玲珑金矿微震监测台网布设优化
Optimization of Micro-seismic Monitoring Network Layout in Linglong Gold Mine
通讯作者:
收稿日期: 2018-05-27 修回日期: 2018-09-13 网络出版日期: 2019-07-08
基金资助: |
|
Received: 2018-05-27 Revised: 2018-09-13 Online: 2019-07-08
作者简介 About authors
崔宇(1994-),男,安徽蚌埠人,硕士研究生,从事微震监测与岩体稳定性分析研究工作
关键词:
Keywords:
本文引用格式
崔宇, 李夕兵, 董陇军, 白吕.
CUI Yu, LI Xibing, DONG Longjun, BAI Lü.
随着大型采矿设备的投入使用和矿山生产管理水平的提高,长期开采导致浅部矿产资源趋于枯竭,许多金属矿山的开采深度已达1 000 m以上[1,2,3]。由于深部高地应力的存在,矿山在深部开采过程中易发生高能级岩爆、矿震和大面积采空区失稳等动力灾害,且难以通过传统监测技术来精准预测和预防[4,5]。微震监测技术可以监测到岩体在变形和断裂破坏过程中释放出的以弹性波形式发生的微震事件,在三维空间实时确定微震事件发生的位置和能量参数,从而对岩体活动范围及稳定性进行安全评价[6,7,8]。随着电子技术和信号处理技术的发展,越来越多的矿山开始使用微震监测技术作为矿山安全生产的辅助工具[9]。2003年,凡口铅锌矿建立了我国第一套用于矿山地压监测的全数字型微震监测系统[10],该系统可以全方位实时监测岩体对开挖扰动的响应,充分显示出微震监测技术在岩体稳定性评价方面特有的优势。
在构建微震监测系统时,第一步工作是微震台网的设计和优化,这也是保证系统性能的前提。传感器空间布置需在减少投资成本的前提下覆盖需要监测的区域并满足震源定位精度的要求。Kijko[11]和Mendecki等[12]提出了基于D值和C值最优设计理论的微震台网评价方法。这2种方法虽然利用数值方法评价了台网的定位能力,但没有考虑重点监测区域和工程实际情况。巩思园等[13]利用综合指数法提出了确定冲击矿压危险监测区域的一般原则和台站候选点布置要求,然后利用D值优化准则形成最终方案。高永涛等[14]结合矿山工程实际情况,基于D值理论并加入相关影响因子重新构建台网优化目标函数,使得微震监测系统满足矿山实际需求。然而,这些研究仅从技术层面解决了监测范围和监测精度计算的问题。由于地下工程的复杂性,微震监测台网的布置受到很大的限制,因此往往需要在满足技术条件要求的情况下进行多个方案的优选。在方案优选方面,传统的经验类比法主观性较大且难以实现定量判断。随着优化理论的发展,近年来许多数学统计方法被引入到方案优选中,如模糊数学法。然而,模糊数学法[15,16]不能消除所选取的指标之间的相关性,信息重叠会影响数据的正确分析,同时模糊数学法也无法确定复杂指标体系的权重。
1 基于主成分分析的方案优化模型
影响微震台网布置方案选择的因素较多,一般需要从技术和经济2个方面重点考虑:一方面是技术上可行,保证在系统监测范围内的监测数据准确;另一方面是经济上合理,要求设备及施工成本费用合理。首先需要建立一个科学、合理的评价指标体系,在确定评价指标时,由于本文使用的主成分分析法可以有效避免信息的交叉和重叠,消除了各指标之间相关性对结果的影响,不需要考虑指标的独立性,所以应充分全面地考虑系统建设和运行阶段的各种影响因素,尽量选取更多的评价指标,以使评价结果更加准确。
根据微震系统构建和运行时的实际需求,从经济方面考虑有设备购置费(
1.1 主成分分析的原理
设有
主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是一种数据降维的有效方法,借助正交变换将以原
图1
1.2 PCA优化分析模型的算法
(1)数据预处理。
根据所选指标的特性可分为2种类型,一种是效益型(正)指标,其数值越大越好,另一种是成本型(负)指标,其数值越小越好。为了保证这2类指标对方案优劣性评估的一致性,需要对原始数据指标进行指标类型一致化处理,使处理后的数据具有同向的趋势,以归纳统一样本的统计分布特性。
由于所选取的原始经济和技术指标量纲不统一且变量数量级差别较大,故需对指标数据作无量纲化处理。通常使用的无量纲化方法有标准化、均值化和极差正规化,然而采用数学方法推导出经数据处理后的相关系数没有未发生变化,但方差发生了改变,必然造成了信息的损失[20]。以往很多文献较少考虑方差变化的大小,直接采用标准化方法进行数据处理。本文拟采用极差正规化法,在消除指标量纲差异的同时,将正向和负向指标一致化,再利用协方差矩阵求得主成分,以期减少无量纲化之后的信息损失。将原始指标矩阵
成本型指标极值正规化:
效益型指标极值正规化:
式中:
(2)计算协方差矩阵
令
各变量两两之间以及各变量与其自身的协方差组成了一个
其中,若
若
利用式(5)可以得出协方差矩阵
此时各主成分的方差等于协方差矩阵的特征值且主成分彼此之间互不相关,所以主成分的排名按特征值的大小顺序排列。
(3)确定主成分贡献率和综合评价值。
因此将第k个主成分的方差占总方差的比例称为第k个主成分的信息贡献率,记为
一般情况下当
2 工程应用实例
