技术领域
[0001] 本
发明涉及矿山安全开采技术领域，特别涉及一种矿井预开采
煤层的冲击危险性评价方法。
背景技术
[0002] 随着采深的逐年增加，煤炭已经进入深部开采阶段，冲击地压灾害频繁发生，现已造成了巨大的财产损失与人员伤亡。为了解决这样的困难局面，国内外专家学者对冲击地压的危险性评价、监测预警与防治做出了杰出贡献。由于以往勘探技术的限制，采区中经常会出现意向不到的未知构造，如小
断层、陷落柱、
火成岩侵入等，使得对研究区域的冲击危险性预评价效果不佳，因此常采用在采掘过程中的实时监测评价技术，此方法在较大区域范围采用多种手段联合监测，虽取得了一定的评价效果，但每种监测手段在大多数情况下的评价结果异同，产生矛盾，使得工程技术人员难以针对关键的危险区域进行防治，往往造成了人
力、物力、财力的大量浪费。
[0003] 但现有的煤层冲击危险性评价方法常采用综合指数法，根据现有的地质与开采因素进行专家打分，从而根据分数的高低来评价冲击危险性。此方法虽然在一定程度缓解了冲击动力灾害预测防控的困难局面，但评价的准确率仍然不高，效果有限。主要有3个缺点：首先，构建的地质因素指标不够全面；其次，评价的结果是整个采区或工作面的总体危险等级，无法体现出同一煤层或同一采区或同一工作面的不同地点的冲击危险等级也是不同的客观实际；最后，专家打分评定主观性强，缺乏有效的数理量化方法。
发明内容
[0004] 针对
现有技术存在的不足，本发明提供一种矿井预开采煤层的冲击危险性评价方法，即井下未受开采影响的煤层在即将开采前，利用地质数字化信息技术量化冲击地压地质主控因素，从而对煤层进行冲击危险性评价的一种方法。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] 一种矿井预开采煤层的冲击危险性评价方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1、根据矿井区域的地质信息建立矿井区域三维数字化地质模型并将其
可视化；
[0008] 步骤2、基于可视化的矿井区域三维数字化地质模型，掌握煤层的空间赋存环境，即煤岩层的空间结构形态、空间
位置关系与地质构造特征；
[0009] 步骤3、根据冲击地压发生的共性地质条件，确定冲击地压的地质主控因素，包括：煤层赋存深度、煤层厚度、煤层厚薄变化程度、煤层倾
角变化程度、煤层分叉情况、煤层冲击倾向性、直接顶硬度、直接底硬度、基本顶硬度、基本底硬度、上覆坚硬岩层厚度、厚而坚硬岩层距煤层距离、断层分布
密度、待评价位置距断层距离、待评价位置距褶
曲轴部距离；
[0010] 步骤4、在预开采煤层区域的
水平投影上进行网格划分，每个网格点都相当煤层特
定位置上的一个虚拟钻孔，量化预开采煤层区域每个网格点的地质主控因素，形成煤层冲击危险性评价指标体系；
[0011] 步骤5、根据预开采煤层区域网格点量化的冲击地压的地质主控因素即煤层冲击危险性评价指标，生成各个指标的等值线
云图，显示预开采煤层区内各个冲击危险性评价指标的分布特征与规律；
[0012] 步骤6、根据矿井现场发生过的冲击动力显现程度，划分并确定冲击危险性等级；把煤层冲击危险性评价指标及其相应的冲击危险等级作为样本数据，采用
机器学习方法建立矿井预开采煤层冲击危险性评价模型；
[0013] 步骤7、利用矿井预开采煤层冲击危险性评价模型，评价出每个网格点的冲击危险性等级，获得矿井预开采煤层区域任意位置的冲击危险等级，生成并可视化矿井预开采煤层区域的冲击危险性等级云图。
[0014] 所述步骤1包括以下步骤：
[0015] 步骤1-1、采集矿井区域
基础地质信息；
[0016] 基础地质信息包括：
[0017] 井下观测数据：井下巷道煤岩层测点的顶
底板高程值；
[0018] 地勘钻孔数据：揭露断层的性质、位置、落差及断距、每个钻孔位置的地表与煤岩层顶底板的高程值、煤岩层厚度及煤岩层岩性；
[0019] 物探数据：
地震波或
