一种工作面覆岩断裂特征定量化分析方法

1.本发明涉及矿山微震监测信号处理技术领域，特别是涉及一种工作面覆岩断裂特征定量化分析方法。


背景技术：

2.随着煤矿采掘设备能力的增强以及开采工艺水平的提升，采场矿压显现越来越强烈。针对坚硬顶板条件下采场出现的强矿压现象，我国总结出一套现场观测、理论计算和数值模拟的研究方法。然而现有研究方法，虽在理论上解释了强矿压的产生原因，却未能准确的分析出覆岩的断裂失稳形态和断裂线的分布，从而对于岩层的断裂失稳活动难以做到精准分析和控制。
3.近年来，微震监测技术在煤矿的应用得到了快速发展，基于微震监测的冲击矿压理论水平与控制技术不断提高，采用微震信息研究矿压问题也越来越多地被业内所接受，在微震活动与应力场变化，扰动区断层活动的关系等领域进行了大量的研究。然而，受微震事件时空分布离散性、分析方法局限性的影响，目前在采用微震信息精准分析上覆岩层断裂裂缝的时空分布形态，并可靠分析岩层失稳及强来压机理方面一直难以突破。
4.因此，亟需一种工作面覆岩断裂特征定量分析方法，能够定量化地分析工作面覆岩断裂分布的时空特征，为工作面强矿压防治提供依据。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种工作面覆岩断裂特征定量化分析方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对微震事件数据的聚类分析，实现对开采过程中形成的覆岩断裂特征、采空区最终形成的覆岩断裂特征，以及覆岩断裂扩展过程的分析。基于此，根据覆岩断裂线扩展演化过程及其延伸层位的精确分析，为工作面强矿压防治提供依据。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种工作面覆岩断裂特征定量化分析方法，包括以下步骤：
7.获取煤矿的微震事件时空数据集，其中，所述微震事件时空数据集包括若干微震事件时空数据样本；
8.对所述微震事件时空数据集进行聚类分析，根据评价指标确定最优聚类簇个数，基于所述最优聚类簇个数获取事件簇；
9.获取事件簇质心的时空数据，分析在时间序列下，覆岩在工作面开采过程中的断裂特征；
10.获取事件簇质心的能量特征，基于所述事件簇质心的时空数据和所述能量特征，分析在空间关系下，采空区最终形成的覆岩断裂特征；
11.基于所述工作面开采过程中的断裂特征和所述采空区最终形成的覆岩断裂特征，对断裂线联通过程进行分析，获得覆岩断裂线扩展过程；
12.基于所述工作面开采过程中的断裂特征和所述采空区最终形成的覆岩断裂特征，
获得垂直于工作面推进方向上的断裂线分布，结合钻孔柱状图覆岩岩性信息，得到工作面覆岩断裂线特征示意图；
13.基于所述工作面覆岩断裂线特征示意图和所述覆岩断裂线扩展过程，根据所述事件簇质心的时空数据，得到定量化的覆岩断裂特征。
14.可选地，所述微震事件时空数据样本的特征包括时间t和空间三维坐标x、y、z。
15.可选地，对所述微震事件数据集进行聚类分析的过程中采用k-means聚类算法。
16.可选地，所述评价指标包括：
17.指标1：轮廓系数平均值；
18.指标2：轮廓系数标准差；
19.指标3：大于轮廓系数平均值样本个数占总样本数比例；
20.指标4：计算每个簇中大于轮廓系数均值占这个簇样本数的比例，所有簇的比例的平均值；
21.指标5：计算每个簇中大于轮廓系数均值占这个簇样本数的比例，所有簇的比例的标准差。
22.可选地，对所述微震事件时空数据集进行聚类分析，根据评价指标确定最优聚类簇个数包括：
