冲击地压危险源层次化辨识理论研究

 采用理论分析并结合现场案例,指出冲击地压发生前存在潜在危险源,并将广义危险源概念引入冲击地压监测中,定义冲击地压能量积聚至破坏启动的区域为冲击地压危险源,进一步分析冲击地压危险源具有触发因素、潜在危险性和发展趋势3个要素,指出一切冲击地压监测的统一目标为及时、准确地辨识到冲击地压危险源。对冲击地压危险源产生的时空状态进行分析,为不产生盲区,提出对冲击地压危险源进行时空上的层次化辨识,并且建立理论应用模型,在华丰煤矿分别选用微震监测技术、地音监测技术和煤体应力监测技术,分井田范围、工作面范围和局部危险点进行全矿井冲击地压危险源辨识。实践证明该理论可提高现场监测效率、并有效指导现场对于冲击地压显现的预测。     

煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别

 利用微震监测系统,采集平煤十一矿3次煤柱型冲击地压发生前后的微震信号,分析3次冲击地压期间微震信号的时序特征,并利用FFT方法、分形几何原理研究微震信号的频谱特征和分布变化规律。得到如下结论：(1) 煤柱形冲击地压发生前均有一段明显的微震活跃期,表明围岩系统正与外界交换能量,围岩结构处于非稳态的调整期,冲击地压为当次调整期中能量最大的震动,冲击地压发生后,微震活动程度明显下降,出现震后平静期。(2) 冲击地压的主震信号20 Hz以下低频成分占比例较多,波形图中尾波明显且持续时间长,震动能量级别较大。(3) 冲击地压前震主要频谱成分集中在40～100 Hz,前震发生时间距离主震越近,低频成分越多。(4) 微震事件分维值在大的震动(矿震或冲击地压)发生前会持续下降,在大震临近时会降到某个临界值以下。上述规律对确定预测冲击地压的预警指标以及对提高冲击危险程度判别的准确性具有重要意义。     

基于混沌时序预测方法的冲击地压预测研究

冲击地压的预测研究通常是通过监测对冲击地压的发生、发展过程比较敏感的指标来进行的，监测指标值的大小和变化规律是进行预测的基础，监测数据在未来一定时期的峰值变化和走势变化规律对于预测过程具有重要意义。首先，通过对互信息和伪邻近点数的计算，确定观测序列的延迟时间和嵌入维数等相空间重构参数；然后，在对观测序列相空间重构的基础上，运用一阶局域近似法和基于最大Lyapunov指数法等混沌预测方法对冲击地压上作面的观测时间序列进行数学建模，并与传统的数理统计预测方法进行对比分析；最后，用实例对冲击危险区域的电磁辐射序列及顶板下沉速度序列等进行预测运算和分析，其结果表明，运用混沌理论的预测方法可达到较高的预测精度。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

 为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。     

基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用

 针对济三煤矿现场监测数据,通过分析和数值计算,建立钻屑量、支承压力以及钻孔应力的关系,在此基础上,研制冲击地压实时监测预警系统。通过应力测量代替钻屑量作为冲击地压危险性主要监测指标和实时监测工作面前方应力场的变化规律,实现冲击地压危险区及危险程度的实时连续监测预警。自主开发的分析预警软件可以实时显示随工作面推进的支承应力动态云图和测点应力柱状图,设定报警阈值,以判断危险区域及其危险程度,预报发生冲击地压的可能性。通过多个冲击危险矿井的应用,表明该系统能准确地预报冲击危险区及其危险程度,实现高冲击危险工作面的安全开采。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

冲击地压预测的PSO-SVM模型

冲击地压是一种复杂的非线性动力学现象,其发生机制非常复杂,而在监测数据的基础上对其进行分析预测,是冲击地压的一个重要研究方法,但是采用传统的数学力学方法很难表达冲击地压与其影响因素之间的复杂非线性关系,其中采用时间序列进行预测是一个重要的研究方向。针对这一问题,将冲击地压看作一时间序列过程,采用支持向量机建立冲击地压序列之间的非线性关系;同时,考虑到支持向量机参数对预测效果的影响,采用微粒群算法对支持向量机参数进行优化选择,从而提出冲击地压预测的PSO-SVM模型,提高支持向量机的推广预测能力,并对一具体算例进行研究分析。研究结果表明,该方法是科学可行的,并具有很好的精度。     

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明：冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面：一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230～360 m,冲击位置在工作面前方0～60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105～106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。     

基于微震监测的应力场反演方法及其工程应用研究

确定工程中岩体所处的应力场环境是灾害监测预警与应用的基础,在微震震源机制解的基础上探索采用联合迭代反演方法反演应力场,该方法采用不稳定性系数I作为约束结合经典的线性反演方法反演应力场,有效避免了两个断层面的模糊性对反演结果的不利影响,提高了反演精度.通过多次反演选取能够产生最大不稳定性系数的摩擦系数μ作为岩体的摩擦系数...     

