突出危险煤层微震区域动态监测技术

为弥补煤与瓦斯突出区域预测方法抽检、定点式指标存在的弊端,实现煤层突出危险性的区域连续监测,提出了突出危险煤层微震区域动态监测新方法,研究了微震监测技术实现区域监测的理论基础,建立了相应指标评价体系,并在突出矿井进行了应用试验。结果表明:利用微震频次指标、能量指标监测煤层采掘扰动、地质异常具有良好效果,利用震动波CT探测得出的区域应力场分布特征与理论分布相一致。这验证了微震监测技术实现突出危险煤层区域监测的可行性,为煤与瓦斯突出区域监测方法研究提供了新思路,可突破传统区域预测手段在时、空维度上的局限性,实现突出危险煤层区域动态、连续监测。     

煤与瓦斯复合体受载变形破坏特征及微震-电荷感应规律

针对冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害预测手段欠缺、前兆信息监测方法不完善这一工程现状,利用自主研发的高频微震全波形实时监测系统和电荷感应监测系统开展了煤与瓦斯复合体受载变形破坏试验,分析了不同瓦斯压力下煤与瓦斯复合体变形破坏特征及微震信号和电荷感应信号显现规律的关系,以及瓦斯压力对3者的影响。结果表明:煤与瓦斯复合体变形破坏可分为3个阶段,即弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段,随着瓦斯压力的增大,煤与瓦斯复合体的抗压强度、弹性模量和软化模量减小,冲击倾向性降低,弹性和屈服强化阶段持续时间缩短;煤与瓦斯复合体变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生,且两种信号的峰值振幅均出现在煤与瓦斯复合体的破坏阶段;随着瓦斯压力的增大,微震信号和电荷感应信号数量增加且越来越分散,振幅增大,峰值振幅对应的应力降速率增大,同时,微震信号峰值振幅所在波形的起始振幅增大,峰值振幅前移,且越来越接近起始振幅。煤与瓦斯复合体中瓦斯压力越大,越容易发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害,通过微震信号和电荷感应信号的监测能够在一定程度上判断复合体所处的变形破坏阶段,结合瓦斯压力大小可预判复合动力灾害的类型和危险性。     

煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索

针对我国煤与瓦斯突出频发、突出事故呈现新特征、突出预测方法和指标体系有待完善等现实问题,为了更好地指导突出预测与防治工作,以煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理为指导,基于突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境这一基本认识,提出了煤与瓦斯突出危险"层层递进-精准辨识"的理论方法,具体包括3个层次:采用物探和钻探相结合的手段,超前探测采掘工作面周围存在的异常地质结构;采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法,动态分析采掘扰动条件下采掘工作面前方煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征;采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方法,进一步验证超前探测和实时监测的辨识结果。探索性工程试验表明:"超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小"相结合的突出危险辨识技术能够综合反映采掘工作面周围地质结构、煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征,促进了突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变。通过进一步发展物探和钻探相结合的精细探测技术,引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型,开发以"超前探测异常地质结构,实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征,随钻测定各种特征参数和预测指标"为核心的综合预警系统,实现突出灾害多元信息综合监测与智能预警,更好地服务于煤与瓦斯突出防治工作。     

陈四楼煤矿煤与瓦斯突出原因及防治措施研究

针对陈四楼煤矿煤与瓦斯突出问题,综合运用瓦斯地质学和构造物理学等相关理论和方法,通过现场调研和数值模拟,从地质因素和工程因素2个方面对"4·10"煤与瓦斯突出原因进行了探讨。研究表明:压扭性雁列式断层引起剪应力集中,造成岩桥区结构性变形,破坏煤体结构,促使瓦斯富集,提供了突出所需的弹性内能和瓦斯膨胀能,是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素;采动应力造成断层活化诱导了煤与瓦斯突出的发生。在此基础上提出了加强断层预测、建立煤与瓦斯突出预警体系和强化瓦斯抽采等瓦斯综合防治措施。     

我国煤与瓦斯突出预测指标及技术研究现状浅析

为推进我国煤与瓦斯突出预测预警技术发展,对预测指标和预警方法的研究现状进行了分析。在预测指标方面,目前我国采用较多的是煤的破坏类型、瓦斯放散指数Δp、煤体坚固性系数f、瓦斯压力p、钻屑综合指标、钻孔瓦斯涌出初速度q、R值等静态指标;近年来,电磁辐射、声发射、微震监测等可被连续检测的动态预测指标均得到了较好应用,采用的综合指标瓦斯膨胀能也有较高的可靠性。在预测预警方法方面,灰色理论和神经网络等理论和方法在煤与瓦斯突出的预测预警中取得了一定的成果。分析发现,目前的预测指标与方法都存在一定的缺陷,而物理模拟试验和室内试验相结合的研究方法必然是以后的发展趋势。     

