微震定位精度影響下采場裂隙表征與沖擊地壓預(yù)警

曹安業(yè) ，王常彬 ，楊 旭 ，王 冰 ，張 寧 ，趙衛(wèi)衛(wèi)

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭精細(xì)勘探與智能開發(fā)全國重點實驗室, 江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；4.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭生產(chǎn)重心逐漸轉(zhuǎn)向深部。深部煤礦高強度開采和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境造成沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)，對礦井安全高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1-2]。雖然我國已有相當(dāng)規(guī)模的沖擊地壓礦井配備微震監(jiān)測系統(tǒng)，但微震監(jiān)測的震源定位精度仍存在不足，沖擊地壓災(zāi)害依然存在“災(zāi)源找不準(zhǔn)、災(zāi)害控不住”的難題[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，煤礦微震監(jiān)測震源定位誤差在水平方向20～50 m、垂直方向可高達(dá)近100 m[5-6]，相較于典型的寬200 m 采煤工作面，如此尺度定位誤差極大增加了沖擊地壓災(zāi)害誤報、漏報的風(fēng)險[7]。如何降低震源定位精度造成的不利影響是實現(xiàn)煤礦沖擊地壓災(zāi)源精準(zhǔn)辯識的關(guān)鍵。

研究表明，震動波到時標(biāo)定誤差和不利的微震監(jiān)測臺網(wǎng)布局是制約采場微震定位精度的重要原因[5,8]。由于煤礦微震監(jiān)測中震動波到時大都采用人工標(biāo)定，波形采集質(zhì)量、人員專業(yè)水平和標(biāo)定習(xí)慣等因素均可導(dǎo)致不可避免的到時標(biāo)定誤差。WANG等[9]通過統(tǒng)計分析得出震動波縱波到時人工標(biāo)定誤差在±6 ms，由此造成的微震水平定位誤差接近40 m。ZHU 等[10]運用數(shù)值模擬分析了震動波到時標(biāo)定誤差對微震定位的影響，認(rèn)為5 ms 到時偏差可導(dǎo)致接近25 m 的微震定位誤差，表明到時標(biāo)定對微震定位誤差的影響不容忽視。

微震監(jiān)測臺網(wǎng)合理布置也是實現(xiàn)準(zhǔn)確微震定位的前提。受井下采掘活動影響，微震臺站通常布置于距采掘工作面100～200 m 外，致使微震臺網(wǎng)難以對采場形成完整空間覆蓋，這種不利的臺網(wǎng)布置是造成震源定位誤差的重要原因。因此，學(xué)者對微震臺網(wǎng)布置優(yōu)化進(jìn)行了研究，以期提高震源定位準(zhǔn)確性，如鞏思園等[11]建立了基于遺傳算法的微震臺網(wǎng)布置方案求解模型，可自動求解最小定位誤差方案，臺站布置優(yōu)化后微震定位誤差降幅達(dá)230 m；叢森[12]建立了多震源聯(lián)合求解速度模型的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了基于分層速度模型的震源定位反演算法，認(rèn)為“井-地”聯(lián)合臺網(wǎng)布置方案能有效提高微震定位準(zhǔn)確性；高永濤等[13]基于D值理論建立了微震事件概率、監(jiān)測區(qū)域重要性、臺網(wǎng)布置可行性等因素的目標(biāo)函數(shù)，為礦山提供臺網(wǎng)布設(shè)方案。上述成果對煤礦臺網(wǎng)布置與震源定位精度進(jìn)行了一系列研究[14]，但在臺網(wǎng)無法完整包絡(luò)采場條件下如何降低定位誤差造成的不利影響，是準(zhǔn)確描述采場微震活動空間演化特征、實現(xiàn)災(zāi)源精準(zhǔn)識別的關(guān)鍵。

