论文中文题名: | 特厚煤层综放面冲击地压多参量预警指标及时空预警方法研究 |
姓名: | |
学号: | 21203226041 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 冲击地压监测预警 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
第二导师姓名: | |
论文提交日期: | 2024-06-21 |
论文答辩日期: | 2024-06-07 |
论文外文题名: | A Study on Multivariate Early Warning Indicators and Spatio-Temporal Early Warning Methods for Rockburst in Fully Mechanized Top-Coal Caving Faces of Extra-Thick Coal Seam |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | rockburst ; gently inclined extra-thick coal seam ; multivariate indicators ; microseismic ; early warning methods |
论文中文摘要: |
我国煤矿智能化建设的背景下,从海量冲击地压监测数据提取出预警指标和建立有效的时空预警方法是目前研究的重点。论文以宽沟煤矿冲击地压工作面为工程背景,采用岩石力学实验、理论分析、机器学习和现场应用相结合,研究了煤岩组合体失稳声发射监测指标的响应特征及其破坏规律,计算分析了冲击地压时空预警指标前兆特征,基于多参量预警指标构建了冲击地压时空预警方法。 针对宽沟煤矿I010203缓倾斜特厚综放面冲击显现分析,发现煤岩冲击倾向性、区段煤柱承载、坚硬顶板等为冲击地压主要影响因素。采用岩石力学单轴实验机和声发射监测系统开展煤岩组合体实验,发现试件临近失稳阶段b值处于低值波动、熵值在较高水平波动,试件在处于极值附近发生破坏,加卸载幅度越大随循环次数的增加对试件造成损伤程度更大,加卸载幅度小随循环次数增大煤岩体储能逐渐增大,试件易达到储能极限而破坏。基于宽沟煤矿I010203工作面的微震数据,运用冲击地压预警的力学基础,通过综合理论分析、现场观测和验证等方法,数值计算得到了时间及空间预警指标,优选b值、a值、A(b)值、缺震、△F值、S值和熵值H(t)为时间预警指标,指标曲线演化至极值处、接近极值的下降或回升阶段、指标曲线突增至较高值是孕育大能量事件发生的前兆。优选缺震、微震聚集度Dp、能量密度Me、S值、AC值、△F值为空间预警指标,确定出阈值进而划分了工作面的风险区域。根据预警准确率分别确定了最终时间与空间的预警指标组合,并结合时间和空间数据特征构建了时空数据集,运用贝叶斯算法(Bayes)优化长短期记忆网络(LSTM)与极限梯度提升树(XGBoost)超参数建立了冲击地压时间和空间预警模型,基于时间和空间预警数据集对构建的模型进行了训练及测试,时间预警模型(Bayes-LSTM)在测试集上的准确率为84.8%;对建立的空间预警模型(Bayes-XGBoost)在设定的不同预警能级和提前预警时间进行了测试,得出了Bayes-XGBoost模型在提前预警能级为4-5且提前预警时间为24-48h范围内,测试集的准确率在76.5%-91.3%范围,预警模型在工程检验上同样有着良好的预警效果。 本研究对冲击地压时空预警研究提供了新的思路,具有科学意义和参考价值。 |
论文外文摘要: |
In the context of intelligent construction of coal mines in China, extracting early warning indicators from massive rockburst monitoring data and establishing effective spatio-temporal early warning methods are current research priorities. This thesis focuses on the rockburst working face of Kuangou Coal Mine, employing rock mechanics experiments, theoretical analysis, machine learning, and field applications to study the response characteristics and failure patterns of acoustic emission monitoring indicators in coal-rock combinations. It analyzes precursor features of spatio-temporal early warning indicators for rockbursts and constructs a method based on multiple early warning indicators. In the analysis of rockburst occurrences in the gently inclined extra-thick fully mechanized top-coal caving face of Kuangou Coal Mine I010203, coal-rock burst propensity, section pillar bearing, and hard roof are identified as the main influencing factors of rockburst. Experiments using a rock mechanics uniaxial testing machine and an acoustic emission monitoring system reveal that specimen instability is preceded by low b values, high entropy levels, and destruction near extreme values. Greater load-unload amplitudes cause increased damage with cycle repetition, while smaller amplitudes lead to a gradual increase in energy storage in the coal-rock body, making the specimens more likely to reach energy storage limits and fail. Based on microseismic data from the Kuangou Coal Mine I010203 working face and the mechanical basis of rockburst early warning, temporal and spatial early warning indicators were numerically calculated through comprehensive theoretical analysis, field observations, and validations. Optimal temporal indicators such as b value, a value, A(b) value, seismic quiescence, △F value, and entropy H(t) indicate the onset of significant energy events when curves evolve to extremes or when there is a sharp increase to high values. Optimal spatial indicators include seismic quiescence, microseismic clustering Dp, energy density Me, S value, AC value, and △F value. Thresholds are established to delineate risk areas on the working face. Based on the accuracy of the warnings, the final combinations of temporal and spatial early warning indicators were determined. These were combined with temporal and spatial data characteristics to construct a spatio-temporal dataset. Bayesian algorithms optimized the hyperparameters of the Long Short-Term Memory network (LSTM) and the Extreme Gradient Boosting tree (XGBoost) to establish temporal and spatial rockburst early warning models. These models were trained and tested using the temporal and spatial early warning datasets. The temporal warning model (Bayes-LSTM) achieved an accuracy of 84.8% on the test set. The spatial warning model (Bayes-XGBoost) was tested across different early warning levels and times, achieving accuracies ranging from 76.5% to 91.3% for early warnings between 24-48 hours, demonstrating effective warning performance in engineering validation. This study provides new insights into the research of spatio-temporal early warning for rockburst, having scientific significance and reference value. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD324 |
开放日期: | 2024-06-24 |