采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应

在地下全空间地电场探测工作中,将自然电场对具体岩体动力过程( 岩体破坏、地下水渗 流、流固耦合演变等)的时域超前感应能力与直流电阻率法、激电法对物性的空间表征能力相结 合,有望获取多相耦合系统演化探测及灾变预警的新突破,但须厘清自然电场对不同岩体动力过程 的响应机理及特征。 为克服跨尺度研究的困难并突破自然电场多种参数(自电位、自然电位、表面 电位、感应电荷等)耦合分析的瓶颈,引入了矿山岩体力学相似材料模拟手段;基于对岩体破坏自 然电场异常成因的阐述和对岩样加载实验( 厘米级) 、物理模拟实验( 米级) 、矿山原位实验( 亚千米 级)3 种尺度的实测成果的系统论述,提出并阐述了采掘扰动岩体破坏自然电场响应过程中的近源 效应的内涵、科学意义,同时指出了面向岩体破坏探测的自然电场法研究尚面临的关键问题。 3 类 实测成果共同表明:自然电位的波动幅度、频率、相位都可指示采掘扰动岩体破坏特征,且因自然电 场受破裂成因主导,近破裂区(近源区)自然电位的波动与远破裂区(远源区)有所不同,相对表现 为高幅、高频、异相,故将其定义为一种近源效应;该效应的物理内涵为:自然电位波动幅度越 大(近源区会更大),岩体释放能量越多、岩体破坏程度越高;幅度相当时,频率越高(近源区会更 高) ,破裂事件越频繁,破坏程度越高;相位相异点越多( 近源区会相异,远源区多相同) ,破裂点越 多,破坏程度越高。 对工程岩体破坏自然电场响应机理的深层揭示须受特定工程场景约束且有赖 于多学科交叉研究的深入、模拟水平与测试技术的提升、对非线性信号分析方法的引入等,基于此 可推动自然电场法、直流电阻率法、激电法并行探测及多参数特征融合方法的构建,为灾害源智能、 精准探测及临灾预警提供新的地电学理论支撑。     

易自燃煤层采空区瓦斯与氧气耦合致灾效应分析

针对U型通风易自然煤层开采条件下,采空区漏风使氧气与瓦斯混合具有爆炸危险性的问题,通过在采空区埋入甲烷及温度传感器进行观测,利用Fluent方法对采空区瓦斯分布规律进行模拟计算,分析瓦斯在自然发火危险区域中燃烧的可能性,对采空区内瓦斯与氧气相互达到爆炸危险的耦合区域进行危险判定分析,为现场瓦斯治理提供依据。     

自然边界元与有限元的耦合及其应用

为了提高计算速度和有效地减少计算量,基于无限平面弹性问题的自然边界元与普通有限元的耦合方法,提出了一种在工程分析软件ANSYS下的实现方式;详细介绍了耦合方法的理论依据及其在ANSYS下的具体实现步骤;用这种耦合方法研究了地下拱形巷道围岩应力的计算问题,并将耦合法计算结果与ANSYS软件计算所得到的结果进行对比分析.结果表明,耦合法计算稳定,计算结果准确可靠,在半径10 m的情况下使用耦合法计算的结果精度与在半径200 m的情况下单独使用ANSYS计算的结果精度相当;同时,耦合法较普通有限元算法收敛速度更快,计算量更小.     

矿井微震与电法耦合监测技术

随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加,矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故,严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明,微震信号的纵横波到时、幅值、频率等参量可有效表征岩体破裂位置、强度及其震源机制,地电场信号中的电阻率、激励电流及自然电位等参量可有效表征岩体渗流演化过程。透水通道形成对应微震场特征,地下水渗流对应地电场特征,因此微震电法耦合方法对矿井水害孕育发展过程具有监测预警的功能,可有效对采动破坏过程中形成的突水通道、水源位置及渗流过程等水害三要素进行精准捕捉;减少单一地球物理方法多解性,提高水害监测预警精度,对煤矿防治水意义重大。当前,微震与电法耦合监测技术在煤矿水害实时动态监测中开始得到应用,突破传统微震与电法独立采集的局限,课题组自主研发了国内外首款煤安认证的微震与电法耦合并行监测系统,该系统以微震场与地电场并行采集基站为核心,集被动源微震波场与主被动地电场为一体,通过连接矿井物联网,实现远程数据采集控制、传输及云端存储;其一体化网络服务器主机可连接多个采集基站,并将微震检波器、电法激励电极与电位测量电极进行相互隔离、并行采集,形成微震事件密度与能级分布、电阻率分布、自然电位分布等时空云图来监测预判水害三要素。微震与电法耦合监测技术仍需在微震事件智能识别与定位、地电场的电阻率三维反演以及自然电位渗流反演方面进行专项攻关;结合并行监测的微震电法大数据集,重点在微震电法数据联合反演、智能化监测预警方向开展进一步研究。微震与电法耦合监测技术,作为矿井水害的主动预警监测新方法,可为我国智能化矿井建设发挥重要作用。     