采动影响下突出煤层地质异常区域的微震特征规律研究

煤与瓦斯突出灾害是当前威胁矿井安全生产最为严重的动力灾害之一,断层等地质异常区域极易诱发该类事故的发生。通过分析采动影响下突出煤层的断层活化力学机制,以贵州某突出矿井掘进巷道为例,利用高精度微震监测系统对掘进过程中的微震时空分布与演化规律进行了研究,分析并获得了采动范围内地质异常区域的微震响应规律。结果表明,工作面掘进期间微震事件群普遍分布于巷道周围,最远可达前方112.8 m、后方91.0 m;采动引起断层上下盘错动导致岩体内部能量的释放,是断层活化型微震活动的主要原因。通过对采动过程中影响范围内断层的实时监测发现,在与断层区域相距15 m时,该区域微震事件增加,初期以大能量震动信号为主;随着与断层距离的缩小(5m),微震事件数逐步增加到峰值,并主要聚集于断裂面周围;随着断层形成新的稳定结构,微震活动减弱并逐渐恢复平稳,这时微震事件逐渐减少直至平静。由此可以看出,采动影响下的地质异常区域存在明显的微震响应特征,这为深入分析断层控制型瓦斯突出事故发生机理,实现煤与瓦斯突出的准确预警提供了一种新的思路。     

微震响应煤与瓦斯突出模拟试验

利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统,研制密封效果好、流变性能强的突出口材料及其制作工艺,模拟垂直和水平应力综合作用下自动触发煤与瓦斯突出的试验过程,利用高灵敏性的微震监测系统全程响应煤与瓦斯突出4个阶段,监测不同阶段突出腔体内的瓦斯压力,素描出突出孔洞大小和形状。微震响应信号分析频率0~2 000 Hz,优选小波基函数,确定小波包最大分解层数,采用小波包分解分析模拟突出孕育、激发、发生和残余4个阶段微震信号时频特征;孕育阶段为高频信号,激发阶段信号频带范围逐渐加宽直至出现低频信号,突出阶段全频带响应,残余阶段信号由相对较低频带逐渐向高频过渡。研究成果为微震预警煤与瓦斯突出提供基础试验依据。     

不同厚度软分层煤与瓦斯突出的微震前兆分布特征

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法,利用RFPA2D-GasFlow数值模拟系统,对含不同厚度软分层煤层发生煤与瓦斯突出的微震前兆特征进行了分析。研究结果表明:随着软分层厚度的增加,微震前兆在时间上的分布表现越来越模糊,平静期增长,煤与瓦斯突出规模变大;而微震前兆在空间上的分布越来越集中,其与煤与瓦斯突出发生的初始位置有较好的一致性。研究结果对微震监测技术在煤与瓦斯突出监测中的应用有一定的参考价值。     

李村矿煤与瓦斯突出预警准则研究及应用

为了实现对采掘工作面进入突出危险区的监测和预警,以"十二五"国家科技支撑计划项目为支撑,进行了煤与瓦斯突出预警技术和预警准则建设的研究,着重探讨了李村矿日常预测以及瓦斯涌出方面预警指标的选择和临界值的确定,并在李村矿瓦斯灾害较为严重的掘进工作面得到应用。应用结果表明:预警平台可以根据相应的预警指标在工作面接近突出危险区域以及瓦斯涌出异常进行监测和预警,并且预警结果得到了验证,可以有效提高前方煤与瓦斯突出危险信息的监测,减少煤与瓦斯突出事故的发生。     

九里山矿瓦斯地质规律研讨

根据焦作矿区九里山矿井的实际情况,在收集大量瓦斯地质资料的基础上,经过统计和分析,深入探讨了矿井瓦斯涌出量与瓦斯含量之间的关联特征;分析了矿井煤与瓦斯突出特征;找出了突出主控因素,即断层影响和煤厚变化;根据煤与瓦斯突出前的瓦斯涌出规律,提出把"N"形波作为煤与瓦斯突出自动监测的理想临界值。     

基于模式识别的煤与瓦斯突出危险性概率预测

 通过统计分析,以活动构造、最大主应力、瓦斯压力和瓦斯含量等主要因素作为煤与瓦斯突出的主要判据,建立突出预测模式识别的准则与模型,用模式识别的方法实现了煤层突出危险性的分单元概率预测,进而划分出突出危险区、威胁区和安全区。克服了单一指标预测结果的不确定性,同时实现了多指标定量化的预测,提高了预测效果的可靠性。谢一矿实例验证表明了预测结果的可靠性。     