基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究

简要介绍微震监测技术基本原理及冬瓜山微震监测系统的组成和结构,运用微震监测系统对冬瓜山矿床首采区段不同时段的地压活动集中区进行圈定,采用量化地震学原理开展岩层应力变形强度分布研究,揭示开采诱发地压活动的时空变化规律,初步评价盘区隔离矿柱和回采采场的地压活动状况及稳定性。研究表明,地压活动相对集中区的变化与井下采掘活动紧密相关,各地压活动相对集中区与采掘工程施工位置相对应,在时空上随采掘活动的改变而发生变化。采场回采区内的地压活动相对较稳定,掘进活动区内的地压活动分布较分散且随采掘活动的结束很快减小或消失,目前首采区段岩层是稳定的。实践证明,微震监测技术为深井矿床开采地压活动规律研究提供一种有效技术手段,研究成果为指导矿山安全生产奠定重要的基础。     

基于三维数值模拟和微震监测的水工岩质边坡稳定性分析

建立以微震监测为主、应力场分析为辅的水工岩质边坡稳定性分析方法。利用RFPA3D分析软件,研究三维条件下锦屏一级水电站左岸岩质边坡破坏过程微破裂的萌生、演化、扩展、相互作用和贯通机制,揭示边坡整体失稳破坏模式,探讨岩质边坡渐进失稳破坏过程应力场和微震活动性空间演化基本规律,形成从细观损伤演化过程揭示宏观岩体结构破坏的研究方法。研究结果表明：断层F5,F2和煌斑岩脉X等软弱结构面是控制左岸边坡破坏模式的关键因素之一,RFPA3D离心加载法得到的边坡潜在滑移面及声发射与微震监测系统得到的岩石微破裂空间宏观演化趋势比较一致。     

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面（解放层）的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论：（1）工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;（2）C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为：在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。     

长壁工作面采空区见方形成异常来压的微震监测研究

上覆岩层的断裂失稳下沉是造成工作面矿压显现的根源。采用微震监测技术对长壁工作面见方期间围岩破坏的整个过程进行监测,研究长壁工作面见方期间微震事件动态信息与岩层运动及矿压显现间的关系,揭示大能量微震事件发生和工作面围岩异常矿压的物理力学机制。同时,统计研究采场煤壁片帮和支架工作阻力的动态变化规律。微震监测与宏观矿压观测综合对比研究表明,见方期间的开采影响范围比正常开采时大,围岩释放能量也达到极大值。研究结果证实了采空区见方期间工作面将发生异常矿压,能够为见方期间冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等矿井动力灾害防治提供针对性的指导。     

基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究

 冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性,最大应力为38 MPa,为控制岩爆的发生及制定高应力区采矿的战略,2005年矿山引进南非ISS国际公司的微震监测系统,实现对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。简单介绍冬瓜山矿微震监测系统的布置;基于一段时间内监测到的有效事件,对井下首采区地震事件的时间与空间分布进行研究;利用可视化工具JDI对事件的相对集中区域进行圈定,并与井下生产活动相结合,分析原因;还提出对井下工程岩体危险识别的手段,并用实际发生的事件验证;综合研究成果,制定以微震监测技术为基础的高应力区采动分析的工作程序,为目前矿山的安全生产提供依据。     

岩质边坡微震活动特征及其施工响应分析

 岩石高边坡稳定性是水电工程建设能否顺利进行的关键问题之一。锦屏一级水电站左岸边坡地应力高,断层裂隙发育,岩体卸荷深度大,地质条件复杂,边坡在施工期和运行期的稳定性问题十分突出。介绍左岸边坡微震活动特征,并对开挖卸荷过程微震活动性时空分布规律以及与不同时段、区域的施工工况进行对比分析,对岩石微破裂萌生、发育、扩展、聚集趋势与岩体损伤关系进行探讨,得到左岸边坡微震活动与施工响应之间的相互关系。结果表明：大坝基坑、煌斑岩脉置换斜井、1 670 m雾化区边坡排水廊道开挖和边坡弱层固结灌浆引起的深部岩体卸荷松弛而诱致微震活动性,可以很好地揭示和反映现场施工工况。研究成果可供其他类似岩质高边坡工程借鉴、参考。     

玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测

 玲珑金矿是石英脉型金矿床, 目前开采深度已超过500m , 未来开采深度将超过1 000m。对此类矿床赋存条件的地下矿山, 深部开采时可能遇到的一个突出问题就是岩爆。根据系统的工程地质调查、地应力场现场实测、岩石力学试验、三维有限元数值模拟的结果, 采用多种岩爆判断准则, 分析了玲珑金矿深部开采时围岩中的能量分布规律和发生岩爆的可能性, 提出了防治岩爆的建议措施。     

岩爆应力状态研究

通过地下洞室围岩的应力状态分析和真三轴压缩试验,研究了岩爆应力及其在围岩中的极限深度问题。研究结果表明,片状劈裂岩爆是在双轴压缩应力状态作用下在洞壁面上产生;剪切错动型岩爆是在真三轴应力状态下在围岩内部产生;围岩内部存在着生产岩爆的极限深度区,极限深度的深浅取决于应力场中的垂直和水平主应力的比值大小。     

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

 随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测