本發(fā)明涉及沖擊地壓，尤其涉及一種微震監(jiān)測(cè)的沖擊地壓工作面覆巖斷裂線位態(tài)智能判識(shí)方法。

背景技術(shù)：

1、煤礦工作面采空后，頂板一定高度范圍內(nèi)的巖層垂直方向發(fā)生卸荷和破斷移動(dòng)，使得上覆巖層發(fā)生破斷移動(dòng)和地表沉降，破壞程度和裂隙分布自下而上逐漸降低，呈現(xiàn)出梯度破壞的特征，這會(huì)導(dǎo)致地表沉陷區(qū)的建筑物等發(fā)生破壞，極易引起安全問題和財(cái)產(chǎn)損失問題，所以確定斷裂線的位置是現(xiàn)如今煤礦綠色開采與生態(tài)保護(hù)、沖擊地壓煤層安全開采等亟待解決的問題。

2、目前，礦井工作面斷裂線位置的確定方法較少，主要為理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場鉆孔監(jiān)測(cè)。但這些方法現(xiàn)存在以下問題，導(dǎo)致實(shí)際工程應(yīng)用效果較差：(1)理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算方法往往對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行了大量的簡化處理，與實(shí)際復(fù)雜的地質(zhì)賦存條件和力學(xué)性質(zhì)差異較大，不能很好的對(duì)應(yīng)實(shí)際；(2)現(xiàn)場鉆孔方法在有限的位置取點(diǎn)采樣，信息不完全，同時(shí)成本高昂，耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和設(shè)備，還具有危險(xiǎn)性，同時(shí)，在深部煤礦中，地下鉆孔探測(cè)會(huì)受到地層巖性、地溫、地下水等環(huán)境因素的限制，且成本高，使得地下鉆孔方法不適用于深部礦井。

3、目前，我國沖擊地壓礦井均布置了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工作面回采過程中表征巖層破裂的微震事件的有效監(jiān)測(cè)。但是目前還沒有基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)提出確定工作面斷裂線位置的智能化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微震監(jiān)測(cè)的沖擊地壓工作面覆巖斷裂線位態(tài)智能判識(shí)方法，利用微震信號(hào)大量數(shù)據(jù)確定工作面斷裂線位置。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：微震監(jiān)測(cè)的沖擊地壓工作面覆巖斷裂線位態(tài)智能判識(shí)方法，包括以下步驟：

3、步驟1：確定工作面傾向維度的“單位長度”；

4、待工作面正?；夭珊?，選取整個(gè)工作面的傾向長度作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間l，并確定“單位長度”δl；

5、步驟2：確定工作面覆巖斷裂線的擬合曲線；

6、步驟2.1：針對(duì)工作面建立坐標(biāo)系；

7、以工作面傾向維度截面沿推進(jìn)方向的左下角為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，橫軸表示工作面傾向長度，縱軸表示工作面覆巖高度；

8、步驟2.2：選取每一個(gè)“單位長度”中點(diǎn)的橫坐標(biāo)位置通過鉆孔的方式確定工作面在該點(diǎn)處覆巖斷裂的高度；

9、設(shè)定統(tǒng)計(jì)區(qū)間共有n個(gè)“單位長度”，則得到n+1個(gè)斷裂線上的鉆孔點(diǎn)，鉆孔點(diǎn)坐標(biāo)表示為(xn,yn)，其中，xn表示第n個(gè)鉆孔點(diǎn)的橫坐標(biāo)，yn表示第n個(gè)鉆孔點(diǎn)的縱坐標(biāo)；

10、步驟2.3：通過三次樣條插值確定工作面覆巖斷裂線的參數(shù)化表征公式；

11、步驟2.3.1：將n個(gè)“單位長度”作為插值區(qū)間，其中第n個(gè)插值區(qū)間表示為[xn,xn+1]，將n+1個(gè)鉆孔點(diǎn)作為三次樣條插值的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

12、步驟2.3.2：對(duì)工作面覆巖斷裂線的曲線進(jìn)行擬合；

13、對(duì)于每個(gè)插值區(qū)間擬合一個(gè)覆巖斷裂線三次多項(xiàng)式，第n個(gè)插值區(qū)間擬合的覆巖斷裂線三次多項(xiàng)式表示為：

14、sn(x)＝anx3+bnx2+cnx+dn

15、式中，sn(x)表示第n個(gè)插值區(qū)間擬合的三次多項(xiàng)式；an、bn、cn、dn表示待求系數(shù)；x表示工作面傾向維度的橫坐標(biāo)；

16、步驟2.3.3：求解系數(shù)an、bn、cn、dn，構(gòu)建覆巖斷裂線三次插值曲線的整體方程組，得到覆巖斷裂線三次插值曲線的參數(shù)化表達(dá)；

