受载煤体微电流效应及煤岩动力灾害预警应用展望

利用建立的受载煤体微电流测试系统,开展不同加载条件下煤样微电流测试试验,研究揭示煤体受载变形微电流效应,分析煤体受载变形过程微电流响应特征,研究微电流与煤体力学行为间的定量关系,提出微电流法预测煤岩动力灾害的原理,结合现场实践结果,对微电流技术的应用前景进行展望。结果表明,煤体受载变形能够产生微电流,微电流变化与应力变化具有较好的一致性,微电流与煤体力学行为(应力、应变、应变率等)紧密相关,在压密阶段和塑性变形阶段,微电流随应变率增加而增加,在弹性变形阶段随应力和应变线性增加;煤体在扰动载荷下能够产生随应力周期性变化的微电流,即脉动直流电,其变化与应力变化一致。微电流对煤体破坏具有较好的前兆响应,微电流在加速增加过程(塑性变形阶段)中的异常波动可作为煤体渐进性破坏的前兆特征,微电流在衰减过程中的脉冲式波动可作为煤体蠕变破坏的前兆特征。煤体受载微电流效应及现场应力梯度的存在,是矿井微电流测试的重要基础;微电流与煤体力学行为间的紧密相关性,是利用微电流技术观测煤岩体应力的重要前提;微电流对煤体破坏具有明显的前兆响应,是利用微电流技术预测预报煤岩动力灾害的重要保障。微电流技术具有响应灵敏度高、前兆信息明显和抗干扰能力强的优点,在煤岩体应力观测及煤岩动力灾害预警中具有很好的应用前景。未来需进一步开展受载煤岩微电流基础理论及应用技术方面的研究,为发展煤岩动力灾害精准时空监测预警的微电流法提供支撑。

国外应急管理研究热点与演进--基于2001—2023年Web of Science数据库知识图谱分析

为探究国外应急管理领域的研究热点与演进,选取2001—2023年Web of Science数据库(WoS)收录的1724篇应急管理文献,基于CiteSpace文献计量软件从发文量趋势、机构、国家及作者合作网络、共被引文献、关键词共现及聚类特征进行可视化分析。研究结果表明:国外应急管理领域的年发文量呈现稳步增长的趋势,研究主题演进可分为3个阶段:(1)2001—2010年,应急预案与决策成为研究热点;(2)2011—2018年,疏散、社区脆弱性、社区韧性成为高突现强度关键词;(3)2019—2023年,智慧应急成为研究热点。随着大数据、人工智能等新型互联网技术在数字中国建设中的发展与应用,智慧应急将成为新时期应急管理内涵建设的重要方向之一。研究结果可为我国应急管理新理论与新技术发展提供参考。

高校实验室安全风险监控融合预警与数字化决策系统

高校实验室风险点与危险源密集,人机环管因素持续变化,且人员流动快、前沿探索多,导致风险隐患动态识别难、预判预警精准度不高、风险管控精细化水平不足。围绕实验室安全风险精准辨识与快速响应这一关键问题,基于实验室安全风险—隐患—事故演化规律,建立安全风险监测监控指标体系,运用物联网、人工智能、大数据分析等技术,开发安全隐患视频图像智能辨识算法,研发多源信息感知融合分析技术,研究应急响应辅助决策方法,从而构建“云边端”一体化的融合监控预警与数字化决策系统,并在学校安全工程学院实验室应用。实践表明,该系统能够对实验室进行全时间—空间—要素的多维度持续覆盖,及时发现风险隐患并有效应急响应,有助于提升实验室安全风险管控与应急能力,具有一定推广应用价值。

基于机器学习的煤岩破裂诱发电磁辐射信号智能辨识研究

电磁辐射作为一种有效监测技术已应用于冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害监测预警,但因电磁信号产生机制复杂,易受井下环境干扰(干扰信号)而影响灾害危险监测预警准确性。准确辨识煤岩破裂诱发的电磁辐射信号(有效信号)是该技术应用推广的关键。开展了煤岩单轴压缩电磁辐射监测实验,分析了电磁辐射有效信号和干扰信号时域、频域及分形特征差异性,分别利用线性判别法、支持向量机和集成学习法等机器学习算法建立了电磁辐射有效信号和干扰信号智能辨识模型,并对比分析了不同模型的识别精度。结果表明:分形盒维数、平均频率、计数和峰值频率特征对电磁辐射有效信号和干扰信号区分较明显,单一特征识别准确率均在70%以上;信号特征集和机器学习算法对有效信号和干扰信号识别准确率均有影响,基于全部特征集的集成学习法识别准确率最高,对2类信号的平均识别准确率为94.5%,能够满足电磁辐射监测预警应用需求。