玲珑金矿是我国黄金矿山开采历史最悠久和开采深度最大的黄金矿山之一,九曲矿区的大开头矿段地表标高为+255,目前开采深度已达到地下900 m以下。由于早期采矿方法简单,没有及时充填采空区,造成地下赋存有大量采空区。在采空区的影响范围内,二次应力高度集中,而矿体围岩属于强岩爆倾向性的花岗岩,在此区域内进行巷道掘进和其他生产活动时,爆破扰动将引起应力的重新分布,极易形成应力集中区域,从而引发岩爆等地质灾害。在-620,-670,-694 m中段水平的开拓过程中,已出现过显著的岩爆现象,造成了井下人员受伤和矿山财产损失。
随着开采深度的增加,地应力不断增大,岩爆等灾害发生的风险也在逐渐增加。为此玲珑金矿与中南大学合作构建了大开头矿段地压微震在线监测系统,对深部区域进行实时、长期的监测,以减少深部灾害事故的发生,确保矿山的生产运营安全且高效。根据现场调研圈定了微震监测区域,中南大学微震研究人员提出了6个可行的传感器布局方案,评价指标体系及指标取值见表1。
表1 微震台网布设方案综合评价指标
Table 1
方案编号 | 经济指标 | 技术指标 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
I | 90 | 16.5 | 8.6 | 30 | 31 | 0.5 | 55 | 5 |
Ⅱ | 124 | 25.5 | 12.5 | 28 | 20 | -1.2 | 75 | 5 |
Ⅲ | 102 | 17.6 | 9.6 | 14 | 14 | -1.6 | 85 | 8 |
Ⅳ | 158 | 32.0 | 16.2 | 24 | 19 | -1.4 | 85 | 6 |
Ⅴ | 123 | 23.6 | 12.4 | 16 | 16 | -2.0 | 80 | 8 |
Ⅵ | 242 | 48.2 | 31.0 | 16 | 15 | -1.6 | 89 | 8 |
2.1 原始数据预处理
由表1可知,共有6个待评价的微震台网布置方案,每个方案共有8个相关指标,构成一个
对
2.2 选定主成分
表2 特征值和方差分析表
Table 2
主成分 | 特征值 | 信息贡献率/% | 累积贡献率/% |
---|---|---|---|
0.840 | 68.246 | 68.246 | |
0.292 | 23.730 | 91.976 | |
0.089 | 7.240 | 99.216 | |
0.008 | 0.620 | 99.836 | |
0.002 | 0.164 | 100.00 | |
0 | 0 | 100.00 | |
0 | 0 | 100.00 | |
0 | 0 | 100.00 |
图2
2.3 计算综合评价值
由前文可知,提取前2个特征值对应的主成分作为新的综合指标,其对应的特征向量即为相应原始指标的系数。得出标准化后的前2个特征值的特征向量,再重新计算前2个主成分的加权权重,最后得出各方案的综合评价值
表3
各方案
Table 3
方案编号 | 综合评价值 | ||
---|---|---|---|
Ⅰ | -1.618 | -0.201 | -1.25 |
Ⅱ | -0.608 | -0.324 | -0.53 |
Ⅲ | 0.463 | 1.418 | 0.71 |
Ⅳ | 0.167 | -0.502 | -0.12 |
Ⅴ | 0.504 | 0.925 | 0.61 |
Ⅵ | 1.24 | 1.317 | 0.58 |
由表3可得各方案的综合评价值排序为Ⅲ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅰ,所以此次玲珑金矿微震监测台网布置方案综合评价优选出方案Ⅲ,优选出的方案在符合技术要求的同时保证投资费用较少,即综合评价值最大,更加符合工程建设的实际情况。此方案被选作玲珑金矿微震系统构建的最终方案。
2.4 微震监测系统精度分析
图3
图4
图4
方案Ⅲ微震监测系统性能仿真云图
Fig.4
Simulation cloud of micro-seismic monitoring system performance of scheme Ⅲ
3 结论
(1)根据玲珑金矿大开头矿段地压微震在线监测系统构建时矿山的实际情况,选取了经济和技术等8个指标构建了基于主成分分析的微震台网布设综合评价指标体系,全面考虑了微震监测系统建设过程中的各方面要求。
(2)将评价模型应用于玲珑金矿微震台网布设的方案优化中,在涵盖了原始数据91.9%信息量的情况下,用2个新的综合评价指标(主成分)替代了原始的8个指标,新的综合指标之间互不相关,极大地简化了方案评价的数据结构。
(3)以选定主成分的方差占总方差的比例作为各自的信息贡献率,经加权处理后作为综合指标的权重。这种赋权方法是基于原始数据本身的差异,不需要专家评判或评分,避免了主观权重的误差,综合评价结果只与原始数据有关。利用模型对大开头矿段的微震监测方案进行优化分析,得出方案Ⅲ综合性能最好。
参考文献
岩石动力学基础与应用
[M].
Rock Dynamics Fundamentals and Applications
[M].
金属矿采矿工业面临的机遇和挑战及技术对策
[J].
Opportunities and challenges to metal mine mining industry and the technical countermeasures
