兖州矿区某矿矿震活动规律研究

 根据兖州矿区某矿2004年11月～2009年3月监测矿震台网记录资料,研究了矿震震源定位精度的方法、震源空间分布与构造、较大矿震与原地应力、矿震与开采的关系。认为利用3分向矿震记录,并采用偏振分析和波形相关分析的方法可以提高震源定位精度;矿震发生与开采速度成正相关,在高发期与顶板周期来压呈相应同步关系,并且与开采进程不稳定程度密切相关的矿震导致顶板垮塌,形成强烈风暴摧毁了封堵墙。研究结果表明,3分向地震记录和波形分析在灾害性质诊断方面具有重要作用,为科学布置工作面,处置构造和高应力区,控制合理开采进度和防治矿震灾害提供了重要依据,是探索矿震预测的一条重要途径。     

深部采煤上覆关键层破断诱发矿震特征研究

随着煤炭开采深度的增加,强矿震频发,严重威胁着井下矿工和地面居民的安全,影响矿山生产力和开采效益。基于岩层运动关键层理论和矿震监测技术,研究东滩煤矿深部煤层开采过程中强矿震分布及演化规律,以及煤层开采导致上覆多关键层协同运移破断特征和诱发矿震的能量传播规律。结果表明,深部煤矿开采初期矿震大多集中在低位岩层,随着工作面的推进,矿震逐渐向高位岩层转移,高位厚硬岩层是强矿震的主要孕育、发生基地。深部煤层上覆往往孕育多层关键层,煤层采动易造成上覆多关键层协同断裂运动。随着破断岩层总厚度逐渐变大,岩层中积聚的弹性应变能被瞬间释放而诱发矿震。工作面回采后,关键层断裂一般会以“O-X”形式呈现,形成“O-X”型破断的范围由下向上逐渐增大,形成的破断结构亦有主亚之分。研究结果对类似条件下深部煤矿工作面的安全、高效开采具有借鉴意义。     

矿震监测定位系统的研究及应用

为确定矿震发生的时间、地点、震级，结合煤矿实际情况，研制一套国内首台具有自主知识产权的矿区千米尺度破坏性矿震监测定位系统。该系统采用在矿区地面布置4个子台，子台由三分向加速度传感器组成，拾取振动波信号。为保证4个子台矿震数据的时间精度，采用GPS网络授时作为时间基准，通过对振动波的频率、振幅等特征分析，对矿震波进行自动识别，排除放炮等振动信号。各子台矿震信号通过网络传输到中心测控机，中心测控机对各子台进行远程控制管理，监控各子台的工作状态。中心测控机对数据进行处理和分析，计算矿震发生时刻，通过振动波持续时间计算矿震震级，采用3种方法计算矿震发生位置。该系统可为矿井迅速准确组织救灾、减少损失提供依据。同时，通过对每天矿震发生的时间、次数、位置、震级进行统计分析，可对未来的矿震发生趋势进行预测。系统的运行情况表明，监测结果与实际矿震较吻合，定位结果小于规定的误差上限。     

深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究

 为进一步研究深部底板岩体的破裂失稳机制,基于自主研制的高水压底板突水相似模拟试验系统,建立深部承压水上含小断层底板采动裂隙演化及导水通道形成的模型,通过在底板不同深度布设应力传感器和位移监测点,研究底板和断层附近岩体随工作面开采的应力及位移变化规律,反演得到底板及断层采动裂隙的发育及扩展演化规律,为深部开采工作面突水机制的研究提供了一种新的思路。结果表明：工作面开采过程中,底板岩体的受力变化规律主要有2种：(1) 开切眼左侧煤柱底板岩体的应力增量出现先增大后减小的变化趋势;(2) 采场底板岩体的应力增量出现先增大后减小至零再反向增大的变化趋势。深部底板岩体的采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位产生,裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主,且在主要裂隙附近衍生出一些细微的小裂隙。距煤层较近的断层上、下盘岩体受到的应力差较大,断层上盘在强剪应力差的作用下形成了一条与断层走向平行的剪切裂隙,加快了断裂面破碎岩体的相对滑动程度,促进了断层的活化。     

矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究

矿震诱发型冲击地压预警是世界性难题,通过多年的监测预警机制研究和现场实测发现,采场监测区域内应力突降是此类型冲击地压的典型前兆之一。结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系,得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制:高位关键岩层拉伸断裂前后采场超前应力从单峰演化为双峰状态,在关键岩层断裂位置下方煤岩体内出现应力突降,数分钟后因岩梁断裂回转,其下方支承区域内岩体受强烈动载破坏而引发矿震。根据临场应力突降值和突降范围,判定矿震对采场的危害程度和影响范围,进而及时作出现场避灾处理,结合开采前预判关键层破断步距和开采过程中高精度微震追踪岩层破裂高度,判断矿震发生的区域,提高临场预警的时效性和准确性。本文揭示的现象和关键数据为临场预警矿震诱发型冲击地压提供了一种直观有效的方法。     

