基于动静载冲击地压危险叠加的综合预警方法

冲击地压是在煤岩体内动静载叠加下超过其极限应力条件下诱发产生的,因此综合评价研究区域内动静载水平可高效评估其冲击危险程度。本文研究了矿震震动波传播过程中能量衰减特性,特别讨论了由大尺度破断引起的强矿震衰减特征,提出了以实时微震监测数据为基础的震动效应指数(SEI),用于定量评价矿震事件群对工作面附近煤岩体引起的动载扰动程度;将震动效应指数与震动波波速层析成像技术结合,基于动静载叠加原理建立了冲击危险性的综合预警方法及指标CAI。徐庄煤矿7197工作面工程应用表明:1)震动波波速层析成像结果可较准确评价由构造应力异常和工作面结构引起的静载应力集中,难以有效评估由动载引起的冲击危险性升高;2)震动效应指数描述了工作面回风巷侧和断层区域动载扰动引起冲击危险上升;3)综合预警指数CAI所反映的较高冲击危险性区域与强矿震分布及矿震活动集聚区域有较高程度吻合,验证了CAI评价指标的可靠性。论文研究可为冲击地压灾害监测预警提供依据及参考。     

矿震动载对围岩的冲击破坏效应

分析了矿震激发震动波能量的传播模式、衰减特征及动态应力降大小,并基于能量和刚度理论,分析了动静载组合作用下巷道煤体的冲击破坏机理。研究表明,矿震震动能量的传播衰减特征主要依赖于能量几何扩散、传播岩体介质的阻尼衰减,以及矿震震源的震动位移场和能量辐射特征的综合影响。矿震动载传播至采场或巷道围岩时,分别与煤岩系统的静态应力（能量）场进行能量标量和应力矢量叠加。矿震动载的能量叠加可使煤岩系统聚集的能量增加,而应力叠加使系统内煤体变形破坏做功所消耗的能量减小,从而使系统聚集和消耗的“差能”增加。系统可释放的“差能”越多,煤体失稳的可能性越大,当动静载组合作用下煤岩系统同时满足冲击矿压发生的能量和刚度条件时,煤层发生动态冲击破坏。     

坚硬顶板诱发冲击矿压机理及类型研究

为了揭示顶板型冲击矿压机理,建立围岩力学模型分析了围岩应力分布及演变规律,数值模拟了顶板矿震作用下煤壁应力与质点振动速度的变化规律,基于此分析了顶板型冲击矿压机理和类型,并对顶板型冲击矿压实例进行了分析验证。研究表明:震动波作用下煤壁水平应力滞后质点水平振动速度的变化,巷帮水平位移与水平应力突变直接相关,巷道水平应力突然增大对应于巷道水平位移的快速增加。坚硬顶板悬顶作用下,煤壁应力增高过程中,煤体与顶底板之间的摩擦力不断调整,当层间摩擦力达到极限时,将诱发层间错动型冲击矿压。坚硬顶板主控作用下,发生在工作面和巷道中的冲击矿压均可划分为层间错动型和煤壁失稳型2种类型。     

冲击危险工作面转采期间微震活动规律研究

为探究工作面转采诱发的矿震规律,以山寨煤矿1104工作面实际工程地质为研究背景,采用微震监测技术为研究手段,从矿震的能量、频次与时间的关系和矿震的时空演化两方面分析了采动诱发的矿震规律。结果表明:当工作面推进至转交区域时,日震动能量和频次波动较大,整体应力值较高,冲击危险性急剧增加。     

地垒构造区域内工作面矿震发生规律研究

为深刻揭示和总结地垒构造区矿震规律的特殊性,以东滩煤矿1305工作面为研究对象,采用力学计算、数值模拟和微震监测相结合的方法,分析地垒构造区垂直应力二次分布,微震信号反映出矿震的影响。结果表明:工作面开采距离EF93断层距离84 m和35 m时,EF93断层和EF32断层相继发生错动,容易诱发矿震;微震监测和数值模拟叠加结果显示出震源在工作面前方和采空区后方积聚,且主要集中在顶板硬岩和应力升高区,开采距离EF93断层80 m时,断层错动诱发高能矿震,验证了力学计算结果;地垒构造区开采震动能量和频次都升高,断层活化是影响震动增强的主因;地震活性系数b值与震动能量呈负相关性,大震发生之前往往经历"小震密集-平静-大震发生"的过程。     

