一种集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法及系统

1.一种集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S10：通过微地震监测系统采集获得原始声波数据，对原始声波数据进行定位计算和震源机制反演，获取与破裂直接相关的煤岩破裂源头核心参数；其中，煤岩破裂源头核心参数包括：裂隙空间坐标、裂隙体积、裂隙能量和裂隙空间取向；S20：通过震源半径确定破裂贯通临界距离，并对裂隙体积进行Z-score标准化，结合标准化裂隙体积、震源半径和空间距离计算破裂贯通可能性指数BCI；其中，计算裂隙点i的总破裂贯通指数BCI i 的具体过程如下：综合考虑震源半径和裂隙点体积计算破裂贯通可能性指数BCI，用以量化评估裂隙点之间的破裂贯通可能性；其中，对于裂隙点i和j，在满足破裂贯通条件时，其破裂贯通可能性指数计算公式如下：式中： 和 分别为第i个裂隙点和第j个裂隙点的标准化体积值；d ij 为第i个裂隙点和第j个裂隙点之间的欧几里得距离；裂隙点i的总破裂贯通指数BCI i 为其与剩余所有裂隙点的破裂贯通指数的总和；其中，假设裂隙点i周围有n个裂隙点，则总破裂贯通指数BCI i 计算公式如下：式中：I ij 为指示函数，当 时值为1，表示两点之间满足破裂贯通条件；S30：根据裂隙空间坐标、裂隙体积、裂隙能量和裂隙空间取向的多维特征，计算裂隙之间的相似性，并采用DBSCAN聚类算法对裂隙进行密度聚类；其中，将相似的裂隙聚集为同一簇，每一裂隙簇对应一个潜在的破裂面；S40：通过计算每个裂隙簇上破裂贯通可能性指数值BCI，筛选出破裂贯通可能性指数较高的裂隙，从而识别出潜在的失稳面；S50：采用B样条曲面拟合算法重构宏观失稳结构面，生成平滑、连续的宏观失稳面；通过主成分分析法选取控制点确定破裂主方向，基于裂隙分布构建B样条曲线生成边界轮廓，对外轮廓线三角化并划分网格，结合裂隙点和三角网格，使用B样条算法精确拟合失稳结构面。 2.根据权利要求1所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S10中，对原始声波数据进行定位计算和震源机制反演，获得与破裂直接相关的震源机制核心参数，包括如下步骤：S11：对微地震监测系统采集到的原始声波数据进行后处理，采用赤迟信息准则法进行首波到时和幅值信息提取；S12：利用微震监测系统不同位置传感器处声波首波到时数据，采用单纯形定位稳健算法对声发射源进行空间定位计算得到裂隙空间坐标；S13：基于张剪破裂震源模型约束条件下，由不同位置传感器采集到的声波首波幅值数据求解震源破裂矩张量的6个分量M pq ；S14：根据计算的矩张量分量，定量反演计算煤岩破裂源头核心参数，其中，煤岩破裂源头核心参数包括裂隙体积、裂隙能量和裂隙空间取向。 3.根据权利要求2所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S14中，所述煤岩破裂源头核心参数具体计算公式如下：裂隙体积：式中， 为裂隙点的破裂体积，M 1 、M 3 为矩张量M pq 的特征值， 为拉梅常数；裂隙空间取向：式中， 为震源破裂面运动方向和法向方向夹角，M 1 、M 2 、M 3 为矩张量M pq 的特征值， 和 为拉梅常数，n为空间取向，b为运动方向；裂隙能量：式中： 为裂隙点的破裂面积， 为材料强度，其中 为抗拉强度， 为抗剪强度。 4.