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基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法

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煤炭学报 2023年第5期48卷 2065-2077页

作者：刘耀琪曹安业王常彬杨旭王强白贤栖刘涛中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室江苏徐州221116 徐州物硕信息技术有限公司江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116 山东能源集团西北矿业有限公司陕西西安710018

冲击地压智能监测技术迅速发展大背景下,如何利用海量微震监测信息挖掘震源破裂性状并将其应用于冲击地压的预测预警或防控是未来研究的重点与难点。为解决目前微震群破裂机制聚合规律挖掘不充分、震源机制反演技术难以直接应用于冲击... 详细信息

冲击地压智能监测技术迅速发展大背景下,如何利用海量微震监测信息挖掘震源破裂性状并将其应用于冲击地压的预测预警或防控是未来研究的重点与难点。为解决目前微震群破裂机制聚合规律挖掘不充分、震源机制反演技术难以直接应用于冲击地压的预测预警难题,采用理论分析、数值仿真等手段研究建立基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法。以内蒙古某冲击地压矿井大能量矿震事件频发2215工作面为研究背景,总结了煤矿微震波形数量有限、噪声影响大、反演效率要求高的特点,比较分析了不同矩张量方法反演震源机制的特点及优缺点,确立了混合矩张量反演法更适用于煤矿应用场景;2215工作面顶板破断诱发事件以拉剪以及压剪破坏为主;大能量事件发生前微震事件剪切成分占比不超过40%,顶板破断主导的微震事件走向角主要分布于3°~80°以及150°~270°,倾角主要分布于70°~90°,存在明显的集聚特征;基于煤矿常见的震源破裂机制及定位误差分析了微震事件聚合的可能性并建立了微震聚合准则,构建了基于震源破裂机制及定位误差校准的危险预测方法及指标;预测实例结果表明考虑震源破裂机制及定位误差后可显著增强微震异常聚合区的识别;微震数据较为完整情况下,基于震源破裂机制及定位误差校准的危险预测指标IP阈值设置为0.7时可实现对不同破裂类型大能量事件的准确预测。

关键词：冲击地压危险预测震源机制定位误差校准大能量事件聚合分析

基于深度迁移学习的矿山微震到时精确拾取与自动定位策略

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煤炭学报 2023年第12期48卷 4393-4405页

作者：曹安业杨旭王常彬李森刘耀琪窦林名牛强中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

矿山智能化建设大背景下,微震监测作为冲击地压等复杂动力灾害智能预警体系建设的基础保障技术现已得到广泛应用,如何基于微震监测数据实现矿山动力事件的高效精确捕捉与定位是当前研究的重点与难点。为解决矿山低信噪比震动波到时自动... 详细信息

矿山智能化建设大背景下,微震监测作为冲击地压等复杂动力灾害智能预警体系建设的基础保障技术现已得到广泛应用,如何基于微震监测数据实现矿山动力事件的高效精确捕捉与定位是当前研究的重点与难点。为解决矿山低信噪比震动波到时自动拾取不准、定位结果受人为因素干扰等问题,结合大数据与深度学习相关理论与方法,初步尝试建立基于深度迁移学习的矿山微震实时自动定位方法。设计了基于百万条地震波数据的矿山微震到时自动拾取初始模型,为进一步使该模型适用于矿山微震定位与信息解析,结合所建立的一万余条矿山微震到时拾取数据集,构建了矿山震动波到时自动拾取模型,实现矿山震动波P波到时自动精准拾取。在此基础上,设计了微震定位台站自动优选方法,提出定位台站波速自动微调策略,实现了矿山微震事件自动精准定位。以内蒙古某煤矿强开采扰动工作面的顶板爆破数据为验证对象,结果证明自动定位算法在水平空间平均定位误差为27.88 m,三维空间平均定位误差为28.40 m,满足矿山冲击地压等动力灾害的微震定位精度需求,有效降低台站波速标定精度不足对事件定位误差的影响,鲁棒性较强,并将耗时数分钟的人工定位缩短至200 ms内完成,初步实现了矿山微震事件的自动实时定位。研究结果可为矿山动力灾害微震信息准确解析挖掘与智能预警提供可靠技术支撑。

关键词：微震监测 P波到时拾取定位算法深度迁移学习数据驱动冲击地压

基于微震多维信息融合的冲击地压全时空预测方法

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 511-521页

作者：杨旭刘亚鹏曹安业刘耀琪王常彬赵卫卫中国矿业大学计算机科学与技术学院矿山数字化教育部工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116

