应力扰动监测系统的研发及在马鞍山矿的应用

为进一步提高和改进基于温度补偿的空心包体应变计应力监测系统的实用性能,检验其在边坡工程能否实现长期监测的应用效力,2017年4月于安徽东部马鞍山市南山矿凹山露天采场安装了应力监测系统。在1个月的监测中,在受到气候影响和坡顶废渣倾倒的影响之下,应力变化仍然基本稳定。温度通道显示一天中气温数据波动但整体温度呈明显上升趋势,各通道经温度补偿后,轴向应力基本保持不变,环向应力变化约为1.09MPa至2.53MPa,与施工情况一致。2018年10月底在2017年测点处对监测系统修缮后进行二次测量,得到约为4.52MPa至8.11MPa的环向应力,以及10.40MPa至11.55MPa的轴向应力,与施工情况及理论值预期范围吻合。该系统实现长期无人值守监测所采用的传输方式为无线数传电台转换并传输无线信号,这套传输系统能实现中远距离信号传输并在基站读取及存储监测数据。     

矿山岩体破坏失稳预警云平台的搭建与应用

为实现矿山多源地质力学信息集成及矿山工程地质灾害预警,基于Java的轻量级框架Spring Boot及地理信息系统软件SuperMap搭建了一种包含矿山地质力学观测、监测数据可视化查询、岩体破坏失稳预警及预测3个模块的矿山岩体破坏失稳预警云平台,并将其应用于大孤山铁矿。研究表明:①以倾斜摄影测量数据、地质钻孔数据为基础建立了矿山三维模型,基于该模型开发了距离测量、面积测量、坡度测量、岩体结构面识别统计等功能,并结合Hoek-Brown准则建立了矿山岩体力学参数数据库,实现了岩体力学参数空间分布的三维可视化;②针对矿山环境复杂、监测设备及监测数据类型多样的特点,建立了高效、稳定的矿山多源监测数据实时远程传输与存储方法,实现了矿山多源监测信息在统一平台下的可视化查询;③基于矿山监测数据,分别应用模糊综合评价方法及时间序列模型对岩体破坏失稳的风险等级及监测数据未来的发展趋势进行了评级和预测,实现了岩体稳定性评价,为矿山灾害防控提供了决策依据。     

基于动态监测的非接触式岩移监测系统的应用研究

垂悬岩体、高大陡边坡以及危险采空区的岩移动态监测一直是矿山安全监测的重点与难点。传统的岩移监测方法无法实现全天候实时动态监测,而且测量人员直接置身于危险采空区或者垂悬岩体处进行测量,存在极大的安全隐患。针对柿竹园多金属矿山岩移监测的实际需求,建立了一套非接触式岩移智能监测系统。结果表明:该系统实现了对被监测岩体全天候实时在线监测,得到了有效的监测数据,通过该系统软件进行数据处理分析,掌握了岩体移动动态变化趋势,为进一步了解围岩深部的位移规律提供了数据基础。     

多功能水压计的研发与应用

矿井突水严重危害着矿山的生产安全,因而对突水因素的监测就显得非常重要。研发了一种可同时采集水压、水温和围岩应力的多功能水压计,并以该水压计为基础,通过USR-TCP232-T24系列产品搭建了井下数据实时监测系统,从而实现井下水压、温度和围岩应力的获取。监测结果表明,开采活动进行时,岩体内的应力增大,开采活动中止时,应力变化较小;开采活动产生的围岩应力导致岩体破碎,致使水压消散;每增加45m的高差,深部岩体内的水温大约升高2℃。工程应用表明,多功能水压计在深部矿井"三高一扰动"的环境下能较好地发挥作用,可为矿山水灾预警提供数据。     

地下结构顶板爆破振动的动态应力比评价研究

针对传统动态应力比评价标准仅评价地下结构物可见损伤的不足,将爆破震动扰动下引起岩体内纵波波速变化这一因素考虑进去,从而把动态应力比评价标准扩充到了对岩体内部不可见损伤的评价,补充了原有标准的不足,从而为进一步加强地下结构顶板稳定性管理提供了相当有用的依据。     

