地压风险预警方法、装置、电子设备及介质与流程

1.本发明涉及矿山开采技术领域，尤其是涉及一种地压风险预警方法、装置、电子设备及介质。


背景技术：

2.随着矿山开采深度增加、隧道工程项目的开拓、边坡治理等安全监测的需求不断提升，微震监测系统作为一种覆盖广、时效强的技术手段被广泛应用。微震源事件的发生多是由岩体受应力场变化引起的岩石破裂，确定岩石微破裂发生位置和特征参量，可以指示岩体失稳发展、发生破坏过程，但是，在工程应用中，微震监测系统覆盖的监测区域较大，如何利用大量微震数据锁定应力集中区域，同时甄别具有地压风险的地应力变化和由工程作业扰动引起的正常地应力变化，是目前微震监测技术在实际应用中的缺失点，因此，如何利用微震监测系统这一技术手段，实现地压风险预警仍是矿山领域的应用难题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地压风险预警方法、装置、电子设备及介质，通过分步识别地压风险区域，利用微震事件的多特征参数进行时空趋势分析判断地压风险区域及风险等级，能够解决现有的微震监测系统在工程应用中与实际工程作业脱节的问题，实现地压风险预警。
4.为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
5.第一方面，本发明实施例提供了一种地压风险预警方法，包括：获取监测周期内，目标监测区域内微震事件的微震数据；基于微震数据计算微震事件的震源参数和特征参数；基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区；对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级。
6.在一种实施方式中，震源参数至少包括：微震源位置、发生时间、震级、能量、地震矩和应力降，特征参数至少包括：b值、能量指数、体变势、视体积和视应力。
7.在一种实施方式中，上述方法还包括：获取监测周期内目标监测区域内的实际工程作业情况；其中，实际工程作业情况包括：实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间。
8.在一种实施方式中，基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区的步骤，包括：基于微震事件的震源参数即空间坐标确定微震事件空间密度分布；计算与实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间对应的作业相关微震事件，并计算剔除作业相关微震事件后的微震事件空间密度分布；将微震事件空间密度高于预设阈值的区域确定为潜在风险关注区。
9.在一种实施方式中，对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级，包括：在潜在风险关注区内，按照
预设时间步长对微震事件的视体积变化率、体变势、视应力、b值和能量指数变化进行空间差异关联分析，确定岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程；基于岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程，确定地压风险区域及风险等级。
10.第二方面，本发明实施例提供了一种地压风险预警装置，包括：数据获取模块，用于获取监测周期内，目标监测区域内微震事件的微震数据；参数计算模块，用于基于微震数据计算微震事件的震源参数和特征参数；风险关注区划分模块，用于基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区；地压风险区域及风险等级确定模块，用于对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级。
11.第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现上述第一方面提供的任一项的方法的步骤。
12.第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面提供的任一项的方法的步骤。
13.本发明实施例带来了以下有益效果：
14.本发明实施例提供的上述地压风险预警方法、装置、电子设备及介质，首先，获取监测周期内，目标监测区域内微震事件的微震数据；然后，基于微震数据计算微震事件的震源参数和特征参数；接着，基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区；对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级。上述方法利用采集到的微震数据，对微震事件进行震源参数和特征参数的空间和时间趋势分析，确定地压发生的风险区域及风险等级，实现地压风险预警，从而改善现有技术中利用微震监测系统对微震活动进行分析的不足，实现地压风险预警。
15.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
16.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的一种地压风险预警方法的流程图；