17、步驟2.3.3.1：確定工作面覆巖斷裂線插值曲線的邊界條件；

18、所述工作面覆巖斷裂線插值曲線的邊界條件為工作面覆巖斷裂線插值曲線在統(tǒng)計(jì)區(qū)間兩端點(diǎn)處的二階導(dǎo)數(shù)值為零，表示為：

19、s″(x0)＝0

20、s″(xn)＝0

21、式中，s″(x0)為工作面覆巖斷裂線位置三次多項(xiàng)式s(x)在鉆孔點(diǎn)x0處的二階導(dǎo)數(shù)值；s″(xn)為工作面覆巖斷裂線位置三次多項(xiàng)式s(x)在鉆孔點(diǎn)xn處的二階導(dǎo)數(shù)值；

22、步驟2.3.3.2：確定工作面覆巖斷裂線插值曲線的插值條件；

23、所述工作面覆巖斷裂線插值曲線的插值條件為工作面覆巖斷裂線插值曲線在插值區(qū)間兩端點(diǎn)處的函數(shù)值為斷裂線上點(diǎn)的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)，表示為：

24、sn(xn)＝y(tǒng)n

25、sn(xn+1)＝y(tǒng)n+1

26、式中，sn(xn)第n個(gè)插值區(qū)間的三次多項(xiàng)式在鉆孔點(diǎn)xn處的函數(shù)值，sn(xn+1)第n個(gè)插值區(qū)間的三次多項(xiàng)式在鉆孔點(diǎn)xn+1處的函數(shù)值；

27、步驟2.3.3.3：構(gòu)建每個(gè)插值區(qū)間工作面覆巖斷裂線插值曲線的方程組；

28、將工作面覆巖斷裂線插值曲線的邊界條件和插值條件帶入插值區(qū)間擬合的覆巖斷裂線三次多項(xiàng)式表達(dá)式，得到每一個(gè)插值區(qū)間工作面覆巖斷裂線插值曲線的線性方程組，表示為：

29、

30、步驟2.3.3.4：構(gòu)建覆巖斷裂線三次插值曲線的整體方程組；

31、將每個(gè)插值區(qū)間的方程組組合成整體方程組，得到覆巖斷裂線三次插值曲線的參數(shù)化表達(dá)：

32、

33、步驟3：確定工作面推采過程中微震事件在傾向維度的微震事件累計(jì)頻次與累計(jì)能量；

34、步驟3.1：建立微震事件累計(jì)頻次與累計(jì)能量的坐標(biāo)系；

35、以工作面傾向維度截面沿推進(jìn)方向的左下角為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，橫軸表示工作面傾向長度，縱軸表示工作面的微震事件累計(jì)頻次與累計(jì)能量；

36、步驟3.2：確定統(tǒng)計(jì)區(qū)間l內(nèi)每個(gè)“單位長度”中微震累計(jì)頻次與微震累計(jì)能量，并將n個(gè)“單位長度”作為插值區(qū)間，確定插值區(qū)間的微震累計(jì)頻次和累積能量；

37、在工作面回采過程中，確定統(tǒng)計(jì)區(qū)間l內(nèi)每一個(gè)“單位長度”δl中的微震事件累計(jì)頻次fi與累計(jì)能量ei，將n個(gè)“單位長度”作為插值區(qū)間，其中第n個(gè)插值區(qū)間的微震事件累計(jì)頻次表示為fn，微震事件累計(jì)能量表示為en，用坐標(biāo)的形式表示為(xn,fn)、(xn,en)；

38、步驟4：確定工作面傾向維度的微震累計(jì)頻次曲線與累計(jì)能量曲線；

39、步驟4.1：對(duì)工作面傾向微震累計(jì)頻次曲線進(jìn)行擬合；

40、步驟4.1.1：對(duì)于每個(gè)插值區(qū)間擬合一個(gè)微震累計(jì)頻次三次多項(xiàng)式，第n個(gè)插值區(qū)間擬合的微震累計(jì)頻次三次多項(xiàng)式表示為：

41、

42、其中，為第n個(gè)插值區(qū)間微震累計(jì)頻次三次多項(xiàng)式；為待求系數(shù)；x為覆巖斷裂線的橫坐標(biāo)；

43、步驟4.1.2：求解系數(shù)構(gòu)建工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的整體方程組，得到工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的參數(shù)化表達(dá)；

44、步驟4.1.2.1：確定工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的邊界條件；

45、所述工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的邊界條件為工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線在統(tǒng)計(jì)區(qū)間兩端點(diǎn)處的二階導(dǎo)數(shù)值為零，表示為：