为解决当前冲击地压时间与空间预测协同难、微震数据时空特征挖掘不充分的困境,结合深度学习相关理论与方法,提出了基于微震多维信息融合的冲击地压全时空预测方法,该方法主要包括微震时空特征指标、时间预测以及空间预测3个模块,设计... 详细信息

为解决当前冲击地压时间与空间预测协同难、微震数据时空特征挖掘不充分的困境,结合深度学习相关理论与方法,提出了基于微震多维信息融合的冲击地压全时空预测方法,该方法主要包括微震时空特征指标、时间预测以及空间预测3个模块,设计了基于主成分分析和核密度估计的微震时空特征指标构建方法,在此基础之上,构建了基于深度循环神经网络的冲击地压时间预测模型,提出了基于长短期时间窗融合的冲击地压空间预测方法,从而实现了冲击地压时间⁃空间协同的全时空预测。此外,为了评估所提方法的有效性,在内蒙古鄂尔多斯矿区某冲击危险工作面进行了工程应用测试,测试时间段共出现13条大于10^(5)J的大能量微震事件,在时间预测方面,对于大能量事件的时间预测结果为10个强危险、3个中等危险,并且整个测试阶段模型误报率仅为0.133。在空间预测方面,对于大能量事件的空间预测结果的分布区域为6个强危险、3个中等危险、4个弱危险。实验表明该方法可满足工程应用的需求,研究成果可为冲击地压监测预警提供参考与借鉴。

关键词：冲击地压全时空预测微震时空特征指标深度循环神经网络

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我国煤矿矿震发生机理及治理现状与难题

煤炭学报 2023年第5期48卷 1894-1918页

作者：曹安业窦林名白贤栖刘耀琪杨科李家卓王常彬中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室江苏徐州221116 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

随着我国煤矿开采深度和开采强度不断增加,煤矿矿震以前所未有的频度和强度展现出来,引起政府部门和社会民众的广泛关注。在政府倡导及科研人员积极探索下,我国在矿震致灾机理研究与工程治理实践方面取得了一系列重要进展,在正确认识矿... 详细信息

随着我国煤矿开采深度和开采强度不断增加,煤矿矿震以前所未有的频度和强度展现出来,引起政府部门和社会民众的广泛关注。在政府倡导及科研人员积极探索下,我国在矿震致灾机理研究与工程治理实践方面取得了一系列重要进展,在正确认识矿震现象与矿震灾害防控方面取得了长足进步。总结了矿震发生现状,基于我国煤矿矿震研究成果,系统阐述了矿震发生机理、破坏效应、防治技术等方面研究进展与主要难题。结论如下:矿震发生条件复杂,诸多学者从不同角度给出了矿震的定义与分类,总结前人研究后笔者从狭义和广义方面提出了矿震定义,根据矿震发生后的现象及发生机理对矿震进行了分类;矿震致灾现象普遍存在于矿山开采活动中,世界主要采矿国家均有记录,矿震灾害的专业预防与治理已刻不容缓;我国矿震的专业治理起步较晚,但近年来国家部委、省市以及地方管理机关陆续颁布关于矿震防范的规章制度,有力提升了我国矿震灾害治理和应急处置能力;总结了我国煤矿矿震宏观触发机制包括煤柱失稳诱发矿震、顶板破断运动诱发矿震以及断层错动滑移诱发矿震,矿震微观破裂机制包括震源张拉破裂、震源内爆破裂以及震源剪切破裂;从矿震震源参量、震动波传播衰减规律以及震动波扰动情况等方面探讨了矿震的致灾效应,归纳了矿震对井上下的扰动致灾评估方法;以源头防控为宗旨,以精准预防为方针,概括了我国煤矿矿震治理现状与难题。当前,我国煤矿矿震依然存在“震源找不准、灾害控不住”等难题,亟待深入研究矿震孕育发生机理、破坏效应及防控技术方法,以保障煤炭绿色安全高效开采,支撑国家深部资源开发和能源安全战略。

关键词：煤矿矿震发生机理破坏效应震源破裂机制治理技术

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基于震源机制解析的巨厚覆岩矿震破裂机制

煤炭学报 2023年第11期48卷 4024-4035页

作者：白贤栖曹安业刘耀琪王常彬杨旭赵迎春杨耀中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116 内蒙古昊盛煤业有限公司内蒙古鄂尔多斯017000

鄂尔多斯矿区侏罗系煤层覆岩中常见巨厚层状砂岩组,为了解释和量化巨厚覆岩下煤层开采矿震破裂机制与顶板破断特征,基于震动波P波辐射位移场与相对矩张量反演方法,提出了以震源群为单位、微震台站为对象构建反演矩阵进行煤矿矿震震源机... 详细信息