中国矿震受区域应力场影响的探讨

对中国矿震受区域应力场影响问题,探讨了矿震与固体潮之间的相关性,发现矿震发生与月球固体潮有较好的相关性;探讨了矿震与其附近区域天然地震在时间上的相关性,发现天然地震较矿震具有滞后性;探讨了矿震空间分布规律,发现在平面分布上发生矿震的矿井也属于天然地震的多发地带,而且几乎都分布在构造活动性强的地震带内;在深度分布上,存在着发生矿震的临界深度。矿震的发生受区域应力场的影响,区域应力场是影响矿震发生的重要因素。     

深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究

随着矿山开采的大规模进行和采深的加大,深部高应力极软岩巷道支护问题日益严重。基于深部高应力极软岩巷道国内外支护现状的分析,并针对其破坏特点,提出了以内注浆锚杆为核心的锚注支护体系,来解决深部高应力极软岩巷道支护难题。井下试验表明:锚注支护不仅保持了深部高应力极软岩巷道的稳定,而且提高了施工速度,节约了支护成本,技术经济效益十分显著,具有广阔的推广应用前景。     

深部采煤深孔爆破技术防控强矿震机制研究

中国华东、东北、华北大部分煤矿已进入600 m以下深度开采,矿震等动力灾害屡有发生,严重制约了煤矿安全、绿色、高效生产。针对中国深部煤矿厚硬顶板下开采矿震频发问题,以东滩煤矿为例,采用现场监测、理论分析和数值模拟等方法,详细阐述了深孔爆破顶板卸压前后强矿震空间分布特征,研究了深孔爆破技术预裂顶板机制、对采动中覆岩活动影响及防控矿震的效果。研究发现深孔爆破技术可有效弱化或断裂上覆厚硬岩层,释放上覆岩层积聚的应变能,减少大能量矿震的风险。基于爆炸荷载作用下岩石破坏区理论分析计算出了深孔爆破岩石破碎区、裂隙区和有效破坏范围,并结合工作面支架阻力监测,发现深孔爆破技术可主动调控矿山压力,避免了强矿压显现。建立了含四次深孔爆破的煤层开采全过程数值模型,分析了深孔爆破前后覆岩应力及位移演化特征,揭示了深孔爆破对采动中覆岩活动影响机制。深孔爆破断顶卸压技术能够有效弱化煤层顶板、降低顶板来压强度、增大覆岩的碎胀系数,能够用于防控深部采煤强矿震的发生。

     

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 kN、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=E₀e^ηD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=f₀e^ηD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。     

基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究

简要介绍微震监测技术基本原理及冬瓜山微震监测系统的组成和结构,运用微震监测系统对冬瓜山矿床首采区段不同时段的地压活动集中区进行圈定,采用量化地震学原理开展岩层应力变形强度分布研究,揭示开采诱发地压活动的时空变化规律,初步评价盘区隔离矿柱和回采采场的地压活动状况及稳定性。研究表明,地压活动相对集中区的变化与井下采掘活动紧密相关,各地压活动相对集中区与采掘工程施工位置相对应,在时空上随采掘活动的改变而发生变化。采场回采区内的地压活动相对较稳定,掘进活动区内的地压活动分布较分散且随采掘活动的结束很快减小或消失,目前首采区段岩层是稳定的。实践证明,微震监测技术为深井矿床开采地压活动规律研究提供一种有效技术手段,研究成果为指导矿山安全生产奠定重要的基础。     

基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究

 冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性,最大应力为38 MPa,为控制岩爆的发生及制定高应力区采矿的战略,2005年矿山引进南非ISS国际公司的微震监测系统,实现对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。简单介绍冬瓜山矿微震监测系统的布置;基于一段时间内监测到的有效事件,对井下首采区地震事件的时间与空间分布进行研究;利用可视化工具JDI对事件的相对集中区域进行圈定,并与井下生产活动相结合,分析原因;还提出对井下工程岩体危险识别的手段,并用实际发生的事件验证;综合研究成果,制定以微震监测技术为基础的高应力区采动分析的工作程序,为目前矿山的安全生产提供依据。     

深部开采中巷道底鼓问题的研究

巷道围岩控制是深部资源开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。在大量现场研究、实验室模拟实验和数值计算的基础上，探讨了巷道底鼓的基本特征，分析了4种类型底鼓的机理及影响因素，综述了我国近年来防治底鼓的有关研究成果，最后介绍了2个防治巷道底鼓的实例。     

大规模深井开采微震监测系统站网布置优化

冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大、具有岩爆危害的大型硬岩金属矿山。采用微震监测系统实现该矿岩爆的实时监测和预报，为此，进行微震监测系统站网布置优化研究。分析该矿采用多盘区多采场同时开采条件下的岩爆分布特点，确定微震监测系统的监测范围；针对监测范围、井下巷道工程和微震监测系统技术性能，设计多个微震监测系统传感器站网空间布置方案，对各方案计算事件震源定位误差和系统灵敏度；在综合分析计算结果、工程条件和经济性的基础上，确定满足该矿首采区微震监测要求的最佳监测系统配置方案；系统建立之后进行事件震源定位精度和灵敏度测定的爆破试验，证明该监测系统站网布置满足矿山监测要求，保证监测数据的可靠性和有效性。     

