煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验 与实证研究

冲击矿压造成煤矿巷道及开采空间的破坏,其主要原因是冲击震源产生的振动波传递并扰动处于极限应力状态的煤岩体而诱发能量的突然释放.微震监测技术通过反映煤岩体变形破裂释放的能量以及频谱特征而实现冲击矿压的监测预报,其前兆信息研究是识别冲击矿压危险程度的关键.利用TDS–6微震采集系统测试三河尖煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的微震信号,发现在循环加载的后期,冲击前兆微震信号的低频成分增加,频谱向低频段移动,振幅较低,而试样冲击破坏诱发主震信号的高频成分增多,且振幅达到最大值.现场冲击矿压监测表明,前兆微震信号频谱中低频成分增加,且振幅开始逐渐上升.当冲击矿压发生时,主震信号的振幅达到最大值,频谱相对于前兆信号而言,高频成分明显增多.由此,微震信号的频谱向低频段移动,且振幅逐渐增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息,这一结论对于利用微震监测系统监测预报冲击矿压具有一定的借鉴意义.     

矿震震动传播与响应规律

针对距离震源不同距离的采掘区域冲击地压显现响应程度不同的问题,采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压多参量过程监测系统开展了矿震发生与响应过程规律研究,并通过井下爆破激发震动试验研究了震动传播衰减规律。结果表明:(1)冲击地压多参量过程监测系统监测到矿震的单参量(煤体应力)、多参量(煤体应力、围岩位移及锚杆受力)的响应过程,实现了震动与响应信号捕捉与记录;(2)矿震单参量响应规律,响应时间短(368 ms),响应过程引起距震源75 m的煤体应力最大升高0.9 MPa,响应终值为煤体应力升高0.5 MPa,矿震的响应并非都是多参量同时响应;(3)矿震引起多参量响应规律,响应时间不同步,响应时间几百毫秒至几分钟不等,响应过程引起距震源150 m的煤体应力整体降低0.7~0.8 MPa、锚杆受力降低7~8 k N、顶煤位移增加4 mm,且捕捉到矿震发生10 h前的岩层位移信息,持续时间1000 ms,位移量最大24 mm,可作为矿震前兆信息;(4)矿井围岩介质中震动能量传播呈指数E=E0eηD关系衰减,距震源200 m范围能量衰减快;震动主频的衰减变化规律也呈指数f=f0eηD关系。距离震源200 m范围的采场、巷道对矿震响应比较显著,与矿震诱发冲击显现区域比较吻合。矿震发生至响应的传播衰减过程的定量关系研究,对进一步提高冲击地压监测预警与防治技术水平具有一定的现实意义。     

岩巷围岩介质中冲击震动波传播效应数值模拟及频谱特性分析

为了研究冲击矿压发生时岩巷围岩介质中冲击震动波传播衰减规律以及巷道围岩响应特征,以传播效应分析模型为基础,采用FLAC3D模拟软件建立数值模型,在模型内部加载冲击震源动力条件,并分别在指定位置布设冲击震动波监测点,利用Dynamic动力分析模块进行模拟运算,运用MATLAB软件对各测点采集的冲击震动波信号进行频谱特性分析,进而研究岩巷围岩介质中冲击震动波传播效应。研究结果表明:(1)冲击震动波能量沿巷道走向与震源的距离呈幂关系衰减,短距离内震动波能量衰减很快,达到一定距离后能量衰减不明显。(2)顶板监测到的冲击震动波能量最大,肩窝受到的震动影响次之,帮部和底板区位受到的震动影响相对最小。这些结论为进一步研究冲击矿压发生过程中冲击震动波传播规律以及对煤矿巷道的损伤破坏特点提供理论基础。     

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。     

深部高应力集中区域矿震活动规律研究

 研究深部矿区,特别是高应力集中区域的矿震活动规律对于冲击矿压等动力灾害“时间–空间–强度”的监测具有重要的意义。利用三河尖煤矿微震监测系统,分析研究9202高冲击危险工作面开采全过程的矿震活动规律,研究结果表明：(1) 矿震活动与区域最大垂直应力梯度具有较强的相关性。区域最大垂直应力梯度越高,矿震信号越强,频谱则明显向低频段移动。(2) 不同类型的矿震信号具有相应的波形及频谱特征。如卸压爆破信号呈现宽频谱、多峰值型的高频特征,而冲击矿压前兆信号则呈现出低频、低振幅,主震信号具有相对较高的频率和振幅。(3) 矿震强度与电磁辐射幅值以及钻屑量具有很好的对应关系,对于监测冲击危险区域具有较强的一致性。最后,提出降低区域应力集中控制矿震强度的弱化技术,并进行现场实践,取得了预期的效果。     

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.     

