高位巨厚覆岩运移规律及矿震触发机制研究

矿震是由矿山开采引起的非天然地震活动,鄂尔多斯矿区侏罗纪煤层上方常见白垩系巨厚层状砂岩组,巨厚砂岩组破断、滑移容易诱发巨厚覆岩型矿震,研究揭示高位巨厚覆岩的内部活动演化规律与动力响应特征是巨厚覆岩型矿震灾害防控的基础。笔者基于符拉索夫厚板理论,结合地面探测孔、地表沉降以及微震监测技术,研究了鄂尔多斯某矿综放开采巨厚覆岩结构演化规律及覆岩内部活动特征,揭示了高位覆岩运动诱发矿震机制。结果表明,综放实体煤回采阶段,采空区面积较小,低位顶板垮落较为迅速,顶板破断角64°～72°,高位巨厚覆岩结构无明显裂隙产生,地表下沉量较小;邻空回采阶段,顶板破断高度向巨厚覆岩层扩展,巨厚覆岩层产生裂隙,巨厚覆岩下顶板破裂角有所增加,并且地表沉降量快速增加呈台阶式下沉。白垩系巨厚砂岩层厚较大、强度较高,推导得出邻空回采阶段工作面推进约324.3 m时,巨厚覆岩结构具备发生初次破断的条件,开始出现强矿震事件;并且其周期破断步距为83.7 m。巨厚覆岩结构破断触发矿震机制为：随采空区面积增加,顶板破裂高度逐渐扩展至高位巨厚砂岩层,该巨厚砂岩层发生竖“O-X”型初次破断、滑移以及周期性破断易诱发强矿震事件。研究结...     

物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法

煤矿智能化建设的大背景下,如何高效的从冲击地压海量监测数据提取有效信息与提高预测预警准确率是未来的研究重点与难点。为解决目前基于物理指标冲击地压预测方法泛化能力较差、对海量数据特征挖掘不充分的困境,结合深度学习技术,初步尝试建立了物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法。以陕西彬长矿区某强冲击危险工作面为背景,分析了多次大能量事件发生前物理指标的变化特征,并统计剖析了仅使用物理指标驱动的冲击地压危险预测指标的短板与不足;提出采用物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法,预测模型包括数据预处理、特征提取以及预警模型构建3个模块,数据预处理将原有微震监测数据处理为具有特定时间窗的前兆模式序列,特征提取主要包括基于物理指标的显式特征以及基于卷积神经网络的数据隐式特征提取,提出基于注意力机制的显式特征和隐式特征的深度融合方法,并通过全连接网络实现预测模型分类,实现对不同冲击危险等级的大能量事件进行预测。模型测试结果表明：预测时长为未来1 d、未来2 d以及未来3 d时预测F1分别可达0.956、0.950以及0.854,现场可根据需求选用预测时长;工程应用时模型可对大能量事件准...     

硬厚致灾岩层预裂爆破防冲参数优化及工程实践

针对彬长矿区某矿硬厚粗粒砂岩致灾层预裂爆破效果不佳的问题,采用数据分析、数值模拟及工程试验等方法研究了预裂爆破关键参数,模拟分析了岩石抗拉强度、炸药装药密度、不耦合系数及爆破孔间距对预裂爆破效果的影响,优化了针对粗粒砂岩层的爆破参数。结果表明：开展预裂爆破工程时,应当考虑爆破参数与岩层抗拉强度相适应,避免炸药能量浪费在破碎区、削弱裂隙区裂纹扩展尺度;较小炸药装药密度下,增大装药密度明显促进爆破裂纹扩展,而较大装药密度下促进作用不明显,易导致破碎区范围明显增大,浪费炸药能量;不耦合系数的最佳区间为1.42～1.58,此区间外裂纹扩展尺度较小,爆破效果不理想;增大炮孔间距,孔间裂纹贯通趋势减弱,爆破效果变差,较优的炮孔间距为10 m。优化了粗粒砂岩层的爆破参数,现场试验后工作面来压步距与支架阻力明显降低,大能量微震事件总能量与事件数占比显著降低,卸压效果较好。研究结果可为硬厚岩层预裂爆破参数设计提供参考。     

煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制

为实现对褶皱构造区冲击矿压震源机制的有效分析,基于震源机制矩张量反演方法,在优化震动波远场位移及破裂面产状求解方法的基础上,对甘肃华亭矿区砚北煤矿250204工作面回采期间冲击矿压震源破裂类型、破裂面产状及视应力等地震学参量进行系统分析,揭示了砚北煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制。研究结果表明:工作面回采扰动影响下,褶皱构造区冲击矿压震源破裂类型以拉张破裂为主,其矩张量以非双力偶部分占主导,表现为水平挤压构造应力、超前支承压力共同作用下煤岩体的应力释放;震源破裂面产状有明显分化趋势,小倾角(35°)震源破裂面走向多垂直工作面推进方向,而大倾角(35°)震源破裂面走向多平行于工作面推进方向且倾向实体煤一侧;褶皱构造区冲击矿压震源辐射能量和地震矩基本分布在一包络线内,随震源辐射能量增大,其地震矩大小分布更加集中;通过震源视应力计算,得到了回采扰动下工作面及其周边应力演化情况,与冲击矿压震源时空分布及巷道冲击显现结果基本吻合。     

微震定位精度影响下采场裂隙表征与冲击地压预警

我国深部煤矿高强度开采和复杂地质环境造成冲击地压灾害频发,对矿井安全高效生产造成严重威胁。目前,我国冲击地压矿井配备的微震监测系统在震源定位精度上仍存在不足,冲击地压灾害依然存在“灾源找不准、灾害控不住”的难题。为准确描述采场微震活动空间演化特征,降低震源定位误差对微震预警造成的不利影响,基于冲击地压矿井现有微震监测条件,采用仿真正演试验法探究了煤矿微震台网定位误差矢量分布特征,提出了一种考虑微震定位精度影响的微震裂隙贯通表征方法,并在某矿井回采工作面进行了冲击地压预警实践。研究结果表明：采场不同区域震源定位精度的矢量性差异是造成冲击地压微震预警偏差的重要原因;提出的微震破裂贯通可能性指数Fsum采用与震源能级相关的近场区域半径表征震源破裂尺度,并考虑定位误差对不同距离震源间破裂贯通的影响,最大程度还原了采场煤岩体裂隙扩展贯通可能性的分布规律,与冲击地压危险具有良好对应关系;Fsum在冲击地压危险相关性上显著优于微震频次,同时危险区域识别效率又强于微震能量,可兼顾预警精准率和召回率,是理想的冲击地压周期性预警评价指标。研究成果将为评价微震台网监测能力、提高冲击地压微震预警能力与防治效率...     

单轴受载下岩体破裂演化特征的声发射CT成像

 岩石受载下的内部破裂演化特征对于研究岩石破坏机制具有重要意义。将声发射(AE)与CT成像技术相结合,对3种不同加载速率下的泥岩试样进行声发射CT反演计算,分析各加载阶段波速分布特征,探究波速演化与岩样宏、微观破裂的关系。研究结果表明：(1) 在加载初期,岩样内部波速范围变化较小,波速异常区面积较小且分布较为零散;随着载荷增加,波速范围不断增加,同时波速异常区面积也在不断扩大;临近破坏阶段,波速范围进一步增加,其低波速区也逐渐形成大面积贯通。(2) 岩样实际宏观破裂位置与低波速区及波速异常丰富区位置吻合,说明临近破坏阶段,岩样内部微裂隙的大量萌生发育使低波速区快速扩展贯通,同时微裂隙周围的岩石颗粒因受挤压而呈现出高波速状态。(3) 受载初期,岩样内初始微裂隙发育萌生位置与低波速区大致吻合;随载荷增加,大量微裂隙开始在低波速区与波速异常丰富区聚集、延伸;在临近破坏阶段,微破裂密集区扩展贯通,其所处区域与岩样破裂位置大体一致。(4) 反演计算调整前后的AE事件整体分布特征保持一致,证明了初始AE事件定位的准确性及声发射CT成像的可靠性。     

