一种冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法和系统

1.一种冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，包括如下步骤：S10：根据冲击地压动载应力波远场产生、跨空间传播及近场围岩耦合破坏致灾作用机理，分析大采场结构内易产生大能量远场应力波的重点区域及应力波类型，圈定回采和掘进工作面、进回风巷道的近场范围内的高应力区域，明确远场与近场间的传播岩层结构与岩性特征；S20：在远场应力波产生的重点区域周围布置微震传感器并获得远场应力波产生的原始波形数据；在圈定的近场高应力区域内布设声电系统，利用声发射和电磁辐射技术对工作面和巷道进行动态实时监测，获取近场围岩破裂和应力特征参数；形成微震与声电相结合的远场和近场一体化全域探监测体系；S30：基于远场原始波形数据计算微震日频次、能率、主频和幅值的时频数据，定位并反演远场应力波产生空间位置及源头机制，获取密度云图、空间分形、张剪类型、破裂尺寸、产状取向和释放能量，建立远场微震时空强多参数指标体系并融合优化，量化评估远场应力波产生的源头特征及远场岩层破裂活跃程度，判识预测后续是否产生大震级远场动载应力波及其能量；S40：基于近场围岩破裂和应力特征参数计算电磁辐射实时和累计强度、实时与累计脉冲时序特征参数，获取声发射振铃计数、声波强度、分形b值、空间位置、释放能量和机制解参数，基于声电指标集与监测数据量化反映煤岩破裂频次与强度，根据声电监测数据变化评估近场围岩静载受力与能量储存状态；S50：选取多个远场微震和近场声发射监测的同一破裂数据，计算应力波能量在岩层结构中的传播衰减系数，基于应力波作用的动静能量叠加原理，并考虑动载应力波远场产生、跨空间传播及近场围岩动力破坏的耦合作用致灾过程，建立冲击地压远近场融合的全域监测预警准则，结合远场微震与近场声电监测大数据，实现应力波作用机理与监测大数据协同的冲击地压超前精准预警。 2.根据权利要求1所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，在所述步骤S10中，冲击地压大采场结构内易产生大能量远场应力波重点区域及应力波类型包括：上覆巨厚岩层断裂和地质构造带断层活化：对于上覆巨厚岩层断裂，其应力波动态位移场分布特征的表达式为：式中，u I (x,t)为上覆巨厚岩层断裂产生的应力波动态位移场，上标R，Ф和V分别为应力波P波、SH波和SV波分量；λ和μ为煤岩的拉梅常数；θ和 为观测点的空间方位角；ρ为密度；c d 和c s 为P波和S波波速；ξ为煤岩体破断点坐标；r为破断点ξ到观测点x的距离； 为顶板断裂过程裂缝扩展速度；对于地质构造带断层活化，根据定量地震学理论和动态断裂力学理论，得到断层滑移的应力波动态位移场空间特征为：式中，u II (x,t)为断层滑移产生的应力波动态位移场； 为断层滑移速度。 3.根据权利要求1所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，在所述步骤S30中，定位并反演远场应力波产生空间位置及源头机制具体包括如下步骤：利用非线性最小二乘走时差震源定位方法来确定震源位置，依次拾取每个传感器采集波形的走时数据，计算第i个和第j个传感器实测走时与理论走时的时差Δt ij ＝(t i -t j )-(t i0 -t j0 )，将射线传播的理论走时与实际观测走时之差的平方和作为目标函数，求目标函数取最小值时对应的计算结果即为震源坐标；建立远场应力波产生的位移不连续震源模型，将微震震源模型中位移不连续张量约束条件转化成矩张量不变量形式；采用拉格朗日乘子结合Levenberg-Marquardt优化算法迭代求解满足位移不连续张量中间特征值为零的约束条件下的矩张量分量，使得不同传感器位置处P波的理论法向位移和实测法向位移间的最小二乘误差最小；根据矩张量、位移不连续张量及破裂震源参数的关系，由求解的矩张量分量计算得到远场应力波的破裂张剪属性、破断尺度、产状取向的震源参数。 