自然崩落法顶板稳定性监测分析与预警研究*

为有效预警自然崩落法开采过程中顶板大面积崩落,确定顶板失稳预警期,基于微震、时域反射、钻孔电视等综合监测数据,研究岩体失稳过程点监测数据及微震活动性参数变化特征。结果表明:基于多源参数可有效预警顶板失稳事件,但点监测无法兼顾整个采区顶板,大尺度区域性监测主要依靠微震监测系统;根据顶板失稳事件前后b值、累积视体积、能量指数、施密特数等微震活动性参数变化特征,确定普朗铜矿顶板失稳预警期为24 d。研究结果可为后续整个采区其他区域顶板稳定性监测预警工作提供借鉴。     

基于STSNN聚类算法的用沙坝矿微震事件活动特征研究

利用时空共享近邻聚类算法（STSNN）对用沙坝矿微震事件进行聚类分析,通过对噪声率进行有效性评价,最终确定k=6和ΔT=6为该算法的最佳输入参数,识别得到98个微震事件聚集区域,最大类簇有544个微震事件,并且该类簇主要集中在用沙坝矿的断层区域。对该类簇微震事件活动特征进行分析,主要包括微震事件的24 h分布、微震事件活动率、视体积、施密特数及劲度系数,根据活动规律的变化特征,提出微震活动率急剧下降并且累积视体积曲线忽然上升、施密特数和劲度系数先升后降的点作为岩体失稳发生破坏性事件的预警点。通过对微震事件活动规律的研究可为大事件的产生提供有效的预判信息,为保证矿山安全生产发挥重要的作用。     

基于IMS微震监测系统的微震事件定位精度分析

微震监测系统对岩体发生非弹性变化造成的微震事件进行实时监测,能及时做出岩体的失稳预警,保证矿山的安全开采.根据东升庙铅锌矿的采空区的实际赋存情况,提出了布置9个检波器的监测方案,通过对该方案进行室内模拟,分别对Vert1和Vert2及其整体性进行定位精度分析,分析可知该方案是合理的.矿山构建IMS微震监测系统后,采用人工爆破定位的方法来确定该监测系统定位的准确性,通过对实测坐标和微震数据处理软件分析的坐标进行对比分析,可知该监测系统的精度是12m左右,能够实现矿山采空区的稳定性监测,满足矿山安全生产的要求.     

基于微震活动性参数的矿山灾害风险性评价

微震灾害分级是判别及处理高风险采场的关键。为了预测并防治采空区失稳导致的灾害,结合用沙坝矿引进的IMS微震监测系统,首先统计矿山尺度的微震活动性特征,将主要采场进行分区。然后分析各分区的最大潜在震级及其重现时间、微震扩散率、微震劲度比、能量频次等特征。最后结合采场微震灾害风险性分级标准对各分区风险性进行分级。结果表明,综合考虑微震事件的能量分布特征、空间分布特征、时间分布特征进行灾害风险性分级的结果更为合理。     

用沙坝断层滑移型微震事件群活动特征分析

提出利用空间聚类算法DBSCAN与S波、P波能量比(ES/EP)相结合的方法,识别得到开磷用沙坝矿2014年3—5月IMS微震监测系统数据库中F310断层附近的断层滑移型微震事件群。对微震事件群区域的微震事件活动率与时间分布特征、视体积与施密特数、b等特征进行分析。结果表明:微震事件主要集中在每天的12时到14时,震级大于-0.5级的微震事件主要发生在每天的11时到16时;4月3—10日、5月2—9日和5月16—23日3个时间段内微震事件活动频繁,而且都具有施密特数时间序列曲线斜率增大、累积视体积曲线急剧下降、b出现下降的特性,表明这3个时间段断层区域岩体不稳定,发生危险事故的可能性较大。相比于同等能量的爆破事件,断层滑移型微震事件更能诱发顶板冒落和矿柱坍塌甚至岩爆等灾害,分析其活动特征可为分析断层活动趋势提供有效的预判信息。     