流变应力恢复法地应力测试技术研究与应用

为有效实施煤矿深部工程围岩的稳定性计算和巷道支护,必须对地应力有一个准确的估计。流变应力恢复法地应力测试技术,能够成功实施煤矿深部巷道软弱裂隙围岩的地应力测试,实现煤矿深部巷道裂隙软弱围岩地应力场演化过程的长期监测。该技术在平顶山矿区2个矿井进行了应用,结果表明:地应力测量装置实现了顺利安装和观测;孔内定向推杆可以顺利实施三向压力传感器30 m的推进和旋转角度的测量,精度达到0.1°,为计算提供了高精度的方位数据。长期观测结果显示,三项压力传感器能有效感知钻孔围岩的流变过程,实现长期的扰动地应力监测。     

基于微震监测的矿山开挖扰动岩体稳定性评价

基于已有的微震监测资料,借助有限元数值模拟手段,分析深部矿山开挖条件下围岩裂隙损伤演化机制,同时探寻微震监测数据与应力场变量之间对应关系。研究结果表明：微震监测系统可以有效的识别围岩微破裂孕育机制并圈定岩体潜在失稳区域;结合数值模拟与微震监测结果发现3363号矿房围岩出现潜在失稳主要是由于矿房上覆岩层内部存在高水压含水层,在高水压力和开采扰动作用下,含水层与采空区之间形成条形的应力集中带,诱发微破裂的萌生、扩展和贯通,最终产生潜在失稳区;微震监测数据（累积事件数、累积能量、累积应力降）与应力场变量存在很好的对应关系,根据微震监测数据的时空分布规律可以对高应力区域的转移进行描述,并验证定量分析不同区域的应力状态的可能。研究结果为揭示复杂地质条件下深部矿山开挖岩体失稳机制及微震活动规律提供依据,指导矿山现场短期或者长期开采工艺的选择。     

煤矿冲击矿压灾害监测及防治技术研究

冲击矿压是威胁煤炭安全生产的重要灾害之一。针对目前我国煤矿冲击矿压灾害,本文分析了煤矿冲击矿压的形成机理和主要特征,总结了冲击矿压监测技术的研究现状,提出了冲击矿压防治技术措施。以冲击矿压微震在线监测系统工程应用为例,通过采用智能微震检测仪对煤层岩体应力进行实时监测,对监测数据进行分析处理,能够及时有效发现矿压灾害的潜在隐患,为制定合理的防治措施提供科学依据,实现煤矿安全生产。     

基于GDAS技术的采空区稳定性无线实时监测及安全预警研究

针对矿山采空区稳定性监测的现状,研究提出了一种基于ZigBee无线网络和GDAS网络中间件技术的无线实时监测方案。利用位移和应力应变传感器实时监测采空区岩体变形和破坏活动,监测数据通过无线网络传输,并应用GDAS平台实现监测数据的实时显示和评价预警。矿山决策者通过网络浏览的方式即可对矿山安全远程实时监控,对危险事件做出及时应对。     

地下矿山软岩巷道地压监测及其显现规律研究

针对某铁矿井下巷道陆续出现巷道底臌变形、侧帮向内挤压、顶部支护体下沉、锚杆脱落等地压显现 现象,进行了软岩巷道地压监测及其显现规律研究。设计了一套完整的巷道地压综合监测体系,以巷道围岩压力 监测和变形监测为主,实现在地表集控中心对井下巷道围岩的受力和变形进行长期观测和预警。巷道围岩压力监 测选用锚杆应力计,变形监测选用多点位移计,通过长期对监测数据进行分析,获得不同岩性的巷道围岩的应力和 变形机制。根据围岩变形和应力情况,结合矿山已有矿岩强度特征及巷道围岩松动圈厚度范围,建立巷道支护三 维数值模型,进行锚网喷支护参数优化,优化后支护效果较为稳定。研究表明,地压监测数据可为软岩巷道合理的 支护设计提供理论依据和指导,为支护结构的长期稳定提供保障。     

基于双指标深部高应力岩体完整性的评价研究

地下岩体结构工程稳定性是地下工程的研究热点,而其中岩体完整性对地下岩体结构变形、失稳起着决定性作用,同时也是为地下工程的开挖设计、制定支护策略提供理论依据。针对会泽铅锌矿深部高应力、多地层交错等复杂地质环境,采用钻孔RQD统计法与现场声波测试技术,综合对会泽铅锌矿1274m水平岩体进行完整性评价。研究结果表明：统计的RQD均值在25.1%~29.8%之间,结合非连续面条数统计,表现岩体完整性整体上较差；声波测试显示岩体完整性系数范围在0.29~0.53之间,属于破碎及较破碎岩体。两种评价方法的实际应用,可互相评价结果的准确程度,对钻孔所揭露的岩体完整性进行定量分析,为矿山设计提供依据,可为类似矿山提供借鉴。     