煤层内高储能释放产生的应力波对冲击矿压的解锁机制探讨

在分析采掘空间周围煤岩体结构中冲击能量储存和释放特征的基础上,建立了煤层内震动应力波传播模型,并对采掘空间附近煤岩结构的破坏失稳进行了数值模拟研究。研究认为,深部储能体能量释放时产生的震动应力波对闭锁体结构产生破坏,使得煤层内侧向约束阻力突然下降,能量释放的通道被打开,煤层冲击危险性增大。相同动载作用下,随着动载施加位置逐渐远离巷帮,近帮煤体拉破坏程度减弱,且煤层内的侧向约束阻力降低程度越来越弱。研究结果在现场冲击矿压防治中得到了很好的应用。     

褶曲构造带附近掘进巷道矿震规律研究

通过分析胡家河矿微震监测系统,研究了褶曲构造带附近的巷道掘进过程中的矿震时空分布规律,同时详细分析了褶曲构造区域典型的强矿震的特征,进一步对矿震的活动提出控制手段。研究表明:褶曲构造区内的矿震发生机理主要以构造应力和采动影响共同作用下导致的,矿震主要分布在A4背斜轴部两侧180 m范围内;高能量的矿震在能量释放时,具有突然爆发的特点,其震动波速度会在极短的时间内由较低的平稳状态徒增至较高的状态;降低掘进速度、弱化煤岩体等可以有效控制矿震的活动。     

地垒断层型矿震监测分析

为更有效地预防矿井掘进工作面过地垒断层期间矿震事故的发生,采用微震监测系统对工作面过地垒断层时的矿震活动规律进行了重点分区监测分析.当工作面接近地垒断层时,断层发生错动,矿井矿震活动频繁.当工作面处于断层线时,矿震震动能量和震动次数急剧升高.当工作面离开断层时,震动能量和震动次数迅速降低,维持在较低水平.     

基于Matlab的矿震信号小波分析

矿井微震监测在防治冲击矿压方面已经成为一种有效的手段,它主要是通过布置在矿区范围内的矿震监测系统,记录到矿震震动波形,然后对矿震波形进行分析处理,从而确定矿震震源的位置和能量大小,以Matlab软件为平台,通过对矿震信号的小波分析,根据连续小波变换能检测到信号的突变点,从而能够确定矿震信号P波初动的时间;最后进行小波去噪,能有效地去除掉了矿震信号中的噪声信号。     

开采扰动下断层面库仑应力及诱发矿震时空演化特征

为研究煤矿开采扰动下断层面库仑应力演化特征及诱发矿震时空分布规律,基于赵楼矿1303综放工作面生产地质条件,理论分析了断层面库仑应力影响因素,采用数值模拟及岩石力学试验方法,探讨了逆断层下盘工作面向断层开采过程中,断层面不同位置库仑应力变化规律,并分析了现场矿震监测数据时间统计特征及震源空间分布规律。结果表明:开采扰动因素σx,σy,τxy(等于τyx),断层倾角θ及断层面摩擦因数μ综合决定了断层面库仑应力f,当开采扰动及断层摩擦因数确定时,取df/dθ=0可确定断层活化失稳最危险角;断层构造破坏了采动应力扰动圈的对称性及位移扰动圈的连续性;岩石力学试验及数值模拟结果均表明沿断层面岩层高位点先于低位点受到采动影响,且过断层前随断层与工作面距离减少,断层面活化失稳危险先升高后降低;工作面过断层前后,矿震日震动频次由20次/d上升至35次/d,而日震动平均能量由22 kJ下降至4 kJ,表明工作面过断层前高能量矿震较多,对围岩扰动剧烈,过断层后扰动较平缓;同时工作面过断层前后,断层面上矿震震源集中区由高层位岩层向低层位岩层转移。     