我国煤岩动力灾害研究进展及面临的科技难题

随着我国浅部煤炭资源日益枯竭,煤矿开采转向深部将成为保障我国能源需求的新常态。针对深部煤炭资源开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合动力灾害等问题,分析了我国煤岩动力灾害机理研究进展,阐述了煤岩动力灾害评价和监测预警关键技术,总结了煤岩动力灾害防治和风险管控措施及技术手段,提出了煤岩动力灾害预防及研究面临的科技难题和科学研究展望:在研究手段方面,研发能真实反映现场复杂地质条件、工程条件及其多场耦合作用过程的科研仪器,发展矿山动力灾害演化模拟与再现技术,揭示煤岩动力灾害的耦合演化机制;在危险区探测方面,进一步发展基于地球物理手段的工作面动力灾害危险区超前精细探测理论与技术,研发原位条件及采掘影响下煤岩层多参量时空分布钻测与反演技术;在风险评价方面,开展深部复杂地层和采掘工程耦合条件下灾害危险性评价关键指标及智能评价方法研究;在监测预警方面,建立煤矿多灾害融合监控预警平台,实现煤矿多灾害融合监控、智能预警和安全态势的准确分析;发展煤岩动力灾害的远程精准区域防治技术,实现煤岩动力灾害的超前区域防控;研究煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术,实现煤岩动力灾害智能应急决策。通过理论、技术及设备等系统研究,为实现动力灾害有效防控、保障煤炭资源安全高效开采提供保障。

真三轴条件下煤样冲击动力学及破坏特征实验研究

深部煤体多处于三向不等应力状态,为了研究冲击载荷下煤样动力学特性,通过真三轴霍普金森压杆实验系统,开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴(σ1≥σ2=σ3=0)、双轴(σ1≥σ2>σ3=0)和真三轴(σ1≥σ2≥σ3≠0)预应力(其中,σ1为轴向预应力;σ2为竖直预应力;σ3为水平预应力),从而实现高应变率下煤样力学性能测试。通过对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样动态力学特征及差异性,研究了煤样动态峰值强度、峰值应变以及宏观破碎形态与三向静载预应力、应变率的关系。研究结果表明:真三轴冲击载荷下煤样力学曲线基本一致,均包含线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段。单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度、应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度及峰值应变逐渐增大;比较单轴与真三轴冲击,三向静载预应力对煤样动态破坏具有明显的约束性,煤样的力学强度较单轴冲击时增大。保持σ2与σ3不变,煤样的力学峰值强度、应变随着轴向预应力σ1的增加整体呈降低趋势。随着应变率的增加,单轴冲击载荷下的煤样逐渐破碎至颗粒或粉末状,碎块平均粒径随应变率的增加线性降低;而三向静载预应力状态下的煤样呈现宏观断裂,碎块平均粒径随轴向预应力σ1的增加线性降低,但破坏程度相对单轴冲击较低。

学科、专业、课程协同建设模式与内涵式发展研究

为促进全国安全科学与工程的学科发展与专业建设,基于国家“双一流”学科与“双万”计划、新工科建设目标和内涵,针对安全科学与工程学科的特点,运用系统论和协同发展方法阐明学科、专业、课程建设的内在关系,剖析三者之间的内在关联性,从高等教育内涵式发展和教育强国建设方针方面出发,提出安全学科在学科、专业、课程协同建设的表征方式,推出安全创新人才培养在育人理念、培养模式、保障机制3个方面的创新,依据新工科建设要求,构建学科、专业、课程的协同发展路径,分别从课程建设、创新人才培养、师资内涵建设、思政引领和组织平台建设5个方面提出不同的解决策略。结果表明:通过多措并举,形成安全创新人才培养体系及理念,促进三者有机结合及全面、高速、协调发展,为同类学科的学科、专业、课程协同建设及人才培养提供借鉴和参考。