4.根据权利要求1所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，在所述步骤S30中，建立远场微震时空强多参数指标体系包括如下步骤：设冲击地压动态预测的远场微震参数集合P；计算累计差量指标，在滑动时间窗口内获取参数时序观测序列Q 1 ，Q 2 ，…，Q n-1 ，Q n ，n>3，其中，Q n 为时序为n时的参数；计算相邻时序参数差值：ΔQ j ＝Q j -Q j-1 ，j＝2,3,...,N,令G j ＝min{ΔQ j ，0}，H j ＝max{ΔQ j ，0}，则：令累计差量R w ＝F 1 /(F 1 +F 2 )，R w ∈[0,1]，计算冲击地压动态预测的远场微震参数P中的各个参数累计差量值，获得微震评价参数累计差量集合R；确定风险等级评价指标表达式为：F p＝ R m a 1 +R K a 2 +R ΔV a 3 +R bVt a 4 +…+R w a w式中，a 1 ，a 2 ，a 3 ，…，a w 为远场破裂活跃程度评价等级权重；划分远场破裂活跃等级，通过远场破裂活跃等级，构建三级评价机制：低活跃F p ≤θ 1 、中活跃θ 1 <F p ≤θ 2 、高活跃F p >θ 2 ；其中，当远场处于低活跃破裂时，基本处于安全状态，不会产生大震级应力波，释放能量较小；当处于破裂程度中活跃时，后续可能产生大震级应力波，释放能量较大，应及时防护；当破裂高活跃时，产生大震级远场动载应力波，释放大量能量，必须立刻采取安全措施进行治理。 5.根据权利要求1所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，所述步骤S40中，基于声电指标集与监测数据量化反映煤岩破裂频次与强度，根据声电监测数据变化评估近场围岩静载受力与能量储存状态包括：基于电磁辐射实时和累计强度、实时与累计脉冲时序特征参数、声发射振铃计数、声波强度、分形b值、空间位置、释放能量和破裂程度10个参数量化反映煤岩破裂频次与强度，根据其增长值、增长速率和临界阈值评估近场围岩静载受力与能量储存状态。 6.根据权利要求5所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，根据其增长值、增长速率和临界阈值评估近场围岩静载受力与能量储存状态具体包括如下：计算统计时段内各参数最大差值，记为a；计算统计时段内声电指标增长速率的平均值和标准差计算，在增长速率平均值基础向上移动标准差作为b；统计时段内声电指标平均值和标准差，并在平均值基础向上移动标准差作为临界阈值C；当增长值超过a的参数数量j≤3，近场围岩几乎不破裂；当3<j≤7时，进一步探究增长速率；当增长速率超过b的参数数量k≤3，为Ⅰ级，围岩小范围破裂，伴随着少量能量释放；当3<k≤7时再探讨其值是否超过临界阈值；当超过临界阈值C的参数数量l≤3，为Ⅱ级，围岩破裂范围较大，能量释放较多；当l>3时为Ⅲ级，近场围岩大范围破裂，释放巨大能量；此外当j>7或k>7直接判为Ⅲ级。 7.根据权利要求1所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，在所述步骤S50中，计算应力波能量在岩层结构中的传播衰减系数具体包括如下步骤：选取远场微震和近场声发射监测的同一破裂的震动速度、能量、破裂尺度、震级与b值，分别计算传播衰减系数，取平均值；选取能多个能同时被远场微震和近场声发射监测到的大尺度远场应力波破裂数据，根据远场微震监测计算的破裂能量E 1 、近场声发射采集波形信号的能量E 2 、破裂源到远场微震传感器距离r 1 及近场声发射传感器距离r 2 ，计算应力波能量在岩层结构中的传播衰减系数，其表达式如下：根据多个大尺度远场应力波破裂数据分别计算获得能量传播衰减系数，将多个能量传播系数取平均值，得到β即为最终能量传播衰减系数。 8.