本技術(shù)涉及數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多源數(shù)據(jù)的圍巖破壞預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

1、隨著煤炭開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大和開采深度的持續(xù)加深，煤礦圍巖破壞引發(fā)的動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重，對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。煤礦圍巖破壞預(yù)警技術(shù)是指通過多種監(jiān)測手段獲取圍巖變形、應(yīng)力等參數(shù)的變化特征，并結(jié)合智能分析算法對圍巖破壞的發(fā)生進(jìn)行提前預(yù)測和預(yù)警的技術(shù)方法。該技術(shù)的核心在于通過實(shí)時監(jiān)測圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)圍巖破壞前兆，為采取預(yù)防和控制措施披露決策依據(jù)?，F(xiàn)有的煤礦圍巖破壞預(yù)警技術(shù)主要包括位移監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、微震監(jiān)測等方法。其中，位移監(jiān)測技術(shù)通過測量巷道頂板和壁幫的變形量來判斷圍巖穩(wěn)定性；應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)則是通過測量圍巖應(yīng)力場的變化來評估破壞風(fēng)險；微震監(jiān)測技術(shù)通過捕捉圍巖破裂過程中產(chǎn)生的微弱地震信號來預(yù)測破壞。然而，目前常規(guī)的預(yù)警技術(shù)存在諸多不足：首先，單一監(jiān)測手段難以全面反映圍巖破壞的復(fù)雜演化過程，導(dǎo)致預(yù)警結(jié)果的可靠性不高；其次，傳統(tǒng)的預(yù)警方法往往依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏科學(xué)的預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警模型；再次，由于煤礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，現(xiàn)有預(yù)警技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性存在較大差異；最后，預(yù)警系統(tǒng)的布設(shè)和維護(hù)成本較高，且監(jiān)測設(shè)備在惡劣的井下環(huán)境中容易發(fā)生故障，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。

2、針對上述技術(shù)問題，研究人員披露了多種改進(jìn)方案。首先是發(fā)展多參量協(xié)同監(jiān)測技術(shù)，通過整合位移、應(yīng)力、微震等多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立更加全面的預(yù)警指標(biāo)體系。其次是引入人工智能算法，如深度學(xué)習(xí)、模式識別等技術(shù)，提高預(yù)警模型的智能化水平和預(yù)測精度。再次是開發(fā)適應(yīng)性預(yù)警模型，通過考慮地質(zhì)條件、采礦方法等影響因素，提高預(yù)警技術(shù)在不同條件下的適用性。此外，還包括研發(fā)新型傳感器和監(jiān)測設(shè)備，提高監(jiān)測設(shè)備的可靠性和耐久性。然而，這些改進(jìn)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題：首先，多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合方法尚不成熟，難以有效提取和利用各類數(shù)據(jù)中包含的預(yù)警信息；其次，人工智能算法在處理非線性、非平穩(wěn)的圍巖破壞過程時的穩(wěn)定性和可解釋性有待提高；再次，由于缺乏長期、系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)警模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證存在困難；最后，監(jiān)測設(shè)備的智能化程度和抗干擾能力仍需進(jìn)一步提升，以適應(yīng)復(fù)雜的井下環(huán)境。此外，預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性也面臨挑戰(zhàn)，如何在保證預(yù)警準(zhǔn)確性的同時縮短預(yù)警時間，以及如何降低誤報率和漏報率，都是亟待解決的技術(shù)難題。

3、因此，亟需一種技術(shù)方案，從而能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測各區(qū)域圍巖的變形趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本技術(shù)實(shí)施例披露了一種基于多源數(shù)據(jù)的圍巖破壞預(yù)警方法。本技術(shù)解決了現(xiàn)有技術(shù)模型單一、線性疊加等技術(shù)問題。

2、本技術(shù)實(shí)施例披露了一種基于多源數(shù)據(jù)的圍巖破壞預(yù)警方法，包括：在工作面沿回撤通道按照預(yù)定間隔設(shè)置多個測站，在所述測站的頂板、實(shí)煤幫、巷旁充填體安裝傳感器組；對采集的數(shù)據(jù)采用滑動平均法、快速傅里葉變換、差分及累積求和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)按測點(diǎn)位置和時間標(biāo)簽對齊；對所述對齊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和層次聚類，將測點(diǎn)分為三個區(qū)域，分別建立對應(yīng)預(yù)測模型，對模型計算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理；根據(jù)歸一化處理結(jié)果設(shè)置異常判斷參數(shù)，采用加權(quán)求和計算預(yù)警指數(shù)，依據(jù)預(yù)警指數(shù)與預(yù)設(shè)等級閾值的比較結(jié)果發(fā)出預(yù)警信號。

3、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，在工作面沿回撤通道按照預(yù)定間隔設(shè)置多個測站，在所述測站的頂板、實(shí)煤幫、巷旁充填體安裝傳感器組，包括：在工作面沿回撤通道按照預(yù)設(shè)間距依次布置多個測站，每個測站安裝壓力傳感器、軸向應(yīng)力傳感器、位移傳感器及速度傳感器；在工作面頂板、實(shí)煤幫和巷旁充填體分別安裝壓力傳感器，在端頭測站安裝軸向應(yīng)力傳感器；將所述傳感器的測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器采集并存儲，形成包含壓力、應(yīng)力、位移和變形速度的數(shù)據(jù)文件。