根据权利要求1所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S20中，结合标准化裂隙体积、震源半径和空间距离计算破裂贯通可能性指数BCI包括如下步骤：S21：根据裂隙点的震源半径确定破裂贯通临界距离，以判断裂隙点之间是否可能具有破裂贯通关系；S22：采用Z-score标准化方法将数据转换为具有零均值和单位方差的标准正态分布，以对裂隙点的体积进行标准化；其中，对于每个裂隙点的体积V i ，计算其标准化体积公式如下：式中：Vi为第i个裂隙点的体积， 为所有裂隙点体积的均值， 为所有裂隙点体积的标准差， 为第i个裂隙点体积的标准化值；S23：在相邻两个裂隙点i和j满足破裂贯通条件时，计算相邻两个裂隙点之间的破裂贯通可能性指数 ，并由此计算裂隙点i的总破裂贯通指数BCI i 。 5.根据权利要求4所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S21中，根据裂隙点的震源半径确定破裂贯通临界距离，以判断裂隙点之间是否可能具有破裂贯通关系具体包括：S211：假设裂隙点i的震源半径为R i ，则该裂隙点的破裂贯通临界距离D i 定义为该点震源半径的两倍：式中，R i 为裂隙点i的震源半径，V i 为裂隙点i的体积，D i 为裂隙点i的破裂贯通临界距离；S212：计算裂隙点 i 和其他裂隙点 j 之间的欧几里得距离 d ij ：式中： 、 分别为裂隙点 i 和 j 的定位空间坐标；S213：对于每个裂隙点 j ，判断其与i之间的距离 d ij 与破裂贯通的临界距离 D i 的关系：若 ，则认为裂隙点i和j之间是可能发生破裂贯通的，I ij =1；若 ，则认为裂隙点i和j之间是无法发生破裂贯通的，I ij =0。 6.根据权利要求1所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S30中，采用DBSCAN聚类算法对裂隙进行密度聚类包括如下步骤：S31：多维特征向量读取与欧氏距离计算：读取震源机制反演得到的每个裂隙点的多维特征向量，计算裂隙点之间的欧氏距离；其中，对于每一对裂隙点 和 ，其欧氏距离计算公式如下：式中，n为特征向量的维度，P i,k 和P i,k 分别为两个裂隙点多维特征向量中第k维的值，w k 为每个特征的权重；S32：确定邻域距离与最小点数：选择适当的邻域距离ϵ和最小点数MinPts，基于欧氏距离和邻域距离ϵ，计算每个裂隙点的邻域，若一个裂隙点的邻域内包含的点数大于或等于MinPts，则该裂隙点为核心点；否则，它是边界点或噪声点；S33：簇扩展与核心点处理；从未标记的核心点中选择一个作为初始点，将其标记为一个新簇的起始点，并为该点分配簇编号；扩展该核心点所在邻域，将邻域内的所有点归为同一簇；对于扩展簇中的新加入点，检查其是否为核心点，如果是核心点，则继续扩展簇；如果是边界点，则保持其簇标签不变；重复上述步骤继续从未标记的核心点中选择新的点进行簇扩展，直至所有核心点都被处理完毕；S34：簇编号与聚类结果检查：根据步骤S33中DBSCAN聚类的结果，为每个簇分配唯一的裂纹面编号，每个簇代表一个独立的裂纹面；如果某个裂隙点同时属于多个核心点的邻域，则该点将被分配给第一个发现的簇的裂纹面编号；接着检查聚类结果，确保每个簇分配了唯一的裂纹面编号，其中噪声点的编号为-1；若发现簇编号分配有误或遗漏，进行必要的调整，确保最终的裂纹面编号准确无误。 7.根据权利要求1所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S40中，通过计算每个裂隙簇上破裂贯通可能性指数值，筛选出破裂贯通可能性指数较高的裂隙，从而识别出潜在的失稳面，包括如下步骤：S41：计算每个裂隙的BCI值：对于DBSCAN聚类得到的每个裂隙簇，计算其中每个裂隙的破裂贯通可能性指数；S42：基于BCI值筛选裂隙：通过可视化裂隙的BCI值分布，设定合适的阈值，选择BCI值较高的裂隙点作为潜在失稳面；S43：优化后的聚类结果可视化：优化后的聚类结果通过三维可视化呈现，主破裂面和次要破裂面可以通过不同的颜色或点的大小来区分，从而直观地展示裂隙扩展的空间特征，以进一步分析裂隙的演化和分布模式。 