预制裂纹煤体静载黏滑亚失稳及声电信号响应特征

亚失稳阶段是断层黏滑失稳过程中前兆信息最丰富、变化最激烈的阶段。为深入探索煤体黏滑亚失稳阶段显现特征及该过程的声电信号响应规律,开展了不同预制裂纹倾角煤样单轴下的分级加载实验,同步采集了试样的内部破裂源定位和表面位移场,以及声发射和电磁辐射信号,并对煤体亚失稳过程力学行为和声电特征进行了分析。结果表明:①预制裂纹倾角显著影响受载煤样内部应力分布,及亚失稳阶段新生裂纹的拓展分布情况,声发射计数和能量对应力和破坏响应明显,临近黏滑亚失稳时,声发射计数和能量同时出现激增,信号占比接近20%,该响应特征可作为裂纹煤样进入黏滑亚失稳阶段的判断依据;②在进入亚失稳状态后,电磁辐射活动最为剧烈,与应力骤降的发生时间几乎相吻合,主破裂发生前,电磁辐射的能量和幅值急剧增高,且峰值能量随裂纹倾角的增加呈先增后减小,裂纹倾角45°的煤样在亚失稳状态时电磁辐射计数占失稳总过程的比例最大;③亚失稳阶段煤样的破裂轮廓已经基本形成,预制裂纹倾角对煤样亚失稳阶段时长影响显著,倾角45°时亚失稳阶段时长占比最长,倾角为60°时最短。研究成果可为断层亚失稳状态监测方案制定,及断层构造区大型冲击地压演化及致灾机理研究提供理论支撑。

我国煤与瓦斯突出机理70年发展历程与展望

煤与瓦斯突出灾害的有效防治一直是我国煤矿安全生产面临的挑战性难题,其前提和基础是对煤与瓦斯突出机理的深入研究。全面阐述我国近70年来在煤与瓦斯突出机理研究领域所开展的工作和取得的成绩,其研究过程分别经历了积极探索阶段(1955—1977年)、理论奠定阶段(1978—2002年)、快速发展阶段(2003—2015年)和稳定发展阶段(2016年至今);基于文献计量学方法和科学知识图谱分析,探讨了突出机理的研究热点和前沿趋势。分别从理论假说、物理模拟、数值模拟3个方面系统总结了我国煤与瓦斯突出机理研究进展:理论假说方面,在综合作用假说的基础上,针对我国煤矿实际情况形成了以流变假说、球壳失稳理论、力学作用假说等为代表的新观点和新理论,奠定了突出理论研究基础;物理模拟方面,围绕突出主控因素、多物理场演化、能量转化与失稳条件、地质构造与构造煤、两相流致灾机制等方面进行了大量的试验研究,基本掌握了突出的发动条件、发展过程、演化规律及影响因素;数值模拟方面,主要开展了突出煤层、地质构造和突出两相流等方面的模拟研究,然而由于突出过程和影响因素的复杂性,仍无法实现突出全过程的模拟分析。目前,已初步形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出理论体系,但时有发生的突出事故表明突出防治形势依然严峻。结合研究现状和发展趋势,认为应进一步研究突出全过程、全要素、全时空耦合演化过程,分析含瓦斯煤多尺度流变行为,探索煤层储能与动态释放过程,揭示复合与次生灾害成灾机制,形成煤与瓦斯突出耦合演化机理、力学模型、能量模型和灾变模型;在此基础上针对典型突出场景,开展复杂地层下突出物理模拟试验和全过程数值模拟反演,实现突出危险的实时监测和连续预警。

高校实验室危险源辨识与管控体系研究

该文从实验室重大危险源辨识与统计、危险性定量评价及实验室的风险管理3个方面分析了实验室危险源的情况。高校实验室重大安全事故主要集中在气瓶和化学品上,原因是气瓶和化学品在实验室中数量多、分布广、危险性高且管理不到位,危险性体现在气瓶气体泄漏后的气体扩散半径和产生危险的临界面积大,严重威胁实验人员的人身安全,化学品的使用不当提高了化学品综合事先风险数,给实验室安全埋下了事故隐患。该文提出从实验室风险等级划分、风险等级管理、安全培训、准入管控和应急防控5个方面建立实验室危险源全生命周期管控体系,改善安全管理现状,保障高校实验室稳步发展和高校师生生命财产安全。

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明:真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。

干冰粉气动破岩振动时频能量分析

为研究干冰粉气动破岩的冲击振动危害效应,试验测试了干冰管内气体压力变化和地表的振动速度,用希尔伯特-黄变换方法研究了干冰粉气动破岩振动衰减规律。研究结果表明:干冰粉气动破岩最大振动速度在11 m时下降至2.5 cm/s以下,是一种振动很小的新型破岩方式;经测量致裂管内压力峰值达到50.85 MPa,计算能量的TNT当量符合萨道夫斯基公式;使用HHT对干冰粉气动破岩振动信号进行时频分析,能量在频域上主要分布于0~100 Hz,振动持续时间0.3 s。

