煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究

为提高电磁辐射预测煤岩体动力灾害的准确性,采用室内试验和分形理论相结合的方法研究单轴压缩煤体产生的电磁辐射分形特征.研究结果表明:煤岩体受载过程中产生的电磁辐射脉冲数在时间上具有明显的分形特征,分形维数与煤样的冲击能指数成正幂指数关系;当受载煤岩体处于压密阶段时电磁辐射分形维数较小;处于弹性阶段时,电磁辐射分形维数有一个较小增长,并保持在一个稳定的水平;当受载煤岩体处于塑性阶段时,电磁辐射分形维数大幅度提高;临近主破裂时电磁辐射逐渐降低;主破裂时电磁辐射分形维数降低到最低水平;残余变形阶段,电磁辐射分形维数先增长后减少,总趋势减少.利用上述研究成果,成功地对7249工作面的冲击地压进行准确的预测预报.实践表明,计算脉冲数分形维数的电磁辐射法能够预测煤岩动力失稳现象.     

荒沟抽水蓄能电站地下厂房开挖过程微震及电磁辐射活动特征研究

为了研究黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房在深层开挖过程中诱发岩爆的前兆特征,综合采用微震与电磁辐射法对围岩微破裂进行了识别。通过分析监测范围内微震及电磁辐射活动的时空分布规律、诱发微破裂的前兆信息及监测结果的相关性,结果表明:(1)微震事件在空间上具有分区丛聚特征,个别聚集部位与早期岩爆位置高度吻合;不同时段内微震事件频次与外界施工扰动强度呈正相关;能量指数迅速下降及累积视体积大幅度增加,预示岩爆或大型围岩破裂事件的发生。(2)在地下厂房断层裂隙带内,电磁辐射强度的突变预示着岩爆或大型围岩破裂事件即将发生,电磁辐射脉冲数的峰值分布与局部应力场调整方向一致,且调整时间约为8 d。(3)两种监测方法分别揭示的围岩破裂空间分布基本一致,电磁辐射法所预示的前兆时间略早,而且监测结果反映的震源区局部应力场调整趋势相关性良好,即脉冲数峰值分布与震源区视应力迁移完全一致。工程实践证明,应用联合监测方法能有效识别地下工程围岩破裂等前兆信息,监测结果为深入开展岩爆监测预警提供了基础,对工程安全施工具有重要意义。     

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术中力电耦合方法的研究及应用

对煤岩动力灾害电磁辐射预测技术的研究现状和发展趋势进行了论述与分析,基于煤岩变形破裂电磁辐射信号与受载时应力变化之间的关系,从FLAC应力场数值模拟与电磁辐射传播的角度对煤岩变形破裂电磁辐射力电耦合研究方法进行了研究。研究结果表明:基于FLAC模拟的力电耦合方法能合理地确定应力集中区域以及正确模拟电磁辐射在煤岩层内的分布规律,该方法为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报煤岩灾害动力现象提供可靠的理论基础,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论以及促进相关学科的发展具有理论和现实意义。最后还对未来煤岩动力灾害电磁辐射预测技术研究的发展前景进行展望。     

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射与应力耦合规律的研究

利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律。在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上，研究了受载煤岩变形破裂的三维力．电耦合本构关系，从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系，认为它们之间的关系可以用多项式来表征。煤岩变形破裂过程中的力-电耦合计算结果表明：EME先是逐渐增加，达到一个峰值后快速降低，这与实验测定结果的趋势是一致的：加载速度越大，EME信号也越强：随着煤岩样品强度的增加，EME也是逐渐增大的，其中强度最高的砂岩产生的EME强度也最大，以下依次是泥岩、硬煤和中硬煤。这些都说明采用的模型和计算方法是合理的，可以有效地模拟煤岩单轴压缩过程电磁辐射信号的变化规律。     