23.对5项所述评价指标进行归一化处理，基于所述微震事件时空数据集和归一化后的5项所述评价指标，构建评价指标随聚类簇个数变化曲线图，提取所述评价指标随聚类簇个数变化曲线图中5项所述评价指标的若干交汇点，比较所述交汇点，确定最优交汇点，其中，所述最优交汇点为多项所述评价指标趋于平稳的起始点，完成确定最优聚类簇个数。
24.可选地，获取所述事件簇质心的时空数据，分析在时间序列下，覆岩在工作面开采过程中的断裂特征包括：
25.获取所述事件簇质心的时空数据，按事件簇质心时间由前到后的顺序，将事件簇中微震事件依次绘制于三维图中，分析在时间序列下，所述覆岩在工作面开采过程中的断裂特征，其中，所述覆岩在工作面开采过程中的断裂特征为沿工作面推进方向的多个拱形分布事件簇。
26.可选地，基于所述事件簇质心的时空数据和所述能量特征，分析在空间关系下，采空区最终形成的覆岩断裂特征包括：
27.按所述事件簇中微震事件能量和由高到低的顺序依次绘制于三维图中，分析在空间关系下，采空区最终形成的覆岩断裂特征，其中，所述采空区最终形成的覆岩断裂特征根据破裂程度强弱分为多个层级。
28.可选地，基于所述工作面开采过程中的断裂特征和所述采空区最终形成的覆岩断裂特征，对断裂线联通过程进行分析，得到覆岩断裂线扩展过程包括：
29.将各所述拱形分布事件簇依次添加至所述覆岩断裂特征的不同层级分布图中，将既被标记为所述拱形分布事件簇，又被标记为当前层级事件簇的事件用不同颜色显示，获得工作面开采过程中形成的断裂与所述采空区最终形成的覆岩断裂联通情况，获得覆岩断裂线扩展过程。
30.可选地，基于所述工作面开采过程中的断裂特征和所述采空区最终形成的覆岩断裂特征，获得垂直于工作面推进方向上的断裂线分布，结合钻孔柱状图覆岩岩性信息，得到
工作面覆岩断裂线特征示意图包括：
31.分别将开采过程中所述拱形分布事件簇的质心和最终形态下垂直于工作面推进方向上面状分布事件簇质心绘制于距切眼距离-距煤层距离二维分布图中，得到覆岩断裂线趋势及覆岩断裂线延伸到的层位，结合钻孔柱状图，绘制得到工作面覆岩断裂特征图。
32.可选地，基于所述工作面覆岩断裂线特征示意图及覆岩断裂线扩展过程，根据事件簇质心时空坐标，得到定量化的覆岩断裂特征包括：
33.根据所述工作面覆岩断裂线特征示意图，获取覆岩断裂线延伸趋势及覆岩断裂线扩展到的层位；根据所述覆岩断裂线扩展过程，获取工作面开采过程中与最终形态下断裂线联通节点所处位置及联通节点破裂层级，完成所述覆岩断裂特征的定量化分析。
34.本发明公开了以下技术效果：
35.本发明提供的一种工作面覆岩断裂特征定量化分析方法，该方法克服了微震事件时空分布离散性的问题，为充分利用微震信息中包含的丰富的岩体破裂信息，进而为实现对岩体断裂过程内部观察提供了一种新的分析方法。该方法利用微震信息，得到了工作面覆岩断裂线特征示意图及覆岩断裂线扩展过程，定量化的实现了对工作面覆岩断裂特征的分析，为工作面强矿压防治提供较为精确的依据。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明实施例中微震事件三维分布图；
38.图2为本发明实施例中评价指标随聚类簇个数变化曲线图；
39.图3为本发明实施例中按事件簇质心时间特征设置颜色梯度后微震事件簇分布图；
40.图4为本发明实施例中工作面开采过程中拱形分布图，其中，(a)为第一个拱形分布图,(b)为第二个拱形分布图，(c)为第三个拱形分布图，(d)为第四个拱形分布图，(e)为第五个拱形分布图，(f)为第六个拱形分布图，(g)为第七个拱形分布图，(h)为第八个拱形分布图；
41.图5为本发明实施例中采空区最终形成的多层级断裂分布图，其中，(a)为能量和排序1-27的事件簇分布图，(b)为第一层级破裂特征素描图，(c)为能量和排序28-77的事件簇分布图，(d)为第二层级破裂特征素描图，(e)为能量和排序78-162的事件簇分布图，(f)为第三层级破裂特征素描图；