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究

大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板–煤体–底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义。采用MTS815伺服加载以及Disp–24声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定,试验结果表明,试样在发生冲击破坏前,电磁辐射强度呈小幅度上升的波动趋势,且冲击破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率在试样冲击破坏时将急剧增加并达到最大值,随后产生突降。电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间并不同步,电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段,而声发射信号的最大值位置则出现在试样的峰值强度处。电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱,且声发射信号出现峰值时其电磁辐射强度也相对较弱。依此规律,可以对冲击矿压的危险性进行正确地评价和预测预报。     

深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究

 随着矿产资源的开发,深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区相间的分区破裂化现象,这是一种新发现的特殊工程地质现象,引起了国内外岩石力学界的关注,但相关研究还不深入。为在现场监测深部巷道围岩的分区破裂化现象,在淮南矿区近千米深井半径不同的巷道选择了4个监测断面,每个断面布置了3～5个钻孔,采用矿井钻孔电视成像仪对巷道断面围岩不同钻孔内的破裂情况进行了监测,监测到了围岩内的分区破裂化现象,并给出了4个断面围岩的分区破裂分布图。通过分析巷道所在岩层、地质资料及钻孔内裂隙的形状,说明裂隙是由巷道开挖引起的。监测结果表明,3个大断面巷道围岩内的相同破裂分区的半径和厚度相差不大,小断面巷道围岩内的破裂分区与大断面相似,只是相同各破裂分区的半径和厚度相应减小,表明各破裂分区的半径是巷道半径r的关系式为 (i = 1,2,3,4)。4个监测断面围岩内均产生了4个破裂分区,第1个破裂分区厚度与巷道半径相当,破裂程度最严重,第2个破裂分区其后各破裂分区厚度和破裂程度均依次减小。研究结果对于认识深部巷道围岩的破裂模式及其稳定性支护具有重要意义。     

深井矿山地压灾害微震监测技术应用研究

 会泽矿区深部8号矿体埋藏深度达1 000 m,矿体赋存于十余条断层所控制的破碎带中,开采条件十分复杂。根据矿山实际情况,建立一套具有地震学定量分析和可视化解释功能的数字化24通道微震监测系统。详细介绍微震监测系统的组成和性能,采用人工爆破震源对微震监测系统的定位精度进行3次测试,监测范围内的震源定位误差为3.16～6.78 m,达到预期目的,证明该监测系统可满足矿山地压监测要求。该系统于2007年8月正式投入使用,在半年监测数据的基础上,通过对井下采集的多种振动波形特征、微震事件b值时序特征及震源应力降等参数进行分析,初步总结深部8号矿体开采过程中的地压活动规律。     

赵楼煤矿1 000 m深孔水压致裂地应力测量及其应力场研究

 赵楼煤矿是目前国内开采最深的非金属矿山之一,处于曹县-郓城活动断裂带上,区内地质构造较为复杂。为了掌握矿区原岩应力场分布规律,应用深孔水压致裂地应力测量技术开展地应力测量工作,获得该矿区2个钻孔中16个测段的应力状态。测量结果表明：矿区最大主应力随深度增加基本呈线性增大,且在800 m深度处应力值有所变化,最大水平主应力为28.45～45.75 MPa,方向NEE,反映出矿区地应力场以水平应力为主导的特点,测量结果可为矿山建设和开采设计提供科学依据。     

深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究

 针对深埋硬岩隧洞围岩脆性破坏分析时传统应力指标的局限性和相应防治措施理论研究不足的特点,在数值分析中应用反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型,结合局部能量释放率评价指标分析硬岩脆性破坏过程中能量释放的强弱,对深埋隧洞开挖过程中防治围岩脆性破坏的设计及施工措施进行综合性研究。首先,通过评价隧洞群洞间距、施工进度等设计方案对围岩能量释放的影响,提出预防岩爆发生的区域性对策。然后,针对能量释放的时空演化规律,本着减压卸能的原则,给出支护时机、支护类型和参数的设计建议。同时,在施工控制措施方面通过分析在掌子面上布置应力释放孔爆破卸压防治岩爆的效果,给出应力释放孔布置方案的优化建议。最后,应用上述方法对锦屏二级水电站辅助洞围岩的脆性破坏提出工程防治措施,实践结果表明,所提出的防治对策完全可行,可供类似工程借鉴。     

凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究

微震监测技术是深部矿床地压监测的重要手段。简要概括了凡口铅锌矿深部矿床赋存条件、地压特征、地压灾害以及建立微震监测系统的必要性;对建立的16通道微震监测系统的组成、监测系统的性能、微震监测范围进行了详细介绍;通过对传感器布置优化分析,绘出传感器布置的一个优化分析结果的震源定位等值线实例图。采用人工放炮产生的震源对微震监测系统的震源定位性能进行测试,绘出测试结果和系统监测定位图,并比较实际测量和系统监测分析结果,两者结果对比表明,在传感器阵列内的震源定位误差不大于5m时,监测系统对震源具有较高的定位精度。采用该套系统对深部采区的大爆破余震进行监测发现,余震事件大多发生在数分钟之内,这表明目前采区围岩的稳定性较好。