本发明公开了一种微震大震级事件的三指标联合预警方法，在目标区域安装微震监测系统，采集微震时间、振幅和频率，并自动计算目标区域震源微震活动的时间、频次、能量和矩震级，统计得到目标区域震源微震活动的累积贝尼奥夫(Benioff)应变、b值和H指数；绘制出累积贝尼奥夫应变、b值、H指数三个指标的时间序列图，分析累积贝尼奥夫应变、b值、H指数三项指标的变化趋势，根据三项指标的变化趋势，预测是否会出现微震大震级事件，通过对微震大震级事件进行预警来预测矿山岩体灾害事故。
1.一种微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：在目标区域安装微震监测系统；利用微震监测系统采集微震时间、振幅和频率并自动计算目标区域震源微震活动的时间、频次、能量和矩震级；
步骤二：每隔一段时间，统计设定时间窗口内目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数；
其中，CBS值表示目标区域震源微震活动的累积贝尼奥夫应变，等于设定时间窗口内贝尼奥夫应变值的和；
微震活动的b值为表征地震事件相对矩震级分布的常数；
微震活动的H指数通过对设定时间窗口内目标区域震源微震活动时间序列T(t)进行R/S分析获得；
步骤三：分析目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数的变化趋势；然后将微震活动的CBS值、b值、H指数的变化趋势按以下逻辑取值：CBS值增加记为1，其它情况记为0；b值先增后减记为1，其它情况记为0；H值大于0.5记为1，其它情况记为0，如表1所示；
最后，将CBS值、b值、H指数的变化趋势取值记为一个三位数，并根据得到的三位数进行判断，当且仅当此三位数为111时预警微震大震级事件。
2.根据权利要求1所述的微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，所述步骤二中，贝尼奥夫应变值BS由以下矩震级M的经验公式计算得到：
3.根据权利要求2所述的微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，所述步骤二中，微震活动的b值通过以下B.Gutenberg与C.F.Richter的统计关系式和最小二乘法计算：lg n(M)＝a-bM
改变地震矩震级M的值，在平面直角坐标系中获得点(M,lg n(M))，再利用最小二乘法计算得到b值；
其中，M为地震矩震级；n(M)为目标区域在设定时间窗口内发生的矩震级在区间(M±ΔM)内的地震的次数；a为常数，用于表征设定时间窗口内目标区域地震活动水平。
4.根据权利要求3所述的微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，所述步骤二中，微震活动的H指数的计算过程如下：
记录设定时间窗口内目标区域震源微震活动时间序列T(t)，计算相邻的两个震源微震活动时间间隔，得到新的时间序列ξ(t)：ξ(t)＝T(t+1)-T(t)t＝1,2,3,…,n
将序列ξ(t)按照划分为标度长度为X的Y个子序列，其中 对于第m个子序列，记ξ(t,m)为其第t个样本元素，其中t＝1,2,3,…,X，m＝1,2,3,…,Y，记 为其均值，记Rm为其极差，记Sm为其标准差；记标度长度为X的重标极差为(R/S)X；按以下公式依次计算 Rm、Sm和(R/S)X：最后根据以下公式计算标度长度为X时的H指数：
改变标度尺度X的值，在平面直角坐标系中获得点(lg X,lg(R/S)X)，使用最小二乘法计算得到最终的H指数。
5.根据权利要求1所述的微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，所述步骤三中，首先根据不同时间，统计得到的目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数；绘制CBS值、b值、H指数三个指标的时间序列图；然后根据时间序列图得到CBS值、b值、H指数三项指标的变化趋势。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，当存在历史训练样本数据时，根据不同间隔时间与设定时间窗口长度下的预警效率，采用预警效率最高的原则来确定步骤二中的间隔时间与设定时间窗口长度。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的微震大震级事件的三指标联合预警方法，其特征在于，当没有历史训练样本数据时，默认间隔时间为7天，设定时间窗口长度为1个月。
