大规模开采矿山地震视应力和变形与区域性危险地震预测

 大规模开采的矿山存在复杂的诱导地震活动,在高应力硬岩条件下具有产生区域性危险地震和岩爆灾害的可能性,震源的地震视应力和变形参数是地震机制和地震活动性预测研究的重要参数,对此开展研究具有重要意义。针对冬瓜山铜矿深井开采诱导地震活动,对地震视应力和位移在矿区开采过程中的时空特征开展研究,发现地震活动具有区域性分布特征,其时空分布与开采活动及矿区矿柱分布具有较强的对应关系。以此为依据,结合矿区地质构造和地应力状态,研究该矿区区域性地震机制,指出可以利用天然地震复杂震源的凹凸体理论来解释该矿区区域性地震成核机制,从而提出该矿区区域性危险性地震成核概念模型,并针对该矿地震活动的特征讨论识别成核区的方法。针对该矿区域性岩体破坏实例,分析地震视应力和变形参数时间序列特征,讨论潜在区域性地震成核区的地震活动危险性和岩体破坏性态的评价与预测。研究结果在工程实践中得到实际应用。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

巨厚岩层–煤柱系统协调变形及其稳定性研究

以山东济宁高庄煤矿巨厚岩层条件下留设大煤柱的工作面回采安全性为背景,采用理论分析和工程实践等方法,研究巨厚岩层–煤柱系统的协调变形模型及其稳定性。主要研究内容和结论:(1)在满足煤柱顶板岩层断裂线因素和支承强度因素的情况下,煤柱能够"隔离"采空区并对巨厚岩层及其覆岩结构形成"支撑"作用;(2)以巨厚岩层挠曲变形和煤柱竖直方向"压缩"变形为基础,建立巨厚岩层–煤柱协调变形力学模型,分析煤柱竖直变形的应力来源、形式和整体协调变形机制,得到巨厚岩层–煤柱系统协调变形的应力–应变关系;(3)探讨巨厚岩层–煤柱系统失稳类型、判据和对井下动力灾害发生的影响,提出灾害防治技术。运用研究成果分析3上1102工作面采前巨厚岩层–煤柱系统稳定性,并对灾害进行预测,根据回采阶段微震监测结果与动力显现情况,初步验证了研究的合理性,通过实施针对性预防措施,最终实现了工作面"有震无灾"的安全回采目的。     

粉煤灰充填材料早龄期物理力学特性及其水化过程分析

 针对粉煤灰充填材料早期强度低、变形量大、流动性差、泌水严重等缺陷,基于电阻率法和力学特性测试法研究3种配比粉煤灰充填材料早龄期的体积电阻率、孔隙溶液电阻率、单轴抗压强度和弹性模量随时间的变化规律;结合充填材料初始孔隙度和1 d孔隙度的测试结果,对孔隙度随时间的变化规律作进一步分析。结果表明：(1) 材料的体积电阻率随时间呈升高、降低、再升高的变化规律,孔隙溶液的电阻率随时间呈先急剧下降后趋于稳定的变化规律,但材料的电阻率变化在时间上和数值上受粉煤灰掺量的影响;(2) 材料的单轴抗压强度和弹性模量随水化时间的延长而增大,随粉煤灰掺量的增加而降低;(3) 材料的孔隙度随水化时间的延长呈负指数规律降低,随粉煤灰掺量的增加先降低后增加;(4) 在水化后期,材料的单轴抗压强度和弹性模量与其体积电阻率呈对数相关;(5) 材料早龄期的水化过程可分为吸附期、溶解期、凝结期和硬化期4个阶段。研究结果为进一步了解、改善粉煤灰充填材料早龄期的物理力学特性和实现材料特性的无损检测提供了一定的理论与应用参考。     

综放开采J型通风采空区渗流场数值分析

以潞安矿区王庄煤矿5201综放面通风和瓦斯抽放为背景，分析J型和U型通风时采空区破碎岩体内的渗流和瓦斯浓度分布规律。J型通风采空区渗流为“一源两汇”，并有明显取近道的趋势，J型通风比U型通风更有利于瓦斯排放。为建立破碎岩体渗流数值模型，还兼顾分析采空区上方的支承压力，得出该处支承压力的分区特征。     