因此，筆者提出了一種考慮煤礦定位精度影響的微震裂隙貫通表征方法，并將其應(yīng)用于沖擊地壓預(yù)警。首先利用仿真正演試驗探究礦井臺網(wǎng)微震定位誤差矢量分布特征；基于震源能量與破裂半徑的關(guān)系，建立了定位誤差影響下相鄰微震事件的破裂貫通可能性指數(shù)，實現(xiàn)了采場微震活動空間演化規(guī)律的精準(zhǔn)描述；基于某沖擊地壓礦井回采工作面微震監(jiān)測，利用破裂貫通可能性指數(shù)分布對該工作面高能微震事件與礦壓顯現(xiàn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)了沖擊危險預(yù)警效能的提升。

1 微震臺網(wǎng)定位誤差仿真正演試驗

考慮到煤礦采場定位波速與震動波到時標(biāo)定誤差具有隨機性，利用數(shù)值仿真正演試驗探究微震臺網(wǎng)誤差定位分布特征。在一給定臺網(wǎng)布置條件下，假設(shè)t0時刻一微震事件發(fā)生于 (x0,y0,z0)，基于經(jīng)典Geiger 定位算法[15]，計算該微震事件在波速為vp的常值速度模型下采場各定位臺站的理論震動波到時。對于位于 (xi,yi,zi) 的臺站i，其理論上接收到的震動波到時ti為

基于震動波到時與波速誤差分布規(guī)律，對各定位臺站隨機添加人工到時標(biāo)定誤差與定位波速誤差。對于定位臺站i，其隨機人工到時標(biāo)定誤差為 δip，隨機定位波速誤差為 δiv，則該臺站在2 種誤差影響下臺站i的到時殘差ri′為

按照上述流程，對該微震事件不斷添加隨機人工到時標(biāo)定誤差與定位波速誤差并進(jìn)行反復(fù)計算，計算次數(shù)通常為1 000～3 000 次，得到震源誤差定位散點空間分布，如圖1a 所示。圖1b 為基于震源誤差定位散點的概率密度分布與誤差橢圓，用于描述微震臺網(wǎng)在該區(qū)域的震源定位誤差矢量特征。誤差橢圓的長軸和短軸分別為定位散點在兩互相垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差。對研究的煤礦采場進(jìn)行網(wǎng)格化處理，并對網(wǎng)格點逐個進(jìn)行定位誤差仿真正演試驗，便得到表征定位誤差矢量特征的采場誤差橢圓分布。

圖1 微震臺網(wǎng)定位誤差橢圓與定位概率密度分布Fig.1 Source locating error ellipse of seismic network and its probability density distribution

2 微震破裂貫通可能性指數(shù)

實驗室試驗與工程實踐表明，受載煤巖體在臨近強度極限前會在宏觀破裂面周圍出現(xiàn)微震事件成核與擴(kuò)展的現(xiàn)象，而該現(xiàn)象可以作為失穩(wěn)破壞的前兆指標(biāo)[16-18]。然而，在煤礦現(xiàn)場實踐中，受限于煤礦微震臺網(wǎng)定位精度，初始震源定位結(jié)果難以準(zhǔn)確描述采場破裂發(fā)育特征，使得沖擊地壓預(yù)警準(zhǔn)確率難以進(jìn)一步提升。因此，在已知采場微震定位誤差分布的基礎(chǔ)上，提出微震破裂貫通可能性指數(shù)F，利用相鄰微破裂在各自區(qū)域定位誤差范圍內(nèi)的貫通可能性來表征煤巖體破裂發(fā)育程度，最大限度降低臺網(wǎng)定位精度對描述采場煤巖體微震響應(yīng)特征造成的不利影響。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，微震事件的震動波能量與其破裂面半徑呈正相關(guān)關(guān)系[19]。Jager 和Ryder 基于大量現(xiàn)場觀測給出了震源能量與破裂半徑的經(jīng)驗關(guān)系式[20]：

