煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术

为提高煤岩冲击动力灾害的监测预警效果,采用系统的理论研究和集成创新,完善了弹塑脆性突变模型,揭示了煤岩体损伤及冲击动力破坏特征与声发射、微震、电磁辐射等前兆信息的耦合关系,提出了煤岩体冲击破坏前兆信息辨识准则与监测原理,建立了煤岩冲击动力灾害的连续监测预警技术体系,即煤岩冲击动力灾害时间上从早期综合分析预测到实时监测预警,空间上从区域监测预警到局部监测预警、点验证的时空连续监测预警,并按无、弱、中、强4级对煤岩冲击危险进行分级预测预报。应用结果表明:该技术体系可较为有效地判别和预警煤岩冲击动力灾害危险,应用矿井降低煤岩冲击动力灾害显现71%。     

基于煤样破坏声发射特征的冲击地压评价预警研究

冲击地压作为深部煤矿开采中最常见的煤岩动力灾害，严重影响煤炭资源安全高效开采。精准及时的预测预报是冲击地压防治的关键。为研究煤岩体冲击前兆信息特征，建立高效精准的动态预测模型，通过对冲击倾向性煤样进行三轴压缩试验，获取煤样破坏过程声发射特征参数，选取典型冲击矿井工作面微震参数监测值，与实验室所得声发射参数进行对比，分析实验室和工程尺度下的声发射与微震参数特征之间的相似性，建立两者之间冲击声学信息的表征关系。结果表明，煤样压缩过程中声发射累计能量的“阶梯状”增长与大能量矿震事件发生前的“缺震”现象都揭示了煤岩体能量的孕育过程。同一能量指标在不同尺度下对大能量事件的发生具有相同的演化趋势，经量化后可作为冲击地压危险性预警指标。继而选取影响工作面冲击地压发生的静态因素与应力动态因素，结合所得微震参数指标分别赋予动态权重，并引入贝叶斯概率进行修正，构建冲击地压动-静态协同综合评价预警模型。利用该模型对河南某冲击矿井工作面危险性进行评价预警，获得优于传统评价模型的预警结果，展现了该模型的工程适用性与准确性。     

微震监测技术及其在煤矿的应用现状与展望

微震监测技术是利用煤岩破裂产生的微震信息来研究煤岩结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法,主要包含微震传感器台网优化、微震信号识别及到时拾取、波速模型、微震波形特征、震源定位与成像、震源机制、微震监测预警等。近30 a来,微震监测技术在煤矿安全高效生产中得到了广泛应用。煤岩破坏过程中的微震波形特征、震源定位、矿震活动性规律、冲击地压微震监测预警等方面取得了一系列研究成果;在煤与瓦斯突出、突水、煤岩水力压裂、井下救援的微震监测方面进行了初步研究和探索,并取得了一些有益研究结果。然而煤矿微震监测仍然有很多问题需要进行系统深入研究,主要包含如下：煤岩不同破坏类型,特别是流体作用或参与下的微震波形信号特征;高精度的微震信号自动识别和到时自动拾取;基于微震监测的被动成像理论与技术;煤岩动力灾害前兆信息智能感知和多元信息融合监控预警体系;煤岩水力压裂裂缝微震监测与定位成像技术等。同时还应加快发展和完善具有自主知识产权的高性能、高精度、高可靠性的微震监测系统。     

冲击矿压危险的电磁-震动耦合评价

冲击矿压危险性评价与预警中,单纯使用电磁辐射强度值大小或微震能量值都具有一定的局限性。为此,在分析冲击矿压发生的力学环境与能量过程的基础上,提出电磁-震动耦合预警方法,建立评价方法体系,结合具体冲击矿压矿井监测结果,研究冲击矿压前兆规律。结果表明:在冲击矿压发生前,电磁辐射值高出正常值,微震活动表现出能量存在明显的沉寂期,次数却呈上升趋势的规律,利用电磁-震动耦合的静态叠加评价和动态评价与现场冲击前兆具有较高的一致性;而当电磁辐射强度值较高,但是微震活动处于稳定的能量释放状态时,叠加后的综合冲击危险性降低,不会出现冲击矿压危险。     