42.图6为本发明实施例中相邻层级相对位置图,其中，(a)为第一和第二层级相对位置图，(b)为第二和第三层级相对位置图；
43.图7为本发明实施例中拱形分布与不同层级事件簇联通特征图，其中，其中，(a)为第一个拱与第一层级事件簇分布图,(b)为第一个拱与第三层级事件簇分布图，(c)为第二个拱与第二层级事件簇分布图，(d)为第二个拱与第三层级事件簇分布图，(e)为第三个拱与第一层级事件簇分布图，(f)为第三个拱与第二层级事件簇分布图，(g)为第四个拱与第
一层级事件簇分布图，(h)为第四个拱与第二层级事件簇分布图，(i)为第五个拱与第一层级事件簇分布图，(j)为第五个拱与第二层级事件簇分布图，(k)为第六个拱与第一层级事件簇分布图，(l)为第六个拱与第二层级事件簇分布图，(m)为第七个拱与第一层级事件簇分布图，(n)为第七个拱与第二层级事件簇分布图，(o)为第八个拱与第二层级事件簇分布图，(p)为第八个拱与第三层级事件簇分布图；
44.图8为本发明实施例中工作面推进过程中断裂线趋势图；
45.图9为本发明实施例中采空区覆岩最终断裂形态下断裂线趋势图；
46.图10为本发明实施例中工作面覆岩断裂特征示意图；
47.图11为本发明实施例中工作面覆岩断裂特征定量化分析方法流程图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
50.本发明提供一种工作面覆岩断裂特征定量化分析方法，本实施例以某矿8102孤岛工作面煤炭开采过程为例，煤层厚度为18.08m，直接顶厚度为4.61m，老顶厚度为10.32m。工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法，采高为3.9m，按一刀一放顺序和间隔相结合的方式放煤，采用自然垮落法管理顶板。8102工作面两侧分别为8101和8103工作面采空区，区段煤柱宽度均为6m，为孤岛工作面，左右两侧采空区在开采期间均有较强的矿压显现。该分析方法包括以下步骤，如图11所示：
51.获取煤矿的微震事件时空数据集，其中，微震事件数据集包括所有微震事件时空数据。
52.将一个微震事件看作一个样本，选取微震事件的时间t和空间三维坐标x、y、z值作为样本特征，将所有的微震事件作为数据集。
53.如图1所示，微震事件具有明显的簇状分布，而微震事件的簇状分布表明了岩层断裂裂缝的性状。
54.对微震事件时空数据集进行聚类分析，根据评价指标确定最优聚类。
55.采用聚类分析的方法，以簇的形式对微震事件进行分类，根据分类后的微震事件簇分布对覆岩断裂特征进行分析。
56.采用k-means聚类算法，聚类簇个数由2至300分别对微震事件进行聚类，以聚类簇个数为3为例，其聚类过程为：
57.一个微震事件为一样样本，生成样本数据集d＝{a1，a2，
…
，am}，聚类簇个数k＝3，算法开始时随机选取3个样本a1，a2，a3作为初始均值向量，分别为μ1，μ2，μ3，即：
58.μ1＝(t1，x1，y1，z1)，μ2＝(t2，x2，y2，z2)，μ3＝(t3，x3，y3，z3)
59.考察样本a6＝(t6，x6，y6，z6)，它与当前均值向量μ1，μ2，μ3的欧几里得距离分别为b1，b2，b3，假设结果b2值最小，因此样本a6被划入簇c2中。类似的，对数据集中所有的样本考
察一遍后，可得到当前3个簇中包含的所有样本。
60.从簇c1，c2，c3中分别求出新的均值向量μ
′1、μ
′2、μ
′3：
61.μ
′1＝(t
′1，x
′1，y
′1，z
′1)，μ
′2＝(t
′2，x
′2，y
′2，z
′2)，μ
′3＝(t
′3，x
′3，y
′3，z
′3)