46、sf″(x0)＝0

47、sf″(xn)＝0

48、式中，sf″(x0)為工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線在點(diǎn)x0處的二階導(dǎo)數(shù)值；sf″(xn)為工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線在點(diǎn)xn處的二階導(dǎo)數(shù)值；

49、步驟4.1.2.2：確定工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的插值條件；

50、所述工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的插值條件為工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線在插值區(qū)間兩端點(diǎn)處的函數(shù)值為斷裂線上點(diǎn)的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)，表示為：

51、

52、式中，第n個(gè)插值區(qū)間的工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線在xn處的函數(shù)值，第n個(gè)插值區(qū)間的工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線在xn+1處的函數(shù)值；

53、步驟4.1.2.3：構(gòu)建每一個(gè)插值區(qū)間的工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線方程組；

54、將工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的邊界條件和插值條件帶入工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的三次多項(xiàng)式表達(dá)式，得到每一個(gè)插值區(qū)間工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的線性方程組，表示為：

55、

56、步驟4.1.2.4：構(gòu)建工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的整體方程組；

57、將工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的每個(gè)插值區(qū)間的方程組組合成整體方程組，得到工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的參數(shù)化表達(dá)：

58、

59、步驟4.2：對(duì)工作面傾向微震累計(jì)頻次能量進(jìn)行擬合；

60、步驟4.2.1：對(duì)于每個(gè)插值區(qū)間擬合一個(gè)微震累計(jì)能量三次多項(xiàng)式，第n個(gè)插值區(qū)間擬合的微震累計(jì)能量三次多項(xiàng)式表示為：

61、

62、其中，為第n個(gè)插值區(qū)間微震累計(jì)能量三次多項(xiàng)式；為待求系數(shù)；x為覆巖斷裂線的橫坐標(biāo)；

63、步驟4.2.2：求解系數(shù)構(gòu)建工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的整體方程組，得到工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的參數(shù)化表達(dá)；

64、步驟4.2.2.1：確定工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的邊界條件；

65、所述工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的邊界條件為工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線在統(tǒng)計(jì)區(qū)間兩端點(diǎn)處的二階導(dǎo)數(shù)值為零，表示為：

66、se″(x0)＝0

67、se″(xn)＝0

68、式中，se″(x0)為工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線在鉆孔點(diǎn)x0處的二階導(dǎo)數(shù)值；se″(xn)為工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線在鉆孔點(diǎn)xn處的二階導(dǎo)數(shù)值；

69、步驟4.2.2.2：確定工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的插值條件；

70、所述工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的插值條件為工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線在插值區(qū)間兩端點(diǎn)處的函數(shù)值為斷裂線上點(diǎn)的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)，表示為：

71、

72、式中，第n個(gè)插值區(qū)間的工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線在xn處的函數(shù)值，第n個(gè)插值區(qū)間的工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線在xn+1處的函數(shù)值；

73、步驟4.2.2.3：構(gòu)建工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的方程組；

74、將工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的邊界條件和插值條件帶入工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的三次多項(xiàng)式表達(dá)式，得到每一個(gè)插值區(qū)間工作面傾向微震累計(jì)能量插值曲線的線性方程組，表示為：

75、

76、步驟4.2.2.4：構(gòu)建工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的整體方程組；

77、將每個(gè)插值區(qū)間的方程組組合成整體方程組，得到工作面傾向微震累計(jì)頻次插值曲線的參數(shù)化表達(dá)：

78、

79、步驟5：建立工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)模型；

80、步驟5.1：確定訓(xùn)練樣本；

81、在統(tǒng)計(jì)區(qū)間l中選取m個(gè)鉆孔點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練樣本的橫坐標(biāo)表示為xm，m＝1、2、…、m，其對(duì)應(yīng)的工作面覆巖斷裂高度表示為s(xm)、微震累計(jì)頻次表示為sf(xm)、微震累計(jì)能量表示為se(xm)；

82、步驟5.2：設(shè)計(jì)工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)；

83、步驟5.2.1：確定工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)；

84、步驟5.2.1.1：確定工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層大小及特征向量；

85、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層輸入的特征向量表示為：

86、xm＝[sf(xm),se(xm),δxm,w,h,d]

87、

88、式中，表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層；xm表示第m個(gè)訓(xùn)練樣本的特征向量；δxm表示第m個(gè)訓(xùn)練樣本到工作面傾向維度中點(diǎn)的距離；w表示工作面的寬度；h表示工作面的高度；d表示工作面埋深；

89、步驟5.2.1.2：設(shè)計(jì)工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中間層結(jié)構(gòu)；

90、步驟5.2.1.2.1：確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層的層數(shù)；

91、設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有l(wèi)層，中間層包括l-1層；

92、步驟5.2.1.2.2：確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每層中間的神經(jīng)元個(gè)數(shù)；