一种微震大震级事件的三指标联合预警方法
技术领域
[0001] 本发明属于微震监测预警技术领域，涉及一种微震大震级事件的多参量预警方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着我国矿山开采深度的逐年增加，矿区岩爆、矿震、垮塌等岩体灾害越来越严重，但是对其进行预警一直是一个世界性难题，许多矿山都引入了微震监测系统，其效果也差强人意。据统计，绝大多数岩体灾害事故都伴随着微震大震级事件，因此，可以通过预警微震大震级事件来对矿山岩体灾害进行预警，但是目前尚无对微震大震级事件进行预警的方法。
[0003] 因此，有必要设计一种微震大震级事件预警方法。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种微震大震级事件的三指标联合预警方法，计算简便、适用性强、准确性高。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一种微震大震级事件的三指标联合预警方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一：在目标区域安装微震监测系统；利用微震监测系统采集微震时间、振幅和频率并自动计算目标区域震源微震活动的时间、频次、能量和矩震级；
[0008] 步骤二：每隔一段时间，统计设定时间窗口内目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数(Hurst指数)；
[0009] 其中，CBS值表示目标区域震源微震活动的累积贝尼奥夫应变，等于一个时间窗口内贝尼奥夫应变值的和；大部分地震前，累积贝尼奥夫应变释放速率增加(即CBS值增大)，因此可以将累积贝尼奥夫应变作为微震大震级事件预警指标；
[0010] 微震活动的b值为表征地震事件相对矩震级分布的常数；当b值先增后减时，表示可能会有微震大震级事件发生；
[0011] 微震活动的H指数通过对设定时间窗口内目标区域震源微震活动时间序列T(t)进行R/S分析获得；
[0012] H指数是由Hurst首先提出的一种时间序列分析方法，被广泛用于分形研究，由于微震活动在许多方面表现出自相似的分形特性，大量微震事件数据分析发现大震级事件前H指数大于0.5，故将H指数应用于微震大震级事件预警；
[0013] 步骤三：分析目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数的变化趋势；然后将微震活动的CBS值、b值、H指数的变化趋势按以下逻辑取值：CBS值增加记为1，其它情况记为0；b值先增后减记为1，其它情况记为0；H值大于0.5记为1，其它情况记为0，如表1所示；
[0014] 表1微震大震级事件预警逻辑表
[0015]
[0016] 最后，将CBS值、b值、H指数的变化趋势取值记为一个三位数，并根据得到的三位数进行判断，当且仅当此三位数为111时预警微震大震级事件。
[0017] 所述步骤二中，贝尼奥夫应变值BS由以下矩震级M的经验公式计算得到：
[0018]
[0019] 累积贝尼奥夫应变(CBS值)等于一个时间窗口内贝尼奥夫应变值的和，CBS＝∑BS。
[0020] 所述步骤二中，微震活动的b值通过以下B.Gutenberg与C.F.Richter的统计关系式和最小二乘法计算：
[0021] lgn(M)＝a-bM
[0022] 其中，M为地震矩震级；n(M)为目标区域在设定时间窗口内发生的矩震级在区间(M±ΔM)内的地震的次数；a为常数，用于表征设定时间窗口内目标区域地震活动水平；
[0023] 改变地震矩震级M的值，在平面直角坐标系中获得点(M,lgn(M))，再利用最小二乘法计算得到b值。
[0024] 所述步骤二中，微震活动的H指数的计算过程如下：
[0025] 记录一组设定时间窗口内目标区域震源微震活动时间序列T(t)，计算相邻的两个震源微震活动时间间隔，得到新的时间序列ξ(t)：
[0026] ξ(t)＝T(t+1)-T(t) t＝1,2,3,…,n
