砂岩破裂状态声发射梅尔倒谱系数判识方法

岩体结构破裂是严重制约矿山、地铁、隧道等地下空间工程建设及其安全运行的重要因素。实现对岩体结构破裂状态的识别是当下研究的热点与重点之一。为此,开展了不同条件的砂岩加载破坏实验,提取了加载全程的声发射梅尔倒谱系数及其波动差,研究了系数及其波动差在砂岩受载破坏全程的变化规律,分析了1号系数(一组声发射梅尔倒谱系数包括12个,1号系数指第1个声发射梅尔倒谱系数)及其波动差与砂岩破裂状态的相关性特征,基于此提出了砂岩破裂状态声发射梅尔倒谱系数判识方法,构建了判识准则并进行判识效果检验。结果表明:随载荷增加,1号系数整体上增大,系数及其离散性在破坏阶段显著增大并表现出显著的规律波动性特征;1号系数波动差具有阶段性变化特征,波动差的大小及其起伏变化可表征砂岩的破裂,波动差整体增大及突增的变化可反映砂岩非稳定变形和峰后破坏阶段的宏观破裂,波动差的突增幅度可反映砂岩破裂程度;声发射梅尔倒谱系数及其波动差对砂岩破裂表现出良好的响应特征,该特征受不同加载条件的影响较小,说明声发射梅尔倒谱系数在反映砂岩破裂上具有适用性;1号系数及其波动差与砂岩破裂状态具有较好相关性,该相关性可分为3个阶段,即1号系数及其波动差在砂岩微破裂阶段分布集中,在临近失稳破坏阶段分布范围急剧增大、整体值升高且出现高异常值,在峰后破坏阶段分布范围进一步增大、整体值更高、高异常值更多;利用1号系数的75%位点值和异常值、1号系数波动差的75%位点值和异常值构建了砂岩破裂状态判识准则,采用三分类模型混淆矩阵对判识准则的效果进行了检验,判识准确度和精准度分别为90.43%、94.45%。该成果可为其他种类煤岩的破裂状态识别提供借鉴,为煤岩失稳监测预警提供参考。

弱化浅层岩体防治急倾斜特厚煤层冲击地压研究

急倾斜特厚煤层受其特殊的地质、应力和开采技术条件影响,冲击地压防治方法与一般煤层存在较大差异。将理论推导、数值模拟、现场监测等方法相结合,研究了急倾斜特厚煤层的岩层弯曲和煤层能量积聚特征,提出了弱化浅层岩体防治急倾斜特厚煤层冲击地压的方法,得到了防冲关键参数,并进行了工程应用。研究结果表明,急倾斜特厚煤层岩层弯曲时内部岩体破裂释放能量是动载的主要来源,采空区两侧围岩转移、传递至煤层的水平集中应力是静载和能量积聚的主要来源;防治急倾斜特厚煤层冲击地压应弱化工作面浅层岩体的应力传递能力,来降低传递至工作面的动载扰动强度以及转移、传递至煤层的水平集中应力。基于此提出了通过浅孔爆破措施弱化急倾斜特厚煤层浅层岩体的防冲方法。现场工程应用表明,矿井补强浅孔爆破后,工作面微震事件总能量降低了42.38%、总数量增大了471.74%,说明工作面的能量释放由大能量剧烈释放逐渐转为小能量平缓释放,且未再发生过冲击显现,冲击地压危险得到有效控制。研究成果可为类似条件矿井防治冲击地压提供参考。

大埋深厚表土坚硬覆岩条件采动应力分布规律及其影响因素研究

新庄煤矿为新建矿井,受大埋深、厚表土、坚硬覆岩等复杂地质条件影响,具有冲击地压危险,为了能够给区域性防冲开采设计提供支撑,综合采用现场勘探、数值模拟和理论分析等手段研究了一盘区煤8工作面回采过程中采动应力分布规律及其影响因素。结果表明:向斜构造、埋深、表土层厚度是煤层原岩应力分布的主要影响因素,高原岩应力区埋深大,沿向斜轴部延伸并向两翼部展开;工作面回采过程煤层上覆厚硬顶板是采动应力的主要影响因素,煤层距离厚硬顶板越近则采动应力越集中,高采动应力集中区主要分布在煤层与厚硬顶板间距小于25 m的区域;随着工作面开采数量增多,超前支承应力和侧向支承应力的集中程度和集中范围快速增大,中央大巷的稳定性显著降低。