电磁波反射速度、振幅强度与
波形；
[0020] 步骤1-2、基于基础地质信息，应用克里金空间插值方法加密矿井区域的地质信息；
[0021] 步骤1-3、将地质信息数字化，生成煤岩层顶底板的数据点、断层与褶曲的构造特征线，根据数据点与构造特征线分别建立煤岩层顶底板的三角网界面模型、煤岩层顶底板所围侧面的三角网界面模型；
[0022] 步骤1-4、将各煤岩层的三角网界面模型按照钻孔综合柱状图的
地层空间顺序依次叠放，生成矿井区域三维地质模型并将其可视化。
[0023] 所述步骤4包括以下步骤：
[0024] 步骤4-1、网格划分：根据预开采煤层区域的尺度确定网格的划分密度，在预开采煤层区域的水平投影上进行网格划分，每个网格点都相当煤层特定位置上的一个虚拟钻孔；
[0025] 步骤4-2、基于矿井区域三维地质模型提取出每个虚拟钻孔相应的地质信息；
[0026] 步骤4-3、量化预开采煤层区域每个网格点的地质主控因素，形成煤层冲击危险性评价指标体系；
[0027] 煤层冲击危险性评价指标体系，包括：
[0028] (1)煤层赋存深度指标u1：即网格点所在位置的煤层赋存深度，为地表与煤层底板高程值之差；
[0029] (2)煤层厚度指标u2：即网格点所在位置的煤层厚度，为网格点所处位置的煤层顶板高程值与底板高程值之差；
[0030] (3)煤层厚度变化程度指标u3：以待计算网格点为中心，半径为R范围内煤层厚度变化指标 式中： 为半径R范围内所有网格点的煤层厚度标准偏差， 为半径R范围内所有网格点的煤层厚度的平均值，hi(i＝1,2,…,n)为R范围内的第i个网格点的煤层厚度；半径R确定原则为使得其他网格点均匀地落在半径范围；
[0031] (4)煤层倾角变化程度指标u4：以待计算网格点为中心，半径为R范围内煤层倾角变化指标 式中： 为半径R范围内的煤层倾角标准偏差，为半径R范围内的煤层倾角平均值，αi为半径R范围内的第i个网格点所在位置的煤层倾角；半径R确定原则与(3)相同，i＝1,2,…,n；
[0032] (5)煤层分叉程度指标u5：以待计算网格点为中心，半径R范围内的每个网格点相当于一个虚拟钻孔，虚拟钻孔与煤层的顶底板交点数P＞2时，表示煤层存在分叉；若半径R范围内存在n个网格点，且有m个网格点处在分叉煤层中，则待计算网格点的煤层分叉程度指标u5＝m/n；半径R确定原则与(3)相同；
[0033] (6)煤层冲击倾向性指标u6：在煤层的不同地点取煤样进行实验测定煤样的单轴抗压强度、弹性
能量指标、冲击能量指标、动态破坏时间；应用模糊综合判别方法判定煤层冲击倾向性，并将冲击倾向性量化为强冲击倾向性、弱冲击倾向性、无冲击倾向性三类煤层冲击倾向性指标；基于已知地点的冲击倾向性进行网格点插值，获得每个网格点的冲击倾向性；
[0034] (7)直接顶硬度指标u7、直接底硬度指标u8、基本顶硬度指标u9与基本底硬度指标u10：即对预开采煤层区域的不同地点采集岩样，测定不同地点的直接顶底板与基本顶底板的普氏硬度系数f，基于已知地点的硬度指标数据进行网格点插值，获得每个网格点u7～u10指标的普氏硬度系数f；
[0035] (8)上覆坚硬岩层厚度指标u11：即网格点所在位置的平均抗压强度不小于50MPa的各个坚硬岩层厚度求和；
[0036] (9)厚而坚硬岩层与煤层距离指标u12：即网格点所在位置的厚度大于10m的上覆坚硬岩层顶板至煤层顶板的最近垂直间距；
[0037] (10)断层分布密度指标u13：即全部或者部分落在以待计算的网格点为中心且以R为半径范围内的断层线数量与半径为R的圆面积的比值；
[0038] (11)网格点距断层距离指标u14：若预开采煤层区域赋存一条断层，网格点距断层距离指标为网格点距断层走向延展线的平面距离；若预开采煤层区域赋存多条断层，网格点距断层距离指标为网格点距断层走向延展线的最近平面距离；
[0039] (12)网格点距褶曲轴部距离指标u15：即网格点距矿井区域三维数字化地质模型提取的煤岩层褶曲轴线的最近平面距离。