干耦合超声波测试技术及其岩石动静参量测试应用

岩体非线性特征随深度增加不断凸显,其力学参量现场实时精确测量及长期监测,为地应力解除过程中岩体变化特征及应力监测提供了必要的基础。然而目前岩石力学参量测定多基于室内力学试验,时效性及拟合方法都会对测试结果带来误差。传统耦合超声波发射、接收探头对接触面平整性要求高,无法实现布置于现场钻孔内的长效监测。基于干耦合点接触声波探头测速技术,通过对声波发射、接收探头设计,电路板稳定性及去噪算法研究,研发出具有瞬时采集、无线传输功能的数字化波速采集系统。通过对同一区域取自现场加工的?50 mm×100 mm花岗岩岩样及地应力解除岩芯,分别进行室内力学试验及波速测定,以计算获取相应静态、动态弹性模量。结果表明:首先,自研发基于干耦合点接触声波测速采集系统,对不同工作接触面适应性较好,数据误差在规范允许范围内。其次,对于同一区域相同岩性不同尺度、形态的岩样,其动态、静态弹性模量关系彼此间具有适用性。这就为现场基于干耦合点接触声波测速计算获得的岩体动态弹性模量,推算其静态弹性模量提供了依据。进一步的,基于干耦合点接触声波测速数字化采集系统,岩体动、静态力学参数在现场地应力岩芯解除过程及岩体长期监测过程中的实时采集及分析研究,具有一定的可行性。     

基于指标关联性的岩体分级集对云算法研究

岩体质量分类是一个非线性复杂的不确定系统问题，其分类指标参数具有不确定性、模糊性和随机性。在充分考虑岩体质量分级指标关联性的基础之上，建立了以指标距离为基础的信度测度赋权理论，计算得到了各指标的准确权重，降低了实际过程中因指标实测值出现误差或错误而造成评价结果与实际偏差较大的风险。根据集对论对传统云模型进行改进，提出了集对云模型的概念与算法，通过25组样本数据进行模拟分析，发现评价结果与逼近理想解排序法和分形插值法的评价结果相吻合，证明了该算法的可靠性。将模型应用于锡林浩特萤石矿采场岩体质量评价中，预测结果与实际情况相符，表明该算法具有工程实用价值，可运用于地下工程岩体质量分级。同时该算法根据指标信度类别划分函数可判断指标数据的真伪，可为岩体工程参数采集提供理论指导。     

矿山岩体原岩应力场的研究与实例分析

岩体原岩应力场的研究成果是矿山工程设计、安全施工与生产必不可少的原始资料之一。本文简要介绍了目前广泛应用的三类岩体原岩应力测量方法;列举了全国16个地下矿山的测量成果,并根据所得资料,对我国矿山岩体原岩应力场分布状况进行了初步探讨和实例分析。     

深部巷道裂隙围岩危险体判定及应力监测预警

工程岩体是由节理、裂隙等结构组成的不连续介质体,深部巷道处于高地压、强扰动的复杂工程环境中,裂隙岩体的稳定性是深部工程安全稳定性研究的重要课题。本文以矿井深部巷道为研究对象,构建离散裂隙网络模型,获得等效岩体参数,并以此建立裂隙岩体工程模型;分析工程巷道裂隙围岩的应力、变形和破坏特征。模拟试验结果表明:斜联巷、釆联巷、水仓与主运输巷交叉等位置是应力集中区,易产生张拉、剪切破坏;根据数值模拟获得的应力集中危险区域分布特点,布设围岩应力监测网络,成功预警位于斜联巷和水仓连接巷的顶板塌落事故,为矿山设备、人员安全提供了可靠的保障。     

三友石灰石矿陡坡植被恢复的集水节灌控制系统

以三友石灰石矿迹地生态重构立地条件以及植物生长监测为研究对象,结合燕山地区三友石灰石矿废弃地的实际情况,将传感器技术、自动控制技术等用于岩质边坡的植被恢复领域,研究设计一款集水节灌系统,根据不同植物不同成长阶段的水分的需求,实现植物的需水量灌溉,满足植物生长需求,提高植物的快速攀爬。同时,利用GPRS无线传输模块,将测量数据实时发送至人机界面,便于进行系统检测和参数设置,使得岩质边坡生态重构监测技术水平得以提升。     