19.图2为本发明实施例提供的另一种地压风险预警方法的流程图；
20.图3为本发明实施例提供的一种地压风险预警装置的结构示意图；
21.图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
23.目前，随着矿山开采深度增加、隧道工程项目的开拓、边坡治理等安全监测的需求不断提升，微震监测系统作为一种覆盖广、时效强的技术手段被广泛应用。微震源事件的发生多是由岩体受应力场变化引起的岩石破裂，确定岩石微破裂发生位置和特征参量，可以指示岩体失稳发展、发生破坏过程，但是，如何利用微震监测系统这一技术手段，实现地压风险预警、建立有效的地压风险监测模型，乃至辅助实际工程作业优化设计，仍是矿山领域的应用难题。
24.基于此，本发明实施例提供的一种地压风险预警方法、装置、电子设备及介质，能够解决现有技术中微震监测系统在工程应用中与实际工程作业脱节以及对风险判断不明确的问题，实现地压风险预警。
25.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种地压风险预警方法进行详细介绍，该方法可以由电子设备执行，诸如：电脑、智能手机、平板电脑等。参见图1所示的一种地压风险预警方法的流程图，示意出该方法主要包括以下步骤s101至步骤s104：
26.步骤s101：获取监测周期内，目标监测区域内微震事件的微震数据。
27.在一种实施方式中，可以利用布置在目标监测区域内的微震监测系统，通过微震传感器采集监测周期内发生的微震事件波形数据，从而得到微震数据，具体的监测周期可以根据实际情况确定。
28.步骤s102：基于微震数据计算微震事件的震源参数和特征参数。
29.在一种实施方式中，可以根据采集到的微震数据计算微震事件震源的基本参数，即震源参数，诸如：事件定位坐标、震级、能量、体变势、视体积、应力降等；同时，计算微震事件的统计特征参数，诸如：震级-频度特征的b值、能量-地震矩特征的能量指数等。
30.具体的，b值可以基于古登堡-里克特定理，按照以下公式进行计算：logn(m)＝a-bm，式中：m为微震事件的震级，n(m)为震级大于或等于m的微震事件数目，a、b为常数。a值反应了背景震动发生活动性，b值表示统计范围内小震级事件相对大震级事件的占比。应力累积加载阶段，b值降低，能量指数下降，视体积增加，视应力增加，体变势增加；临近应力峰值、地压活动发生时，b值回弹，视体积变化率增加，视应力增加缓慢，体变势增加速率变快，此过程可作为判断地压风险临界状态的标志。
31.基于此，可以通过对微震监测系统记录到的微震事件的震级和数目进行统计得到b值。一个微震事件的能量指数为该微震事件辐射的能量与具有相同地震矩的微震事件的平均能量之比；平均能量可以由总体微震事件的能量-地震矩双对数下的线性关系回归计算得到。
32.步骤s103：基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事
件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区。
33.具体的，本发明实施例中可以根据微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，然后结合矿山开采作业的实际情况(即目标监测区域内的实际工程作业情况)，圈定微震活动相对密集的区域为潜在风险关注区。
34.步骤s104：对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级。
35.在具体应用中，由岩石力学理论和岩石力学实验可知，岩石变形随应力增加而增加，当接近岩石破坏时，变形速率加快同时应力增长减缓，当变形速率达到峰值时则发生岩石破裂，应力随变形增加而下降，这一过程中激发微震活动(也即微震事件)，因此，可以通过分析微震活动的特征参数，推断岩石应力应变变化关系而达到围岩稳定性判定的目的；同时，累积视体积变化率可以反映围岩受力下的变形情况，视应力、b值和能量指数可以间接反应围岩受力状态，围岩受力增加，视应力增加，b值降低，能量指数增加；由连续介质力学，围岩破裂或爆破活动会对岩体产生应力扰动，当岩石状态达到破裂临界点，则应力扰动会触发新的微震活动，即发生岩体应力传导效应，b值和能量指数的空间变化可以反应此效应。
36.基于此，本发明实施例中，可以在潜在风险关注区内，对微震事件进行事件趋势分析，建立震级、能量、体变势、视体积、视应力、应力降的时间演化曲线和b值、能量指数的时空演化趋势，对微震事件累积视体积变化率、体变势、视应力、b值和能量指数变化进行关联分析，确定岩体应力加载-释放-卸载时间变化过程，分析判断地压风险发生的位置和时间，确定地压风险区。
37.本发明实施例提供的上述地压风险预警方法，利用采集到的微震数据，对微震事件进行震源参数和特征参数的空间和时间趋势分析，确定地压风险发生的地压风险区域及风险等级，实现地压风险预警，从而解决现有技术中微震监测系统对微震活动分析与生产作业结合不足、风险判断不明确的问题，实现地压风险预警。
