基于变形局部化方法的冲击地压时空强预测研究

作     者：赵亚周 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张敬宗;金德

授予年度：2024年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：冲击地压预测 变形局部化 空间预测 时间预测 强度预测 

摘      要：冲击地压的发生和预测是一个非线性很强的工程问题,针对强非线性问题,如何建立监测预测方法,实现对冲击地压发生的空间、时间、强度进行有效预测,是冲击地压防治的重中之重。本文通过推导变形局部化与冲击地压之间的关系,构建了变形局部化预测冲击地压的空间、时间、强度体系;基于改进微震定位算法和莫兰指数,提出了变形局部化启动判别方法;结合微震监测中的微震事件坐标参数,利用核函数空间演化模型和空间尺度显著性模型实现冲击地压空间预测;根据微震监测中的累计事件率、累计能量、累计振铃计数参数,结合时间预测模型实现冲击地压时间预测;结合能量时间序列数据,利用ARIMA模型、LSTM模型、CNN模型、CNN-LSTM模型实现冲击地压强度预测;基于单轴压缩实验,对变形局部化方法预测冲击地压空间、时间、强度进行验证;以某冲击地压矿井的工程实际为背景,将冲击地压预测的变形局部化方法进行实际应用,主要研究成果如下: 在构建变形局部化方法预测冲击地压体系方面,对冲击地压发生条件和变形局部化发生条件进行推导,建立了冲击地压和变形局部化之间的关系,构建了变形局部化方法预测冲击地压的空间、时间、强度体系。 在冲击地压空间预测方面,提出了一种改进微震定位算法,结合莫兰指数,得到了变形局部化启动点的判别方法;利用空间核函数演化模型和空间尺度显著性模型,得到了微震事件在空间上随时间演化的规律,搭建了冲击地压空间预测模型,结合单轴压缩试验,对空间预测模型进行了验证,结果表明,空间预测模型能很好的预测出试件破坏位置。 在冲击地压时间预测方面,依据累计事件率、累计能量、累计振铃计数曲线特性,提出了冲击地压时间预测模型,并通过实验对冲击地压时间预测模型进行验证,结果表明,在时间预测模型中,累计事件率参数的预测效果最好,累计能量参数的预测效果次之,累计振铃计数的预测效果最差。针对时间预测模型特点,对影响时间预测模型预测效果的参数进行了分析。 在冲击地压强度预测方面,依据强度时间序列特性,提出了利用ARIMA模型、LSTM模型、CNN模型和CNN-LSTM模型对冲击地压强度预测的方法,结合实验数据,验证了各个模型的预测效果。结果表明,ARIMA模型的预测效果较差,CNN模型和LSTM模型的预测效果相当,CNN-LSTM模型的预测效果最好。 在工程应用方面,以某冲击地压矿井为背景,将本文提出的冲击地压时空强预测方法进行应用。首先对现场数据进行预处理,监测变形局部化启动状态,得到变形局部化启动结果,分别利用冲击地压空间、时间、强度预测模型预测冲击地压发生的空间、时间和强度。结果表明,在空间预测中,核函数演化模型和空间尺度显著性模型能很好的预测出冲击地压的空间位置;在时间预测中,根据时间预测模型,累计事件率参数预测冲击地压发生时间效果较好,累计能量参数预测冲击地压发生时间效果一般;在强度预测中,LSTM模型与CNN模型的预测效果相当,但总体上略差于CNN-LSTM组合模型,ARIMA模型的预测效果最差。