综合拉底、扩漏和出矿全过程的底部结构安全性颗粒流模拟技术研究

为探明自然崩落法从拉底崩落至出矿全过程中底部结构节理连续扩展过程与破坏过程规律，采用PFC2D软件，结合RocLab软件反演节理岩体参数，建立229 m×129 m的岩体扩大模型，对拉底崩落至出矿过程进行连续综合计算。研究结果表明:模拟结果及破坏现象与现场监测结果相近，建模与细观参数反演方法适用于该类岩体工程研究；裂纹扩展贯通导致岩体失稳破坏，破坏过程与裂纹扩展具有相对应的阶段特征，裂纹扩展分为崩落前稳定扩展期，崩落与聚矿槽开挖过程加速扩展期和后续持续扩展期；结构破坏分为蕴育过程，扰动失稳过程和宏观破坏过程；较大范围的宏观破坏主要在出矿阶段。该模拟方法与结果可为底部结构维护以及节理岩体长期稳定性研究提供参考。     

老虎台矿55002#掘进面通过F7-1断层前后微震事件的时空特征分析

冲击地压作为一种特殊的矿压显现形式,对抚顺矿业集团老虎台矿深部开采的安全生产造成了严重的影响,在该矿的实际生产中,地质条件是引发冲击地压发生的重要因素。鉴于微震监测系统是目前在煤矿井下监测冲击地压应用较为广泛的手段之一,本文利用波兰ARAM IS/MA微震监测系统对老虎台矿55002掘进工作面通过F7-1断层前后的微震特征信号进行连续观测,分别从时间和空间上研究此掘进面通过断层前后的微震特征,验证了一种典型的冲击地压发生时间前后的微震活动规律,并结合实际地质条件从位置上分析了微震事件与断层等地质构造之间的关系,进而根据空间分析结果圈定了重点防治冲击地压区域,使老虎台矿在该工作面掘进生产中提前采取相应的防范措施,顺利通过断层等地质构造异常区域,确保了安全生产。     

基于H-K体的矿柱流变顶板破坏分析

为了研究空场法采空区稳定性,确定特定形态采空区稳定时间,以H-K体作为岩体本构模型,对矿柱流变引起的顶板沉降变形进行了计算分析,根据顶板边界破坏条件,将空区顶板沉降过程划分为3个阶段并分别求解了各阶段持续时间,并对尚旺庄石膏矿灾害事故进行了计算验证,结果表明,计算结果与实际失稳时间吻合良好。所得结论可为稳定空区提供稳定性评估及稳定时间预测依据,或指导老空区进行安全有效的顶板监测工作,最大化节约矿山在顶板监测工作中投入的人力、物力。     

岩体失稳灾害人机环系统监测与灾害防控 ——智能安全人机工程学及教学实践

为解决地下采矿和隧道工程开挖中,因受应力变化和工程扰动诱发的冒顶、片帮等岩体失稳灾害问题,本文首先对现有岩体失稳监测技术进行比较分析;其次分别阐述岩体环境中人机环系统监测数据的获取方法;随后介绍了自主研发的岩体失稳灾害监测预警系统,包含2种典型的未知波速的三维声源/震源定位方法;最后结合智能安全人机工程学,从灾害的系统预警与控制角度出发,概述了针对人机环预警的系统概念,提出集"监测数据→预警信息→防控方法"为一体的岩体失稳灾害预防与控制技术,可为岩体工程安全高效实施、运行和维护提供理论与技术支撑.     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明：饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

Analysis on rock burst danger when fully-mechanized caving coal face passed fault with deep mining

When fully-mechanized caving face passed fault, rock burst accidence easily occurred. The SOS microseism monitoring system was applied to monitor the microseismic activities all time occurred in the coal and rock mass near the fault area. Variation features of microseismic energy releasing and microseismic frequency were analyzed. Numerical simulation method was used to research the abutment stress distribution when coal face passed fault, which was compared with microseism occurrence rules. When the coal face approached to fault, the abutment stress increases gradually, so the high stress would accumulate near the fault region. When the coal face left fault, the abutment stress decreased. The SOS microseism monitoring results showed that microseismic activity in the fault area had a high instability. When the coal face neared to the fault, total energy value and frequency released by the microseism steadily increased. The maximum energy peak value also had the tendency to rapidly increase. Before the strong shock occurred, there was a period of weak seismic activity. The weak seismic activity showed energy accumulation for strong shock, which can be used to forecast the danger of rock burst.     