煤矿巷道树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性研究

目前锚杆(索)支护技术是我国地下煤矿开采中普遍采用的一种主动控制巷道围岩稳定的支护技术。但由于锚杆支护加固对象的复杂性,至今锚杆支护原理还没有一个统一全面的认识,对于复杂条件下锚杆的锚固机理、与围岩相互作用关系、应力分布规律及锚杆杆体承载特性等问题需要更深入的研究。论文采用理论分析、数值模拟、现场实测、实验室试验和工程实践相结合的综合研究手段,围绕树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性展开研究。论文研究的主要工作如下:(1)总结分析了树脂锚固体4类主要失效类型,着重分析了黏结失效类型中树脂锚固体空洞锚固失效和长时蠕变失效的两种形式。建立了空洞树脂锚固体拉拔状态下的力学模型,推导并求出了空洞树脂锚固体拉拔状态下沿锚固方向上杆体内拉应力分布的理论公式;同时建立了考虑锚固层黏弹特性树脂锚固体拉拔状态下的长时蠕变力学模型,推导并求出了与时间有关的杆体拉应力和锚固层-杆体界面剪应力分布公式,并求解了恒力长时作用下的树脂锚固体杆体外端点位移的近似公式,同时得到了锚固体产生破坏的极限拉拔力。(2)通过实验室力学试验,获得了围岩、锚杆等力学参数。基于ABAQUS数值模拟软件,验证了两种锚固体理论力学模型,研究了两种模型中杆体应力沿锚固方向上的分布规律,揭示了拉拔过程中锚固体内应力和位移的演化过程;着重阐述了长时蠕变模型杆体应力传递的3个阶段,分析了杆体的极限抗拉拔力与时间的关系。同时,分析了锚杆直径、锚固层厚度、钻孔直径、围岩强度等参数对树脂锚固体杆体拉拔状态下的力学特性影响。(3)采用预拉力锚固系统锚固作用综合实验台,研究了不同预拉力下锚杆杆体应力和弯矩的分布特征及其变化速率;通过测力锚杆井下拉拔试验,揭示了预拉力与锚杆杆体外端点位移的相互关系及不同预拉力下锚杆杆体轴力分布及承载特征,同时基于测得的锚杆杆体应力分布曲线,借助第三章研究结果,准确推测了巷道顶板的完整性;初步判定预拉力锚杆实际工作状态下杆体承载受力主要集中在外锚固段中性点附近,对限制巷道围岩变形起主要作用的是中性点附近杆体-锚固层-围岩3者之间的黏结关系,同时杆体内弯矩的存在说明杆体截面处于非均匀受力状。(4)在分析现有煤矿巷道围岩监测手段的不足和光纤光栅传感技术优越性的基础上,初步提出并建立了一套基于现代光纤传感技术的煤矿巷道围岩动态实时在线监测系统;并采用该系统对煤矿巷道锚杆杆体受力及演化进行了实测,监测结果表明树脂锚杆的杆体应力分布呈非均匀分布且波动变化,杆体内存在大量弯矩。(5)最后基于理论研究结果提出了确保锚杆支护效果的几个基本原则,并应用于淮南矿区顾桥矿1115(1)工作面轨道巷及朱集煤矿1111(1)工作面轨道巷的工程实践,应用结果表明遵循该原则采用的预拉力高强锚杆强化支护技术可以充分调动围岩的自稳能力优化围岩的力学参数,有效控制巷道围岩变形,满足矿井安全生产要求;同时采用煤矿巷道围岩动态实时在线监测系统成功揭示了1111(1)工作面轨道沿空留巷期间的矿压显现规律,并与传统矿压观测结果进行了对比,两者基本一致,初步显示了该系统的可靠性和应用前景。     

高海拔矿区地应力测量与岩爆倾向性评价

采用套孔应力解除法和空心包体三轴应变计,完成甲玛矿区井下4个水平的地应力测量,获得8组三维地应力状态数据,揭示了矿区地应力场的分布规律,建立了矿区地应力场模型。根据地应力实测数据,采用多角度、多重判据对围岩岩爆倾向性进行评价。结果表明：甲玛矿区地应力以水平构造应力为主导,属构造应力场型矿区,地应力量级属中等,井下围岩岩爆倾向性为弱~中等。研究成果对指导矿山井巷工程设计、采场布置、支护参数优化及地压灾害防控等具有重要参考价值。     

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。