水力冲孔孔洞周围煤体地应力和瓦斯时空演化规律

水力冲孔作为煤层卸压增透的强化措施,被大量应用于松软低透高突煤层。针对目前水力冲孔周围煤体多场分布演化规律不清、水力冲孔卸压半径等参数难以确定的问题,以河南梁北矿二1突出煤层为工程背景,利用自主研制的应力监测系统,结合现场瓦斯流量测试,开展了对水力冲孔实施区域地应力场和渗流场的同步监测,获得了冲孔孔洞周围煤体地应力场和瓦斯场的时空分布及演化规律。结果表明:①水力冲孔后孔洞周围煤体应力场存在动态演化过程,卸压区和应力集中区逐渐向外迁移,直到3 d后才基本趋于稳定;②应力趋于稳定后,距冲孔中心4 m内为应力卸压区,4~5 m为应力过渡区,超过5 m为应力集中区,卸压区半径是冲孔孔洞等效半径的10倍多;③距冲孔中心4 m以内区域裂隙场发育,渗透率和抽采孔瓦斯流量增加,但周围应力集中区的渗透率和钻孔瓦斯流量变得更低。研究结果为准确确定水力冲孔及瓦斯抽采参数、有效卸压增透和强化瓦斯抽采效果提供理论和实践依据。

煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测预警云平台与应用

瓦斯灾害仍然是我国深部煤矿开采的主要灾害,随着采深及开采强度的加大,危险性日趋严重。瓦斯灾害影响因素及耦合关系非常复杂,灾害事故时有发生。基于安全监测大数据进行瓦斯灾害和风险隐患一体化分析预警已成为煤矿安全管理、监管和监察的迫切需求。分析了瓦斯灾害与风险隐患的大数据特征,提出了基于安全监测大数据的瓦斯灾害风险隐患识别与突出危险性预警方法,研发了煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测预警云平台,实现了动态信息资源"一张图",并进行验证和应用。通过集成和挖掘分析所有相关实时数据、变化趋势及耦合关系实现了煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测、自动识别、预警和结果分级推送等。

石膏和砂岩试样损伤破裂及声发射时空演化规律研究

通过对石膏和砂岩试样进行单轴压缩声发射试验,获取两种试样破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试样破裂失稳情况,分析破裂过程中的声发射时空演化规律和波形的多重分形特征。研究结果表明:砂岩试样的单轴抗压强度是石膏试样的7倍多;由于岩性的变化,石膏和砂岩试样的破裂宏观形态由"X"型变化到倒"Y"型;两种试样声发射脉冲计数与应力变化规律比较一致,但是砂岩试样脉冲计数的最大值远远大于石膏试样;两种试样三维空间定位点分布与各自破裂宏观形态是一致的,但出现的时间以及分布位置是不同的;二者破裂过程中的波形都具有多重分形特征,破裂时的多重分形谱宽Δf(α)小于破裂前的Δf(α),破裂前的Δf(α)小于破裂后的Δf(α),砂岩试样各阶段的Δf(α)都小于石膏试样对应各阶段的Δf(α)。表明两种试样在破裂时的能量大于破裂前,破裂前的能量大于破裂后,而且石膏在各个阶段的能量小于砂岩对应各阶段的能量。通过对比分析,更加深入了解石膏冲击破裂的规律。石膏和砂岩一样会发生冲击破裂,只是冲击破裂形式不同,而且在同等条件下,石膏破裂产生的能量小于砂岩,为石膏矿冲击地压的防治打下了理论基础。

我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望

我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家,在突出预防方面进行了大量深入的研究和实践,突出防治取得了较为显著的效果,但近年来突出灾害事故仍时有发生。为了进一步提高深部矿井煤与瓦斯突出防控技术,提升煤矿安全、智能化水平和煤炭安全保障能力,分析了突出发生机理研究进展及现状,阐述了我国煤与瓦斯突出预测及监测预警手段的关键技术,系统总结了防治煤与瓦斯突出的措施及新兴技术。我国在煤与瓦斯突出机理、预测、监测和防治等理论与技术方面取得了系列创新性成果,解决了大量理论和技术难题。但是,随着我国煤矿开采深度的增加,煤矿突出危险性日趋严重复杂。与此同时,国家对煤矿安全生产的要求也越来越高。针对新形势下煤与瓦斯突出防治现状和需求,亟需建立更为适应完善的煤与瓦斯突出防治理论及技术体系。基于此,提出了未来发展趋势及研究展望:在突出机理方面,应加强复杂多变地层及不同构造条件下突出耦合演化机理和定量化表征研究;在突出危险性鉴定方面,需关注低参数突出多发背景下不同区域及类别突出危险性的适应性判定标准研究;在瓦斯参数测试方面,应聚焦精细化定点测量及随钻反演技术的发展;在工作面突出危险性精准探测/预测/监测预警技术方面,应加强物联网、大数据分析及人工智能识别技术在突出危险性综合监测、智能预警方面的研究与应用;在防治方面,应进一步发展煤层突出危险性远程、区域、智能防控技术;在风险隐患管控方面,应深入研究并推广瓦斯灾害风险大数据分析与预警平台,从而全面提高我国瓦斯灾害风险隐患管控能力和瓦斯治理水平。