[J].
深部固体资源开采评述与探索
[J].
Review and practice of deep mining for solid mineral resources
[J].
深井坚硬矿岩开采中高应力的灾害控制与破碎诱变
[C]
The hazard control and cataclastic mutagenesis induced by high stress in hard rock mining at depth
[C]
无需预先测速的微震震源定位的数学形式及震源参数确定
[J].
Mathematical functions and parameters for micro-seismic source location without pre-measuring speed
[J].
试论微震监测技术在地下工程中的应用
[J].
Discussion on micro-seismic monitoring technology and its applications to underground projects
[J].
Application of a microseismic monitoring system in deep mining
[J].
Fuzzy classification of roof fall predictors in microseismic monitoring
[J].
山东金青顶矿区深部矿体开采诱发微震活动分析
[J].
Analysis of micro-seismicity activity induced by deep ore body mining at Jinqingding gold mine,Shandong Province
[J].
凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究
[J].
Research of multi-channel micro-seismic monitoring system and its application to Fankou lead-zinc mine
[J].
An algorithm for the optimum distribution of a regional seismic network —Ⅱ.An analysis of the accuracy of location of local earthquakes depending on the number of seismic stations
[J].
A Guide to Routine Seismic Monitoring in Mines
[M]
煤矿微震监测台网优化布设研究
[J].
Study on optimal configuration of seismological observation network for coal mine
[J].
基于D值理论的微震监测台网优化布设
[J].
Optimization of micro-seismic monitoring networks based on the theory of D-optimal design
[J].
高精度三维地下微震台网模糊优选方法
[J].
Fuzzy optimum approach for three-dimensional underground micro-seismic network with high precision
[J].
基于AHP-熵权法的石化企业承灾体脆弱性评估
[J].
Evaluation on vulnerability of hazard bearing body in petrochemical enterprises based on AHP-entropy weight method
[J].
基于主成分分析法与RBF神经网络的岩体可爆性研究
[J].
Research on rock mass blastability based on principal component analysis and RBF neural network
[J].
岩体质量分类的PCA-RF模型及应用
[J].
PCA-RF model for the classification of rock mass quality and its application
[J].
主成分分析法在多指标综合评价方法中的应用
[J].
Application of primary component analysis in the methods of comprehensive evaluation for many indexes
[J].
对主成分分析综合评价方法若干问题的探讨
[J].
Discussion on some problems of comprehensive evaluation method of principal component analysis
[J].
实用多元统计分析
[M].
Applied Multivariate Statistical Analysis
[M].
/
〈 |
|
〉 |
