基于微震监测关键层破断诱发冲击地压的物理相似材料模拟实验研究

为研究冲击倾向性顶板破断及其能量释放规律,采用物理模拟材料模拟实验,结合微震监测仪器、压力传感器,研究实体煤和采空区下回采工作面微震事件的分布特征及其与矿压分布规律之间的关系,分析矿压对煤岩体能量积聚与释放的影响,揭示关键层破断诱冲机制。研究表明:实体煤下微震事件主要发生在工作面前方顶板岩层中,微震事件能量释放值高于采空区下;采空区下微震事件主要发生在工作面后方顶板岩层中,微震事件发生的频次高于实体煤下回采。依据相似定理推导了能量相似比公式,定义物理相似材料模型中覆岩垮落发生大事件的能量值为333.33 J,发现大事件多发生在应力增高区"倒梯形"结构附近。随着工作面距离开切巷距离的缩短,微震事件能量积聚与释放周期随之减小。关键层破断诱发冲击地压时,主关键层积聚弹性能为冲击地压显现提供能量,冲击地压显现的位置一般处在受采动影响的应力增高区。为此,提出控制源头、降低应力集中、降低应力传导效率的控制策略,工程实践效果监测表明工作面顶板得到了有效控制,保障了安全生产。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

 为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。     

基于微震监测及应力场分析的冲击地压预测方法

主要对国内外冲击地压发生情况以及对冲击地压的监测发展情况进行了总结和分析，发现随着矿山开采深度的增加，冲击地压活动越来越频繁，发生的范围也越来越广，但是目前仍没有有效的监测与分析方法能够对冲击地压的发生进行预测预报。为了能够对冲击地压发生实现预测预报，引入地球物理学方法，建立矿山微震监测分析系统。将矿山微震监测系统监测到的矿山微震活动信息，通过网络传输，实现与数值分析系统之间的数据交换：利用微震活动信息修改数值模型的单元信息；借助大规模科学计算，分析开采造成采场以及巷道围岩内部岩体的应力积累、应力阴影和应力迁移过程，进而实现对矿山冲击地压活动进行预测预报。同时，微震监测分析系统能够实现对其他岩石工程动力灾害问题进行预测预报。     

岩体循环加卸载力学特性对完整底板导水通道演化影响研究

防控底板突水危害的重点在于研究完整底板由隔水层到导水通道的演化过程。根据采矿过程中底板岩体在压–拉–压荷载下弹性刚度变化特点,以弹性模量作为损伤变量,采用双标量型D-P弹塑性损伤本构模型,由成庄矿工程地质条件为背景建立有限元模型,分析工作面推进过程中底板导水通道演化规律。得到主要结论如下:(1)采动底板中同时存在压、拉损伤破裂带,压缩、拉伸损伤分别超前、滞后煤壁产生,二者相互连通,形成斜穿工作面煤壁平面的导水通道。(2)底板破坏深度随顶板悬露面积增大而增加,并导致上一计算步煤壁处底板破裂深度二次加深。工作面煤壁位置处底板压缩损伤深度的增长速率在充填体影响下迅速减小(顶板初次垮落),并最终达到稳定(顶板周期垮落)。(3)充填体的弹性模量过低会导致破坏深度持续快速增加。在充填体作用下,底板岩体中张拉裂隙闭合,弹性刚度有所恢复,同时岩体渗透性降低。由注水试验所得监测结果与数值模拟成果基本吻合。     

顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征

 揭示顶板破断过程中的微震活动规律,采用频谱演变来评价顶板动力危害的强度,并进一步监测顶板的破断。采用SOS微震监测系统,针对坚硬以及软弱顶板破断来压的过程进行了实测,取得如下结论：(1) 顶板破断之前,低频段微震幅值逐渐增加,来压时信号的幅值达到最大值,之后产生突降。同时微震前兆信号主频与来压强度呈负相关。(2) 软弱顶板破断之前,微震信号主频开始向低频段移动,但前兆主频均大于20 Hz,来压之后主频又开始向高频段移动。(3) 坚硬顶板破断过程极其短暂,主震信号幅值较高,但主频小于5 Hz,来压前后低频微震信号的幅值较低,前兆效应不明显。利用上述规律,可以对顶板破断的过程及其强度进行有效的评价和预测。     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从岩体渗流损伤耦合方程、突水试验监测等方面总结目前岩体破坏突水模型及预测预报研究现状,认为破坏诱发渗透性演化方程和破坏引起有效应力方程的修正是建立描述破坏渗流机制的关键。通过现场实例分析及提出的数值模型的讨论,提出“采动压力和水压力扰动应力场诱发岩体破裂（微震活动性）是矿山突水前兆本质特征”这一学术思路,认为突水预测预报研究发展趋势为依托实例工程,采用渗流耦合力学理论、计算科学技术和高新微震测量技术手段,在深层次上对采动岩层破坏突水通道形成特征、突水岩层微震活动前兆信息和并行渗流耦合数值仿真结果进行综合反演,通过微震活动信息来基准标定突水模型,达到揭示岩层破断突水前兆规律及定位突水通道的目标,为建立矿山突水灾害预测预报奠定理论基础。     

