局部密度指标方法，计算试件加载弹塑性阶段的三个标识点时刻对应的岩石试件表面的最大剪应变以及局部密度，做出变形场演化及局部密度演化云图。通过分析基于声发射事件的时空特征指标演化规律，证明了指标能够表征煤岩变形集中区域的时间演化状态及空间演化趋势。
31、步骤4应用实例
32、通过煤岩变形演化特征可知，当工作面区域微震事件达到全局空间聚集格局，并且在局部密度云图中的相对集中的高密度区，即为变形集中区域，说明该区域发生了应力集中，易发生冲击危险。因此选取工程实例，应用该方法辨识冲击危险区域。
33、选取该工作面掘进期间的微震数据，计算微震事件的全局聚集性指标值，得到指标演化曲线。分析可知变形集中状态是否形成，再进一步通过局部密度指标计算微震事件的分布密度，得到工作面微震事件局部密度云图。
34、通过选取回采期间发生的微震事件，对上述辨识冲击危险区进行验证。根据事件定位将其划分为工作面顶板、煤层以及底板三种微震事件类型，做出分布示意图。三种类型的微震事件基本均分布于冲击危险区域内，说明在回采过程中，由于该区域出现应力集中，微震事件在该区域发生持续的聚集，进而验证了冲击危险区域辨识结果的准确性以及指标的可行性。
35、本专利技术创造的有益效果是：本专利技术首先提出了基于微震时空演化特征的指标，即全局聚集性指标和局部密度指标。全局聚集性指标定量表征了微震事件随时间演化过程的整体空间分布特征，局部密度指标表征了微震事件局部区域的空间密度演化规律。通过煤岩变形演化实验，得到指标的演化规律，证明了指标追踪煤岩时空演化过程中变形集中区域的可行性。进一步选取工作面掘进期间的微震事件，采用指标追踪工作面变形集中区域，得到冲击危险区域，通过回采数据验证危险区域的准确性，并结合工作面地质构造以及空间结构分析可能导致的原因，进一步验证基于微震时空演化特征指标用于冲击危险区域辨识的可行性。通过上述方法，本专利技术提供了准确性高、应用范围广，对冲击地压的有效防治具有重要意义的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法及应用。
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1.一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，其特征在于，其步骤为：
2.根据权利要求1所述的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，其特征在于，步骤1中具体方法如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体方法为：
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法的应用，其特征在于，应用该方法辨识冲击危险区域。
5.根据权利要求4所述的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法的应用，其特征在于，具体方法为：
【技术特征摘要】
1.一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，其特征在于，其步骤为：
2.根据权利要求1所述的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，其特征在于，步骤1中具体方法如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于微震时空演化特征的指标构建方法，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁琳琳，朱晨利，宋义敏，潘一山，李昱达，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：
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