煤岩体中震动波传播规律数值模拟研究

以某矿实际地质条件为依托,运用FLAC3D数值模拟软件及其中的Dynamic模块,采用输入微震监测系统实际拾取的震动波,分别模拟了震动波在相同及不同震源离条件下的衰减特性;直接顶力学参数的大小、震动波频率、幅值及由于断层的存在对震动波传播特性的影响。得出结论有:震动波随着传播距离的增大而减小,水平方向的衰减速度小于垂直方向的衰减速度,且随着震动距离的增大,所对应的的震动参数逐渐减小;弱岩层对震动波的传播有一定衰减作用;某一频率或频率范围的震动波波动能够激发模型的最大响应,随着震动幅值的增大,无论是顶板还是底板其所对应的各项参数都将相应的增大;在采掘作用影响下,断层的活化将大幅提高冲击地压发生的可能。     

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。     

煤矿矿震类型及震动波传播规律研究

针对煤矿矿震分类缺乏定量化指标、矿震传播规律不清楚、危险性矿震难以判别等问题,综合采用数值模拟、理论分析及现场实测的方法,对煤矿矿震进行了分类,通过UDEC数值模拟再现了震动波在节理岩体中的传播过程,结合微震监测数据,统计分析了矿震震动波传播过程中质点峰值速度和震动波能量的衰减规律,初步探讨了危险性矿震判别方法。结果表明:煤矿矿震可分为采动破裂型、巨厚覆岩型和高能矿震型3种,其中高能矿震型又可细分为煤体内爆型、顶板失稳型和断层活化型。根据矿震是否对井下人员或设备造成危害,又可将矿震分为正常矿震和危险性矿震2大类。矿震震动波传播受多种因素影响,煤岩体中的不连续面对震动波传播作用明显。揭示了不连续面对震动波应力传递的阻断机制:当震动波传递的应力与原岩应力叠加超过不连续面强度时,不连续面发生破坏,出现一定位移,介质的不连续性阻断了震动波应力传播。矿震传播过程中,质点峰值速度与震动波能量之间具有内在联系,峰值速度、能量均与传播距离呈负指数型关系。实测表明:某矿区实体煤区域和采空区区域的质点震动速度吸收系数分别为0.003 75和0.007 6,震动波能量吸收系数分别为0.007 5、0.015 2,2种区域内震动波衰减差异明显,不连续面对震动波传播影响显著,验证了数值模拟的正确性。     

震动波在岩质边坡中的传播特性研究

利用FLAC3D数值模拟动态软件中的仿真模块,对实测地震波信号在不同岩质边坡中的传播特性进行模拟,通过控制变量研究,得到震动波在岩质边坡传播中的阻尼效应及反射规律等结论。此外,通过监测露天矿采场实际爆破情况,验证了震动波在预裂爆破形成的预裂缝中传播的衰减效应。     

煤巷围岩冲击矿压震动效应的爆破类比试验研究

通过煤矿地下原位巷道爆破类比试验,应用TDS-6微震信号数据采集试验系统,研究了冲击震动波对煤层巷道围岩的作用效应和不同区位响应特征的差异。试验结果表明:①随着与震源距离的增大,震动波能量呈指数关系E=E0e-ηl衰减,初始震动相对剧烈但衰减很快,大约20 m后幅度明显降低,到30 m后变得非常微弱;②煤巷围岩介质同一截面不同区位对冲击震动波响应特征差异较大,底板受到震动影响最强烈,两帮受到的震动影响次之,顶板和肩窝受到的震动影响最小。可见,冲击震动只对震源相对较近的煤岩产生损伤破坏效应,对远场介质破坏作用不大;巷道同一断面不同区位围岩对冲击震动波的响应有较大区别,应分别对待。     