鄂尔多斯矿区侏罗系煤层覆岩中常见巨厚层状砂岩组,为了解释和量化巨厚覆岩下煤层开采矿震破裂机制与顶板破断特征,基于震动波P波辐射位移场与相对矩张量反演方法,提出了以震源群为单位、微震台站为对象构建反演矩阵进行煤矿矿震震源机制反演,提高了反演效率与准确性,求解了巨厚覆岩下实体煤段与临空段工作面回采诱发大能量矿震事件的震源机制,定量分析了顶板破裂演化特征与震动波辐射影响方位。结果表明:巨厚覆岩下临空段工作面回采白垩系巨厚砂岩层开始产生破断,地表沉降量快速上升,开始出现100 kJ以上的矿震事件,矿震分布较实体煤阶段更为密集;大部分大能量矿震事件位于采空区后方,与煤层上方厚层顶板破断、滑移密切相关;巨厚覆岩下煤层开采诱发的震源顶板张拉破裂占比85%以上,临空段回采期间震源有向上扩展的趋势,剪切滑移破裂相对实体煤回采阶段有所增加;破裂面走向方向大致与工作面推进方向一致或与工作面推进方向成“X”夹角,但临空回采阶段相较实体煤阶段走向“X”夹角由30°增加至45°;震源破裂面倾角0°~30°,占比50%左右,顶板以水平离层张拉、顶板回转压缩失稳为主,产生的P波大多向下方采空区传播,对工作面回采影响较小;仅部分顶板断裂张拉与剪切滑移失稳产生的P波向周围采场传递,可能对工作面影响较大。巨厚覆岩型矿震的防治思路可从弱化巨厚覆岩的整体性、使巨厚覆岩结构分层破断的角度出发,降低巨厚覆岩整体破断诱发矿震对工作面冲击危险性的影响。

关键词：巨厚覆岩矿震震源机制矩张量反演破裂面产状

物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法

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煤炭学报 2023年第10期48卷 3659-3673页

作者：曹安业刘耀琪杨旭李森王常彬白贤栖刘亚鹏中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室江苏徐州221116 徐州物硕信息技术有限公司江苏徐州221116 中国矿业大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116

煤矿智能化建设的大背景下,如何高效的从冲击地压海量监测数据提取有效信息与提高预测预警准确率是未来的研究重点与难点。为解决目前基于物理指标冲击地压预测方法泛化能力较差、对海量数据特征挖掘不充分的困境,结合深度学习技术,初... 详细信息

煤矿智能化建设的大背景下,如何高效的从冲击地压海量监测数据提取有效信息与提高预测预警准确率是未来的研究重点与难点。为解决目前基于物理指标冲击地压预测方法泛化能力较差、对海量数据特征挖掘不充分的困境,结合深度学习技术,初步尝试建立了物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法。以陕西彬长矿区某强冲击危险工作面为背景,分析了多次大能量事件发生前物理指标的变化特征,并统计剖析了仅使用物理指标驱动的冲击地压危险预测指标的短板与不足;提出采用物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法,预测模型包括数据预处理、特征提取以及预警模型构建3个模块,数据预处理将原有微震监测数据处理为具有特定时间窗的前兆模式序列,特征提取主要包括基于物理指标的显式特征以及基于卷积神经网络的数据隐式特征提取,提出基于注意力机制的显式特征和隐式特征的深度融合方法,并通过全连接网络实现预测模型分类,实现对不同冲击危险等级的大能量事件进行预测。模型测试结果表明:预测时长为未来1 d、未来2 d以及未来3 d时预测F1分别可达0.956、0.950以及0.854,现场可根据需求选用预测时长;工程应用时模型可对大能量事件准确预测,误差分析结果表明模型预测准确率较高,可满足现场需求。

关键词：冲击地压时序预测物理指标数据特征融合驱动机器学习

冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量响应规律

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煤炭学报 2022年第2期47卷 722-733页

作者：曹安业陈凡刘耀琪窦林名王常彬杨旭白贤栖宋士康中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 中国矿业大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116 陕西正通煤业有限责任公司陕西咸阳712000

矿震是冲击地压孕育及诱发的重要影响因素,研究矿震震源破裂机制对完善冲击地压致灾机理至关重要。为有效分析矿震震源破裂机制与震源参量响应特征,基于相对矩张量反演原理提出以震源群为单位反演矿震震源机制,并针对煤矿应用背景构建... 详细信息

