矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用

矿山围岩应力与结构演化机理是深部煤炭资源开采围岩控制的关键科学问题。开展采场和巷道围岩应力演化与变形破坏监测,是掌握应力场动态迁移规律,分析覆岩分区破裂、结构演化的重要手段,也是实现井下灾害超前辨识和危险区域感知预判的基础。近年来光纤传感技术在解调原理、传感器研发方面取得了长足的进步,可实现不同尺度的围岩应力、变形,大范围、分布式动态监测,成为了岩体变形破坏的重要监测手段之一。分析了光纤传感技术在矿山围岩变形与破坏监测方面的应用进展,总结了用于采场和巷道围岩变形监测中的光纤传感理论及适用特点,归纳了光纤传感系统布设方法与安装工艺,讨论了采场覆岩"横三区、竖三带"分布,覆岩结构演化,支承压力分布,顶底板变形特征的光纤表征机制,介绍了光纤传感技术在矿山围岩变形表征中的最新成果。结果表明:光纤传感技术在矿山围岩监测中的应用仍处于现场应用研究阶段,在智慧矿山建设背景下,采场和巷道围岩变形监测技术向多参数、智能化、实时动态监测发展,光纤传感技术存在多参量、多尺度传感器研发,多维度光纤传感系统及布设工艺,大数据光纤传感数据智能分析系统构建等研究热点。研究成果对推动矿山围岩光纤传感智能监测技术研发与应用具有积极意义。     

采动覆岩导水裂隙发育光纤感测与表征模型试验研究

随着国家生态文明建设标准的日益提高,我国西部干旱半干旱地区赋存的浅埋煤层开采引起的生态环境问题愈发严峻。导水裂隙带发育高度探测是与保水开采密切相关的科学问题,是矿山生态损害监测与评价、生态修复策略制定的重要依据。将分布式光纤感测技术应用于相似模型试验,探究采动岩体导水裂隙带发育与光纤检测数据的内在响应关系。针对以往研究中对光纤与采动覆岩在不同开采阶段耦合作用关系分析不足的问题,提出传感光纤与采动岩体的耦合关系量化指标"光纤-岩体耦合系数",通过耦合系数对采动引起的覆岩垂直分带区进行合理划分。研究表明:与光纤接触的不同受力状态岩层介质包括5种:顶部未受采动影响的稳定岩层、稳定关键层上受采动影响存在下移趋势的岩层、离层空域区、采空区矸石区及煤层底板;基于监测数据将覆岩分为4部分:已破坏区、强烈影响区、微弱影响区和未影响区。已破坏区即导水裂隙带,强烈影响区为受采动影响内部应力集中程度极高但结构完整的岩层,即弯曲下沉带。试验得出断裂带与弯曲下沉带分界处耦合系数阈值为0.65;建立了应变曲线形态、导水裂隙带发育高度与关键层活动的内在联系,实现光纤感测表征覆岩分带特征。将光纤传感技术应用于采动引起...     

煤炭地下气化资源条件的模糊层次综合评价

为了评价宁正矿区九龙川井田主采煤层实施煤炭地下气化的可行性,基于FAHP构建煤炭地下气化资源条件评价层次结构模型,建立4个一级评价指标和9个二级评价指标,采用层次分析法确定各级控制因素的权重,分析发现煤岩煤层特征是最关键的指标.根据煤炭地下气化资源条件评价指标隶属函数模糊等级划分情况,对九龙川井田煤层资源条件进行定量分析、赋值并计算隶属矩阵.最后通过权重矩阵与隶属矩阵相乘,根据隶属函数的隶属度最大原则,对比发现煤6层实施地下气化的可行性相对最高,煤8层最低,为宁正矿区九龙川井田实施煤炭地下气化提供了科学依据.     

