一种基于多源信息融合的煤矿冲击地压智能防治决策系统的制作方法

本发明涉及煤矿安全，具体为一种基于多源信息融合的煤矿冲击地压智能防治决策系统。

背景技术：

1、冲击地压是深部煤矿开采过程中面临的主要动力灾害之一；目前针对采掘工作面的冲击地压防治，利用微震台网与在线应力计等手段进行危险区域预测，并在判定存在风险的区域实施大直径卸压钻孔工程，以破坏煤岩体的完整性并释放局部集中应力。

2、然而现有的防冲决策方法在实际应用中存在明显局限；在数据处理层面，现有的监测系统将微震事件、静载应力与地质探测数据独立分析，未能建立异构监测数据在三维空间上的深度融合模型；常规的介质传能特性分析多采用静态的岩体密度与波速背景值计算波阻抗，忽略深部高应力环境下岩体微裂隙闭合压密对实际波速及波阻抗的非线性影响，导致推演出的动载应力波传播路径与能量衰减规律与深部岩体的真实物理状态存在偏差。

3、在防冲卸压方案的制定与执行阶段，现有参数设计大多基于前期的静态地质数据一次性生成，工程施工处于单向执行状态；钻孔实施过程中，未能提取智能钻机切削破岩时产生的推力、扭矩等动力学反馈数据来量化实际的岩体机械损伤；由于缺少将物理执行数据向地质模型转化的接口，系统无法利用已完工钻孔的真实轨迹对周边未施工钻孔的参数进行随钻动态调整；若在单次钻孔施工后强行执行全域环境数据的重新计算，会产生极大的算力消耗，难以满足井下工程实时指导的时间要求。

4、此外，传统的防冲卸压工程验收多侧重于钻孔进尺与施工数量的统计，缺乏对卸压区域最终能够承受的临界失稳能量以及实际残余能量的定量化评估，导致难以准确判断单次工程是否达到安全标准；同时在长周期的开采过程中，现有模型依赖固定的经验设定值，未能利用卸压区内新发微震事件的实际残余能量对系统基础的能量衰减系数进行逆向标定，缺少闭环演化机制，导致决策系统的预测准确度会随着开采环境的变化和时间的推移而逐渐降低。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多源信息融合的煤矿冲击地压智能防治决策系统，解决了现有煤矿防冲决策过度依赖静态离散数据且单向执行，缺乏随钻物理反馈动态修正与长周期闭环校准机制，导致防冲参数偏离岩体真实状态的技术的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种基于多源信息融合的煤矿冲击地压智能防治决策系统，系统包括：

4、多源数据采集模块、波阻抗初始建模模块、能量耗散分析模块、防治参数寻优模块、随钻空间动态重构模块、热启动局部修正模块以及效能评估与闭环演化模块；

5、多源数据采集模块用于获取采掘工作面的地质参数、微震事件参数与应力在线监测数据；

6、波阻抗初始建模模块用于将采掘空间离散化为三维空间网格，基于监测数据建立应力与波速的耦合关联公式，构建全局初始波阻抗矩阵；

7、能量耗散分析模块用于从全局初始波阻抗矩阵中提取静载靶区与动载源，沿最短时间射线路径构建能量衰减积分模型以量化残余能量；

8、防治参数寻优模块用于将卸压钻孔设定为扰动体，以最小总钻孔进尺和最大能量耗散梯度构建目标函数，输出防冲卸压钻孔的三维空间参数；

9、随钻空间动态重构模块用于提取随钻姿态与动力学参数，计算岩体机械损伤变量，局部更新全局初始波阻抗矩阵；

10、热启动局部修正模块用于围绕钻孔真实轨迹提取包络网格，进行局部梯度搜索解算剩余未施工钻孔的参数补偿量；

11、效能评估与闭环演化模块用于依据钻孔施工后的最终全域波阻抗矩阵计算最终残余能量并进行防冲效能评估与基础参数更新。

12、进一步的，所述波阻抗初始建模模块为三维空间网格的网格节点赋予初始微震纵波波速与煤岩体密度初始值，提取网格节点处的绝对静载应力值，利用目标区域煤岩体的单轴抗压强度标准值对绝对静载应力值进行无量纲化处理；

13、结合静载应力对波阻抗物性变化的非线性强化耦合系数计算得出网格节点的初始三维波阻抗值，进而构建全局初始波阻抗矩阵；

14、上述方案利用实测应力数据对介质初始参数进行修正，减小深部高应力区微裂隙闭合对波阻抗计算造成的误差，提高三维空间网格介质参数的准确度。

15、进一步的，所述能量耗散分析模块计算全局初始波阻抗矩阵中网格节点阻抗值的统计均值与标准差，将高于判定阈值的连通域提取为静载靶区；

16、采用密度聚类算法识别空间分布密集的微震震源簇并进行加权计算提取为动载源；

17、采用快速行进算法求解程函方程计算初至时间场分布，沿时间梯度下降方向执行逆向追踪获取连接动载源与静载靶区的最短时间射线路径；

18、上述方案基于波动理论求解时间场，明确动载波在非均匀地质体中的具体传播路径。

19、进一步的，所述能量耗散分析模块将最短时间射线路径离散化为微段路径变量，结合介质基础能量衰减系数与沿线网格节点的波阻抗分布函数进行指数衰减空间积分运算，求解动载应力波穿透煤岩体介质到达静载靶区边界处的残余能量值。

