空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理，针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统，突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制，实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统，以孔径(5～20 mm)和水压(0.5～2.5 MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验，得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样黏聚力、内摩擦角等力学参数衰减，增大水压，渗流的蚀损作用变强，岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短，渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高，内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏，渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在3种状态：(1)以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态；(2)以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态；(3)以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构，峰值渗透率随水压增大呈线性增长，与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型，模型计算值与实验结果吻...     

基于Stacking集成算法的岩爆等级预测研究

岩爆是地下工程面临的一个巨大灾害，岩爆预测可以降低岩爆带来的危害。机器学习是岩爆预测方法的研究热点和发展方向，但现阶段各机器学习算法表现不同，并且相互独立工作，没有融合，不能优势互补，导致各机器学习算法的准确率、泛化性和稳定性较低。本文采用Stacking集成算法，融合现阶段使用较多的8个机器学习算法(4个集成算法和4个基本算法)，充分发挥各算法的优势，实现优势互补；为保证新特征信息具有多样性，结合各种机器学习算法的原理和岩爆样本库的特点，提出3组考虑多个岩爆预测指标的Stacking集成算法，每组算法拥有不同基模型和多个元模型，解决了传统Stacking集成算法接受特征信息受限和元模型选择困难的难题。对比分析各组Stacking集成算法与独立算法的准确率、精确率、召回率和F1值，结果表明构建的Stacking集成算法可以有效融合各机器学习算法，预测性能显著提升。在3组Stacking集成算法中，Stacking集成算法二的基模型由Random Forest Classifier,Extra Trees Classifier,Gradient Boosting Classifier和L...     

鹤岗矿区矿震发生类型、原因及诱冲机制

矿震主要发生在井下,具有突发性、连锁反应的特点,给井下安全生产带来很大危害,也对地面设施构成破坏和威胁。冲击地压是矿震的一种形式,每一次冲击地压的发生都与岩体震动有关。矿震诱发的冲击地压灾害是鹤岗矿区主要灾害之一,统计分析鹤岗矿区权属矿井发生的数十起冲击地压及伴随的矿震,可分为煤体应力型矿震、煤柱失稳型矿震、构造诱发型矿震和厚硬顶板断裂型矿震,不同类型矿震产生的原因及其诱发冲击地压机制各不相同。矿震形成的动载是冲击地压发生的重要力源,动载扰动对煤岩体的致裂、闭锁作用以及与煤岩体自身的静载共同作用诱发煤岩系统发生冲击破坏。     

矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

陷落柱对煤矿安全生产威胁极大,矿井TEM和地震勘探是2种主要的导水陷落柱探查方法,矿井TEM对富水性敏感,地震勘探空间分辨率高,为了充分利用2种方法各自优势,提出了基于矿井TEM和地震联合反演的导水陷落柱精细探测方法。首先,提出了基于镜像2D电阻率模型和全空间1D TEM正演算法的矿井拟二维(Pseudo-2D) TEM反演算法。矿井Pseudo-2D TEM反演算法既满足交叉梯度联合反演算法对2D模型的需要,又具有较快的反演计算速度。然后,通过去掉常规联合反演目标函数中的地震正演项,只在交叉梯度项中保留地震波阻抗模型参数,建立了单向交叉梯度联合反演算法。在单向交叉梯度联合反演算法中,地震波阻抗模型只对TEM反演进行约束,电阻率模型不对地震反演进行约束,地震波阻抗反演可以通过商业软件完成,TEM反演采用矿井Pseudo-2D TEM反演算法。通过对地震波阻抗模型进行双三次插值处理,实现地震波阻抗模型和电阻率模型之间的模型网格匹配。通过基于K-means算法的地震波阻抗模型聚类分割处理方法消除地震波阻抗模型中的次要结构变化,增加联合反演稳定性。最后,建立了含导水陷落柱地质-地球物理模型,采用有限差分方法分别进行了3D矿井TEM和3D地震勘探正演计算,对正演模拟数据进行了单独反演和联合反演计算。结果表明:联合反演能够同时重建理论模型的形状和电性特征,联合反演结果不仅具有较高的空间分辨率,而且能够反映陷落柱的富水性,优于单独TEM和单独地震方法反演结果。相比传统联合反演方法主要应用于大尺度目标体探测或浅地表成像,基于矿井TEM和地震的单向交叉梯度联合反演方法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。     