4、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，對采集的數(shù)據(jù)采用滑動平均法、快速傅里葉變換、差分及累積求和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)按測點(diǎn)位置和時間標(biāo)簽對齊，包括：對采集的壓力數(shù)據(jù)采用滑動平均法進(jìn)行平滑處理，并采用最小二乘法擬合壓力數(shù)據(jù)的空間分布特征；對錨桿軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)采用快速傅里葉變換方法計算頻譜特征并提取主頻分量；對位移數(shù)據(jù)采用差分法計算位移增量并統(tǒng)計時間序列特征；對變形速度數(shù)據(jù)采用累積求和法計算累積變形量；將處理后的數(shù)據(jù)按照測點(diǎn)位置和時間標(biāo)簽進(jìn)行對齊，形成處理后的數(shù)據(jù)表。

5、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，對所述對齊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和層次聚類，將測點(diǎn)分為三個區(qū)域，分別建立對應(yīng)預(yù)測模型，對模型計算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，包括：采用主成分分析提取各測點(diǎn)數(shù)據(jù)的主要變化特征，計算各測點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)；采用層次聚類將測點(diǎn)劃分為停采線后方、回撤通道上方和工作面煤壁上方三個區(qū)域；對停采線后方區(qū)域建立蠕變本構(gòu)模型的預(yù)測方程；對回撤通道上方區(qū)域建立黏彈塑性本構(gòu)模型的預(yù)測方程；對煤壁上方區(qū)域建立流變損傷耦合模型的預(yù)測方程；將三個區(qū)域的預(yù)測值進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化預(yù)測值。

6、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，根據(jù)歸一化處理結(jié)果設(shè)置異常判斷參數(shù)，采用加權(quán)求和計算預(yù)警指數(shù)，依據(jù)預(yù)警指數(shù)與預(yù)設(shè)等級閾值的比較結(jié)果發(fā)出預(yù)警信號，包括：設(shè)置壓力異常、應(yīng)力異常、位移異常和速度異常的判斷參數(shù)；采用加權(quán)求和法計算各測點(diǎn)的預(yù)警指數(shù)，權(quán)重系數(shù)通過試驗(yàn)標(biāo)定確定；將預(yù)警指數(shù)按照數(shù)值大小劃分為預(yù)設(shè)等級，當(dāng)預(yù)警指數(shù)超過相應(yīng)等級閾值時發(fā)出預(yù)警信號。

7、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，采用主成分分析提取各測點(diǎn)數(shù)據(jù)的主要變化特征，計算各測點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)，包括：對所述各測點(diǎn)的頂板壓力、錨桿載荷、頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)分別減去該測點(diǎn)前預(yù)設(shè)時間段的測量均值后除以標(biāo)準(zhǔn)差；對規(guī)范化后的數(shù)據(jù)構(gòu)造協(xié)方差矩陣，計算所述協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量；選取累計貢獻(xiàn)率達(dá)到預(yù)設(shè)閾值的特征向量作為主成分，將規(guī)范化后的數(shù)據(jù)投影到主成分空間得到各測點(diǎn)的主成分得分。

8、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，采用層次聚類將測點(diǎn)劃分為停采線后方、回撤通道上方和工作面煤壁上方三個區(qū)域，包括：

9、計算任意兩個測點(diǎn)之間基于壓力、錨桿載荷、頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康闹鞒煞值梅值臍W氏距離；根據(jù)所述歐氏距離構(gòu)造距離矩陣，采用最小方差進(jìn)行層次聚類；通過計算類間距離與類內(nèi)距離之比確定最優(yōu)聚類數(shù)，將測點(diǎn)劃分為預(yù)設(shè)區(qū)域。

10、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，對停采線后方區(qū)域建立蠕變本構(gòu)模型的預(yù)測方程，包括：計算停采線后方區(qū)域測點(diǎn)的頂板下沉速度和加速度；基于頂板壓力與頂?shù)装逦灰频娜渥冴P(guān)系，利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合求解瞬時彈性模量和粘性系數(shù)；引入圍巖損傷因子，建立包含塑性應(yīng)變與臨界應(yīng)變的圍巖損傷方程；構(gòu)建頂板壓力預(yù)測方程，將實(shí)測數(shù)據(jù)代入求解初始壓力。

11、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，對回撤通道上方區(qū)域建立黏彈塑性本構(gòu)模型的預(yù)測方程，包括：建立錨桿軸向應(yīng)力與位移的黏彈性關(guān)系方程，包含彈性模量和粘性系數(shù)；引入包含軟化系數(shù)和屈服應(yīng)力的塑性損傷項(xiàng)，并建立錨桿載荷預(yù)測方程，包含初始錨桿載荷；利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘擬合求解彈性模量、粘性系數(shù)、軟化系數(shù)和屈服應(yīng)力。

12、一種可以的實(shí)現(xiàn)方式中，其中，對煤壁上方區(qū)域建立流變損傷耦合模型的預(yù)測方程，包括：根據(jù)兩幫移近量建立應(yīng)力集中系數(shù)與時間的流變方程，包含彈性模量和粘性系數(shù)；引入損傷演化方程，包含損傷變量和材料參數(shù)，并建立應(yīng)力集中系數(shù)預(yù)測方程，包含初始應(yīng)力集中系數(shù)；利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合求解所有參數(shù)。

13、在如上所披露的一種基于多源數(shù)據(jù)的圍巖破壞預(yù)警方法中，本技術(shù)實(shí)施例通過對不同數(shù)據(jù)聚類區(qū)域建立各自的非線性預(yù)測模型，并引入損傷力學(xué)理論來描述圍巖的劣化過程。在停采線后方區(qū)域引入蠕變模型刻畫懸臂梁的流變特性，在回撤通道上方區(qū)域采用黏彈塑性模型描述直接頂?shù)能浕^程，在煤壁上方區(qū)域使用流變損傷耦合模型表征應(yīng)力集中區(qū)的損傷演化，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測各區(qū)域圍巖的變形趨勢。