基于区域划分与主控因素辨识的冲击危险性评价方法

冲击矿压机理复杂,影响因素众多,不同区域内冲击矿压影响因素种类及其权重往往存在差异。为提高冲击危险性评价的准确性与针对性,提出一种基于区域划分与主控因素辨识的冲击危险性评价方法。以砚北煤矿250204工作面为研究对象,该工作面受特厚煤层、褶曲构造、采掘干扰、煤层倾角、开采深度等因素综合影响,存在严重冲击矿压威胁。研究结果表明:(1)煤层厚度、倾角及开采深度仅在局部区域对冲击危险性存在明显影响;向斜构造及采掘干扰与矿震事件分布的相关性最为密切,对冲击危险性影响强烈;(2)依照各因素的影响范围与变化趋势,进行工作面区域划分,构建基于层次分析法(AHP)的冲击矿压影响因素权重评价体系,辨识各影响因素间的权重差异;(3)构建基于因素权重差异的冲击危险指数,定量描述区域内冲击危险程度。经检验,250204工作面整体冲击危险性指数分布与矿震定位拟合程度高达92.6%,证明了评价结果的准确性。     

基于动静载冲击地压危险叠加的综合预警方法

冲击地压是在煤岩体内动静载叠加下超过其极限应力条件下诱发产生的,因此综合评价研究区域内动静载水平可高效评估其冲击危险程度。本文研究了矿震震动波传播过程中能量衰减特性,特别讨论了由大尺度破断引起的强矿震衰减特征,提出了以实时微震监测数据为基础的震动效应指数(SEI),用于定量评价矿震事件群对工作面附近煤岩体引起的动载扰动程度;将震动效应指数与震动波波速层析成像技术结合,基于动静载叠加原理建立了冲击危险性的综合预警方法及指标CAI。徐庄煤矿7197工作面工程应用表明:1)震动波波速层析成像结果可较准确评价由构造应力异常和工作面结构引起的静载应力集中,难以有效评估由动载引起的冲击危险性升高;2)震动效应指数描述了工作面回风巷侧和断层区域动载扰动引起冲击危险上升;3)综合预警指数CAI所反映的较高冲击危险性区域与强矿震分布及矿震活动集聚区域有较高程度吻合,验证了CAI评价指标的可靠性。论文研究可为冲击地压灾害监测预警提供依据及参考。     

不同应变率下岩石破裂与声发射响应特征研究

为揭示冲击倾向性砂岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,基于MTS岩石力学试验系统与PAC声发射信号采集系统,试验研究了不同单轴应变率作用下岩石损伤演化与声发射参量响应特征。研究表明,随着加载应变率增加,岩样极限强度明显提升,峰值强度对应应变值整体降低,达到峰值强度所需时间随应变率呈幂函数减少。应变率与AE累计撞击数、事件数、振铃数之间具有显著的负幂函数关系;相反,应变率越高,微裂隙在发育、扩展过程中所释放的AE平均能量越高。     

上覆遗留煤柱作用下冲击矿压预测预警案例研究

以三河尖煤矿92201工作面运输巷在上覆7煤上山保护煤柱下掘进诱发的冲击矿压为例,采用震动波CT技术对待掘区域应力场进行反演,预测冲击危险区域,并在掘进过程中实时监测分析矿震动载特征,对冲击危险进行预警。研究表明:震动波CT技术可有效反应煤岩体内未知因素对应力分布的影响,实现大范围应力探测,较常规解析和数值等分析方法更为有效,利用该技术可提前和分时段预测冲击危险区域分布;结合掘进过程中的矿震时空演化规律分析,可对冲击危险区域进行有效确认和实时预警,实现了动载与静载结合对冲击危险进行提前预测与实时监测预警。利用该套技术方法分析表明,上覆遗留煤柱长时间受矿压作用,其集中应力分布明显向煤柱煤壁深处转移,导致区域应力分布异常,冲击矿压防治难度加大。92201巷道冲击矿压显现证实了以上结论和该套技术方法的有效性。