62.更新当前均值向量后，不断重复上述过程，当与上一轮迭代的结果相同时，算法停止，得到最终的簇划分。
63.当一个聚类簇个数的聚类结束时，计算当前聚类下的5项评价指标。将不同聚类簇个数下每项评价指标值做归一化处理，归一化公式为：
[0064][0065]
其中，x
′
为归一化后的指标值，x为待归一化的指标值，min为指标值最小值，max为指标值最大值。观察聚类簇个数增加过程中，归一化后的5项评价指标变化曲线。如图2所示，可以发现：
[0066]
指标1，3，4初始值较高，并逐渐降低。指标3，4降低到最小值后开始增大；指标1经短暂升高后继续降低。3项指标最终均趋于平稳，且趋于平稳的起始点位于同一个位置。
[0067]
指标2，5初始值较低，随着聚类簇个数的增加逐渐增大。指标2增大到最大值后开始降低，最终趋于平稳；指标5经历一段平稳期后继续增大，直至再次趋于平稳。指标2平稳期的起始点与指标5第二次升高的起始点，与指标1，3，4平稳期的起始点位于同一位置，此处即为最优聚类簇个数所在处，据此确定最优聚类簇个数为162个。在得到最优聚类簇个数时，微震事件完成了聚类，形成了相应的事件簇。
[0068]
获取聚类后事件簇质心时空坐标，依据聚类后事件簇质心时空坐标，按事件簇质心时间由前到后的顺序，将簇中微震事件依次绘制于三维图中，分析在时间序列下，覆岩在工作面开采过程中的断裂特征。
[0069]
具体过程为：
[0070]
根据时间顺序设置颜色梯度，时间越靠后的事件簇颜色梯度值越高，将所有的微震事件簇绘制于三维图中，图中沿工作面方向出现了多个拱形分布，呈彩虹状，如图3所示。各拱形分布分别由时间排序前1-8，9-26，26-47，48-62，63-88，89-116，117-138和139-162的事件簇组成，将各拱形分布的事件簇分别绘制于三维图中，如图4所示。根据各拱形分布事件簇质心时空坐标，按照拱形分布事件簇产生的时间顺序，可分析覆岩断裂扩展的时间过程。以图4中第四个拱形分布为例：首先在8103采空区侧发生扰动，扰动发生于距煤层75m处的岩层。随后，扰动向上和向下两个方向扩散，最终在竖直方向影响范围为煤层上方4m至104m的岩层。在扰动扩散过程中，拱形分布两个拱脚处的岩层发生了断裂，8103采空区侧拱脚位于扰动区下部，距煤层距离为4m，8102工作面侧拱脚处岩层距煤层距离为26m。两侧拱脚的断裂线向拱顶处岩层延伸，汇聚于距煤层136m处。
[0071]
获取聚类后事件簇中微震事件能量和，依据聚类后事件簇质心时空坐标及事件簇中微震事件能量和，按事件簇中微震事件能量和由高到低的顺序依次绘制于三维图中，分析在空间关系下，采空区最终形成的覆岩断裂特征，通过分析发现根据破裂程度强弱可分为多个层级。
[0072]
按照事件簇中微震事件能量和由高到底的顺序依次画入三维图中，可发现在空间上覆岩按照破裂程度由高到低分为3个层级，依次由能量和大小排序为1至27，28至77，78至
162的事件簇组成，各层级特征及其素描图如图5所示，相邻层级相对位置图如图6所示。在图5示例中，第一层级由一个事件簇聚集中心，以及由聚集中心延伸出的5个线形分布的事件簇组成。第二层级在距工作面较低层位出现4条顺次连接的线形分布事件簇，形成四边形破裂空间。同时向上延伸出多个呈面状的事件簇分布，其中，存在一个垂直于工作面推进方向的面状分布，如图5子图4蓝色标记的面状分布1所示。从图5子图1中相对位置可看出，面状分布1由8103采空区侧的聚集中心和线形分布1，逐渐向回采的8102工作面延伸。第三层级由四个顺次相连的面状事件簇分布组成，构成覆岩破裂空间。第三层级中的垂直于工作面推进方向的面状分布2和面状分布3，与第二层级的面状分布1，形成工作面推进方向上的3个面状分布事件簇，与图4中工作面开采过程中形成的拱形分布断裂线联通，对覆岩岩层运动起主要控制作用。