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验建设

石门揭穿突出煤层时易发生最严重的煤与瓦斯突出,威胁安全生产,石门安全揭煤实验教学与实践培训开展困难,教学资源与手段缺乏。为解决这一问题,依据石门安全揭煤的工程背景,吸收最新科研成果与工程技术应用案例,积极融入课程思政元素,设计教学目标,构建知识体系,采用虚拟现实、系统仿真、“互联网+”等新一代信息技术,开发虚拟仿真实验软件,建立多样化综合性的全流程跟踪评价体系,最终建设高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验项目。教学实践表明,该项目拓展了学习者的学习空间与认知范围,打造了场景化、交互式、体验式与融入式的教学模式,有利于安全专业一流复合型拔尖人才的培养。

电磁辐射监测技术装备在煤与瓦斯突出监测预警中的应用

系统阐述电磁辐射监测预警煤与瓦斯突出技术及应用现状,从电磁辐射预测煤与瓦斯突基本原理和方法、电磁辐射监测预警装备及系统、电磁辐射预测突出现场应用3个方面对煤与瓦斯突出电磁辐射监测技术装备及应用成果进行了详细分析。分析结果表明:电磁辐射对工作面突出危险性、瓦斯地质及应力异常等响应较好,是一种有效的非接触煤岩动力灾害地球物理监测预警方法,在突出预测方面具有很好的发展前景。

千秋煤矿微震震源参数特征以及震源机制分析

为了解释和量化采矿诱发微震的危险性,提高采矿作业安全性,首先基于Brune模型和网格搜索法,求取千秋煤矿微震的地震矩、拐角频率、震源半径和应力降等震源参数以及矩震级,分析震源参数与矩震级之间的关系,最后基于震源参数和P波反演法来反演震源机制解。研究结果表明:①千秋煤矿微震震源位移谱很好地符合Brune模型,基于此通过网格搜索法可以迅速准确地求取震源的拐角频率fc和拐角谱值Ωc;②基于拐角频率fc和拐角谱值Ωc和相关的理论公式,可以进一步迅速准确地求取各个震源参数和矩震级;③随着矩震级增加,拐角频率呈线性减小趋势,震源半径和应力降都呈线性增加趋势。在同等震级条件下,该矿微震的拐角频率和应力降的值都要小于天然地震,表明该矿微震的破裂尺度和形式不同于天然地震;④应用P波反演法很好地反演出了千秋煤矿的剪切破坏、剪切张拉破坏和剪切挤压破坏震源机制。千秋煤矿开采活动会引起地质不连续面的滑动,产生区域内的动载荷作用,对自由面附近的节理面产生推动作用,从而造成岩体破坏,由于巨厚砾岩层顶板容易积聚大量弹性能,岩体破坏时会产生很大的冲击。上述成果可以在震后迅速准确地量化和评估震源破裂的尺度和机制,而且根据不同震级对应震源参数的范围,可以对将要发生微震的震源参数进行迅速评估,为进一步研究矿山微震震源的破裂过程和危险性的评估提供借鉴。

深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

为了研究采动破坏过程煤体电位信号的响应特征与规律,利用自主研发的矿用电位仪在河南薛湖煤矿25050综采工作面进行了现场测试。结果表明:煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号,电位响应特征能够揭示煤体应力状态的变化,随着回采工作面的推进,电位强度呈先增加后降低趋势,利用钻孔卸压后,煤体应力降低,电位信号随之下降;电位强度与钻屑量的空间分布规律基本一致,利用电位空间分布规律能够识别应力异常特征,出现“卡钻”现象时,煤体应力异常,电位强度出现峰值;当瓦斯指标超限或出现大能量煤炮事件时,电位信号呈超前增大趋势并伴随剧烈波动,利用电位信号能够识别煤岩动力灾害危险的前兆特征。研究成果表明利用电位手段可现场监测煤体采动破坏、预警煤岩动力灾害。