西华山钨矿床流体包裹体的稀土和微量元素特征

为探讨西华山钨矿床流体的稀土元素和微量元素特征,明确热液和成矿物质的来源,揭示成矿流体性质,采用高精度电感耦合等离子质谱（ICP—MS）方法对该矿石英脉流体包裹体的微量和稀土元素进行了分析测试。结果表明,流体包裹体中稀土元素总量变化大,主要表现为轻稀土富集,轻、重稀土内部分异程度不均一,轻稀土分馏程度明显大于重稀土分馏程度;δEu变化范围比较大,大部分样品表现为δEu的负异常;微量元素之间的比值反映出西华山钨矿床成矿物质从深源到浅源,主要来源于岩浆,同时又有少部分来源于大气水循环作用淋滤围岩地层所产生的矿物质,成矿流体处于流体演化的晚期热液低温阶段。     

低阶煤微生物降解转化研究进展

我国低阶煤的微生物降解转化技术是煤炭资源高效清洁利用研究的新领域。文章从低阶煤的结构、降解煤的生物类型、降解转化机理、生物降解转化过程及各项影响因素等方面入手,探讨和研究了低阶煤在微生物降解转化领域的研究进展情况,并指出陇东地区今后低阶煤微生物转化的应用前景。     

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因,准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测,是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段,常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展,将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测,为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明:浅埋煤层当基岩厚度仅为60～67 m时,开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表,势必造成基岩含水层水体破坏,结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性,两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道;分布式光纤检测应变因岩层断裂位臵应力集中而呈现"双峰"特征,峰值位臵与断裂线基本对应,可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位臵分布;给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000με;光纤光栅可对特定位臵岩体变形进行精准监测,检测隔水关键层破断失稳位臵与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。     

基于BOTDA技术感测的大倾角煤层顶板活动规律研究

以大倾角煤层开采为研究背景,运用工程规律总结、理论分析、力学建模及物理相似模拟试验等研究方法,将BOTDA(基于布里渊散射的分布式光纤传感)与DIC(三维光学数字散斑)技术相结合,分析大倾角煤层开采顶板破坏规律及应力演化特征。研究表明:大倾角煤层原岩应力分布中部最大、下部次之、上部最小,中上部顶板弯矩及剪力大于下部,矸石堆积密度由下往上逐渐降低,中上部顶板活动剧烈,下部较稳定;光纤可感知岩体内部微弱变形,检测应变从单调递增发展为递减的临界时刻即为顶板垮落,垮落前瞬间应变达到极值,应力释放至最小值时达到稳定;BOTDA与DIC技术均可检测顶板离层发育、闭合过程,BOTDA表现为应变值阶跃突变,DIC表现为离层位置形成应变局部化突变带;中上部基本顶内部应变远大于下部,应变峰值出现在中部偏上位置,全站仪与DIC监测同层位岩体位移亦表现此规律。表明大倾角煤层开采顶板变形具有非对称性,中上部变形程度大于下部。研究成果对于将光纤传感、数字摄影测量等先进技术用于岩土体结构变形破坏监测具有借鉴意义。     

石炭沟河下煤层安全开采厚度模拟

通过分析杉木树煤矿的水文地质条件,应用物理相似和数值模拟实验方法,模拟开采引起覆岩冒裂带发育高度、范围和地表裂缝情况;结合F-RFPA2D数值试验模拟固液耦合条件下开采引起覆岩导水裂缝带的高度及其发展形态和渗流过程。实验结果显示,采高2 m时导水裂隙带高度为70 m对采区覆岩和河床破坏较小,可以实现石炭沟河下安全采煤。     

上保护层开采煤岩卸压效应的光纤感测工业试验研究

明晰保护层开采卸压空间效应对于优化矿井开拓布局至关重要。以葫芦素煤矿为工程背景,采用分布式光纤传感技术监测煤岩体变形,根据工作面采动空间位置关系及光感数据变化,分析下伏煤岩体的应变分布动态特征,根据上保护层开采过程中下伏煤岩体的应力增高、应力减小、应力恢复的动态变化过程,揭示了不同深度条件下煤岩体应变增减尺度的明显差异性,获得了上保护层开采卸压保护范围参数:倾向和走向的卸压角分别为63.6°和58.7°,卸压滞后距和最大深度分别为14.2 m和28.4 m。研究结果能够为分布式光纤传感技术在保护层开采卸压效应监测中的推广应用提供重要参考依据。     

高埋深矿井冲击地压形成机理实验研究

随着华亭矿区煤层开采深度、范围的不断增大,矿井面临的冲击地压灾害日益突出。文章以华亭煤矿204、205、206三个综采工作面为研究对象,综合分析矿井开采地质条件,通过建立物理模型,模拟矿井冲击地压发生过程中整个覆岩的运移过程,揭示冲击地压发生的影响因素和机理。结果表明:覆岩关键层和区段煤柱是影响矿井冲击地压发生的重要因素,为矿区冲击地压的防治提供一定的理论基础。