其中：r0為震源半徑；ML為微震事件震級。在破裂發(fā)生過程中，距離震源中心2 倍震源半徑范圍稱為近場區(qū)域，該區(qū)域的巖體都有因破裂而發(fā)生破壞的可能[21]。因此，當(dāng)相鄰兩微震事件之間距離小于其2倍震源半徑之和時，認(rèn)為兩微震事件產(chǎn)生的破裂彼此貫通，煤巖體破壞開始孕育。然而，由于微震臺網(wǎng)定位誤差的存在，即使兩微震事件的破裂已經(jīng)貫通，但定位后的震源距離卻可能大于2 倍震源半徑之和，無法有效識別煤巖體破壞孕育過程。為此，建立了微震破裂貫通可能性指數(shù)F，用來表示相鄰微震事件在各自定位誤差橢圓范圍內(nèi)破裂相互貫通的可能性。

假設(shè)存在兩相鄰微震事件i與j，其各自震源半徑為r0(i)與r0(j)。根據(jù)兩微震事件震源距離d及誤差橢圓特征，破裂貫通可能性F分為3 種情況：①當(dāng)d≤2(r0(i)+r0(j)) ，表明破裂已彼此貫通，此時F=1，如圖2a 所示；②當(dāng)d>2(r0(i)+r0(j))，且震源在各自所在區(qū)域誤差橢圓內(nèi)移動后的震源距離d′仍大于2(r0(i)+r0(j)) ，表明兩者破裂沒有貫通的可能，F(xiàn)=0，如圖2b 所示；③當(dāng)d>2(r0(i)+r0(j))，但震源在各自所在區(qū)域的誤差橢圓內(nèi)移動后的震源距離d′可滿足破裂貫通條件，如圖2c 所示，此時F為

圖2 三種情況下兩相鄰微震事件破裂貫通可能性指數(shù)FFig.2 Three circumstances of fracture coalescence probability Fbetween two adjacent events

在該情況下，滿足d′=2(r0(i)+r0(j))的震源位置存在多個解，通過優(yōu)化算法得到F最大時兩微震事件的位置即為破裂相互貫通時的最可能位置。

根據(jù)上述兩相鄰微震事件的破裂貫通可能性F計算方法，假設(shè)微震事件i周圍有m個微震事件，則微震事件i所在區(qū)域的微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum(i)表示為

其中：Fij為兩微震事件i與j的破裂貫通可能性。由于在微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum中采用破裂尺度大小代表微震事件能量，因此Fsum可同時反映采場微震活動的頻次分布與能量釋放情況，統(tǒng)一了采動煤巖體微震響應(yīng)特征的表示方法：Fsum越高，該區(qū)域微震事件越密集，同時更高的能量釋放讓彼此破裂形成貫通，失穩(wěn)破壞可能性增加；Fsum越低，該區(qū)域微震事件頻次越低，同時能量釋放更小，彼此破裂難以形成貫通，失穩(wěn)破壞可能性降低。因此，微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum可作為周期性預(yù)警指標(biāo)評價工作面采掘期間的沖擊危險性。

3 工程驗證

3.1 工程概況

用于工程驗證的煤礦位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)。礦井開采煤層為近水平煤層，平均厚度16.25 m，經(jīng)鑒定具有強沖擊傾向性。研究對象102 工作面為所在盤區(qū)的第2 個工作面，工作面長180 m，推進(jìn)長度1 790 m，平均開采深度700 m，如圖3 所示。工作面北部為40 m 區(qū)段煤柱與103 工作面回風(fēng)巷，南部為75 m 區(qū)段隔離煤柱與101 工作面采空區(qū)，東部與西部布置有盤區(qū)大巷。102 工作面采用綜采放頂煤開采工藝，平均回采高度13 m，其中割煤高度3.5 m、放煤高度9.5 m。102 工作面在開采前采用了地面L 型水平井分段水力致裂對開采煤層上覆高位厚硬砂巖頂板進(jìn)行處理，但在工作面中部存在一部分致裂盲區(qū)（位置如圖3 所示），導(dǎo)致工作面在該區(qū)域回采期間高能微震事件頻發(fā)，礦壓顯現(xiàn)明顯，沖擊地壓危險性較高。

圖3 102 工作面布置情況與四鄰關(guān)系以及地面水力致裂盲區(qū)位置Fig.3 LW102 layout and surrounding conditions, and blind space of surface hydraulic fracturing