矿井工作面回采对微震活动的影响研究

为有效揭示煤矿工作面矿震、冲击地压灾害的发生规律。结合东滩煤矿微震监测的震动能量、频次特征,工作面开采速度特征以及采动应力分布特征,研究了矿井工作面的回采参数对微震分布的影响规律。结果表明,工作面回采速度增加,大能量矿震爆发的非线性特征增强,工作面开采速度大于4m/d时,工作面发生冲击地压可能性大大增加,匀慢速回采是降低大能量矿震事件爆发有效途径;大能量矿震爆发的周期特性在东滩煤矿43上13工作面表现为100m大周期内包含50m的小周期;大能量矿震爆发与工作面整体应力环境正相关,周期来压、工作面“见方”时段为大能量矿震频发时段。     

综放工作面开采过程的矿震规律研究

以某煤矿SOS微震监测系统的监测数据为基础,运用数理统计和线形拟合的方法分类统计不同开采速度下不同能量级别的矿震的次数、震动能量,研究了综放工作面开采活动和矿震活动的相关性。研究结果表明:矿山震动是矿山开采的直接产物,低能量矿震的次数、能量与开采速度呈近线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系。开采速度越快,低能量矿震的震动次数和能量越高,而且相对高的能量成分所占比例显著增加。从而提出控制开采速度可以控制低能量矿震发生次数和释放能量,慢匀速开采能有效地减少矿震发生的次数。     

基于MATLAB的矿震定位方法

在煤体中P波的传播速度较S波快,且到达时间易于识别。基于此,以P波到达时间为主要依据,采用牛顿迭代法求解矿震震源定位的非线性方程,并利用MATLAB编写独立可执行文件对其进行程序实现。应用该程序对华丰煤矿的一次矿震事件进行震源定位,其定位结果与实际数值基本吻合,较为准确的测出震源的空间位置,相互得到验证,图形输出形象直观。     

矿震动载影响下的储水结构坝体损伤破坏特征研究

煤矿地下水库是西部矿区煤炭开采水资源保护与利用的重要技术手段,而储水结构坝体稳定性是地下水库安全建设及稳定运行的核心评价指标。以西部矿区上湾煤矿22101地下水库为工程背景,采用数值模拟的方法,分析不同震源位置的矿震动载对煤矿地下水库煤柱坝体与人工坝体的影响。结果表明：煤柱坝体与T型人工坝体在受矿震动载作用后,高应力区范围显著增大、应力集中程度明显提高且走向方向的塑性区范围有所增加;与远场矿震动载作用相比,近场矿震动载的影响更加明显;处于迎波面的坝体受影响较大。在远场循环动载扰动下,仅初始扰动对T型人工坝体强度明显削弱。     

解放层下深部复杂构造区震动波CT及时序预警技术研究

针对徐庄煤矿保护层开采下复杂地质构造区8331工作面回采时存在的高应力危险,通过震动波波速CT成像技术和冲击变形能时空短临监测技术,分析了保护层开采下复杂地质构造区工作面开采的矿震活动规律,建立了震动波CT成像探测的保护层开采下复杂地质构造区工作面回采期间的冲击危险性评价技术和冲击变形能监测预警指标,并指导完成现场实践。研究表明,上方保护层的开采降低了8331工作面的应力水平,但回采至断层构造区时,矿震活动仍然频繁,动压显现强烈。震动波CT成像探测技术和冲击变形能时空短临监测技术组合使用,能对8331工作面回采期间的高应力冲击危险区域及其冲击危险程度做出实时、定量评价和体现震源的时序变化趋势,对于大能量事件和能量事件密集区的监测预警效果较好。     

