煤岩灾变破坏过程的声震前兆识别与综合预警模型研究

针对冲击矿压的有效监测预警难题,利用实验室声发射和采场微震监测手段,开展了煤岩灾变破坏过程的声震前兆识别研究,提出了一种基于微震前兆指标体系的冲击矿压综合预警模型。以陕西彬长胡家河煤矿为例,首先通过现场取样开展了煤样单轴加载的声发射试验,识别选取了b值、缺震、A(b)值、断层总面积、活动度S和等效能级参数6个煤岩灾变破坏的前兆敏感指标;其次,结合401102工作面的历史冲击案例及其全过程的微震监测数据,采用统计学方法进行标准化计算确定各指标异常系数,并以此作为模型输入,发展了以混淆矩阵与高斯隶属判别函数联合的模糊综合评判模型作为智能融合运算的分级预警模型,实现了以客观数据驱动为主的指标权重自适应智能调整,以及以无、弱、中、强4个危险等级标识的概率及综合智能预警模式;最后,根据接续402103工作面回采过程中的两次冲击实例验证了综合预警模型的有效性,为现场冲击矿压的有效综合预警提供了一种思路和方法。     

煤冲击破坏过程规律及同源声电响应特征

针对冲击地压监测预警问题,开展不同速率的煤样单轴加载实验和单轴加卸载实验,同步采集了全波形声电数据和煤破坏过程图像,结合频谱分析、相关性分析、声波波速层析成像分析、能量分析等,研究煤破裂过程的同源声电响应特征及煤冲击破坏的时序演变规律和空间孕育特征。结果表明:声发射和电磁辐射都与应力降有明显的正相关性,两者的时序分布具有同步性,两者的频谱分布具有一致性且主要集中在低频段,表明声电信号是煤破裂产生的同源异象现象;煤的冲击破坏过程包含多个子冲击阶段,各子冲击阶段与载荷降有明显的正相关性,在冲击破坏孕育阶段,煤样内裂纹、应力、能量、声发射等的分布具有对应关系,冲击破坏容易发生在临近自由面的破裂密集且应力集中高的区域。研究成果可为冲击地压监测预警研究提供依据。     

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。     

岩土介质中冲击震动波传播规律的微震试验研究

冲击矿压（岩爆）造成矿山巷道及开采空间的破坏,主要原因也是由于冲击震源产生的震动波传播扰动而引起的.采用TDS-6微震信号数据采集试验系统,通过地面不同场地介质进行的微震试验,得到沿传播距离各个拾震器位置的能量变化曲线,并对比分析不同场地介质中冲击震动波传播能量衰减指数的差异.试验结果表明,岩土介质中冲击震动能量沿传播距离呈乘幂关系衰减.能量衰减指数（ 在完整坚硬致密介质中很小,而在松散软弱孔隙介质中明显增大,而且能量初始衰减很快,到一定距离后则变得非常微弱.这些结论为进一步研究巷道围岩冲击震动破坏机制、巷道围岩防冲抗震的强弱强结构控制原理等奠定理论基础.     

基于能量机理的卸压爆破效果电磁辐射检验法

冲击矿压是一个具有复杂结构和行为特征的开放系统和能量耗散系统,促使这个系统演化的动力是该系统内部和外界环境中的能量流和信息流。根据突变理论,只要煤体中能量的积聚与耗散维持一个动态平衡,则其储存能将始终维持在某一正常水平,煤体中能量积聚与耗散的载体——微缺陷(裂纹、孔洞等)就不会失稳断裂而形成冲击。卸压爆破作为一种有效释放弹性能、降低冲击危险的措施,其效果可以通过电磁辐射来检验。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

采动诱发断层活化的微震活动规律研究

研究了采动诱发断层活化过程,提出了断层活化过程的4个阶段;结合现场微震监测,分析了微震平面分布、能量与频次随工作面推进度的变化规律以及断层区域微震信号波形特征。研究结果表明:断层活化过程释放能量较大,围岩弹性粘滑振荡过程是能量释放的最主要阶段,围岩塑性粘滑失效过程中产生震动的频次低、能量小,为弹性能积累阶段,微震信号呈持续时间长、频率低、振幅小、衰减慢的波形特征。研究成果为受断层影响的矿井评价断层危险性与预测断层活化导致的冲击矿压提供依据,具有一定的理论意义与实用价值。     

基于分区监测的矿震时空强演化规律分析

为了快速准确地反映煤矿井下各采掘区域的矿震时空强演化特征,以便及时预测冲击矿压危险性并采取解危措施及指导实际生产,在考虑冲击震动破坏最大动力响应范围的前提下,根据矿震与采掘活动的对应关系,给出了矿震监测分区原则,提出了基于坐标旋转的矿震分区监测方法,采用编程工具Delphi直接调用数据库,实现了矿震数据在不同时间段、不同空间区域及不同能量级别上的快速查询筛选,并对筛选数据进行分析得出规律。以华亭煤矿250103工作面回采期间监测到的矿震数据为研究对象,利用矿震分区监测方法进行分析,结果表明:矿震分区监测方法能快速准确地反映煤矿井下各采掘区域的矿震时空强演化特征,达到预测预报和指导实际生产的目的。     

煤层冲击倾向性试验数据分析系统的编制与应用

煤岩冲击倾向性是煤岩的固有属性,是决定其产生冲击破坏的能力和发生冲击矿压的必要条件。以WindowsXP为开发平台,以VB6.0,Microsoft Excel 2007为开发工具,利用OLE/COM技术实现对Excel的交互,编制出煤层冲击倾向性试验数据分析系统。该系统可以快速准确地分析处理煤层冲击倾向性试验数据,从而缩短煤层冲击倾向性的鉴定周期,另外生成的图表直接保存在Excel原始数据表中,以便用户根据自己的需要进行修改。该系统可以减轻用户的工作量和工作强度,提高工作效率,具有比较大的应用价值。     

坚硬顶板岩层破断诱发微震的功率谱特征

利用Matlab信号分析软件,采用具有统计特性的功率谱估计方法,对大同忻州窑煤矿8929工作面顶板破断过程的微震信号进行处理和分析,结果表明:坚硬顶板破断前功率谱值降低,破断时功率谱值达到最大值,破断之后,信号主频向高频段移动,功率谱值降低;并非所有的确定出震源位置的台站,其监测到的微震数据都能准确地描述出顶板破断前后的功率谱特征,应选取顶板破断时功率谱值最大且离震源最近的台站作为顶板破断分析的主要台站。利用上述规律,可以对坚硬顶板破断的过程进行有效的评价和预测。