煤岩破裂产生的冲击破坏及其探测技术

根据煤岩破裂产生的冲击破坏机理,提出了煤岩冲击破坏的弹塑脆性模型,并利用该模型分析如何进行冲击矿压危险性预测;介绍了声发射以及电磁辐射技术的机理和监测原理。     

一起顶板断裂诱发冲击地压的声发射效应

峻德煤矿某工作面在8月30日发生一次强冲击显现,通过分析声发射监测的数据,得出声发射在回采期间冲击前兆的变化规律。声发射与岩石断裂有密切联系,能监测煤层顶板诱发的冲击地压。研究表明:声发射活动值和能量值的变化趋势能够反映工作面的冲级矿压危险程度,当其值稳定在一个数值附近时,工作面处于安全状态,当数值突然升高或者降低时,工作面处于危险状态。研究结论为煤矿利用声发射监测系统对冲击矿压进行预警提供了一定依据和参考。     

矿井顶板失稳及来压预警的数学模型及应用

基于矿压控制理论,分析了采场顶板和巷道围岩的矿压显现影响因素的数量变化特征以及与各种状态的关系,采用模糊数学理论,构建了采场顶板和巷道围岩的多因素灾害综合预警模型,研制出矿井顶板状态的智能监测及预警软件,并应用于KJ232矿井顶板状态与灾害预警系统,实现矿井采场顶板与巷道围岩监测系统的智能预警功能.本系统增加了顶板岩层结构、采场风流压强和巷道围岩破裂的声发射监测,并与平巷监测融为一体,综合判断工作面周围顶板围岩总体所处的安全和灾害状态.现场应用证明,该系统监测预警反应迅速,可敏锐地扑捉到顶板灾害的临界预兆信息,灾变预警趋势符合顶板断裂运动的来压显现和巷道围岩失稳破坏实际.     

自震式微震监测技术及其在浅埋煤层动载矿压预测中的应用

震源定位是利用微震监测技术研究煤岩体破裂机制、分析矿震活动规律、预测煤岩动力灾害的基础。为了提高微震监测系统的定位精度,提出一种自震式微震监测技术,利用自激震源发射震动信号反演监测区域波速场,再将反演的波速场应用于微震定位计算。根据自震式微震监测技术研发出KJ768煤矿微震监测系统。在一定的拾振器网度和空间布置条件下,通过煤矿井下定点爆破和同类监测系统对比试验,测得KJ768微震监测系统的定位误差小于10 m。基于开发的KJ768煤矿微震监测系统开展浅埋煤层动载矿压预测,通过现场实测,研究微震监测结果和工作面矿压观测结果的关联关系,选定微震事件数和微震总能量作为周期来压和动载矿压的监测预警指标,并确定了预警阈值,准确预测了3次动载矿压和近20次周期来压,为防治异常矿压显现提供了借鉴。     

矿井微震Z值同应力和声发射的耦合关系

华亭煤业砚北煤矿由于采深较大,冲击矿压发生的频率很高。近年来开始使用SOS微震监测系统、CRMS应力在线监测系统以及声发射系统对冲击矿压进行监测和预报。通过分析砚北矿250204工作面微震活动、应力以及声发射的原始记录数据,研究了开采过程中几次典型冲击下三者之间的耦合关系,进而根据三者数据之间的曲线图趋势,提出了几种可行的耦合模式。特别是使用了微震分析指标Z-MAP统计值作为一个参量来进行分析,更加直观地反映了微震发生的概率大小,同应力和声发射数据有着很好的对应关系,从而为砚北煤矿的矿压观测提供了更好的理论依据。     

不同尺寸冲击倾向性煤样声发射b值特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,借助地震学中的G-R关系探讨了其变形破坏过程中的声发射振幅随时间的动态演化规律。试验结果表明:采用累计频次和微分频次所计算的b值均能得到相似的规律,对于数据量小时可优先采用累计频次,数据量较大时可优先采用微分频次;声发射b值可以表征煤岩体失稳破坏过程,可分为3个阶段:初始波动下降、非稳定过渡、直线下降,可归结为"递减-波动-下降"模式,3个阶段分别与应力应变曲线的各阶段相对应;不同尺寸煤岩声发射变化趋势不同,随着试件尺寸的增大,b值前期变化趋于不稳定,进入塑性阶段后表现出较高的一致性,失稳破坏前兆特征的尺寸效应并不明显;声发射b值在煤岩失稳破坏前均降至最低点,b值下降的突变点位于0.80～0.85倍峰值应力范围内,因此可以把塑性阶段b值的持续下降阶段作为煤岩失稳破坏的一个前兆特征。     