3.2 工作面微震臺網(wǎng)定位誤差分布特征

該礦采用SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)，在全盤區(qū)布置有32 個單軸速度傳感器，傳感器響應(yīng)頻率為1～600 Hz，采樣率為500 Hz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1 MB/s。本文采用102 工作面于2022 年9 月7 日至13 日，即回采至地面水力致裂盲區(qū)期間的微震臺網(wǎng)及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在此期間用于監(jiān)測102 工作面微震活動的臺站分布如圖4 所示。對102 工作面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，網(wǎng)格間距50 m，并對網(wǎng)格點逐個進(jìn)行定位誤差仿真正演試驗，得到102 工作面區(qū)域誤差橢圓分布情況，如圖4 所示。

圖4 102 工作面區(qū)域定位誤差橢圓分布情況Fig.4 Location error ellipses distribution around LW102

由圖4 可知，采場在不同區(qū)域的定位精度和誤差方向具有明顯差異。定位誤差最小區(qū)域為工作面前方600 m 范圍內(nèi)煤體區(qū)域，水平方向定位誤差范圍在37.7～40.5 m，且誤差橢圓長軸呈南—北方向，說明該區(qū)域的微震活動定位誤差在南—北方向要大于東—西方向。由于缺少足夠的臺站形成臺網(wǎng)包絡(luò)，工作面后方的采空區(qū)及實體煤區(qū)域具有極高的定位誤差，其水平定位誤差可達(dá)70～105.3 m。其中，工作面后方北部實體煤區(qū)域的定位誤差橢圓長軸整體為東北—西南方向，工作面后方南部101 采空區(qū)區(qū)域的定位誤差橢圓長軸整體為東南—西北方向，表現(xiàn)出顯著的矢量性差異。

以上結(jié)果表明微震臺網(wǎng)定位精度不高，且采場各區(qū)域定位誤差的矢量性特征十分明顯，極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的沖擊地壓微震預(yù)警偏差。相比于傳統(tǒng)的定位誤差標(biāo)量值，誤差橢圓能更全面描述微震臺網(wǎng)定位精度的矢量特征，為提高沖擊地壓微震預(yù)警準(zhǔn)確率提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 工作面微震破裂貫通可能性指數(shù)分布特征

對102 工作面2022 年9 月7 日至2022 年9 月13 日工作面發(fā)生的微震活動進(jìn)行分析，在此期間的微震事件頻次-震級分布情況如圖5 所示。由圖5可知，震級ML大于-1.0 的中-高能微震事件散布于工作面前方200 m 范圍內(nèi)，表明超前工作面煤巖體整體處于高應(yīng)力狀態(tài)，但由于難以反映煤巖體內(nèi)部破裂程度，只能以微震事件頻次-震級分布圖中高能微震事件集聚位置作為沖擊地壓重點防控區(qū)域，微震預(yù)警效率大幅降低。不僅如此，由3.2 節(jié)微震臺網(wǎng)定位誤差分析可知，采場區(qū)域存在37.7～105.3 m 的震源定位誤差，且矢量性特征明顯。受此影響，中-高能微震事件定位結(jié)果均可能存在不同程度偏差，微震預(yù)警準(zhǔn)確率難以提升。

圖5 2022-9-7—2022-9-13 102 工作面不同震級微震事件分布情況Fig.5 Distribution of seismic events with different magnitude at LW102 during 2022-9-7—2022-9-13

圖6 為基于102 工作面震源定位誤差的微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum分布結(jié)果。由圖6 可知，102 回風(fēng)巷超前工作面約100 m 范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的微震破裂集聚貫通特征，F(xiàn)sum極值可達(dá)347。該結(jié)果表明在考慮了定位精度影響和震源破裂尺度后，102 工作面下隅角區(qū)域微震活動產(chǎn)生的破裂可能與相鄰數(shù)百個微震破裂相互連通形成宏觀破裂面，其失穩(wěn)破壞可能性要明顯高于采場其他區(qū)域。相比之下，102 運輸巷側(cè)微震破裂貫通程度較低，F(xiàn)sum普遍低于100，說明102 工作面上隅角煤巖體裂隙發(fā)育尚不充分，形成宏觀破裂面的概率較小，巷道圍巖失穩(wěn)破壞可能性相對較低。與傳統(tǒng)微震事件頻次-震級分布圖相比，微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum極大縮小了高應(yīng)力不穩(wěn)定煤巖體的探測范圍，并實現(xiàn)了微震頻次與震級（破裂尺度）的單一指數(shù)表征。