巨厚坚硬岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制研究

针对巨厚坚硬岩浆岩床下浅部煤层大面积采空后深部开采冲击地压频发的实际问题,采用理论分析、数值模拟、现场实测及工程实践等方法对岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制进行研究。主要结论如下:(1)建立大面积采空区上坚硬岩浆岩顶板的三角悬臂梁理论模型,得到岩浆岩床应力及能量分布特征,推导出岩浆岩顶板破裂运动出现的判别准则,进而构建岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压的力学模型;(2)将地表开裂与井下显现情况联合分析,认为坚硬岩浆岩床在浅部采空区上的大面积悬顶以及局部强侵入带构成了静态作用,岩浆岩床破裂及"回转"运动对煤层产生的挤压构成了动态作用,其中动态作用处于主导位置;(3)基于上述研究,分析矿井深部回采工作面微震分布特征,认为岩浆岩床破裂运动能够为冲击地压发生提供动、静载荷,是诱发冲击的关键因素;并从提高巷道围岩抗震能力以及使高能微震事件远离巷道两方面,提出底板深孔爆破和加强支护等治理措施。实践表明,通过采取措施,高能微震事件对巷道的破坏程度明显减弱,保障了岩浆岩床下深部煤层的安全高效开采。     

矿井不明水体突出过程的微震辨识技术

 以采动岩体微破裂产生的弹性波为信息源,应用弹性波与岩体破裂的相关理论与技术,探索地下采空区不明水体的蓄积和成灾过程。经研究发现,在突水灾害前存在确切的弹性波波速比VP/VS低值异常、振幅比VSH/VPH高值异常、震动主频低值异常、波形变异以及隔水岩墙主破裂发生前的微震频度异常。由此提出应用地面微震遥测技术,通过在线监测和分析采动岩体破裂被动震源或增设爆破主动震源所携带的信息,预测矿井不明水体突出灾害的技术思路,达到空间上控制全矿井范围的宏观监测、时间上在线连续监测和远离危险源的安全监测之目的。     

非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探

即使是非坚硬顶板条件，当开采强度加大时，也将发生冲击地压灾害。针对厚及特厚煤层综采放顶煤、大采高综采等高强度开采条件，立足于由顶板岩层-煤层-底板岩层所组成的力学系统，通过数值模拟研究，研究采动应力场的时空演化过程对采掘空间受力、变形及破坏的影响及远场应力与近场应力的相互影响及诱发冲击地压的条件，弄清煤岩层垮断、采动应力场的时空演化规律，揭示非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压及瓦斯灾害的机制。     

组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

在采掘工作面及巷道中,顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统,当这个系统受到采动的影响时,就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放,形成冲击矿压灾害。因此,研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现,随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前,声电信号的强度达到极值,冲击破坏之后,信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。     

近距离跨采对巷道围岩稳定性影响分析

针对近距离跨采时，工作面与底板岩巷的不同空间位置关系，采用数值力学分析，详细地分析了工作面开采引起的围岩应力演化过程及特点、近距离跨采引起底板岩巷围岩位移的特点以及巷道位置对其围岩稳定性的影响。研究结果表明，煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反映。近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯决定于煤柱侧支承压力的作用。留设保护煤柱时，底板岩巷应位于集中应力区的外侧或跨采时工作面应推过足够距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下方。最后通过实例给予了分析。     

基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究

 冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性,最大应力为38 MPa,为控制岩爆的发生及制定高应力区采矿的战略,2005年矿山引进南非ISS国际公司的微震监测系统,实现对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。简单介绍冬瓜山矿微震监测系统的布置;基于一段时间内监测到的有效事件,对井下首采区地震事件的时间与空间分布进行研究;利用可视化工具JDI对事件的相对集中区域进行圈定,并与井下生产活动相结合,分析原因;还提出对井下工程岩体危险识别的手段,并用实际发生的事件验证;综合研究成果,制定以微震监测技术为基础的高应力区采动分析的工作程序,为目前矿山的安全生产提供依据。     