8.根据权利要求1所述的集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别方法，其特征在于，在所述步骤S50中，采用B样条曲面拟合算法对潜在失稳面的裂隙进行重构，生成光滑、连续的宏观失稳结构面，包括如下步骤：S51：从经过聚类分析的结果中，读取已经归类为同一破裂面的所有有效裂隙；其中，每个裂隙包括其裂隙空间坐标、裂隙裂隙体积、裂隙能量BCI值和裂隙空间取向；S52：将BCI和法线方向结合，全面描述裂隙的空间特性和破裂影响：假设某个裂隙的法线方向向量为 ，对法线向量进行归一化，保证归一化后的法线向量仅表示方向；其中，其归一化过程计算公式如下： 对于每个裂隙，根据其BCI值和法线方向计算综合特征权重，假设裂隙i的特征权重W i 是BCI值和法线方向的组合，则每个裂隙点的综合特征权重的计算公式如下：式中， 是归一化后的法线方向的模长，通常为1；BCI i 为第i个裂隙的破裂贯通指数； 和 是权重系数；S53：基于同簇裂隙的特征权重和三维空间位置信息，通过主成分分析提取具有较高特征权重的裂隙，作为失稳面重构的关键控制点，从而明确失稳面的主方向；S54：在确定失稳面的主方向后，利用B样条曲线拟合方法对同一簇裂隙的边界进行拟合，形成闭环曲线作为最终失稳面的外轮廓线；S55：对已经形成的裂纹面的外轮廓线进行曲面的三角化，对最终的失稳面内部进行三角网格划分；S56：读取全部同簇的裂隙，结合已经建立的三角网格对最终要生成的裂纹曲面进行最终拟合，形成该同簇裂隙的最终宏观失稳结构面。 9.一种集震源反演与聚类重构的失稳结构面识别系统，其特征在于，包括：参数采集获取模块，配置为通过微地震监测系统采集获得原始声波数据，对原始声波数据进行定位计算和震源机制反演，获取与破裂直接相关的煤岩破裂源头核心参数；其中，煤岩破裂源头核心参数包括：裂隙空间坐标、裂隙体积、裂隙能量和裂隙空间取向；贯通指数计算模块，配置为通过震源半径确定破裂贯通临界距离，并对裂隙体积进行Z-score标准化，结合标准化裂隙体积、震源半径和空间距离计算破裂贯通可能性指数BCI；其中，计算裂隙点i的总破裂贯通指数 BCI i 的具体过程如下：综合考虑震源半径和裂隙点体积计算破裂贯通可能性指数BCI，用以量化评估裂隙点之间的破裂贯通可能性；其中，对于裂隙点 i 和 j，在满足破裂贯通条件时，其破裂贯通可能性指数计算公式如下：式中： 和 分别为第i个裂隙点和第j个裂隙点的标准化体积值；d ij 为第i个裂隙点和第j个裂隙点之间的欧几里得距离；裂隙点i的总破裂贯通指数BCI i 为其与剩余所有裂隙点的破裂贯通指数的总和；其中，假设裂隙点i周围有n个裂隙点，则总破裂贯通指数BCI i 计算公式如下：式中：I ij 为指示函数，当 时值为1，表示两点之间满足破裂贯通条件；破裂面聚类模块，配置为根据裂隙空间坐标、裂隙体积、裂隙能量和裂隙空间取向的多维特征，计算裂隙之间的相似性，并采用DBSCAN聚类算法对裂隙进行密度聚类；其中，将相似的裂隙聚集为同一簇，每一裂隙簇对应一个潜在的破裂面；潜在失稳面识别模块，配置为通过计算每个裂隙簇上破裂贯通可能性指数值BCI，筛选出破裂贯通可能性指数较高的裂隙，从而识别出潜在的失稳面；失稳结构面重构模块，配置为采用B样条曲面拟合算法重构宏观失稳结构面，生成平滑、连续的宏观失稳面；通过主成分分析法选取控制点确定破裂主方向，基于裂隙分布构建B样条曲线生成边界轮廓，对外轮廓线三角化并划分网格，结合裂隙点和三角网格，使用B样条算法精确拟合失稳结构面。