深部综放工作面动压微震监测及控制技术研究

针对深部复杂条件下综放工作面动压控制难,精细防冲技术与装备不足的现状,利用井下高精度微地震监测系统,结合采场覆岩空间结构理论,对开采过程中的岩层空间破裂规律、断层构造活化规律及空间应力场影响范围进行了研究,实现了三维连续动态监测及矿井冲击地压的监测和预警。结果表明,微震监测能够准确判断出工作面岩层破裂范围、煤柱稳定性及岩层运动异常区域,实现了冲击地压监测的超前预警预报。     

测井“静态”探测与微震“动态”监测技术在矿井突水综合预警中的应用

矿井发生系列重大突水事故,可归结为两个原因:①回采前,潜伏导水通道和隔水关键"静态"存在特征的"探测"和研究不足;②回采过程中,导水通道和隔水关键层"动态"失稳过程的"监测"和研究不足。针对矿层回采前岩体性质的"静态"存在特征,采用地球物理测井和高分辨率三维地震勘探作为技术手段、GSR(Geophysical Strata Rating)方法作为研究手段展开研究,重点对突水危险区进行预测;针对煤层回采过程中岩体破裂过程和裂隙场分布的"动态"特征,采用高精度微震监测作为技术手段、高精度定位及反演分析技术作为研究手段展开研究,重点对突水危险进行临场预警。基于上述技术和研究方法,进行了煤层分布特征、隔水关键岩层分布特征、断层分布特征的原位探测和研究。建立了关键层静态探测与动态监测的突水预警模型和构造体静态探测与动态监测的突水预警模型;采用了"将岩体性质‘静态’存在特征和岩体‘动态’破裂过程作为一个整体"对突水通道进行预测,并对矿井突水定量预测进行了初步的学术探讨。     

微地震监测在特厚煤层底板突水评价中的应用

特厚煤层综放开采对底板扰动大,在底板下方有承压含水层时,存在原生裂隙导水、采动裂隙导水、构造活化导水等底板突水灾害,动态监测底板裂隙的萌生、发展、贯通直至破坏过程是底板突水灾害有效预测、预警的关键。以平朔地区特厚煤层综放工作面回采过程中底板突水问题为研究背景,在工作面建立了一套自主研发的高精度微地震监测系统,实时获取采动过程中采场围岩破裂的三维特征,采用动突水系数法,对该工作面底板突水可能性进行了分析。研究表明:工作面向斜轴部以西90 m突水危险性增大,动突水系数达到峰值,但小于带压开采突水危险标准,认为工作面回采期间无突水危险。通过对比,动突水系数峰值位置与底板最大破裂深度位置具有明显的时空差异,且底板破裂深度峰值超前于动突水系数峰值,为通过底板破裂深度进行突水危险的实时预警提供了依据。     

矿井突水灾变过程电阻率约束反演成像实时监测模拟研究

为实现矿井突水灾变的实时监测与灾变前兆的预警,提出了突水灾变过程电阻率约束反演成像实时监测方法。首先,将表征网格电阻率变化范围的不等式约束施加到电阻率反演成像方程中,并设计了快速反演算法,有效地改善了反演的多解性与计算效率,据此建立了电阻率约束反演成像实时监测方法。同时,开展了隐伏断层底板突水约束反演成像实时监测的数值试验,利用灰度相关系数理论定量评价了突水过程中的电阻率反演图像主要响应特征：表现为反演图像中岩层断裂、突水通道形成等重要事件及图像灰度相关性系数的基本持续单调发展或信息突变。最后,将实时监测方法应用到矿井突水物理模拟试验中,实现了对裂隙萌生、扩展、岩层断裂等重要突水过程的较真实动态成像,提前813 s准确捕捉到灾变前兆信息,表明电阻率约束反演成像实时监测方法用于突水灾害监测与预警具有良好的可行性。     