采动覆岩卸荷膨胀累积效应

地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。     

冲击地压应力波作用机理

针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题,分析了采场动载应力波的产生机制,研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律,从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明,采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高,应力波持续时间随着破断尺度增大而增大,说明在煤矿开采过程中,顶板或煤体强度越高、破断尺度越大,越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实,高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏,且随着轴向静载的增大,试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小,其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度的50%。当静载达到该临界点时,煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小,说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明,动载应力波作用下,采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧,且随着应力波幅值和持续时间增加,塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤岩体结构耦合作用的结果,采场煤岩体大尺度破断产生高能量动载应力波,应力波与地应力耦合作用导致采掘空间围岩发生大范围破坏,最终形成冲击地压灾害。     

典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究

针对目前对煤层支承压力的研究大多基于工作面上覆岩层结构均化处理展开,未充分考虑其内在结构影响的问题,基于岩层控制关键层理论,通过改变关键层位置、厚度等,对典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:随着关键层与煤层间距增大,工作面超前支承压力峰值逐渐减小,关键层下方软岩层超前支承压力峰值先减小后趋于稳定,关键层上方软岩层超前支承压力峰值先增大后趋于稳定,应力集中区域范围减小;随着关键层厚度增大,工作面超前支承压力峰值先增大后趋于稳定,上覆岩层超前支承压力峰值逐渐增大,应力集中区域范围增大。     

割煤截齿摩擦石英砂岩引燃(爆)煤壁短钻孔涌出瓦斯的危险性研究

本文针对夹矸(石英砂岩)煤层的综采工作面,存在割煤截齿摩擦石英砂岩引燃(爆)浅孔抽放短钻孔涌出瓦斯的风险,以试验工作面为研究背景,通过Fluent数值模拟和MATLAB数据处理分析,研究了对采煤机滚筒后方浅孔抽放钻孔口周围瓦斯引燃危险区的分布规律,并在现场释放CO2模拟了钻孔瓦斯涌出的情况,测得的CO2体积分数分布与数值模拟结果基本一致.研究结果表明:当钻孔口处于采煤机滚筒后方不同位置时,其周围瓦斯引燃(爆)危险区的形状、大小及在钻孔口的分布方位都发生变化.随着钻孔瓦斯流量的增大,瓦斯引燃(爆)危险区的形状基本相同,面积增大,竖直长度随之线性增加;但在采煤机滚筒后方1 m这个最易引起爆炸的范围内,瓦斯引燃(爆)危险区的面积并不大,最大竖直长度为196 mm,如果在竖直方向将钻孔距石英砂岩的安全距离控制在392 mm以上,可以避免浅孔抽放短钻孔涌出瓦斯被引燃(爆)的风险.     

基于关键层控制的部分充填采煤技术

建筑物(村庄)下压煤开采一直是困扰我国煤矿的重大技术难题。针对充填采煤技术面临的难点与挑战,结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发了基于关键层控制的部分充填采煤技术。研究揭示了覆岩关键层对地表沉陷控制机理;建立了基于关键层控制的地表沉陷控制模型及部分充填采煤的设计方法;研发了采空区条带(墩柱)充填、冒落区嗣后充填和覆岩隔离注浆充填等部分充填采煤技术,已在淮北、淄博、阳泉、皖北等矿区10余对矿井的40余个工作面成功应用。部分充填采煤技术充分利用了覆岩结构的自承载能力,减少了充填工作量、降低了充填成本,是高效低成本的建筑物压煤充填开采技术。