高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用

 为了监测导水通道(断层、陷落柱等)在采动影响下的动力学活动和失稳过程,以及对其造成的突水危险性进行实时预测预报,利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。采用全局寻优定位技术,充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素,结合速度结构、检波器一致性等校正技术,实现微震震源的高稳定、高精度定位;优化布置微震监测台网,对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测,通过对定位结果的三维展示和分析,得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数,实现对突水危险性的预测预报。工程实践证明,微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数,是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展示技术,从防治水、矿山压力等多学科角度出发实现突水监测的超前预警预报,是突水监测预警的重要的发展方向。     

含隐伏断层煤层底板损伤演化及滞后突水机理分析

基于对采动岩体流固耦合作用的力学响应以及底板岩体强度退化机制的认识,针对承压水体上采煤的岩体水力学模型,对底板隔水岩体的长期强度特征进行了分析,并用数值方法再现了含隐伏小断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下采动裂隙形成、小断层活化、扩张、突水通道最终贯通形成的全过程。通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示了开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机理,对突水通道进行时空基准标定,并着重就小断层发育高度、承压水水压力大小对隔水底板的损伤演化模式及突水滞后时间的影响关系进行了分析探讨,从岩体强度退化及损伤演化机制的角度,为承压水体上采煤底板滞后突水的机理分析提供了一些新的认识。     

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。     

含断层煤层底板突水通道形成过程的仿真分析

基于对断层形态、产状要素、力学性质复杂性及断层诱发突水机制的认识,针对承压水上采煤的含断层岩体水力学模型,通过有限元数值仿真再现了含断层煤层开采底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程.通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机制.数值分析结果显示:断层本身的物理力学性质及断层的产状要素,包括断距和倾角等,对煤层底板的相对安全性都具有重要的影响.最后结合现场地质、水文地质调查及数值仿真结果对一工程实例进行突水机制分析,为承压水上采煤底板突水的机制分析及防治提供一些新的认识.     

基于应力–渗流–损伤耦合效应的断层活化突水机制研究

 基于大量煤矿断层突水案例的系统调查分析和归类统计,研究充填型断层滞后突水的灾变演化机制,分析采动条件下断层形态产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响。以承压水下开采的充填断层为例,分析充填介质距含水层远近的弹性区和应变软化区的力学特性和渗流特征,将水致弱函数引入充填介质的剪应力和变形的本构关系中,建立断层充填结构滑移突水的燕尾突变模型,由系统势能函数的分叉集导出突水灾变演化路径的主控因素;对于承压水上开采的充填型断层,分析充填介质失效过程的渗流损伤特征。考虑充填介质的压剪和拉剪双重破坏准则,引入适合描述充填介质损伤前后阶段的应力–渗流–损伤耦合方程,采用有限元数值仿真真实再现采动应力扰动和高压承压水双重作用下底板采动裂隙演化、断层介质活化直至突水通道形成的灾变演化过程。通过对不同断距和倾角的断层突水过程的仿真分析,揭示突水通道形成过程中岩体应力场、渗流场以及损伤场的耦合效应,实现对不同突水通道形成轨迹的路径记录和准确定位,归纳出断层活化突水的4种典型破裂通道类型。研究结论对我国煤矿突水机制与灾害防治的认识具有一定的指导和借鉴意义。     

承压水上含隐伏断层突水动态监测物理模拟研究

为深入研究底板裂隙扩展与隐伏断层递进导升突水动态规律,研制了一种煤层底板破坏与递进导升协同突水定点动态监测系统,该系统由恒压加压装置、递进导升定点定量观测装置、导升水量定量采集装置、应力检测系统组成,直观实现底板不同位置处煤层底板破坏与承压水递进导升的情况,揭示了采场底板破坏与递进导升协同突水机理及两者之间时空演化规律。试验结果表明:随着工作面推进,隐伏断层递进导升过程经历了自然导升段、递进导升段、强化导升段以及贯通阶段4个阶段,与煤层底板岩体裂隙发育的速度和规模有着重要关系,当采动应力卸荷出现峰值时,递进导升程度加强且水量增加,底板岩体卸荷程度与递进导升强度和动态监测管出水量同步达到峰值。     