急倾斜巨厚煤层矿震诱冲机制及时-空特征

针对急倾斜巨厚煤层赋存环境复杂,开采过程矿震频发,冲击危险性高的问题,通过构建岩柱力学模型及数值模型、统计分析现场矿震事件,掌握急倾斜巨厚煤层开采的煤岩灾变规律,形成基于动静载理论的急倾斜巨厚煤层矿震诱冲机制。选取5个微震指标深入分析矿震发生的异常前兆及时间跨度特征,预警冲击危险并把握补强卸压时机;通过微震事件定位掌握矿震发生的空间特征,明确卸压关键区域,基于矿震发生的时空特征提出防冲策略。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层岩柱在直立极限长度范围内其弯曲变形效应随采深增大愈加明显,岩柱内部能量积聚随采深增加也愈高,岩柱及煤层内高能量积聚区域受开采扰动发生大尺度破裂产生矿震,形成动载震动波,动静载叠加易诱发冲击;矿震发生前日总能量-频次、A(b)、S均出现低值异常,b、P(b)均出现高值异常,异常跨度即表示矿震孕育过程。矿震发生时日总能量-频次、A(b)、S均快速跃升至高值,b值、P(b)值均快速降低至低值;矿震事件发生前在空间上某区域出现明显的缺震现象,缺震程度越高矿震能量越大,据此可对缺震区域采取补强卸压措施,从源头降低冲击危险性。防冲策略包括对岩柱及煤层充分卸压,弱化冲击源头及路径,加强...     

深井SOS微震监测系统建设与应用

为了加强深井冲击矿压预测情报有效性,介绍了SOS微震监测系统的结构、原理、布置、定位与监测信息后处理;针对采空区残余应力以及断层构造应力诱发冲击矿压的问题,以微震监测为基础,分析了不同地应力作用下可能的冲击危险。结果表明:微震活动持续不均衡活跃并呈增大趋势时有较高冲击矿压可能性;微震活动持续沉寂但矿压显现异常强烈时有较高冲击矿压可能性;微震监测系统在深井冲击危险等煤岩动力灾害的监测预报方面发挥重要作用。结论对于矿井冲击矿压监测与治理工作具有借鉴和指导意义。     

声发射监测评价冲击地压危险状态的机制及应用研究

为了研究声发射监测技术在冲击地压危险状态评价和预警应用中的可行性,理论分析了声发射活动与煤岩损伤的关系,基于实验室测试验证了声发射指标与煤层冲击倾向性的相关性,并将研究成果应用到了现场实践。研究结果表明:声发射活动能够直接反映煤岩材料的损伤程度,声发射事件的峰值能量与煤层冲击倾向性呈正相关关系,一定程度上揭示了煤岩发生冲击破坏的能力,是评价冲击地压危险状态的基础。基于发震概率与报准率的衡量标准,现场应用声发射敏感指标地音异常系数对冲击危险状态给出了评价和预测,确定了潜在冲击危险区域和危险状态,有利于指导现场提前采取措施,降低冲击危险。     

冲击矿压风险智能判识与监测预警云平台

针对制约煤矿安全高效生产愈发严重的冲击矿压问题,为提高冲击矿压监测预警的准确性及针对性,紧跟监测预警技术朝着区域化、连续在线化、智能网络化的发展趋势,基于GIS技术、云技术、采矿地球物理等技术,搭建了集成微震、应力、钻屑等多种监测手段的冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台。该平台由硬件、平台支持软件及云技术3个部分组成,采集并以标准化格式存储上传至云服务器,利用内嵌于平台的风险判识模式及危险等级预警准则,判定所评价区域危险状态,通过选取冲击变形能、时序集中度、时空扩散性等13个监测预警指标并利用F-score法对不同冲击危险程度的指标赋予动态权重,根据各指标与震动、应力、能量间的关系,建立了多场多参量综合预警体系,克服了单一监测指标预警效能较低弊端,实现了由点、局部、单参量监测至区域多场多参量综合预警的转变;同时通过监测数据的信息化与防治措施信息化的融合,将现场监测、防治信息通过"一张图"的形式实时预警,在预警冲击危险性的同时指导现场对高危区域加强卸压解危,同时根据解危效果反馈预警信息准确性,做到了监防互馈,该平台在山东古城煤矿等13个矿井成功运用。     

