一种矿震风险预测方法、装置、计算机设备及存储介质与流程

本发明属于矿山安全监测领域，具体涉及一种矿震风险预测方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术：

1、矿区地下资源开采引发的地表形变与矿震，严重威胁矿山安全生产与周边地质环境稳定。准确监测开采沉陷动态、反演深部岩体力学状态、进而实现矿震风险预测，是矿山安全监测领域的核心难题。现有技术主要依赖单一监测手段进行形变分析，但在构建从“地表观测”到“深部能量释放预测”的完整技术链条时，存在以下环环相扣的技术缺陷：

2、首先，在多源数据融合层面，现有方法通常直接利用位于形变区的gps点校正整个insar形变场，未能有效区分开采引发的“显著形变区”与不受开采影响的“稳定背景区”。这种全域统一校正策略导致形变区的高精度gps观测值污染了稳定背景区的insar形变信息，使校正后的形变场在非形变区域出现虚假形变失真，难以获得兼具高绝对精度与空间分布真实性的三维地表形变场。

3、其次，在从地表形变向深部力学状态反演的过程中，常规大地测量应变分析主要关注水平运动分量，而矿区形变以垂直沉降为主导，现有方法缺乏能够同时计算垂直正应变（εzz）及与垂直变形密切相关的剪切应变分量（εxz、εyz）的真三维应变分析框架。更为关键的是，现有应变反演方法多为纯数学拟合，未能将开采深度这一核心工程参数作为物理约束融入位移场建模，导致反演的深部应变状态与实际开采扰动范围、强度产生系统性偏差。

4、再次，在从力学场向能量场转化的预测环节，现有技术缺乏物理机制明确的应变能分解框架。传统方法仅计算总应变能密度，无法区分与体积变化相关的压性能量积累和与形状变化相关的剪切能量积累，更难以将能量分布模式与具体矿震类型（压性矿震、走滑型矿震）建立关联。这种能量场构建物理依据的薄弱，直接限制了矿震风险预测的准确性与针对性。

5、综上所述，现有技术难以实现“多源数据高精度融合→真三维力学场物理反演→应变能场指向性分解→矿震风险定量预测”的完整技术闭环，导致矿震风险预测缺乏系统性、准确性和针对性，难以有效支撑矿山安全生产与地质灾害防治的实践需求，使矿山安全监管长期面临预警滞后、风险误判的困境。

技术实现思路

1、为了解决矿山安全监管长期面临预警滞后、风险误判的困境问题，本发明提供了一种矿震风险预测方法、装置、计算机设备及存储介质。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种矿震风险预测方法，所述方法包括：

4、获取矿区全球导航卫星系统gps站点与升降轨干涉合成孔径雷达insar时间序列形变数据的多源监测数据；

5、基于所述多源监测数据，通过将升轨和降轨两个轨道方向获取的insar视线向形变进行组合并分解为垂直向形变场，根据垂直向形变场识别由开采引起的形变区，结合gps监测数据对所述形变区的垂直向形变场进行校正，生成地表垂直形变场；

6、以开采深度为约束，以所述地表垂直形变场为垂直位移的边界条件构建从地表至采空区的三维位移函数；根据三维位移函数确定包含垂直正应变与垂直方向剪应变在内的全部分量，并通过全部分量反演获得三维应变张量场；

7、基于所述三维应变张量场，结合岩体弹性参数与自重应力，计算三维应力张量场，基于所述三维应力张量场和三维应变张量场构建并分解应变能密度场，提取矿震相关的能量分量；

8、基于多期形变数据获得应变能密度场的时间序列，根据应变能密度场的时间序列识别能量分布积累状态，结合所述能量分布积累状态和历史矿震数据建立阈值预警模型，实现矿震风险的定量预测与分级预警。

9、可选地，所述根据垂直向形变场识别由开采引起的形变区，结合gps监测数据对所述形变区的垂直向形变场进行校正，生成地表垂直形变场包括：

10、基于矿区地表垂直向形变场的幅值与空间梯度，通过预设阈值自动识别并划分出由开采引起的形变区与不受开采影响的背景区；

11、利用分布在矿区内的gps站点实测三维位移数据，计算各站点处insar视线向形变与gps垂直向形变的差值作为校正量；

12、构建归一化加权校正场，将所述校正量通过高斯衰减函数进行空间插值，并依据所述显著形变区的空间范围确定插值权重，使校正量仅叠加于显著形变区的insar垂直形变场上，得到地表垂直形变场，而稳定背景区的形变值保持不变，获得包含地表垂直形变场的三维地表形变场。

13、可选地，所述以开采深度为约束，以所述地表垂直形变场为垂直位移的边界条件构建从地表至采空区的三维位移函数包括：

14、基于矿区实际开采深度h及岩性参数，建立垂直位移函数，表示为：

15、；

16、其中，为衰减函数，α为与岩性相关的衰减系数，为地表垂直形变场；

17、基于岩层弯曲连续性假设，构建水平位移函数：

18、；

19、;