深部采动底板突水模拟试验系统的研制与应用

 针对深部采动岩体“三高一扰动”地质围岩特殊问题,为研究岩体固流耦合条件下破坏演变规律、监测矿井底板突水灾变通道演变过程中的多场信息,自行研制深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统。该系统主要包括试验台系统、伺服加载系统、水压控制系统和电脑信息采集系统,最大模型铺设尺寸为1 200 mm×800 mm×    1 600 mm(长×宽×高)。试验系统中,水平压力和竖直压力由伺服加载装置实现,侧向和竖向加载单元最大荷载可达300 kN,作动器2个最大行程分别为200和400 mm,位移传感器量程达30 mm;最大水压力达1.5 MPa,由伺服稳压系统实现;水箱上出水孔处均匀安置96个光纤传感器,用以检测水压力和流量变化。该系统克服以往试验台可视度低、保压性弱、自动化程度低的问题,具有多样性、可靠性、全过程等特点,系统体积小、精度高、操作简便,适用于深部开采突水物理模拟及相关岩体固流耦合等问题。     

基于微震反演裂隙的采动岩体损伤分析方法及其工程应用

采动条件下岩体发生渐进损伤诱使裂隙萌生、发展和贯通,继而形成导水通道诱发突水灾害.该过程涉及裂隙演化及岩石损伤等问题,使得突水灾害具有动态复杂性的特点.显然,从理论上准确解译突水通道及其演化规律是十分困难的,需要依靠现场监测和数值模拟手段.为此,从"岩体变形破裂过程中,微震现象的主要本质是裂隙的扩展"学术观点出发,建立...     

深部的概念体系及工程评价指标

随着开采深度的增加，岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性动力学灾害现象日趋增多，严重影响了深部资源的安全高效开采。深部开采工程中产生的岩石力学问题成为目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点。针对深部工程所处的特殊地质力学环境，通过对深部工程岩体非线性力学特点的深入研究，建立了深部的概念体系，指出进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统，而是非线性力学系统，传统理论、方法与技术已经部分或绝大部分失效。以难度系数及危险指数作为深部工程围岩稳定性控制难易程度的评价指标，能够综合反映深部工程岩体的力学特性与工程特性。     

断层采动活化对南方煤矿岩溶突水影响研究

为防止岩溶因断层活化而引发突水,探讨断层在采动条件下的活化规律及其对南方煤矿岩溶突水的影响.首先根据断层的形成机制分析各类断层形成的应力环境,得到断层活化的应力条件;然后分析工作面推进过程中的采场应力场和岩体运动规律,次生的垂直应力和水平应力不均衡变化是断层采动活化的主要原因;最后分析断层采动活化引发岩溶突水的机制,断层活化导致导水裂隙带高度增加,从而破坏隔水层导通上覆承压岩溶含水层,引发矿井岩溶突水事故.     

深井特厚煤层综放工作面断层活化规律研究

 以新巨龙公司2301N综放工作面过断层为工程背景,通过微震监测、数值模拟和理论分析等方法,对深井特厚煤层断层活化规律进行研究。得到的主要结论为：(1) 根据2301N工作面微震监测结果,将断层活化分为应力显现阶段(距断层274.8～214 m)、蓄能阶段(距断层214～84 m)和结构活化阶段(距断层84～0 m),并采用数值模拟进行了验证;(2) 工作面过断层期间存在断层活化型冲击和断层煤柱型冲击2类动力灾害,断层活化型冲击的机制主要是开采诱发断层两侧煤岩体积聚的构造应力释放,断层煤柱型冲击地压机制主要是工作面开采引起断层煤柱应力的高度集中;(3) 根据工作面过断层期间冲击地压发生机制,提出相应的防治技术,并进行现场验证,保障了工作面的安全开采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的借鉴意义。     

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。     

Investigations of groundwater bursting into coal mine seam floors from fault zones

This paper presents a case study of investigations into retarded groundwater bursting along the fault zones in the seam floors in coal mines. In addition to in situ measurements of ground stresses, a number of rock samples from the fault zones at the site of the case study were taken, and laboratory tests were performed for conventional and special rheological rock mechanics properties. The effects of different parameters on deformation and failure of the fault zone materials were analyzed, and the mechanism of retarded groundwater bursting along fault zones was further revealed. In the case study, different scenarios accounting for the different development phases of the fault weakness zone and groundwater bursting as well as different groundwater pressures were considered, and each of them was simulated using the 3D visual elastic–plastic numerical mechanics model FLAC^3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions). Through the case study, the applicability of rock mechanics modeling software for studying retarded groundwater bursting along a fault zone was examined. Several issues are discussed regarding the investigations of retarded groundwater bursting and a general structured approach to investigate and control this geological hazardous event is presented.     