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面（解放层）的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论：（1）工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;（2）C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为：在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。     

基于LSTM多变种模型的岩爆微震参数预测研究

岩爆是深地工程和深部资源开采中必须要解决的核心问题之一。基于改进的LSTM神经网络,提出了用于时间序列预测的LSTM微震多参数预测模型,包括单变量时序预测模型和多元平行序列预测模型。并以峨汉高速大峡谷隧道微震监测数据对模型进行验证,同时与多项式回归方法结果进行对比分析。结果表明:单变量预测模型中堆叠式LSTM(S-LSTM)的预测精度最高;多变量预测模型中卷积LSTM(CNN-LSTM)对累积视体积和能量指数具有最好的预测效果,且余下几种LSTM模型仍可准确实现各参数演化趋势的预测,其精度均优于多项式回归分析方法。研究可为正确识别岩爆当前活动及未来状态的危险性提供理论支撑,为及时掌握岩爆未来活动状态提供重要依据。     

Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping Ⅱ project

Monitoring and prediction of rockburst remain to be worldwide challenges in geotechnical engineering.In hydropower,transportation and other engineering fields in China,more deep,long and large tunnels have been under construction in recent years and underground caverns are more evidently featured by ＂long,large,deep and in group＂,which bring in many problems associated with rock mechanics problems at great depth,especially rockburst.Rockbursts lead to damages to not only underground structures and equipments but also personnel safety.It has been a major technical bottleneck in future deep underground engineering in China.In this paper,compared with earthquake prediction,the feasibility in principle of monitoring and prediction of rockbursts is discussed,considering the source zones,development cycle and scale.The authors think the feasibility of rockburst prediction can be understood in three aspects：（1） the heterogeneity of rock is the main reason for the existence of rockburst precursors;（2） deformation localization is the intrinsic cause of rockburst;and（3） the interaction between target rock mass and its surrounding rock mass is the external cause of rockburst.As an engineering practice,the application of microseismic monitoring techniques during tunnel construction of Jinping II Hydropower Station was reported.It is found that precursory microcracking exists prior to most rockbursts,which could be captured by the microseismic monitoring system.The stress concentration is evident near structural discontinuities（such as faults or joints）,which shall be the focus of rockburst monitoring.It is concluded that,by integrating the microseismic monitoring and the rock failure process simulation,the feasibility of rockburst prediction is expected to be enhanced.     

煤矿开采冲击地压启动理论

 依据微震监测结果,通过总结分析,指出冲击地压发生过程经历3个阶段,将冲击地压重新分为集中静载荷型和集中动载荷型,建立2种类型的工程结构模型,分析各自冲击启动的能量判据,引进“不确定性系统分析法”,提出统一的煤矿开采冲击地压启动理论。结果表明,采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因;可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区;应用冲击启动理论能够揭示2类典型冲击案例冲击过程,并将冲击地压的时间序列与空间序列对应起来,为冲击地压监测与防治提供指导。     

A review of mining-induced seismicity in China

Active seismicity and rockbursting have been an emerging problem in Chinese mines. The distribution and characteristics of mining-induced seismicity in China, and its monitoring, mitigation, and research, are reviewed in this paper. Mining at depth and the activity of current tectonic stress field are the two major factors leading to rockburst hazards. Three critical depths, i.e., critical initiation depth, roof upper-bound depth, and floor lower-bound depth, have been identified based on hypocenter data of seismic events in coalmines. A strong correlation between rockbursts and gas outbursts in coalmines has also been established, and it is recommended to use this correlation for rockburst and gas outburst hazard assessment and warning interchangeably. We find that the key problems of rockburst hazard mitigation in China are the lack of mine seismicity-monitoring networks in most mines, and the need for improvement of the accuracy of the monitoring systems for mines that have been equipped with such systems. Because the demand for minerals resources is extremely high and the mining activities are progressing deeper and deeper, an increasing trend of mining-induced seismicity hazards in China may be anticipated for the near future. Mining-induced seismicities are hazards, but at the same time they have been found useful for studying geophysical problems in deep ground, particularly in the field of earthquake prediction. With the enforcement of relevant laws for the mining industry and the continuous effort to study rockburst problems using rock mechanics and geophysics principles and methods, it is believed that new approaches for rockburst hazard control and mitigation can be developed.