[0073]
图4和图5分别对工作面开采过程中覆岩拱形分布断裂线和开采后最终形成的断裂特征进行了分析。将图4中各拱形分布事件簇分别添加至图5各层级的事件簇分布中，分析考虑时空关系下，各拱形分布如何联通，以及覆岩断裂线扩展特征，其结果如图6所示。图7中绿色为工作面开采过程中拱形分布事件簇，蓝色为最终形态下不同层级的事件簇，红色为被标记为两种分类的事件簇。
[0074]
根据图7，图4中各拱形分布与图5中各层级的事件簇均存在不同程度的联通，其形式有两种：第一种为拱脚或拱顶的事件簇，与某一层级的线形分布或面状分布事件簇联通，包括第1，3，4，5，6，7个拱形分布。第二种为拱形分布事件簇主要分布于某一层级，少量分布于另一层级中，包括第2，8个拱形分布。各拱形分布与不同层级事件簇节点联通情况如表1所示：
[0075]
表1各拱形分布与不同层级事件簇节点联通情况
[0076]
[0077][0078]
工作面强矿压在工作面推进方向上周期性出现，因此在对工作面强矿压致因分析时，应重点关注垂直于工作面推进方向的断裂线分布，即图4中的拱形分布以及图5中垂直于工作面推进方向的面状分布(在分析最终形态下覆岩断裂特征时，得到的面状分布1，2，3)。将图4中拱形分布事件簇质心绘制于距切眼距离-距煤层距离二维分布图中，观测到工作面推进过程中，对覆岩活动起主要作用的的断裂线趋势及其延伸到的层位，见图8；将图5中沿垂直于工作面推进方向呈面状分布的事件簇质心绘制于距切眼距离-距煤层距离二维分布图中，可观测到采空区覆岩最终断裂形态下，对覆岩活动起主要作用的断裂线趋势及其延伸到的层位，见图9；将两类断裂线根据其空间坐标绘制于距切眼距离-距煤层距离中，结合钻孔柱状图中覆岩岩性信息，得到工作面覆岩断裂特征示意图，见图10。
[0079]
如图10所示，对工作面覆岩断裂特征图进行分析，能够得到工作面覆岩断裂线延伸趋势及其扩展到的层位信息，对覆岩断裂线扩展过程进行分析，能够得到工作面开采过程中与最终形态下断裂线联通节点所处位置及其破裂层级信息，如表1所示。工作面覆岩断裂线延伸趋势及其扩展到的层位信息和工作面开采过程中与最终形态下断裂线联通节点所处位置及其破裂层级信息构成了定量化的工作面覆岩断裂特征，为工作面强矿压的预防和控制提供依据，具体为：
[0080]
在图10中，岩层断裂从靠近煤层处开始，断裂线可延伸至距煤层约80m处，最高范围达到至距煤层约144m处。对位于距煤层110m处的高位岩层，其断裂步距在100m至200m范围，这与现场统计结果得出的发生强矿压的间隔距离一般在117m至175m是相吻合的。因此，强矿压是位于110m处的高位岩层超大步距断裂失稳引发其下位岩层同步断裂失稳造成的。而位于70m处的中位岩层的断裂失稳是中等强度来压的根源。
[0081]
在表1中，开采过程中与最终形态下断裂线联通节点处，覆岩断裂后的岩层运动将更加剧烈，其节点位置不同，反应到对工作面来压的影响也不同，采取的卸压措施也会不
同。如：拱1两侧拱脚与第一层级联通，拱顶与第三层级联通，说明拱顶两侧覆岩破断差别不大，采取预防和控制措施时应重点关注低位岩层的断裂；拱2与第一层级无联通，主要与第二层级联通，同时其断裂线延伸层位不高，说明断裂及断裂后的运动强度不大，对工作面的影响也不大；拱3中8103采空区侧拱脚与第一层级的聚集中心联通，而拱顶和另一侧拱脚与第二层级联通，说明拱3中8103采空区侧断裂较强烈，对工作面来压影响更大，采取预防和控制措施时应重点关注8103采空区低位岩层的断裂。
[0082]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。