[0040] 所述步骤6包括以下步骤：
[0041] 步骤6-1、根据以往冲击地压矿井在采掘过程中出现过的煤层冲击动力显现程度，划分并确定冲击危险性等级；
[0042] 步骤6-2、将量化的冲击地压的地质主控因素即煤层冲击危险性评价指标作为输入向量，将相应的冲击危险性等级作为输出向量，构建基于机器学习方法的矿井预开采煤层冲击危险性评价模型；
[0043] 步骤6-3、利用已知样本数据检验矿井预开采煤层冲击危险性评价模型的可靠性与准确性：若达到预设准确率，则执行步骤7；若未达到预设准确率，则继续增加样本数据返回步骤6-2继续训练学习。
[0044] 有益效果：
[0045] 随着井下地质探测技术及地质信息技术的快速发展，本发明提出了一种矿井预开采煤层的冲击危险性评价方法，此方法可在煤层开采前初步预先掌握煤层任意位置的冲击危险等级，直观性与适用性强，量化程度与可靠性高，具有广泛的应用前景。
[0046] 本发明通过对矿区地质基础数据的数字化处理，建立精细的矿井区域三维数字化地质模型并可视化，动态观察煤岩层的空间结构形态、空间位置关系、地质构造特征，掌握煤层的空间赋存环境，基于矿井区域三维数字化地质模型可提取煤层任意一点的空间地质信息；通过对冲击地压地质条件的共性分析，确定冲击地压地质主控因素，针对每个地质主控因素的不同特点，采用不同的数理方法对其进行量化，形成一套新的煤层冲击危险性评价指标体系；把煤层冲击危险性评价指标及其相对应的冲击性危险等级作为样本数据，采用
支持向量机或具有其相同评价模式的机器学习方法建立矿井预开采煤层冲击危险性评价模型，从而获得煤层任意位置的冲击性危险等级，并可视化冲击危险等级云图。
[0047] 该方法运用数字化、可视化的地质信息技术，直观性、适用性与可靠性强，能够在煤层开采前初步预先掌握冲击危险区域，可在危险区采取针对性的防治措施，对冲击地压矿井的煤层安全开采与防治具有广泛的应用前景。
附图说明
[0048] 图1为本发明具体实施方式的矿井预开采煤层的冲击危险性评价方法的
流程图；
[0049] 图2为本发明具体实施方式的步骤1的流程示意图；
[0050] 图3为本发明具体实施方式的构建冲击危险等级评价模型的流程示意图。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
[0052] 一种矿井预开采煤层的冲击危险性评价方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0053] 步骤1、根据矿井区域的地质信息建立矿井区域三维数字化地质模型并将其可视化；
[0054] 如图2所示，具体流程如下：
[0055] 步骤1-1、采集矿井区域基础地质信息；
[0056] 基础地质信息包括：
[0057] 井下观测数据：井下巷道煤岩层测点的顶底板高程值；
[0058] 地勘钻孔数据：揭露断层的性质、位置、落差及断距、每个钻孔位置的地表与煤岩层顶底板的高程值、煤岩层厚度及煤岩层岩性；
[0059] 物探数据：
地震波或电磁波反射速度、振幅强度与波形；
[0060] 对采集的矿井区域基础地质信息进行数据预处理以检查地质信息数据的有效性、正确性，剔除无效数据。
[0061] 步骤1-2、基于基础地质信息应用克里金空间插值方法加密矿井区域的地质信息；
[0062] 步骤1-3、将地质信息数字化，生成煤岩层顶底板的数据点、断层与褶曲的构造特征线；
[0063] 步骤1-4、根据数据点与构造特征线分别建立煤岩层顶底板的三角网界面模型、煤岩层顶底板所围侧面的三角网界面模型；
[0064] 步骤1-5、将各煤岩层的界面模型按照钻孔综合柱状图的地层空间顺序依次叠放，生成矿井区域三维地质模型并将其可视化。
[0065] 检查矿井区域三维地质模型的正确性：若生成有误，则返回重新进行数据预处理以检查地质信息数据的有效性、正确性，剔除无效数据；若生成正确，则将其可视化，并存储到
数据库中。