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明：冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面：一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230～360 m,冲击位置在工作面前方0～60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105～106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究

 以矿山现场微震数据为基础,选取矿山爆破震动信号与岩石破裂微震信号对比研究。首先,运用Matlab的小波包分析模块对微震信号进行5层多尺度分解,分别求取各节点处重构信号的小波包频带能量,对爆破震动信号与岩石破裂信号的频带能量分布特征进行研究;其次,通过建立新的频带空间,对比二者的能量分布特征。结果表明,矿山现场微震信号的频带能量分布特征为：岩体破裂信号的能量多集中于S5,0～S5,7低频频带(0～125 Hz),爆破震动信号的能量则在S5,24～S5,31频带(375～500 Hz)表现得较为集中。该分析方法为矿山识别爆破震动事件与岩石破裂事件提供了一种思路,利用二者能量分布差异大、特征对比明显的特点,通过对比新频带空间内的能量分布特征,可以实现对两类微震波形的初步辨识。     

深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征数值模拟及其灾害控制

深井上下山煤柱区巷道围岩应力高度集中,矿压显现剧烈,是煤矿动力灾害多发区。文章通过FLAC~(2D)数值模拟及微震监测等对深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征进行研究。结果表明:随着7、9煤层两侧工作面的开采,上下山巷道围岩应力、位移、塑性区分布等响应特征均不断增加,且上升趋势越明显,越易发生冲击破坏;针对不同的开采阶段及矿压显现,提出针对性的煤柱区动力灾害控制措施。研究成果为深井煤岩动力灾害防治提供借鉴和指导。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制:时滞型岩爆

根据锦屏II级水电站引水隧洞现场岩爆发生机制,提出时滞型岩爆概念,并对时滞型岩爆进行系统研究,发现:(1)时滞型岩爆一般发生在隧洞掌子面开挖应力调整扰动范围之外,是岩爆区开挖应力调整与外界扰动联合作用的结果。80%的时滞型岩爆时间上滞后该区开挖时间6～30 d,空间上在距离掌子面80 m的范围内。(2)时滞型岩爆区,一般节理、裂隙、夹层等原生结构面比较丰富,结构面类型以与洞轴线成小夹角的隐性结构面为主。(3)时滞型岩爆区开挖时,应力调整剧烈,围岩的破裂活动较频繁,微震事件时间上持续增加,空间上位置集中;视体积持续增加,有突增趋势;能量指数持续高位,有下降趋势;岩爆发生前夕,微震事件较少,存在一个明显的"平静期",且岩爆发生时视体积和能量指数变化不明显。(4)时滞型岩爆区开挖卸荷后,初期微震事件以拉伸、剪切及拉剪混合型破坏为主;接着,以沿破坏面扩展的拉伸破坏为主;随后,有一个明显的"平静期";最后岩爆发生时,以剪切破坏为主导。根据时滞型岩爆的特征、演化规律与机制,建议时滞型岩爆应采取"减少扰动,先喷,再锚,紧挂网,紧复喷"的联防策略。     

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。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

某煤矿岩巷不同爆破方式振动特性研究

通过对煤矿坚硬岩石巷道爆破振动监测,基于萨道夫斯基公式,回归得到巷道掘进爆破和深孔松动爆破振动速度衰减规律,并采用小波包变换和HHT变换对两种爆破方式的地震波能量分布特征进行了对比分析。研究结果表明:在试验煤矿深部地层中,采用浅孔和分散装药的巷道掘进爆破地震波主振频率高,主要集中在150~250 Hz;集中装药的深孔松动爆破地震波主振频率低,集中在40~80 Hz;硬岩中巷道掘进爆破振动速度衰减规律符合软岩特征,而深孔松动爆破与硬岩一致,深孔爆破试验起爆药量没有超出允许单段最大装药量;低频区爆破地震波能量少,巷道掘进爆破地震波能量主要集中在128~277 Hz,深孔松动爆破地震波能量主要集中在32~64 Hz;深孔松动爆破地震波主振频率峰值能量大,是巷道掘进爆破的320倍。     

基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析

为研究锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育及发展过程,利用构建的微震监测系统对^#3引水洞的TBM掘进过程进行全天候连续实时监测。通过获取大量微震监测数据,分别从微震事件的时空序列分布、事件活动率、微震能量、能量密度及视体积对隧洞岩爆前各参数变化特征进行分析,并从动态裂纹扩展角度揭示了岩爆孕育过程中微破裂的萌生、发展、扩展直至相互贯通的宏观破坏机制,初步探讨了微震活动演化规律与岩爆间的时空内在联系。监测与分析结果表明：多数岩爆都存在有可被微震监测定位的微破裂前兆,微震活动率、微震能量及累积视体积均有不同程度的上升趋势。部分岩爆的驱动源由本地岩爆能量与转移能量之和获得,即E_驱动=E_本地+E_转移,强岩爆可再次诱发邻近位置产生岩爆。研究结果,初步证明了利用微震监测系统对深埋隧洞岩爆进行实时监测的可行性。     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。