震动波在煤岩介质中传播特性的模拟研究

利用FLAC3D数值模拟软件的Dynamic模块,将井下实测的一次冲击矿压信号作为震源,模拟研究了冲击震动波在不同煤岩介质中的传播特性,取得了如下主要结论：① 震动波在煤岩层中的衰减与传播距离呈乘幂关系,且垂直方向的衰减指数要大于水平方向的衰减指数。② 弱岩层结构对震动波的传播起到了很好的能量衰减作用,岩性越弱,厚度越大,震动波的衰减越显著。③ 弱岩层结构距离巷道顶板越近,对震动波的衰减效果越明显。此外,通过现场工程实践验证了震动波在弱岩层结构中传播的衰减效应。     

动载传播规律及对巷道影响的模拟研究

煤矿动载扰动易诱发巷道冲击破坏,为研究动载对煤层巷道冲击矿压的影响,运用FLAC2D中的动态模块,研究分析了不同动载强度下震动波在巷道顶板传播的速度、位移变化规律及震动波引发的巷道顶、底板和左、右帮移动速度和位移的变化规律,并对规律进行分析和解释,为预防冲击矿压提出了技术措施。研究表明:震动波在巷道顶板中传播时,随着传播距离增大,震动引起的顶板岩层质点速度和位移呈递减趋势,但在接近巷道时会有一定程度增大;传播距离相同时,动载强度越大,震动引起的顶板岩层质点速度和位移越大;动力扰动发生在巷道上方一侧,巷道顶板和靠近动力扰动一侧的巷帮比巷道底板和另一侧的巷帮更易发生冲击破坏。     

不规则孤岛工作面开采矿震活动规律研究

以徐庄煤矿7197不规则孤岛工作面为研究对象,采用数值模拟方法,系统分析了7197工作面回采期间采场应力的演化规律,并结合不同回采阶段下4次方以上能级矿震的活动规律,分析得到以下结论:工作面回采前高应力集中主要发生三角煤柱边角区域,应力集中程度约为原岩应力的2~3倍;数值模拟分析得到材料道侧煤体应力集中程度要高于溜子道,但实际受断层构造和工作面孤岛结构的影响,溜子道的冲击危险性可能更高;通过大能量矿震活动规律分析可知,回采期间断层构造的影响是冲击危险防治的重点;大能量矿震显现区域与模拟高应力区呈现很好的对应性,回采期间应针对高应力区及时进行卸压解危。     

非均匀介质条件下矿震震波三维传播模型构建及其应用

为了研究速度模型对矿震定位误差的影响,基于惠更斯原理建立了矿震波在层状非均匀介质中的三维传播模型,通过现场爆破振动试验,采用矿山微震定位监测系统进行监测。对矿震震波的正演建立了矿震震波传播的三维波动方程,并给出了矿震波在介质分界面上传播速度计算公式,由此对经典线性定位方法进行合理改进,使得基于均匀介质的线性定位方法适合于非均匀分层介质。将理论推导结果应用于矿山微震监测定位系统中,进行实际矿震定位计算。试验表明,速度模型对定位的影响较大,运用所建立的三维传播模型应用于矿震定位,有效提高了定位精度。     

远距离煤层群开采下山巷道震动显现成因

为探索远距离煤层群开采过程下山巷道异常震动显现的成因,基于高精度微震监测和现场调查,应用岩体破裂规律分析预测工具MapRAS分析矿震原因,用离散元数值试验工具UDEC分析巷道围岩动力响应规律,得到:工业广场保护煤柱及己二下山非采动区域频发矿震是工作面采动顶板关键层运移对煤柱边缘强剪应力带作用的结果,其作用的效应与开采深度呈正比,与采动影响距离呈反比。震动显现多发生在非采动直接影响的己二下山巷道围岩,这种异常现象与己组煤岩物理力学性质、3组工作面复合压力拱脚动态加卸载作用和矿震动力源影响距离有关。根据矿震震级、震动显现程度和数值试验岩体质点振动速率,提出了与现场实际基本相符的巷道围岩震动显现危险等级判据指标。使用微震频次,用傅里叶周期法反演的图像,可较敏感反映顶板关键层周期破断规律和相邻区段岩体动力响应的相关性。用UDEC数值试验,较好地揭示了工作面采动对己二下山围岩的影响规律。