20、进一步的，所述防治参数寻优模块基于配置的包含坐标、角度与深度的空间参数向量在三维空间网格内部构建虚拟圆柱体几何模型，提取位于设计半径内的网格节点构成局部扰动集合并折减波阻抗值形成演化阻抗矩阵；

21、重新执行路径积分运算获取更新残余能量，以总钻孔进尺无量纲值与能量耗散梯度无量纲值构建目标函数；

22、采用优化算法对目标函数进行迭代解算，提取全局种群历史最优位置并解码获取防冲卸压钻孔的三维空间参数；

23、上述方案通过目标函数迭代求解卸压钻孔的空间参数，减少参数规划过程对人工经验的依赖。

24、进一步的，所述随钻空间动态重构模块采用最小曲率法转化随钻倾角与方位角参数以获取钻头真实的物理三维空间坐标；

25、采集推力与扭矩参数，计算破岩消耗的机械比能；

26、利用区域对应岩层极限破碎比能常数对机械比能执行归一化映射计算，生成分布于零至一区间内的岩体机械损伤变量；

27、上述方案利用随钻测量参数计算机械比能与损伤变量，实现施工过程物理反馈数据向模型参数的转化。

28、进一步的，所述随钻空间动态重构模块结合岩体机械损伤变量与声损伤敏感性调节指数，采用基于有效介质理论的局部波阻抗动态演化方程计算受损网格的更新阻抗值，并替换原全局初始波阻抗矩阵中真实钻孔轨迹穿透对应的网格数据。

29、进一步的，所述热启动局部修正模块基于莫尔-库仑破坏准则计算钻孔周边产生塑性屈服破坏的有效卸压影响半径，生成包络网格；

30、将包络网格与最短时间射线路径包含的网格序列执行布尔交集运算，当存在重合节点时，将剩余未施工钻孔的空间参数向量作为初始优质解输入局部搜索算法；

31、在寻优降维限制域内，基于能量增量变化差值计算偏导数梯度，采用梯度上升算法按预设搜索步长进行步进式推演解算相邻待施工钻孔的空间坐标偏转量与深度补偿量；

32、上述方案通过判断包络网格与传能路径的重合情况，限定需要重新解算的区域，降低寻优过程的整体计算量，满足随钻修正的时间要求。

33、进一步的，所述效能评估与闭环演化模块基于所有卸压钻孔施工完成后的最终全域波阻抗矩阵重新进行逆向追踪与积分运算，获取动载波到达静载靶区边界处的最终残余能量值；

34、结合弹性应变能释放准则反演计算靶区发生冲击地压破坏的最小临界能量；

35、当最终残余能量值与安全储备系数的乘积大于最小临界能量时，触发防冲预警信号并重定向至防治参数寻优模块触发补充卸压钻孔规划循环。

36、进一步的，所述效能评估与闭环演化模块在区域防冲卸压工程结束后，提取新发微震事件穿透卸压区的实际波频残余能量；

37、计算实际波频残余能量与模型预测残余能量的预测偏差梯度，当预测偏差梯度超限时，反向自适应调整介质基础能量衰减系数与非线性强化耦合系数；

38、上述方案依据长周期内的实测微震数据反向调整衰减系数与耦合系数，提供系统持续运行过程中的闭环反馈与修正方法。

39、本发明提供了一种基于多源信息融合的煤矿冲击地压智能防治决策系统。具备以下有益效果：

40、1、本发明通过建立应力与波速非线性耦合的初始波阻抗矩阵，并采用快速行进算法求解程函方程获取动载波的最短时间射线路径，将多源离散监测数据转化为连续的空间介质模型；方案结合实测静载应力修正煤岩体初始物理参数，能够更加客观地反映深部高应力环境下非均匀岩体真实的传能特性与动载能量衰减规律。

41、2、本发明通过利用随钻测量获取的动力学参数计算岩体机械损伤变量以更新局部波阻抗，并通过判断受钻孔影响的包络网格与能量传播路径的交集情况，在限定区域内对未施工钻孔参数进行局部梯度搜索修正；方案依据施工过程中的真实物理反馈动态调整后续防治参数，同时避免全域数据重算，满足防冲卸压参数随钻动态决策的实时性要求。

42、3、本发明通过比对全域波阻抗矩阵重算得出的最终残余能量与冲击失稳最小临界能量，对单次卸压工程进行效能评估并决定是否触发补充钻孔，同时利用长周期内实际微震事件的残余能量预测偏差，反向调整系统基础的能量衰减系数与耦合系数；方案构建短周期施工达标检验与长周期参数自校准相结合的闭环机制，提高系统长期运行条件下的计算准确度与可靠性。