93、根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)公式”確定中間層每一層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，計(jì)算公式為：

94、

95、其中，nhl表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l層的神經(jīng)元數(shù)量；nil表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l層的輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)；nol表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l層的輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)；m表示訓(xùn)練樣本數(shù)；β表示可以自取的任意變量值，通常范圍可取2-10；

96、步驟5.2.1.2.3：確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層的權(quán)重和偏置；

97、在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，中間層通過前向傳播來計(jì)算從輸入到輸出的過程，每一層輸出是前一層輸出進(jìn)行線性變換后，再經(jīng)過激活函數(shù)變換后得到的結(jié)果，公式表示為：

98、

99、式中，wl表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l層的權(quán)重矩陣；bl表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l層的偏置向量；表示第m個(gè)訓(xùn)練樣本經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l-1層的輸出結(jié)果；表示第m個(gè)訓(xùn)練樣本在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第l-1層激活輸出經(jīng)過線性變換后得到的結(jié)果；表示經(jīng)過激活函數(shù)σ變換后得到的結(jié)果；

100、步驟5.2.1.3：確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層大??；

101、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層為預(yù)測(cè)的工作面第m個(gè)“單位長度”對(duì)應(yīng)的工作面覆巖斷裂高度，表示為：

102、

103、式中，hm表示預(yù)測(cè)的工作面第m個(gè)“單位長度”對(duì)應(yīng)的工作面覆巖斷裂高度；

104、步驟5.2.2：初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)；

105、步驟5.2.2.1：計(jì)算損失函數(shù)值；

106、選擇均方誤差作為損失函數(shù)，計(jì)算公式為：

107、

108、式中，loss表示損失值；

109、步驟5.2.2.2：計(jì)算梯度；

110、

111、其中，表示損失函數(shù)loss對(duì)于第l層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重矩陣wl的梯度；表示損失函數(shù)loss對(duì)于第l層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)偏置向量bl的梯度；

112、步驟5.2.2.3：迭代更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)；

113、使用梯度下降法更新權(quán)重矩陣與偏置向量，計(jì)算公式為：

114、

115、其中，t表示迭代次數(shù)，α表示修正系數(shù)，用于控制在更新第l層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重矩陣wl與第l層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)偏置向量bl過程中的步長大??；

116、步驟5.2.2.4：重復(fù)執(zhí)行步驟5.2.2.2和5.2.2.3，直至滿足停止迭代的條件，如下公式所示：

117、

118、式中，表示的無窮范數(shù)；表示的無窮范數(shù)；ε1、ε2表示設(shè)定的閾值；

119、步驟6：采用工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)新工作面覆巖斷裂線位置；

120、步驟6.1：在待預(yù)測(cè)工作面傾向維度劃分q個(gè)“單位長度”，其中第q個(gè)單位長度的中點(diǎn)坐標(biāo)表示為xq；

121、步驟6.2：收集工作面數(shù)據(jù)；

122、步驟6.2.1：確定工作面物理信息；

123、確定工作面的傾向長度、高度、埋深，分別表示xpred，hpred，dpred；

124、確定測(cè)點(diǎn)距離工作面傾向長度中點(diǎn)的距離δxmpred；

125、步驟6.2.2：收集工作面回采過程中的微震數(shù)據(jù)；

126、利用微震監(jiān)測(cè)設(shè)備采集工作面推采時(shí)的微震信號(hào)，確定工作面回采過程中傾向維度第q個(gè)“單位長度”的微震累計(jì)頻次和微震累計(jì)能量，分別用表示；

127、步驟6.3：采用工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)待預(yù)測(cè)工作面的斷裂線位置；

128、將步驟6.2收集到的數(shù)據(jù)輸入工作面覆巖斷裂線位置預(yù)測(cè)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，輸入數(shù)據(jù)表示為：

129、

130、其中，為第m個(gè)樣本的輸入數(shù)據(jù)；

131、得到待預(yù)測(cè)工作面的斷裂線位置，如下公式所示：

132、

133、式中，表示第q個(gè)“單位長度”的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斷裂高度。

134、采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明提供的微震監(jiān)測(cè)的沖擊地壓工作面覆巖斷裂線位態(tài)智能判識(shí)方法，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用大量微震信號(hào)數(shù)據(jù)來解決用解析方法難以解決的工作面斷裂線位置確定的問題，將工作面覆巖斷裂高度與微震信號(hào)的頻次和能量結(jié)合到一起，定量化表征工作面覆巖斷裂高度，從而確定沖擊地壓工作面覆巖斷裂線位置，為實(shí)際工程提供科學(xué)的有力指導(dǎo)。