38.考虑到，目前对于圈定风险区的具体实现方式不够明确，通常是依赖专业人员人工判断圈定，效率和准确度都比较低。因此，本发明实施例为了提高风险区圈定的效率和准确度，还提供了一种具体的潜在风险关注区的确定方法。在此之前，本发明实施例提供的上述方法还包括：获取监测周期内目标监测区域内的实际工程作业情况；其中，实际工程作业情况包括：实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间。在实际应用中，可以根据矿山的实际开采情况，获取检测周期内的实际出矿量和爆破作业的能量当量和时间。
39.进一步地，对于上述步骤s103，在基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区时，可以采用包括但不限于以下方式实现：
40.首先，基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布。
41.具体的，基于微震事件发生的位置，对目标监测区域进行网格化，以每个网格中心为圆心、r为搜索半径，统计该范围内微震事件的数目，进而确定微震事件空间密度分布。
42.然后，基于实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间、微震事件空间密度分布确定潜在风险关注区。
43.在一种实施方式中，可以计算与实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间对应
的作业相关微震事件，并计算剔除作业相关微震事件后的微震事件空间密度分布，具体相关性计算方式可以参考统计学相关分析方法；然后将剔除作业影响的微震事件空间密度高于预设阈值的区域确定为潜在风险关注区。
44.进一步地，对于上述步骤s104，即在对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级时，可以采用包括但不限于以下方式实现：
45.首先，在潜在风险关注区内，按照预设时间步长对微震事件的视体积变化率、体变势、视应力、b值和能量指数变化进行空间差异关联分析，确定岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程。
46.在一种实施方式中，可以在潜在风险关注区内，按照预设时间步长对微震事件进行时间趋势分析，确定震源参数的时间演化趋势以及特征参数的时空演化趋势。具体的，可以对潜在风险关注区内的微震事件进行事件趋势分析，建立震级、能量、体变势、视体积、视应力、应力降的时间演化趋势和b值、能量指数的时空演化趋势。在具体应用中，可以对微震事件的视体积变化率、体变势、视应力、b值和能量指数变化进行空间差异关联分析，确定岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程。
47.然后，基于岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程，确定地压风险区域及风险等级。
48.在一种实施方式中，可以基于震源参数的时间演化趋势以及特征参数的时空演化趋势，确定地压风险区域及等级。具体的，可以基于岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程，确定地压风险区域及风险等级。其中，岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程分别对应的风险等级为中-高-低。本发明实施例中，可以循环进行步骤s104，分级筛选潜在风险区，确定地压风险区域及风险等级，提升地压风险预警的准确性。
49.本发明实施例提供的上述地压风险预警方法，通过构建地压风险评估模型，即进行潜在风险关注区的划定，对潜在风险关注区内的微震活动震源参数和特征参数变化趋势进行时间趋势分析，并在潜在风险关注区内循环使用微震活动震源参数和特征参数的空间分布和时间演化分析，逐步划定地压风险区，从而实现对开采活动监测、地压风险预警，此外，上述方法对微震监测系统在矿山、隧道、边坡治理等岩土工程和安全监测工程等应用领域的应用提供了基础。
50.为了便于理解，本发明实施例还提供了一种具体的地压风险预警方法，参见图2所示的另一种地压风险预警方法的流程图，示意出该方法主要包括以下步骤s201至步骤s205：
51.步骤s201：获取微震监测数据。
52.具体的，可以通过布置在目标监测区域的微震监测系统采集微震监测数据。
53.步骤s202：根据获取的微震监测数据，对微震事件进行特征分析。
54.在具体应用中，可以根据微震监测数据计算微震事件震源的基本参数，即震源参数，诸如：事件定位坐标、震级、能量、体变势、视体积、应力降等；同时，计算微震事件的统计特征参数，诸如：震级-频度特征的b值、能量-地震矩特征的能量指数等。
55.步骤s203：对微震事件进行空间分析。
56.在具体应用中，对微震事件进行空间分析，即确定微震事件空间密度分布。
57.步骤s204：确定潜在风险关注区。
58.具体的，可以根据微震事件空间密度分布，结合矿山开采作业的实际情况，圈定微震活动相对密集的区域为潜在风险关注区。
59.步骤s205：对潜在风险关注区内的微震事件进行时空演化趋势分析。