20、其中，和分别为相互垂直的两个水平方向的位移分量函数，为深度调整函数。

21、可选地，所述根据三维位移函数确定包含垂直正应变与垂直方向剪应变在内的全部分量，并通过全部分量反演获得三维应变张量场包括：

22、对构建的三维位移函数进行解析或数值微分，计算矿区岩体在开采影响下的全部应变分量；

23、其中，垂直正应变，用于量化采空区上方岩层的垂直压缩或拉伸程度；

24、垂直方向剪应变，，用于量化沉降盆地边缘岩层的弯曲剪切变形；式中，、、分别为三维位移函数，为衰减函数，、、分别为计算点的三维方向坐标；

25、水平应变通过水平位移的偏导获得；最终获得反映矿区真实三维力学状态的三维应变张量场。

26、可选地，基于所述三维应变张量场，结合岩体弹性参数与自重应力，计算三维应力张量场包括：

27、基于三维应变张量场结合矿区岩体的弹性参数，利用广义胡克定律由应变张量计算弹性应力张量；

28、基于所述弹性应力张量的垂直分量叠加由覆盖岩层自重产生的应力分量，得到总应力张量的垂直分量：

29、；

30、其中，为岩体密度，为重力加速度，为开采深度，为计算点深度，为的垂直分量；

31、将所述弹性应力张量的水平分量作为深部岩体总应力张量的相应分量，结合总应力张量的垂直分量，得到深部岩体的三维应力张量场。

32、可选地，基于所述三维应力场和三维应变张量场构建并分解应变能密度场，提取矿震相关的能量分量包括：

33、基于所述三维应力张量场和三维应变张量场，计算总应变能密度场：

34、；

35、按照力学机制将总应变能密度场分解为体变能和畸变能；

36、从所述体变能和畸变能中提取反映压性能量积累的压缩能和反映剪切能量积累的弯曲剪切能，实现能量场与潜在矿震类型的物理关联，所述压性能量和剪切能量分别用于指示压性矿震和走滑型矿震。

37、可选地，所述基于多期形变数据获得应变能密度场的时间序列，识别能量积累的高值区与高值阶段，并结合历史矿震目录建立阈值预警模型，实现矿震风险的定量预测与分级预警包括：

38、基于多期insar与gps监测数据生成应变能密度场的时间序列，并计算各变能密度场对应的各能量分量；

39、计算各能量分量的时间变化率和，识别空间上和的高值集中区作为地震风险区，时间上能量积累速率持续上升的阶段作为预警敏感期；

40、通过将历史矿震事件的空间位置、震级与反演的能量场数据进行统计学习，建立适用于不同矿区地质条件的能量密度阈值与能量积累速率阈值；

41、当实时监测数据计算出的指标超过相应阈值时，发布针对不同风险等级的分级预警。

42、一种矿震风险预测装置，所述装置包括：

43、获取模块，用于获取矿区全球导航卫星系统gps站点与升降轨干涉合成孔径雷达insar时间序列形变数据的多源监测数据；

44、生成模块，用于基于所述多源监测数据，通过将升轨和降轨两个轨道方向获取的insar视线向形变进行组合并分解为垂直向形变场，根据垂直向形变场识别由开采引起的形变区，结合gps监测数据对所述形变区的垂直向形变场进行校正，生成地表垂直形变场；

45、反演模块，用于以开采深度为约束，以所述地表垂直形变场为垂直位移的边界条件构建从地表至采空区的三维位移函数；根据三维位移函数确定包含垂直正应变与垂直方向剪应变在内的全部分量，并通过全部分量反演获得三维应变张量场；

46、分解模块，用于基于所述三维应变张量场，结合岩体弹性参数与自重应力，计算三维应力张量场，基于所述三维应力张量场和三维应变张量场构建并分解应变能密度场，提取矿震相关的能量分量；

47、预测模块，用于基于多期形变数据获得应变能密度场的时间序列，根据应变能密度场的时间序列识别能量分布积累状态，结合所述能量分布积累状态和历史矿震数据建立阈值预警模型，实现矿震风险的定量预测与分级预警。

48、一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种矿震风险预测方法。

49、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述一种矿震风险预测方法。

50、本发明提供的一种矿震风险预测方法具有以下有益效果：

51、本发明通过获取矿区gps站点与insar影像的多源监测数据，利用升降轨insar视线向形变分解及分区加权校正策略，结合gps数据生成包含地表垂直形变场的三维地表形变场，可有效提高多源数据融合精度，为后续分析提供更准确的基础。以开采深度为约束构建三维位移函数并反演获得三维应变场，能更全面、精准地确定应变分量，克服了传统方法在应变分析上的局限性。基于三维应变场计算三维应力场，构建并分解应变能密度场，可准确提取矿震相关能量分量，为矿震风险评估提供关键指标。基于多期形变数据获得应变能密度场时间序列，识别能量积累高值区与阶段，结合历史矿震目录建立阈值预警模型，能实现矿震风险的定量预测与分级预警，有效解决现有技术难以形成完整技术闭环的问题，提升矿震风险预测的系统性、准确性和针对性，为矿山安全生产与地质灾害防治提供有力支撑，缓解矿山安全监管预警滞后、风险误判的困境。