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。     

冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式

基于静动叠加冲击矿压的黏弹脆性体突变模型和黏弹性介质中震动波的传播规律,研究了煤体静动叠加冲击失稳机制,结合实例分析了静动叠加冲击矿压的2种基本发生模式:高静载低动载模式和高静载高动载模式,讨论了震动波频率、结构弱面刚度等因素对震动波传递的影响。认为高静载低动载模式和高静载高动载模式能够揭示两类典型的冲击过程;震动动载形成的瞬时动应力增量与静载蠕变阶段的静应力叠加使煤体满足临界条件而发生冲击失稳;震动波传递不仅随弱面的力学性质劣化而弱化,且随震动波的物理特性变化如频率的增大和波幅的降低而弱化。研究结果能为冲击矿压监测和防治提供指导。     

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。     

动载方向对巷道冲击影响的数值模拟研究

为研究动载方向对于诱发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方向下震动波在巷道顶板传播的速度、位移和加速度的变化规律以及震动波引发的巷道顶、底板和左、右帮速度和加速度变化规律,为预防冲击矿压提出相应技术措施。     

论爆破地震波在传播过程中的衰减特性

爆破地震波能量随着传播距离的增加而不断衰减，其衰减程度主要受到传播介质的影响。以层状岩体为例，从理论上说明爆破地震波沿岩层走向、倾向传播时其强度衰减不同的原因。对比分析顺层山坡露天矿生产爆破震动效应试验的振动速度实测数据发现，在与爆源距离相同的条件下，爆破地震波在岩层的倾向上的衰减比走向要快，且在爆源距相等时，平行走向的振动速度是垂直走向的1．5～2．0倍。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

拱形巷道是煤矿井下最常见的一种巷道。分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内电磁波的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响进行了仿真。结果表明,在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小;巷道横截面积越大衰减率越小;围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波;围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

巷道断面突变对突出冲击波传播的影响

为了研究巷道断面突变对突出冲击波传播的影响和冲击波超压冲量的破坏作用,利用自行搭建的煤与瓦斯突出冲击波传播实验系统,结合三维变截面巷道冲击波传播数值模型的建立,基于实验室实验和数值模拟的方法,研究了不同初始瓦斯压力下突出冲击波在断面突变巷道中的传播规律。结果表明:突出后巷道内压力变化可划分为冲击扰动初始阶段和压力衰减阶段,其中冲击扰动初始阶段冲击波超压峰值大于压力衰减阶段压力峰值,且前者超压冲量小于后者;以初始压力为0.6 MPa为例,计算得出压力衰减阶段超压冲量比冲击扰动初始阶段高52.4%,总冲量随冲击波传播呈先衰减后增大的规律;突出发生后,冲击波超压先随距离发生衰减,当冲击波从断面突变前的大直径巷道传入后方小直径巷道,因壁面反射形成局部高压区,超压强度在截面前0.65 m处增大,出现先衰减后增大的变化规律。     

瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响研究

为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,自主研制了一套突出煤—瓦斯两相流模拟实验系统,开展了不同瓦斯压力条件下的煤—瓦斯两相流运移规律模拟实验,实现了对突出过程巷道内突出煤—瓦斯两相流运移的可视化监测.实验结果表明:煤与瓦斯突出是一个从突出口开始迅速向煤体内部发展的动力过程,期间瓦斯压力存在多次上下波动;突出过程...     

人工调控围岩防冲减振数值研究

煤矿冲击地压产生的冲击应力波由围岩介质向巷道表面传播,强烈应力波作用致使支护结构严重破坏甚至失效。采用水力割缝、爆破、锚固以及注浆等人工调控技术,改变巷道附近围岩体物理力学性质,形成不同强度的层状结构,使其成为优良耗能体,增强衰减和散射冲击应力波能力,进而减少对支护结构的破坏。利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,模拟5种不同人工调控结构类型对耗散冲击应力波的影响。研究结果表明:当巷道附近围岩结构整体强度均匀时,其耗能性能较弱,冲击应力波作用使得巷道剧烈振动,支护结构受到强烈冲击力作用容易发生破坏;采用人工调控技术手段,围岩体形成不同强度的层状结构,具有较强的耗散冲击能作用,大幅度降低冲击应力波振动频率和幅值,支护结构受到冲击作用力明显降低,整体稳定性得到提高。人工调控围岩技术可有效降低冲击地压的振动作用和冲击应力波的强度。     