[0066] 步骤2、基于可视化的矿井区域三维数字化地质模型，掌握煤层的空间赋存环境，即煤岩层的空间结构形态、空间位置关系与地质构造特征；
[0067] 步骤3、根据冲击地压发生的地质共性条件，确定冲击地压的地质主控因素，包括：煤层赋存深度、煤层厚度、煤层厚薄变化程度、煤层倾角变化程度、煤层分叉情况、煤层冲击倾向性、直接顶硬度、直接底硬度、基本顶硬度、基本底硬度、上覆坚硬岩层厚度、厚而坚硬岩层距煤层距离、断层分布密度、待评价位置距断层距离、待评价位置距褶曲轴部距离；
[0068] 步骤4、在预开采煤层区域的水平投影上进行网格划分，每个网格点都相当煤层特定位置上的一个虚拟钻孔，量化预开采煤层区域每个网格点的地质主控因素，形成煤层冲击危险性评价指标体系；
[0069] 步骤4-1、网格划分：根据预开采煤层区域的尺度确定网格的划分密度，在预开采煤层区域的水平投影上进行网格划分，每个网格都相当煤层特定位置上的一个虚拟钻孔；
[0070] 步骤4-2、基于矿井区域三维地质模型提取出每个虚拟钻孔相应的地质信息；
[0071] 步骤4-3、量化预开采煤层区域每个网格点的地质主控因素，形成煤层冲击危险性评价指标体系；
[0072] 煤层冲击危险性评价指标体系，包括：
[0073] (1)煤层赋存深度指标u1：即网格点所在位置的煤层赋存深度，为地表与煤层底板高程值之差；
[0074] (2)煤层厚度指标u2：即网格点所在位置的煤层厚度，为网格点所处位置的煤层顶板高程值与底板高程值之差；
[0075] (3)煤层厚度变化程度指标u3：以待计算网格点为中心，半径为R范围内煤层厚度变化指标 式中： 为半径R范围内所有网格点的煤层厚度标准偏差， 为半径R范围内所有网格点的煤层厚度的平均值，hi(i＝1,2,…,n)为R范围内的第i个网格点的煤层厚度；半径R确定原则为使得其他网格点均匀落在半径范围，一般不少于4个网格点且不大于16个网格点，即4≤n≤16。
[0076] (4)煤层倾角变化程度指标u4：以待计算网格点为中心，半径为R范围内煤层倾角变化指标 式中： 为半径R范围内的煤层倾角标准偏差，为半径R范围内的煤层倾角平均值，αi为半径R范围内的第i个网格点所在位置的煤层倾角；半径R确定原则与(3)相同，i＝1,2,…,n；
[0077] (5)煤层分叉程度指标u5：以待计算网格点为中心，半径R范围内的每个网格点相当于一个虚拟钻孔，虚拟钻孔与煤层的顶底板交点数P＞2时，表示煤层存在分叉；若半径R范围内存在n个网格点，且有m个网格点处在分叉煤层中，则待计算网格点的煤层分叉程度指标u5＝m/n；半径R确定原则与(3)相同；
[0078] (6)煤层冲击倾向性指标u6：根据国家标准《煤层冲击倾向性分类及指标的测定方法》进行实验测定获得，即在煤层的不同地点取煤样进行实验测定煤样的单轴抗压强度、弹性能量指标、冲击能量指标、动态破坏时间；依据实验测定的这4个指标应用模糊综合判别方法判定煤层冲击倾向性，并将冲击倾向性量化为强冲击倾向性(用数字2表示)、弱冲击倾向性(用数字1表示)、无冲击倾向性(用数字0表示)三类煤层冲击倾向性指标；基于已知地点的冲击倾向性进行网格点插值，获得每个网格点的冲击倾向性；
[0079] (7)直接顶硬度指标u7、直接底硬度指标u8、基本顶硬度指标u9与基本底硬度指标u10：即对预开采煤层区域的不同地点采集岩样，测定不同地点的直接顶底板与基本顶底板的普氏硬度系数f，基于已知地点的硬度指标数据进行网格点插值，获得每个网格点u7～u10指标的普氏硬度系数f。
[0080] (8)上覆坚硬岩层厚度指标u11：即网格点所在位置的平均抗压强度不小于50MPa的各个坚硬岩层厚度求和；选取平均抗压强度Rc≥50MPa的坚硬岩层，每个网格点上覆坚硬岩层厚度 其中Hi(i＝1,2,…,n)为待计算的网格点所在位置的各个坚硬岩层厚度。