单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究

利用岩石力学试验机和PAC声发射信号采集系统对冲击倾向性煤样进行了单轴压缩声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能率及b值的动态变化特征。试验结果表明,冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点分别为峰值应力的90%和50%,声发射能率特征体现了冲击倾向性的本质,煤样破坏前声发射b值可以作为冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

煤岩受载变形破坏声电信号时域特征的实验

受载煤岩变形破坏会产生声发射和电磁辐射信号,利用声电信号前兆在时间上和空间上的变化特征可以预警由大范围煤岩失稳引起的煤岩动力灾害。如何将声电信号的时域特征与煤岩变形破坏过程联系起来,关系到煤岩动力灾害声电预警的效果。利用煤岩单轴压缩变形破坏声电效应实验系统,测试了单轴压缩条件下煤岩试样变形破坏过程的电磁辐射和声发射信号,统计并分析了不同加载阶段电磁辐射和声发射信号的能量、脉冲等参数的变化特征。研究结果表明,受载煤岩声发射和电磁辐射的脉冲数和能量值均具有良好的时域特征;煤样的声电信号随着加载时间的进行而增大,在破坏阶段达到最大值;岩样的声发射信号在破坏阶段达到峰值而电磁辐射信号在弹塑性阶段达到峰值。     

冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

冲击地压预测是冲击地压防治的前提和基础，是冲击地压研究中的一个重要内容，针对目前冲击地压前兆和冲击地压孕育过程之间内在的本质联系不清问题，从煤岩变形破坏的固有特征及冲击地压的失稳问题本质出发，借鉴经典力学中的能量原理，提出了以煤岩变形局部化为前兆的冲击地压预测方法。根据虚位移原理和稳定性理论，推导并得到了冲击地压发生临界条件和煤岩变形局部化发生条件，分析煤岩变形局部化与冲击地压内在联系。采用梯度塑性理论，通过引入内部长度参数，构建煤岩变形局部化模型，分析了变形局部化带宽带的影响因素。给出了测量内部长度参数的实验方法，对变形破坏向某一区域集中，且集中区具有一定尺度的现象进行理论解析。根据变形局部化的时空演化特点，引入描述变形局部化的空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标，从“时间演化”属性和“结构演化”属性对变形局部化状态进行识别。对变形局部化预测方法进行初步的应用研究，分别采用实验的声发射数据和现场的微震数据，预测煤岩试件破坏区域和煤矿冲击地压危险区域。研究表明：煤岩变形局部化开始条件和冲击地压发生的临界条件相同，即冲击地压孕育演化过程和煤岩变形局部化的过程具有一致性；煤岩变形局部化带...     

微震监测冲击矿压技术成果及其展望

煤矿冲击矿压、矿震等煤岩动力现象,与岩体的微震事件有着必然联系。介绍了微震法预测冲击矿压危险的基本原理,综述了我国冲击矿压微震监测技术的初步研究成果,并对微震法需进一步研究和攻关方向进行了展望,以期该技术成为我国冲击矿压等地质灾害预测预报乃至防灾减灾的最实用有效的监测手段之一。     

不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

掌握煤体冲击破坏前兆信息是科学预测预报煤岩介质冲击地压的科学瓶颈问题,应力加载下不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆信息研究是解决这一问题的重要手段。采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究,通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及b值变化存在差异。伴随煤体冲击倾向性增强,加载过程煤体振铃计数、AE能量趋向于高应力区域集中,煤体弹性阶段所占比例增加,塑性破坏阶段所占比例减少;主频带宽变动较小,有集中的趋势,主频强度在弹性阶段、塑性破坏阶段、临破断阶段均不同程度增加,煤体冲击倾向性越强,主频强度增幅越大;b值降低时应力值增加,更靠近煤样破坏强度。