采空区煤自然发火与瓦斯爆炸耦合机理研究

根据采空区遗煤自燃升温的阶段性特征,以定容反应器为模型,借助数值模拟软件CHEMKIN模拟煤自燃缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化3个阶段瓦斯爆炸前后反应时间、压力及中间产物的变化情况,从微观机理层面对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合关系进行了研究。数值计算结果显示,煤自燃缓慢氧化阶段对瓦斯爆炸表现为抑制作用;加速氧化阶段对瓦斯爆炸表现为促进作用;激烈氧化阶段对瓦斯爆炸表现为略微促进作用。     

基于智能通风的自然风压与主通风机特性曲线的耦合

为了准确获得矿井自然风压并了解其对矿井通风系统及主通风机的影响,以GD3(B)型矿用多参数传感器实时监测数据为基础,基于理想气体状态方程和道尔顿分压定律,实时计算矿井主要通风线路上各节点空气密度,结合各节点标高得到矿井自然风压,并与矿井主通风机性能曲线进行实时耦合。结果表明：由GD3(B)型矿用多参数传感器测得的数据可准确计算得到矿井自然风压,地表气温的变化对矿井进风侧的巷道气温影响较大,对回风侧的巷道气温影响较小; 纳林河二号井通风系统自然风压日波动近100 Pa,通过测算的自然风压与矿井主通风机特性曲线耦合分析,可准确反映自然风压变化对主通风机通风工况的影响。     

采空区煤自然发火与瓦斯爆炸耦合机理研究北大核心

根据采空区遗煤自燃升温的阶段性特征,以定容反应器为模型,借助数值模拟软件CHEMKIN模拟煤自燃缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化3个阶段瓦斯爆炸前后反应时间、压力及中间产物的变化情况,从微观机理层面对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合关系进行了研究。数值计算结果显示,煤自燃缓慢氧化阶段对瓦斯爆炸表现为抑制作用;加速氧化阶段对瓦斯爆炸表现为促进作用;激烈氧化阶段对瓦斯爆炸表现为略微促进作用。     

板桥凹陷古近系烃源岩自然演化特征与成烃规律

根据岩石热解参数、可溶有机质氯仿沥青"A"、总烃转化率及饱和烃生标物参数,综合分析和研究了板桥凹陷古近系烃源岩自然演化剖面特征及成烃规律。结果表明板桥古近系烃源岩总体上存在2500～2800m和3200～4300m两个成烃主带,主峰位置分别位于2750m和3950m左右,其中后者为主要成烃带。此外,根据BS35井Es3资料,在异常高压带内存在液烃演化滞后特征,也即在类似的地质条件下,液烃分布深度范围加大。     

Y型通风下采空区瓦斯与自然发火耦合危险区域划分研究

为了准确划分Y型通风下采空区瓦斯与自然发火耦合灾害的范围,防止瓦斯与自然发火灾害事故的发生,以青龙煤矿21606工作面为例,建立了Y型通风下采空区的数值模型,利用COMSOL软件对采空区流场、瓦斯浓度场进行了数值模拟,以采空区漏风流场和瓦斯浓度场分布为依据,对瓦斯与自然发火耦合灾害的区域进行了划分,并通过SF6示踪实验...     

基于流固耦合效应的岩层渗透系数演化规律与断层活化突水数值模拟研究

针对断层活化突水数值研究过程常忽略流固耦合效应的影响且各层位渗透系数常设为固定值的弊端,采用FLAC^3D有限差分软件建立采动断层活化突水数值计算模型,并基于Fish语言编制断层及顶底板岩层在弹性及塑性范围内渗透系数随有效应力、初始孔隙率、残余孔隙率等变化的程序,用于采动断层活化突水数值计算,在考虑塑性区及孔隙压力、渗流矢量变化的基础上,分析了不同水压对断层活化突水的影响规律。结果表明,断层活化范围与承压水水压呈正相关的关系,当模型水压分别为3.0、3.5 MPa时,断层上部及底部发生了活化而中部未发生活化现象;当水压为4.0 MPa时,煤层底板断层整体发生了活化。通过对理论公式的赋参计算,得到了临界突水水压为3.97 MPa,验证了数值结果的正确性。