煤层底板突水监测预警系统的开发及应用

煤层底板突水问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,突水监测预警技术为煤矿安全生产过程中必要的措施。在研究煤层底板突水可监测性、监测条件及适用范围的基础上,研制开发了一套基于光纤光栅通信和传感技术的新型煤层底板突水监测预警系统。该系统由数据采集系统和数据突水监测数据集成分析系统组成,能够实现监测数据实时采集、曲线实时显示、远程分析、警情发布等功能。通过在东庞矿北井9208工作面自开切眼至距切眼225 m段监测预警试验,初步验证了煤层底板突水监测预警系统的实用性和有效性。     

煤矿底板突水定量预警准则及预警系统研究

为研究煤矿开采底板突水预警准则,研发水害监测预警技术,实现底板突水超前预警,采用矿井水文地质分析、力学分析、地球物理勘探等技术手段,分析了矿井底板突水征兆,建立了监测指标体系,研究了水害预警现场布置方式,提出了采动影响下底板破坏深度的实时监测反演方法。根据监测指标及突水力学判据,提出了矿井底板突水定性预警准则和定量预警准则,开发了底板水害预警系统。最后以许厂矿11603工作面为例,布置水害预警系统,实施了底板突水灾害监测预警。结果表明,水害预警系统可以实时监测煤层底板预警指标,反演底板岩体力学变形破坏情况,结合预警准则,实现煤矿底板突水监测预警。     

煤矿突水行为研究系列试验装置研发及应用

随着煤矿开采深度和强度的不断提高,矿井面临底板突水、顶板突水和构造突水等多方面的挑战,针对不同类型突水机理及灾变模式利用现场监测等手段难以进行研究,因此采用实验室物理模拟试验手段成为解决研究此类复杂问题的关键。针对该问题,山东科技大学自主研发了采动煤层底板突水相似模拟试验系统、采动顶板涌水溃砂模拟试验系统、岩石应力渗流耦合真三轴试验系统等一系列试验设备,建立了突水行为研究实验室,利用物理试验实现了对矿井突水问题的探讨。系统实现了模拟高水压和高应力作用下的底板岩体破裂演化过程,获得了底板突水致灾演化规律和内在机制;实现了对水岩耦合作用下采动顶板突水溃砂灾变特征分析,透过试验机清晰地展现了煤层开挖后上覆岩层空间形成的结构形态和水砂突涌通道的分布形态;为模拟提供了深部高应力、高水压的加载环境以及独立伺服控制的三维应力,实现了全数字化的数据采集过程,获得了岩体裂隙扩展演化规律和破裂过程的声发射行为。     

花岗岩破裂及突水红外时空演化实验研究

通过对无水、无压水、承压水作用下花岗岩加载破裂失稳实验进行红外监测,研究花岗岩破裂及突水过程中红外辐射时空演化特征,以此实现对巷道掌子面破裂及突水灾害的监测和预报。实验结果表明:掌子面前方不含水体时,时序特征表现为前期线性升温,破裂前升温加速;空间上表现为破裂前高温区包围低温区。含无压水体时,时序上表现为温度曲线呈锯齿状;空间上表现为高、中、低温度区域划分,高温场破裂。含承压水体时,时序上表现为红外曲线呈升、降温交替变化,空间上表现为温度大幅度降低,呈现破裂低温场。利用红外监测技术,从时空特征角度综合分析,提取花岗岩巷道破裂及突水的前兆信息,可以降低实际工程中巷道突水事故的发生。     

深部开采煤层底板破裂及治理研究

随着煤层开采工作面的不断深入,在开采过程中会遇到很多危险因素,其中最常见的就是煤层底板岩层破裂及突水。通过建立数学模型,分析煤层底板破裂机理和发生破裂时应力变化规律,并且在突水点获得同家梁煤矿突水模式,利用地面受控定向钻头和井下补充钻孔进行底板突水治理。     

基于Labview的矿井工作面突水预警系统构建研究

突水监测预警是矿井水害防治措施中最重要的技术环节之一。在研究矿井突水征兆的基础上,以预警理论为指导,并结合煤矿生产实际情况,研制开发了一套基于Labview的矿井工作面突水预警系统。该系统由数据采集系统和突水监测数据集成分析系统组成,能够实现监测数据实时采集、曲线实时显示、远程分析、警情发布等功能,对于煤矿安全生产具有重要的意义。