圖6 2022-09-07—2022-09-13 102 微震破裂貫通可能性指數(shù) Fsum分布Fig.6 Distribution of seismic fracture coalescence probability index Fsum at LW102 during 2022-09-07—2022-09-13

3.4 基于微震破裂貫通可能性指數(shù)的沖擊地壓危險預(yù)警

為驗證Fsum的沖擊地壓危險預(yù)警效能，根據(jù)圖6 中Fsum計算結(jié)果以云圖方式表示，并對未來一周，即2022-09-14—2022-09-20 期間發(fā)生的ML>-0.5高能微震事件及2022 年9 月18 日發(fā)生于102 回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)區(qū)域進(jìn)行分析。其中，9 月18 日發(fā)生的礦壓顯現(xiàn)造成了回風(fēng)巷超前工作面10～34 m 范圍內(nèi)底鼓與地坪開裂，底鼓量達(dá)到400～800 mm。由分析結(jié)果圖7 可知，除少數(shù)高能微震事件零散分布在Fsum<150 的區(qū)域，大部分高能微震事件均集中在102 工作面下隅角Fsum>250 的區(qū)域范圍內(nèi)，與Fsum極值之比達(dá)0.72（250/347）。此外，9 月18 日102 回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)區(qū)域也位于Fsum>300 的微震破裂貫通可能性指數(shù)極值區(qū)域附近。該結(jié)果表明Fsum與未來短周期內(nèi)高能震源位置與沖擊破壞區(qū)域具有較高的相關(guān)性，可作為理想的沖擊地壓周期性預(yù)警評價指標(biāo)。

圖7 2022-09-07—2022-09-13 102 工作面微震破裂貫通可能性指數(shù)云圖Fig.7 Seismic fracture coalescence probability index of LW102 during 2022-09-07—2022-09-13

圖8 與圖9 分別為2022-09-07—2022-09-13期間微震頻次與能級云圖與未來一周ML>-0.5高能微震事件與礦壓顯現(xiàn)區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系。由圖8 可知，高微震頻次區(qū)域出現(xiàn)在102 回風(fēng)巷超前50 m 左右的煤柱側(cè)及超前100～150 m 的回風(fēng)巷附近，頻次極值達(dá)到72。大部分高能微震事件所在位置的微震頻次為40～45，與頻次極值之比為0.56～0.63。只有2 個高能微震事件所在區(qū)域的頻次與極值之比達(dá)到0.7 以上。不僅如此，礦壓顯現(xiàn)區(qū)域的微震頻次極值為40～50，與頻次極值之比不超過0.7。該結(jié)果表明微震頻次與沖擊地壓危險相關(guān)性不強，在預(yù)警準(zhǔn)確性上要明顯弱于微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum。

圖8 2022-09-07—2022-09-13 102 工作面微震事件頻次分布Fig.8 Seismic events frequency of LW102 during 2022-09-07—2022-09-13

圖9 2022-09-07—2022-09-13 102 工作面震級分布Fig.9 Seismic magnitude of LW102 during 2022-09-07—2022-09-13

由圖9 可知，除少數(shù)高能微震事件零散分布于ML<-0.5 的區(qū)域，絕大部分高能微震事件與礦壓顯現(xiàn)位置均位于ML>0 的區(qū)域，表明微震震級分布與沖擊地壓危險相關(guān)性較強，預(yù)警準(zhǔn)確率較高。但與此同時，ML>0 的高震級區(qū)域幾乎覆蓋了工作面超前100 m 范圍內(nèi)的所有煤巖體以及兩巷超前工作面150 m 范圍，這可能會導(dǎo)致基于微震震級預(yù)警的沖擊地壓卸壓解危工程量大幅增加，造成災(zāi)害防治效率大幅降低。