冲击地压煤层爆破卸压效果分析

针对煤体爆破防治巷道冲击地压卸压效果检验的问题,分析了煤层爆破卸压防冲机理与电磁波在地下煤岩体衰减规律,建立了基于爆破产生裂隙区与电磁波衰减良好对应关系的电磁波CT评价冲击危险的方法及模型。采用电磁波CT法对郓城煤矿1301回风巷煤层爆破卸压前后的电磁波衰减特征进行了对比分析,研究表明,煤层爆破卸压显著降低了爆破区域的煤体强度,使得煤体中部的应力向煤体深处转移,从而降低了冲击危险性;同时,爆破对支护区围岩的损伤较小,卸压与支护耦合性较好。基于检验结果确定了合理的爆破参数。     

煤矿瓦斯爆炸冲击波衰减规律研究与应用

基于弱冲击波理论,根据瓦斯爆炸释放的能量,推导出爆炸冲击波传播过程中超压与爆源点距离之间的衰减关系,得到冲击波参数随传播距离的衰减规律以及冲击波传播距离和时间存在的非线性关系.全尺寸实验与理论计算的对比结果表明,理论数据与实验结果基本吻合,证明了冲击波超压随距离衰减公式的合理性.应用研究结果分析了瓦斯爆炸后冲击波影响范围,认为小型瓦斯爆炸只是破坏局部通风系统,而大型瓦斯爆炸,或者瓦斯爆炸过程中有煤尘等参与会造成极大的灾害.     

The study of acoustic emission （AE） forecasting coal and rock disaster technique

Introduced the coal and rock AE propagation rule, wave guide fixing technics on AE sensors, and AE forecasting coal and rock disaster on the scene and so on. The coal and rock AE propagation rule that follows the exponent attenuation function on different AE frequencies, different quality factors and different propagation distances were analyzed and deduced by theory, numerical simulation, and by actual experiment. Consequently, it was deduced that the coal and rock AE propagation rule follows the exponent attenuation function. Based on the correlative theory of wave dynamics and AE sensor, the AE wave guide propagation mechanical model on the sensor fixing manner is found, and the relations of displacement and speed and acceleration between the AE signal source and the AE signal receiving terminal are presented. The effect of the AE sensor fixing manners on coal and rock surfaces, coal and rock bottoms and wave guides were studied by actual experiment. For the results, the effect of the AE sensor fixing manner on wave guides is better than on coal and rock surfaces, and was equivalent to the fixing manner on coal and rock bottoms. Based on the above study results, actual coal and rock dynamistic disasters were successfully forecasted. Supported by the Project of National Basic Research Program of China (973 Program) (2005CB221505); the Significant Project of National Natural Science Fund (50534080/E041503); the Project of Coal Mine Gas and Fire Hazard Prevention Major Lab in Henan Province (HKLGF200508)     

Modeling the elastic wave propagation in a block medium under the impulse loading

The wave propagation analysis revealed that the low-frequency pendulum wave propagating in a 2D block medium with periodic structure due to the action of local impulse has a two-wave structure. The shape of such wave depends on its propagation direction. Modeling the blast-induced seismic wave propagation in a two-layer block rock mass with the weak upper layer and stiff lower layer showed that the far distant point from the wave excitation source is first reached by the small amplitude pendulum wave running in the stiffer lower layer and then by the delayed maximum-amplitude wave propagating in the upper layer.     

巷道截面变化对突出冲击波传播的影响

为了分析巷道截面积变化对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,首先利用流体力学、空气动力学理论建立了突出冲击波在变截面巷道中传播的数学模型,理论分析得出了冲击波衰减与截面积变化率之间的变化规律;其次构建了变截面巷道冲击波传播的实验系统,研究了冲击波在变截面巷道中传播规律,实验研究表明突出冲击波由大截面巷道传到小截面巷道时,冲击波超压变大,波阵面的单位能量是增大的;然后建立了冲击波在变截面巷道中传播的数值计算模型,数值计算结果表明冲击波初始超压越大,冲击波衰减越快,且巷道截面积变化率越大,冲击波衰减系数也越大;最后通过对比分析,表明理论分析、实验研究以及数值计算的结果是一致的。