基于FLAC3D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。     

基于微震能量演化的大岗山右岸边坡抗剪洞加固效果研究

微震监测技术在岩体工程监测中获得了广泛的应用,但如何依据微震监测数据来评价岩体工程的稳定性,至今还存在很多问题。以大岗山右岸边坡工程为研究背景,基于定量微震学原理,采用微震能量密度来综合反映岩体微破裂分布特征,并在理论上推导微震能量–频度关系,提出以b_ε值来表征岩体微破裂变形程度,进一步研究了该边坡抗剪洞加固前后边坡岩体微震能量转移特征、震源机制、变形特性及其稳定性演化规律。研究结果表明,微震能量密度可以帮助识别边坡潜在危险区域,能量–频度关系中的b_ε值的变化揭示了边坡微破裂与变形的演化过程;抗剪洞加固后边坡微震事件活动率和能量密度均明显降低,边坡受力性能明显改善;边坡开挖期间抗剪洞加固区岩体微震的b_ε值小幅降低,并在抗剪洞加固后有所增加,表明抗剪洞抑制了岩体微破裂及变形,提高了边坡稳定性。通过对比工程现场变形监测结果,验证了方法的可靠性。提出的微震能量密度及能量–频度关系相结合的评价方法,丰富了工程岩体稳定性微震分析方法,可为类似岩质边坡加固措施的选择及稳定性分析提供参考。     

煤岩巷道掘进过程电磁辐射的时空分布规律研究

 首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行数值模拟;然后在煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合方程的基础上,研究巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号的时空分布规律。研究结果表明：模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际测定围岩应力的显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩在开挖过程中受采动影响时内部应力场的变化规律;电磁辐射(EME)信号强度在巷道监测空间的变化规律是：沿巷道高度方向为顶底板处小于中部,在水平方向的分布则是左、右端均小于中间;EME信号的时变规律则是,随着时间的增加,EME信号在同一监测点的变化先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律。现场实际测定结果亦表明,钻孔内不同深度所测定电磁辐射强度的规律变化基本上与模拟结果相同,从而说明用力电耦合方法来研究煤岩变形破裂电磁辐射的时空分布规律是可行的,可以有效地指导实践。     

基于微震与电磁辐射联合监测的多元岩爆预警方法研究

黑龙江某抽水蓄能电站在施工初期的岩爆现象显著,随着地下厂房的深层开挖亟需开展诱发岩爆的监测预警研究。首次采用微震和电磁辐射联合监测方法对水电站地下洞室诱发岩爆的前兆信息进行了识别和特征分析,提出基于微震累计能量、视应力变化梯度、累计视体积率、电磁辐射强度变化率和脉冲数变化率5个量化预警指标的多元预警方法,并在地下厂房潜在岩爆的重点区域进行了应用。研究结果表明:在岩爆诱发期,微震累计能量呈增加趋势,同时呈现视应力减小及累计视体积骤增等特征;电磁辐射强度和脉冲数波动幅度较大,围岩破坏前兆特征显著;基于联合监测的多元预警法判定的预警时间及圈定的微破裂活动空间分布与工程实际相吻合,应用效果较好,可为类似工程岩爆监测预警提供新思路。     

岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测技术——以乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道为例

地下洞室施工期间的岩爆预测对保证施工人员安全,合理安排施工进度具有重要意义。提出一种岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法,实施过程中先通过开挖面及其附近岩体结构的观察,初步判断可不可能发生岩爆,然后对初步判断可能发生岩爆的部位采用便携式电磁辐射仪进行监测,通过电磁辐射能量及脉冲的变化进一步预测会不会发生岩爆及岩爆的强度。该方法综合考虑了岩爆发生的岩体结构条件和岩爆孕育过程中的能量转换及岩体微破裂频次,具有易于现场技术人员掌握、测试方便等优点,实践证明是地下洞室施工期间岩爆预测的可行方法。结合"中亚第一长隧"--乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道,系统介绍了岩体结构分析与电磁辐射监测相结合的岩爆预测方法中涉及的岩爆发生的岩体结构条件、电磁辐射重点监测部位及监测方法、岩爆的电磁辐射判释指标及基准值等主要内容。     

受载岩石电磁辐射特性及其应用研究

对砂岩、泥岩和混凝土在压、拉状态下的电磁辐射特性，规律进行了实验研究和分析。研究结果表明，砂岩、泥岩和混凝土在压、拉状态下能够产生电磁辐射；电磁辐射与载荷呈现正相关性，岩石电磁辐射具有记忆效应，在受载过程中最大电磁辐射强度与岩石强度间呈现正相关性，电磁辐射在测定原岩应力，测定围岩相对应力分布、评定煤岩体应力状态及其稳定性方面具有非常广泛的应用前景。