[0081] (9)厚而坚硬岩层与煤层距离指标u12：即网格点所在位置的厚度大于10m的上覆坚硬岩层顶板至煤层顶板的最近垂直间距；在待计算的网格点处，选取厚度大于10m的上覆坚硬岩层，计算此坚硬岩层顶板至煤层顶板的垂直间距di(i＝1,2,…,n)，选取最近垂直间距dmin＝min{d1,d2,…,dn}为厚而坚硬岩层与煤层距离指标。
[0082] (10)断层分布密度指标u13：即全部或者部分落在以待计算的网格点为中心，以R为半径范围内的断层线的数量在半径范围内所占比例；以待计算的网格点为中心，以R为半径，若断层线全部或者部分落在半径R范围内的数量为Fm，则该网格点半径R内的断层
线密度为u13＝Fm/πR2。半径R的确定原则为断层的实际影响范围，可根据现场的采掘经验获取，即根据以往巷道距断层不同距离的矿压显现程度来确定影响半径。也可对断层区域进行数值模拟计算，从而确定有效半径R。
[0083] (11)网格点距断层距离指标u14：若预开采煤层区域赋存一条断层，网格点距断层距离指标为网格点距断层走向延展线的平面距离；若预开采煤层区域赋存n条断层，网格点到n条断层走向延展线的平面距离分别为D1,D2,…,Dn，则该网格点与断层的最近距离指标u14＝min{D1,D2,…,Dn}。
[0084] (12)网格点距褶曲轴部距离指标u15：即网格点距根据量化的冲击地压的地质主控因素即煤层冲击危险性评价指标获得的煤岩层褶曲轴线(向斜或者背斜)的最近平面距离。根据地质理论知识确定煤岩层褶曲(向斜或者背斜)轴线的走向方位，计算每个网格点距褶曲轴线的最近平面距离Dmin，即u15＝Dmin。
[0085] 步骤5、根据预开采煤层区域网格点量化的冲击地压的地质主控因素即煤层冲击危险性评价指标，生成各个指标的等值线云图，显示预开采煤层区内各个冲击危险性评价指标的分布特征与规律；
[0086] 步骤6、根据矿井现场发生过的冲击动力显现程度确定冲击危险性等级，把煤层冲击危险性评价指标及其相应的冲击危险等级作为样本数据，采用机器学习方法建立矿井预开采煤层冲击危险性评价模型；
[0087] 步骤6-1、根据以往冲击地压矿井在采掘过程中出现过的煤层冲击动力显现程度，划分并确定冲击危险性等级；
[0088] 把发生过冲击地压灾害的记作极危险等级，用(1,0,0,0)表示；有明显动力现象的，如卡钻夹钻、煤壁片帮、煤炮、瓦斯突然涌出等，记作强危险等级，用(0,1,0,0)表示；巷道矿压显现显著，但无明显动力现象，记作弱危险等级，用(0,0,1,0)表示；矿压显现不明显，无动力现象，记作无危险等级，用(0,0,0,1)表示。搜寻与上述等级情况相符合的地带，并量化其地质主控因素对应的15个煤层冲击危险性评价指标，把量化后的煤层冲击危险性评价指标数据
叠加融合，并进行数据标准化处理。
[0089] 步骤6-2、将量化的冲击地压的地质主控因素即煤层冲击危险性评价指标作为输入向量，将相应的冲击危险性等级作为输出向量，构建基于机器学习方法的矿井预开采煤层冲击危险性评价模型；
[0090] 本实施方式采用支持向量机的机器学习方法，构建矿井预开采煤层冲击危险性评价模型。
[0091] 步骤6-3、利用从现场实际选取10个以上已知样本数据检验矿井预开采煤层冲击危险性评价模型的可靠性与准确性：若达到根据矿山实际情况预设的准确率(可设定80％～90％)，则当前矿井预开采煤层冲击危险性评价模型可靠，执行步骤7；若未达到预设准确率，则继续增加样本数据返回步骤6-2继续训练学习，不断调整，直到达到预设的准确率。
[0092] 步骤7、利用矿井预开采煤层冲击危险性评价模型，评价出每个网格点的冲击危险性等级，获得矿井预开采煤层区域任意位置的冲击危险等级，生成并可视化矿井预开采煤层区域的冲击危险性等级云图。
[0093] 任何熟悉此领域或其相关技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换，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
权利要求的保护范围为准。