电磁辐射法在某水电站岩爆监测中的工程应用

黑龙江某抽水蓄能电站现场岩爆时滞性特征显著,诱发滞后的时间最长可达1年以上,给现场岩爆监测工作带来较大困难。针对该现象,首次将电磁辐射法应用到水电工程领域,并对地下厂房周边排水廊道及重点部位潜在岩爆的前兆信息进行了监测和分析。通过采用“区域静态”与“局部连续动态”相结合的不同时空层次综合监测方法,对上、中、下3层排水廊道和f34断层影响带的电磁辐射信息进行分析,结果表明:前者电磁辐射强度和脉冲数在空间上呈现“上、下层低,中层高”的分布规律,其中施工扰动和地质构造是主要影响因素;后者电磁辐射强度在空间上分区现象显著,脉冲数在时间上呈“M”型波动的特征,断层裂隙带脉冲数峰值平均降低幅度高达76%,局部应力场调整周期约为8 d,调整方向由厂房中心向厂房右端安装间过渡,与现场施工情况一致。研究结果中电磁辐射强度在空间上的分布规律可为岩爆重点监测范围的圈定提供依据,脉冲数在监测期内所具有的波动周期及幅度则可为现场岩爆监测预警提供判据,进而说明了电磁辐射法在水电工程领域岩爆监测的可行性。后期深入研究与其它监测手段的联合应用,将有助于提高现场岩爆监测预警水平。     

特厚煤层掘进工作面冲击地压综合监测预警技术研究

以近年来特厚煤层掘进工作面冲击地压事故为工程背景,通过事故现场勘查对其发生冲击地压的机理进行研究,提出了基于围岩动态结构演化的掘进工作面冲击地压事故分区:即迎头区、塑性圈动态演化区、塑性圈稳定区。通过研究各区域冲击地压发生机理和可监测特征,提出了采用"围岩震动、围岩应力动态、锚杆锚索支护力和煤体钻屑量"进行四位一体的监测预警特厚煤层掘进面冲击地压实时危险性的学术思想,并通过现场实践得出了工程上监测预警特厚煤层掘进工作面冲击危险性的方法和指标。将研究成果分别应用于陕西、河南等矿区特厚煤层工作面掘进期间的冲击地压监测预警,有效预警了掘进期间的冲击危险并及时采取了卸压解危措施,保证了工作面的安全开采。     

煤层底板岩体阻水能力原位测试研究

介绍了煤层底板岩体阻水能力的测试原理、测试方法和测试过程 ,分析了测试成果的可靠性 ,并对杨庄煤矿六煤底板岩体的阻水能力进行了评价 ,为煤矿底板突水防治提供了一条新途径。     

煤矿冲击矿压动静载的“应力场–震动波场”监测预警技术

为提高煤矿冲击矿压监测预警的针对性与准确性,基于煤岩破坏的不同裂隙发展阶段与微震、应力、声电等参量响应的关系,建立煤岩冲击破坏的多信息归一化预警力学模型,并将冲击矿压危险分为无、弱、中等与强4个等级。提出动静载叠加诱发冲击矿压的原理,结合弹性波CT成像技术与煤岩震动的微震采集,提出定期反演空间应力场(静载)的"震动波CT"预警方法,选取震动波波速异常和波速梯度异常作为预警指标;基于微震监测,分别构建了时间与空间序列的冲击变形能指数,提出短临预测时空震动场(动载)的"冲击变形能"预警方法;以此,形成了基于时空架构的冲击矿压"应力场–震动波场"综合监测预警技术。该技术在义马矿区和大屯矿区等开展工程应用,实现了冲击矿压危险的时间与空间、定期与短临相结合的分期分级预警,综合预测准确率达到了80%以上。     

范各庄矿F0断层滞后突水数值模拟

 开滦矿业集团公司范各庄矿F0断层贯穿该矿整个井田,根据现场条件获取断层带原样物质,并进行断层物质原样和复制样的蠕变力学试验,得到断层物质不同条件下的实验室数据;运用FLAC3D数值计算软件,对范各庄矿F0断层对开采的影响进行流–固耦合模拟和渗流蠕变计算,得到不同时间段采矿活动对断层的影响数据。计算表明,底板岩层垂直位移量在断层附近最大,断层的存在使底板承受较大构造应力,并存在大范围的剪应力区,断层部位的应力集中是造成底板破坏、发生底板突水的关键。模拟结果较好地刻画出承压水对上覆岩层及断层带的影响、开采活动对底板岩层的影响、断层破碎带受开采影响的大小和范围以及承压水影响的时间效应,为矿井安全生产提供可靠的基础数据。     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

 为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。