[0027] 将序列ξ(t)按照划分为标度长度为X的 个子序列；对于第m个子序列，记ξ(t,m)(t＝1,2,3,…,X；m＝1,2,3,…,Y)为其第t个样本元素，记 为其均值，记Rm为其极差，记Sm为其标准差；记标度长度为X的重标极差为(R/S)X；按以下公式依次计算 Rm、Sm和(R/S)X：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] Hurst在分析极差与标准差之比(R/S)N与标度尺度N的统计规律时发现有如下关系式：
[0033] (R/S)X＝(αX)H
[0034] 其中，α为统计常数，H为Hurst指数。上式取对数得到标度长度为X时的H指数：
[0035] lg(R/S)X＝H lgX+H lgα；
[0036] 改变标度尺度X的值，在平面直角坐标系中获得点(lgX,lg(R/S)X)，使用最小二乘法计算得到最终的H指数。
[0037] 所述步骤三中，首先根据不同时间，统计得到的目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数；绘制CBS值、b值、H指数三个指标的时间序列图；然后根据时间序列图得到CBS值、b值、H指数三项指标的变化趋势。
[0038] 当存在历史训练样本数据时，根据不同间隔时间与设定时间窗口长度下的预警效率，采用预警效率最高的原则来确定步骤二中的间隔时间与设定时间窗口长度。
[0039] 当没有历史训练样本数据时，默认间隔时间为7天，设定时间窗口长度为1个月。
[0040] 有益效果：
[0041] 在目标区域安装微震监测系统，采集微震时间、振幅和频率，并自动计算目标区域震源微震活动的时间、频次、能量和矩震级，统计得到目标区域震源微震活动的累积贝尼奥夫(Beniof)应变、b值和H指数；绘制出累积贝尼奥夫应变、b值、H指数三个指标的时间序列图，分析累积贝尼奥夫应变、b值、H指数三项指标的变化趋势，根据三项指标的变化趋势，预测是否会出现微震大震级事件，通过对微震大震级事件进行预警来预测矿山岩体灾害事故。本发明计算简便、适用性强、准确性高。
附图说明
[0042] 图1为CBS值时间序列图；
[0043] 图2为b值时间序列图；
[0044] 图3为H指数时间序列图；
[0045] 图4为3指标联合分析预警图。
具体实施方式
[0046] 下面结合某矿的历史监测数据进行说明。
[0047] 步骤一：从矿山安装的微震监测系统取得的部分震源微震活动的时间、震级、频次表。
[0048] 步骤二：默认取设定时间窗口为1个月，滑移步长为7天，计算微震活动的贝尼奥夫应变，统计微震活动的累积贝尼奥夫应变是将其1个月(4个星期)内的贝尼奥夫应变相加；使用最小二乘法计算b值、H指数(表中H指数都大于0.5)，统计得到7月13日-10月11日的3指标时间序列如下表，其中在8月20日和10月8日发生大震级事件。
[0049]时间 b值 H指数 BS值 CBS值
7月13日 1.12 1.11 33 /
7月19日 0.90 0.84 105 /
7月26日 0.60 0.91 204 /
8月3日 0.72 0.76 451 793
8月9日 0.72 0.73 349 1110
8月16日 0.68 0.72 509 1513
8月23日 0.89 0.78 532 1842
8月30日 0.83 0.94 146 1537
9月6日 1.00 0.87 26 1213
9月13日 0.91 1.01 11 715
9月20日 1.06 0.65 1668 1851
9月27日 0.96 0.80 1170 2875
10月4日 0.92 0.84 118 2967
10月11日 0.81 0.75 2145 5101
[0050] 步骤三：分析微震活动的累积贝尼奥夫应变CBS值、b值、H指数三项指标的变化趋势；
[0051] 首先根据不同时间，统计得到的目标区域震源微震活动的CBS值、b值和H指数；绘制微震活动的累积贝尼奥夫应变CBS值、b值、H指数三个指标的时间序列图，如图1～3所示；
[0052] 然后根据时间序列图得到微震活动的累积贝尼奥夫应变CBS值、b值、H指数三项指标的变化趋势。
[0053] 如图所示，在7月26日至8月16日、9月13日至10月11日，都出现CBS值上升、b值先升后降、H指数大于0.5，满足预警111的模式，开启对大震级事件的预警；实际上在8月20日和10月8日(如图4箭头所示的时间点)发生大震级事件，说明本发明较好地进行了微震大震级事件预警。