根据权利要求1所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警方法，其特征在于，在所述步骤S50中，建立冲击地压远近场融合的全域监测预警准则包括如下步骤：S51：结合远场破裂活跃程度近场围岩静载受力与能量储存状态，分别对其进行赋分，记为K s ；远场破裂处于低、中、高活跃程度时分别赋2、4、6分；近场围岩破裂与能量释放处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级分别赋2、4、6分；S52：根据远场能量E 远 、近场能量E 近 及能量衰减系数得到近场总能量E 总 ，其表达式如下：E 总 ＝E 近 +βE 远其中，当近场总能量超过临界能量时赋予动力预警分值K d ＝8分，否则记为0分；S53：建立复合预警指标K＝K s +K d ，其理论阈值为[0,20]；设置三级预警体系：当4≤K<8时，为Ⅰ级预警，弱冲击地压危险，定期检查围岩稳定性，保持正常作业并关注异常信号；当8≤K<12时，为Ⅱ级预警，中等冲击地压危险，加强监测频率，限制非必要作业并制定防控预案；当K≥12时，为Ⅲ级预警，强冲击地压危险，立刻执行人员撤离。 9.一种冲击地压全域监测与动静远近场协同预警系统，其特征在于，包括：结构分析与区域圈定单元，配置为根据冲击地压动载应力波远场产生、跨空间传播及近场围岩耦合破坏致灾作用机理，分析大采场结构内易产生大能量远场应力波的重点区域及应力波类型，圈定回采和掘进工作面、进回风巷道的近场范围内的高应力区域，明确远场与近场间的传播岩层结构与岩性特征；远近场数据监测和采集单元，配置为在远场应力波产生的重点区域周围布置微震传感器并获得远场应力波产生的原始波形数据；在圈定的近场高应力区域内布设声电系统，利用声发射和电磁辐射技术对工作面和巷道进行动态实时监测，获取近场围岩破裂和应力特征参数；形成微震与声电相结合的远场和近场一体化全域探监测体系；微震数据处理评价单元，配置为基于远场原始波形数据计算微震日频次、能率、主频和幅值的时频数据，定位并反演远场应力波产生空间位置及源头机制，获取密度云图、空间分形、张剪类型、破裂尺寸、产状取向和释放能量，建立远场微震时空强多参数指标体系并融合优化，量化评估远场应力波产生的源头特征及远场岩层破裂活跃程度，判识预测后续是否产生大震级远场动载应力波及其能量；声电数据处理评价单元，配置为基于近场围岩破裂和应力特征参数计算电磁辐射实时和累计强度、实时与累计脉冲时序特征参数，获取声发射振铃计数、声波强度、分形b值、空间位置、释放能量和机制解参数，基于声电指标集与监测数据量化反映煤岩破裂频次与强度，根据声电监测数据变化评估近场围岩静载受力与能量储存状态；全域监测预警单元，配置为用于选取多个远场微震和近场声发射监测的同一破裂数据，计算应力波能量在岩层结构中的传播衰减系数，基于应力波作用的动静能量叠加原理，并考虑动载应力波远场产生、跨空间传播及近场围岩动力破坏的耦合作用致灾过程，建立冲击地压远近场融合的全域监测预警准则，结合远场微震与近场声电监测大数据，实现应力波作用机理与监测大数据协同的冲击地压超前精准预警。 10.根据权利要求9所述的冲击地压全域监测与动静远近场协同预警系统，其特征在于，冲击地压大采场结构内易产生大能量远场应力波重点区域及应力波类型包括：上覆巨厚岩层断裂和地质构造带断层活化：对于上覆巨厚岩层断裂，其应力波动态位移场分布特征的表达式为：式中，u I (x,t)为上覆巨厚岩层断裂产生的应力波动态位移场，上标R，Ф和V分别为应力波P波、SH波和SV波分量；λ和μ为煤岩的拉梅常数；θ和 为观测点的空间方位角；ρ为密度；c d 和c s 为P波和S波波速；ξ为煤岩体破断点坐标；r为破断点ξ到观测点x的距离； 为顶板断裂过程裂缝扩展速度；对于地质构造带断层活化，根据定量地震学理论和动态断裂力学理论，得到断层滑移的应力波动态位移场空间特征为：式中，u II (x,t)为断层滑移产生的应力波动态位移场； 为断层滑移速度。