為量化探究微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum、微震頻次Freq與微震震級ML的沖擊地壓預(yù)警效能，將2022-09-14—2022-09-20 的29 個ML>-0.5高能微震事件對應(yīng)的3 種指標(biāo)做歸一化處理，轉(zhuǎn)化為相對預(yù)警參量指標(biāo)：

其中：Rp(i)為高能微震事件i的3 種相對參量指標(biāo)RFsum(i)、RFreq(i)和RML(i)，pmax與pmin分別為預(yù)警參量指標(biāo)的最大值與最小值。基于混淆矩陣方法，利用不同預(yù)警閾值下精準(zhǔn)率D（Precision）、召回率C（Recall）和權(quán)衡精確率（FScore）評判3 種相對參量指標(biāo)的預(yù)警效能。其中，預(yù)警精準(zhǔn)率D定義為超過相對預(yù)警參量閾值的高能微震事件個數(shù)Nevents與高能微震事件個數(shù)總數(shù)Nevents-total之比：

預(yù)警召回率C定義為有高能微震事件落入超過相對預(yù)警參量閾值的網(wǎng)格數(shù)量Ngrid-events與采場內(nèi)超過相對預(yù)警參量閾值的網(wǎng)格總數(shù)Ngrid-para之比：

預(yù)警精準(zhǔn)率D反映了各參量指標(biāo)對于高能微震事件的預(yù)警準(zhǔn)確程度，D越高代表預(yù)警準(zhǔn)確度越高。預(yù)警召回率C描述了各參量指標(biāo)對于高能微震事件的預(yù)警效率，C越高代表預(yù)警區(qū)域越小，預(yù)警效率越高。通常預(yù)警精準(zhǔn)率D與預(yù)警召回率C是相互制約的，因此采用權(quán)衡精確率（FScore）對預(yù)警指標(biāo)效能進(jìn)行綜合評判：

β為關(guān)于精準(zhǔn)率D與召回率C的相對重要性常數(shù)。由于精準(zhǔn)率D與召回率C對于沖擊地壓預(yù)警同等重要，故式(11)中 β =1。

圖10 為不同預(yù)警指標(biāo)閾值下破裂貫通可能性指數(shù)、微震頻次和微震能級的高能微震事件預(yù)警準(zhǔn)確率與召回率情況。在預(yù)警精準(zhǔn)率D方面，當(dāng)預(yù)警指標(biāo)閾值小于0.5 時，微震破裂貫通可能性相對指數(shù)Rpsum的D值上整體高于相對微震頻次RFreq和相對微震能量RML；當(dāng)預(yù)警指標(biāo)閾值大于0.5 時，RFsum的預(yù)警精準(zhǔn)率逐漸低于RFreq，但在預(yù)警指標(biāo)閾值等于0.9 時高于RFreq，而RML預(yù)警精準(zhǔn)率始終處于低位。在預(yù)警召回率C方面，RFsum的R值在預(yù)警指標(biāo)閾值為0.1～0.7 時均大于RFreq但小于RML；在預(yù)警指標(biāo)閾值為0.8 和0.9 時，RFsum擁有最高C值，而RML的召回率變?yōu)?。以上結(jié)果表明破裂貫通可能性相對指數(shù)RFsum在與RFreq保持相近的預(yù)警精準(zhǔn)率的同時又可提供接近于RML的高預(yù)警召回率。

圖10 不同預(yù)警指標(biāo)閾值下破裂貫通可能性指數(shù)（ RFsum）、微震頻次（ RF req ）和微震能級（ RML）的高能微震事件預(yù)警準(zhǔn)確率與召回率Fig.10 Precision and recall of seismic fracture coalescence probability index ( RFsum ), events frequency ( RF req) and seismic magnitude ( RML) under different pre-warning thresholds