华丰矿采场顶板破裂位置实时微地震监测技术研究

简单介绍了微地震监测的原理,结合华丰煤矿的具体应用情况,介绍了微地震监测技术的应用方法、特点及其效果.应用矿山压力理论建立了华丰矿采场顶板运动规律模型,并计算得出了直接顶和老顶的范围.与微地震监测结果比较,发现两者结果基本一致,证明微地震监测可以用于预测顶板运动规律.微地震监测技术对确定采场覆岩"两带"高度、预报采场顶板破坏、预测煤与瓦斯突出,从而预防灾害发生、保证煤矿安全生产并提高资源回采率等具有重要意义.     

含水煤岩单轴压缩微震信号特征试验研究

为了对煤层底板突水进行预测,基于煤岩在压力作用下有微震信号产生,提出利用自行设计的微震全波形综合监测试验系统对干燥煤岩和含水煤岩变形破裂过程微震信号的变化规律进行研究。结果表明:煤岩变形破裂过程可分为压实阶段、线弹性变形阶段和破裂发展阶段,在破裂发展阶段微震信号事件数和信号强度迅速增加;随着加载速度的增大煤岩的峰值强度增大,煤体产生微震信号事件数增多,大振幅的微震信号事件也增多,出现应力下降即煤岩形成较大裂隙时产生强度较大的微震信号;但饱和含水煤岩的峰值强度和煤岩冲击倾向性比自然干燥煤岩都低,且微震信号事件数和信号强度都降低。上述结论对指导现场煤层底板突水的预警有重要意义。     

不同组合比例煤岩的电荷感应与微震规律试验研究

针对煤岩在屈服破坏过程中有微震和电荷信号产生这一特征,利用自行设计的微震和电荷感应信号监测试验系统,分析不同组合比例煤岩在变形破裂过程中微震和电荷信号的变化规律。研究结果表明:微震和电荷信号是低频信号,信号频谱集中分布在0~80 Hz,应力突变与微震信号和电荷信号的产生及变化有较好的一致性;随着“煤-岩”高度比的增加,试样的单轴抗压强度减小,试样屈服破裂时微震和电荷信号幅值增大,同步性增强,试件破坏的突发性增强;试件破坏过程中电荷比微震信号数更多,初次明显的电荷信号也早于初次明显的微震信号。     

基于电磁辐射峰谷比值法的煤与瓦斯突出预警

为了提高电磁辐射预警煤与瓦斯突出危险的准确性,减少误报现象,在分析大量电磁辐射现场数据基础上,基于电磁辐射预警煤与瓦斯突出危险原理,提出了电磁辐射峰谷比值法,利用正态分布统计特征计算每个班次的电磁辐射瞬时强度峰值均值和谷值均值,并将其比值作为煤与瓦斯突出危险性的预警值。最后,将该方法应用于义忠煤矿11112风巷掘进工作面,研究结果表明:与临界值系数和动态变化趋势系数法相比,峰谷比值法误报较低,预警准确性高,能够很大程度上减少误报对生产的影响。     

特厚煤层综放工作面多参量监测预警分析

根据某矿12220工作面特厚煤层综放开采,穿越F16逆冲断层的特殊情况,为保证安全生产及时提供预警信息,采用微震、钻屑量、支架阻力、地表变形多种监测手段综合分析回采过程中的参量变化规律。结果表明:微震活动的峰值能量周期约为3 d,回采间距约为4.5 m,且断层下盘较上盘的微震事件能量更集中;钻屑量的统计分析发现最大值出现在上巷下帮7～11 m和下巷上帮9～11 m范围内,划定该区域为巷帮高应力集中区,并将平均钻屑量3 kg/m作为黄色预警临界值,3.5 kg/m作为红色预警临界值;另外,根据支架前、后柱阻力变化情况,划定了2个连续变化的高压力区,发现在初撑力偏低,甚至不接顶、虚顶情况下,支架梁顶部煤体受自重和构造应力作用易发生准脆性受拉断裂破坏,且在穿越逆冲断层的回采过程中,支架阻力峰值呈现由中下部向上部转移的变化规律;最后,通过对地表走向、倾向测点的变形量数据进行统计分析发现,走向面后84.9～284.8 m范围内下沉量较大,下沉速率增幅明显;而工作面倾向中部下沉量最大,整体下沉变形呈二次抛物型,其中下部下沉速率增幅明显。