60.在具体应用中，可以根据震级、能量、体变势、视体积、视应力、应力降的时间演化趋势和b值、能量指数的时空演化趋势，以及微震事件累积视体积变化率、体变势、视应力、b值和能量指数变化的关联分析，确定岩体应力加载-释放-卸载时间变化过程，确定地压风险区域及等级。
61.需要说明的是，本发明实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。
62.对于前述实施例提供的地压风险预警方法，本发明实施例还提供了一种地压风险预警装置，参见图3所示的一种地压风险预警装置的结构示意图，该装置可以包括以下部分：
63.数据获取模块301，用于获取监测周期内，目标监测区域内微震事件的微震数据；
64.参数计算模块302，用于基于微震数据计算微震事件的震源参数和特征参数；
65.风险关注区划分模块303，用于基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布，并基于微震事件空间密度分布和目标监测区域内的实际工程作业情况确定潜在风险关注区；
66.地压风险区域及风险等级确定模块304，用于对潜在风险关注区内的微震事件的多个震源参数和多个特征参数进行时空趋势分析，确定地压风险区域及风险等级。
67.本发明实施例提供的上述地压风险预警装置，利用采集到的微震数据，对微震事件进行震源参数和特征参数的空间和时间趋势分析，确定地压风险发生的地压风险区域及风险等级，实现地压风险预警，从而解决现有技术中微震监测系统在工程应用中与实际工程作业脱节以及对风险判断不明确的问题，实现地压风险预警。
68.在一种实施方式中，上述震源参数至少包括：微震源位置、发生时间、震级、能量、地震矩和应力降，上述特征参数至少包括：b值、能量指数、体变势、视体积和视应力。
69.在一种实施方式中，上述数据获取模块301还用于：获取监测周期内目标监测区域内的实际工程作业情况；其中，实际工程作业情况包括：实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间。
70.在一种实施方式中，上述风险关注区划分模块303进一步还用于：基于微震事件的震源参数确定微震事件空间密度分布；计算与实际出矿量以及爆破作业的能量当量和时间对应的作业相关微震事件，并计算剔除作业相关微震事件后的微震事件空间密度分布；将微震事件空间密度高于预设阈值的区域确定为潜在风险关注区。
71.在一种实施方式中，上述地压风险区域及风险等级确定模块304进一步还用于：在潜在风险关注区内，按照预设时间步长对微震事件的视体积变化率、体变势、视应力、b值和能量指数变化进行空间差异关联分析，确定岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程；基于岩体应力加载-释放-卸载时空变化过程，确定地压风险区域及风险等级。
72.本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
73.本发明实施例还提供了一种电子设备，具体的，该电子设备包括处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上实施方式的任一项所述的方法。
74.图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备100包括：处理器40，存储器41，总线42和通信接口43，所述处理器40、通信接口43和存储器41通过总线42连接；处理器40用于执行存储器41中存储的可执行模块，例如计算机程序。
75.其中，存储器41可能包含高速随机存取存储器(ram，random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口43(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
76.总线42可以是isa总线、pci总线或eisa总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
77.其中，存储器41用于存储程序，所述处理器40在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器40中，或者由处理器40实现。
78.处理器40可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器40中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器40可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器41，处理器40读取存储器41中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
79.本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
80.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
81.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所述以权利要求的保护范围为准。