云驾岭煤矿无烟煤的动态本构模型研究

大直径霍普金生压杆试验表明：云驾岭煤矿无烟煤的动态本构曲线具有显著的塑性屈服特征，初始弹性模量Eb、屈服强度σs与极限强度σb都随着应变率的增加而提高，但屈服强度最为显著。根据试验曲线的特征，在对既有岩石动态本构模型进行分析和初步的拟合后，引入一个新的损伤型黏弹性本构模型，以1根线性弹簧和2个不同松弛时间的Maxwell体并联的黏弹性模型表达无烟煤显著的塑性流动，2个Maxwell体分别表示无烟煤的低应变率响应和高应变率响应，以动态应力-应变曲线任-点与原点连线的斜率E（εi）相对于初始模量Eb的降低来度量损伤D。模型的数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性。拟合参数表明，无烟煤对低应变率的响应与混凝土相同，对高应变率的敏感性远远高于混凝土。     

基于声波测试的矿柱稳定性模糊推理系统及其应用

分析了矿柱波速变化与载荷之间的关系以及矿柱破裂区分布与波速分布的对应关系，讨论了矿柱波速与其稳定性之间的模糊不确定性的特点，在此基础上，应用模糊数学理论建立了以完整系数为输入变量、矿柱稳定程度及局部破坏可能性为输出变量的模糊推理系统。将该推理系统应用于浙江遂昌金矿矿柱稳定性声波测试工程实践中，得到的推理结果与现场实际情况基本一致，即使在声波测点较少的情况下，系统仍具有良好的推理效果。     

矿井不明水体突出过程的微震辨识技术

 以采动岩体微破裂产生的弹性波为信息源,应用弹性波与岩体破裂的相关理论与技术,探索地下采空区不明水体的蓄积和成灾过程。经研究发现,在突水灾害前存在确切的弹性波波速比VP/VS低值异常、振幅比VSH/VPH高值异常、震动主频低值异常、波形变异以及隔水岩墙主破裂发生前的微震频度异常。由此提出应用地面微震遥测技术,通过在线监测和分析采动岩体破裂被动震源或增设爆破主动震源所携带的信息,预测矿井不明水体突出灾害的技术思路,达到空间上控制全矿井范围的宏观监测、时间上在线连续监测和远离危险源的安全监测之目的。     

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

 采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“规程”)中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。     

平顶山矿区构造应力场演化规律及分布特征

为探讨平顶山矿区构造应力场演化规律及分布特征,采集共轭剪节理、断层擦痕、矿区构造等数据,运用赤平极射投影法恢复研究区古构造应力的方向,分析矿区古构造应力场及演化规律;基于地应力和震源机制解资料,运用构造物理学和岩石力学方法解析现今构造应力的大小和方向,获得矿区现今构造应力场分布特征及分区图。古构造应力场重构表明,该矿区主要经历了印支、燕山、喜山三期构造应力场作用,印支期最大主应力方向近NS向,优选产状3°∠6°;早燕山期最大主应力方向NW向,优选产状313°∠13°;晚燕山期最大主应力方向NE向,优选产状54°∠9°;喜山期最大主应力方向NNE向,优选产状18°∠15°;在多期构造应力场作用下,矿区形成了李口向斜控制下的一系列NWW～NW向褶曲和断裂,并伴生NNE～NE向次级断裂构造。现今构造应力场解析显示,该矿区现今构造应力场具有分区特征,矿区整体为大地动力场型,西部矿区以正断层应力场型占主导,中部矿区以走滑断层应力场型占主导,东部矿区以逆断层应力场型和走滑断层应力场型占主导;矿区总体为高应力值区,从西向东应力值呈现升高趋势,应力场稳定性处于相对稳定与临界状态之间;矿区最大水平主应力...