圖11 為根據(jù)式（11）計算的不同預(yù)警指標(biāo)閾值下微震破裂貫通可能性指數(shù)、微震頻次和微震能級的高能微震事件預(yù)警權(quán)衡精確率FScore的情況。由圖可知，微震破裂貫通可能性相對指數(shù)RFsum在各預(yù)警指標(biāo)閾值下的FScore值均大于RFreq和RML。在預(yù)警指標(biāo)閾值為0.5 時，RFsum的FScore值達(dá)到0.46，而RFreq和RML的FScore值僅為0.31 和0.28，增幅比例為48%與64%。該結(jié)果表明與微震頻次和微震能量相比，微震破裂貫通可能性指數(shù)可同時兼顧預(yù)警精準(zhǔn)率和召回率，具有更優(yōu)的預(yù)警效能，可以作為沖擊地壓危險高效微震預(yù)警指標(biāo)。同時，RFsum=0.5達(dá)到最大權(quán)衡精確率，可作為有效判別沖擊地壓危險的指標(biāo)閾值。

圖11 不同預(yù)警指標(biāo)閾值下破裂貫通可能性指數(shù)、微震頻次和微震能級的高能微震事件預(yù)警權(quán)衡精確率Fig.11 Accurate rate FScore of seismic fracture coalescence probability index, events frequency and seismic magnitude under different pre-warning thresholds

需要說明的是，預(yù)警指標(biāo)閾值RFsum=0.5是根據(jù)102 工作面實際微震監(jiān)測情況確定的，其取值與目標(biāo)工作面地質(zhì)條件與開采技術(shù)條件有關(guān)。將微震破裂貫通可能性指數(shù)RFsum應(yīng)用于其他煤礦的沖擊地壓周期預(yù)警時，預(yù)警指標(biāo)閾值將根據(jù)歷史微震監(jiān)測數(shù)據(jù)中RFsum對高能微震事件的預(yù)警權(quán)衡精確率FScore最大值進(jìn)行確定，確保達(dá)到最優(yōu)預(yù)警效能。

4 結(jié)論與展望

1）采場復(fù)雜定位誤差特征是造成沖擊地壓預(yù)警偏差的重要原因。在102 工作面前方600 m 范圍內(nèi)水平定位精度為37.7～40.5 m，誤差橢圓長軸呈南—北方向，而102 工作面后方采空區(qū)水平定位誤差高達(dá)105.3 m，誤差橢圓長軸呈東南—西北方向。

2）微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum考慮了采場定位誤差對不同距離震源間破裂貫通的影響，最大程度還原了采場煤巖體裂隙擴(kuò)展與貫通可能性分布規(guī)律，能同時反映采場微震頻次與能級特征，統(tǒng)一了采動煤巖體微震響應(yīng)特征的表征方法。

3）102 回風(fēng)巷超前工作面約100 m 范圍內(nèi)煤巖體破裂相互連通形成宏觀破裂面，存在較高的失穩(wěn)破壞可能性，F(xiàn)sum極值達(dá)347，與未來一周工作面下隅角高能事件頻發(fā)及回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)形成良好對應(yīng)。

4）微震破裂貫通可能性指數(shù)Fsum與沖擊地壓危險相關(guān)性顯著優(yōu)于微震頻次，同時危險區(qū)域識別效率又強于微震能量，其混淆矩陣FScore極值達(dá)0.46，相比微震頻次和能量增幅達(dá)48%與64%，同時兼顧了預(yù)警精準(zhǔn)率和召回率，沖擊地壓預(yù)警效能顯著提升。

提高微震監(jiān)測精度對我國深部煤礦沖擊地壓災(zāi)害高效防治具有重要意義。筆者提出的煤礦臺網(wǎng)定位精度影響下微震裂隙貫通表征方法是基于現(xiàn)有的微震監(jiān)測條件進(jìn)行預(yù)警效能優(yōu)化，可為高效沖擊地壓防治提供參考。由于本研究目前僅考慮了水平定位精度，未來將著重研究微震臺網(wǎng)的空間定位誤差特征與震源垂向定位精度優(yōu)化問題。