矿震是冲击地压孕育及诱发的重要影响因素,研究矿震震源破裂机制对完善冲击地压致灾机理至关重要。为有效分析矿震震源破裂机制与震源参量响应特征,基于相对矩张量反演原理提出以震源群为单位反演矿震震源机制,并针对煤矿应用背景构建了反演矩阵,推导了反演所需最低射线数与震源数条件,优化了矿震震源破裂类型判识方法,提高了反演精度与效率,统计分析了褶皱构造区、深埋断层构造区以及高应力大巷煤柱区等3个冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量的响应规律。结果表明:矿震震源参量与破裂机制与其地质构造情况、震源层位以及应力环境等相关。褶皱构造区顶板型强矿震以拉张破裂占主导,煤体中强矿震以剪切破裂占主导,拉张型与剪切型矿震的震源破裂强度与应力调整程度差异较小,而拉张型矿震的扰动规模更大;深埋断层构造区拉张型矿震具有更强的破裂强度,剪切型矿震具有更大的扰动规模;高应力大巷煤柱区矿震震源类型以剪切破裂为主导,煤柱(体)极易在顶底板的夹持下沿应力优势方向发生连续性剪切破坏,剪切型矿震震源参量平均值(除视应力)明显高于拉张型矿震,表明剪切型矿震时冲击危险性显著高于拉张型矿震。不同条件下震源参量与破裂机制响应特征可为强矿震的精准判识和力学机制研究提供参考。

关键词：冲击地压矿震震源机制震源参量响应规律

深部大倾角厚煤层开采能量演化规律与冲击地压发生机理

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采矿与安全工程学报 2021年第5期38卷 876-885页

作者：薛成春曹安业郭文豪刘耀琪温颖远胡阳李许伟中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室江苏徐州221116

针对某矿大倾角厚煤层高应力区工作面开采期间强矿震事件频发的问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法对其开采能量演化规律、冲击地压机理开展研究。建立了倾斜悬顶结构力学模型,理论分析了工作面顶板能量分布特征,确定了工作面... 详细信息

针对某矿大倾角厚煤层高应力区工作面开采期间强矿震事件频发的问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法对其开采能量演化规律、冲击地压机理开展研究。建立了倾斜悬顶结构力学模型,理论分析了工作面顶板能量分布特征,确定了工作面下部端头、中上部为悬顶弯曲变形能积聚程度高的2个重点区域;模拟结果表明,大倾角厚煤层顶板能量积聚于工作面下部端头、中上部区域,底板能量积聚于工作面下部端头区,能量积聚区域呈明显不对称分布;受下层煤局部缺失影响,大倾角厚煤层工作面围岩应力、能量峰值分别增高12.7%,46.2%,能量积聚范围扩大;基于大倾角厚煤层开采能量分布特征及诱冲机理,提出工作面冲击地压防治思路和重点区域,制定了顶板定向深孔爆破释能降载防治方案,有效降低了倾斜悬顶应力、能量水平,避免了大倾角厚煤层高应力区冲击地压的发生,可为类似条件下工作面冲击地压防治提供借鉴指导。

关键词：大倾角煤层冲击地压悬顶结构能量演化数值模拟

深部冲击地压煤层水射流割缝卸压参数优化研究

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岩土工程学报 2023年第7期45卷 1509-1516页

作者：胡阳曹安业秦续峰薛成春郭文豪刘耀琪彭雨杰云南煤矿安全技术中心有限公司云南昆明650000 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山地震监测工程实验室江苏徐州221116 山东新河矿业有限公司山东济宁272499 内蒙古仲泰能源伊旗分公司内蒙古鄂尔多斯017200

为确定深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压最优参数,采用数值模拟、理论推导剖析了高压水射流割缝卸压防冲原理,构建了钻孔间距、割缝半径等4个因素的参数优化理论模型,以某矿730采区集中巷为研究对象,基于动静载叠加原理,研究揭示了... 详细信息

为确定深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压最优参数,采用数值模拟、理论推导剖析了高压水射流割缝卸压防冲原理,构建了钻孔间距、割缝半径等4个因素的参数优化理论模型,以某矿730采区集中巷为研究对象,基于动静载叠加原理,研究揭示了集中巷冲击地压机理,获得了各影响因素的理论参数值,并揭示了不同理论参数下应力、塑性区及冲击危险指数的异同。研究结果表明:各影响因素对高压水射流割缝卸压效果均有较大影响,且各因素之间存在显著的交互作用;采用卸压后平均垂直应力、弹性能密度、冲击危险指数及卸压成本为卸压参数的有效性及经济性指标,评估了不同参数卸压效果的优劣,获得该煤层物理力学性质下高压水射流割缝卸压最优参数;研究成果在730采区#3联络巷应用后,现场微震频次、总能量及微震空间集中度均大幅降低,为工作面安全回采提供了技术保障。

关键词：冲击地压煤矿巷道水射流割缝参数优化数值模拟

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