煤与瓦斯突出强度预测的研究

根据关于突出机理的"球壳失稳"理论提出了预测煤层突出强度的指标,通过多次突出模拟试验,用多元回归方法建立了预测突出强度的线性函数,实验证明:煤样的初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度可以准确地预测煤层的突出强度。     

浅析突出煤层掘进工作面过断层

介绍了潘一矿井突出煤层掘进工作面做好已知断层的预测预报以及对未知断层的防范工作,分析了利用前探孔、瓦斯抽放孔、三维地震等煤矿工程技术提高断层构造预测预报的准确性,为确保安全施工提供技术保证。     

平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用

煤与瓦斯突出、冲击地压等矿井动力灾害严重威胁着我国深部矿井安全高效生产,当前总体缺乏准确的预测理论与方法。为了提高平顶山矿区深部开采阶段动力灾害发生的预防与治理水平,在分析矿区自然地质动力条件的前提下,以平顶山东部矿区为研究目标,基于最大主应力、应力梯度等因素对矿区动力灾害发生的潜在危险进行了预测分区,发现地形曲率对平顶山东部矿区的煤与瓦斯突出概率产生较大影响。平顶山东部矿区的正曲率半径范围内煤与瓦斯突出比率占总突出次数的80. 21%。同时,基于煤与瓦斯突出系统的能量特征,确定了平顶山东部矿区煤与瓦斯突出的临界能量为106J。在前期利用地质动力区划方法划分Ⅰ～Ⅴ级活动构造的研究基础上,进一步考虑开采活动作用的影响,明确目标煤层、目标采区动力灾害发生的模式,进行动力灾害二级预测。对八矿、十矿和十二矿规划区域划分Ⅵ级和Ⅴ级断裂构造,确定该区域断裂构造的分布特征和相互作用关系,建立相应的空间信息分析系统,分析活动构造的活动规律,发现平顶山东部矿区的煤体瓦斯主要受控于褶曲构造、断裂构造和构造之间的复合、联合、组合等地质构造。煤与瓦斯突出事故发生在地质构造带的次数占总次数的69. 6%。同时,确定了平顶山东部矿区的区域断裂构造的分布方式,Ⅵ级和Ⅴ级活动断裂区煤与瓦斯突出的局部分布特征。     

瓦斯压力在线监测预警机制应用研究

为了能准确、有效、及时的预测预报井下煤矿瓦斯突出,根据高瓦斯煤层应力场与瓦斯场具有典型的耦合效应,且瓦斯压力场与地应力场的关系主要表现在瓦斯压力的变化上这一原理,并在平煤股份十矿己15-16煤层和己17煤层安装一套煤矿瓦斯突出灾害实时监测预警系统,利用该系统中的煤层瓦斯压力实时监测功能实时在线监测揭煤区域煤层瓦斯压力变化情况,结果表明：煤层瓦斯压力变化随着瓦斯抽放时间而降低,而随着瓦斯解吸量的增加升高;监控到的瓦斯突出煤层瓦斯压力的变化符合正常规律,开发的煤矿瓦斯突出灾害监测预警系统能够连续监测煤层瓦斯压力及其变化动态,为煤矿瓦斯突出灾害监测预警提供了技术基础和有效手段。     

煤与瓦斯突出预测动静态指标的灰色优选

为了确定工作面突出预测敏感指标,通过研究演马庄矿与谢一矿掘进工作面电磁辐射特征,将电磁辐射预测指标(电磁辐射强度E)与常规突出预测指标R值指标及钻屑指标Δh2、K1、S等进行对比,利用灰色系统理论进行指标优选,比较各指标灰色关联度大小,结果表明,电磁辐射预测指标的综合关联度大于常规指标,预测无突出危险准确率为100%,可以作为工作面突出预测指标。     

工作面煤与瓦斯突出电磁辐射的神经网络预测方法研究

以自适应神经网络的基本原理为基础，系统研究了煤与瓦斯突出电磁辐射自适应神经网络预测的原理，将电磁辐射自适应神经网络模型应用于煤与瓦斯突出危险性预测，实现了煤与瓦斯突出危险性的电磁辐射动态趋势预测．应用结果表明，煤与瓦斯突出电磁辐射神经网络预测法具有预测方法简单、准确性高等特点，可应用于工作面煤与瓦斯突出危险性的预测．     

灰关联方法在石门揭煤突出预测指标优选中的应用

石门揭煤突出预测指标主要有两种：综合指标D,K和初始释放瓦斯膨胀能指标.为了比较两种指标的优越性,通过现场钻取煤样,在试验室对其进行测定,并利用灰关联分析方法进行指标优选.分析结果表明：初始释放瓦斯膨胀能反映煤与瓦斯突出危险性的准确程度要高于综合指标D和K值.因此,预测马家沟矿突出的最好指标是初始释放瓦斯膨胀能.