煤岩电磁辐射理论与技术新进展

煤炭作为我国重要的基础能源和工业原料,其安全开采是保障国家能源安全、支撑经济社会稳定发展的关键。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭,深部开采逐渐成为我国煤炭资源开发新常态,煤岩动力灾害风险随之攀升,严重制约煤炭安全高效开采,对我国煤炭工业可持续发展造成了恶劣的社会负面影响。准确可靠的监测手段是进行煤岩动力灾害防治的必要前提,地球物理监测预警方法通过感知煤岩变形破坏过程中释放的声、电、磁等物理信号来反演煤岩体的损伤破坏状态,已被广泛应用于煤岩动力灾害预警中。其中电磁辐射监测法具有非接触、无损、实时、前兆性强等优势,适用于矿山信息化智能化发展要求。因此,大力推动电磁辐射监测技术的发展,对于煤岩动力灾害防治具有重要意义,可为智慧矿山建设提供重要的技术支持。围绕试验现象、机理模型、技术方法3个方面对电磁辐射理论与技术研究成果进行综述,回顾了电磁辐射现象的发现过程,分析了电磁辐射信号特征、影响因素、力电耦合效应等煤岩电磁辐射特征规律,根据典型电磁辐射机理模型与应力作用、裂纹扩展过程的相关性进行了分类评述,并对现有煤岩电磁辐射监测预警装备及技术方法进行了简要介绍。在此基础上,详细阐述了近年来在煤岩电磁辐射矢量特性研究、煤岩电磁辐射机理微观尺度验证、煤岩电磁辐射定位技术方面取得的新进展。总结了当前煤岩电磁辐射机理未完全揭示和无法实现孕灾区域定位两大理论与技术研究瓶颈,为未来煤岩电磁辐射理论与技术的发展提出了新目标。

声发射梅尔倒谱系数在砂岩破裂分析的应用

声发射技术在煤岩破裂分析领域进行了大量应用,取得了诸多有益成果,对煤岩动力灾害监测预警提供了重要指导,然而煤岩声发射分析仍存在进一步研究和完善的空间,亟待提出新的声发射分析方法。为此,开展了预制裂纹砂岩试样单轴加载破坏实验,同步采集了加载全程的应力应变数据和全波形声发射数据,并对试样进行全程高清摄像;利用声波分析手段提取了砂岩的声发射梅尔倒谱系数,探讨了该系数在砂岩破裂分析的优势及其原因,分析了该系数对砂岩破坏过程的响应,由此进一步研究揭示了预制裂纹砂岩试样的破裂破坏演化特征及声发射梅尔倒谱系数前兆信息。结果表明:对同种砂岩的不同试样,由不同通道采集的声发射信号提取的同号梅尔倒谱系数的变化特征相似、变化量相近、偏差程度小(5%~15%),并且在砂岩加载全程具有阶段性和敏感性的变化特征,说明声发射梅尔倒谱系数具有稳定性优势,可作为反映砂岩破裂状态的特征参数;梅尔倒谱系数可对声发射波形进行很好表征,系数提取过程不对波形设置门槛值,系数值由一段时间内声发射波形幅度和密集程度等整体形态决定,而不同通道采集的声发射波形整体形态在一段时间内趋向于相似,是该系数具有稳定性优势的原因;在砂岩破坏阶段,梅尔倒谱系数呈现周期性升降波动,对应应力曲线的周期性降升和高幅度声发射波形的间断性产生,3者的变化量之间具有显著的正相关关系,说明该系数的波动性及其强弱可反映砂岩的破裂过程及破裂的剧烈程度,是砂岩破裂的响应,由此揭示了砂岩的间歇性破裂破坏演化特征,该特征随着临近砂岩失稳破坏而变得愈发剧烈;以此为指导,利用梅尔倒谱系数周期性波动的波峰与波谷之差(即波动差)来表征系数的波动性强弱并描述砂岩间歇性破裂的剧烈程度,得到了梅尔倒谱系数周期性波动差逐渐增大且突增的砂岩破坏前兆。

近直立煤层冲击危险静动态评价方法研究

现有冲击地压危险评价方法以采掘前揭露的地质条件和开采技术条件为依据,属于静态评价,评价结果与真实情况存在差距,如何与采掘过程中的监测数据相结合得到更加符合实际的评价结果是需要进一步解决的问题。为此,综合地质及开采条件和监测数据,提出了一种冲击地压危险静动态耦合评价方法,并在典型近直立煤层工作面进行了应用。首先,通过改进综合指数法提出工作面采掘前静态评价方法,包括将综合指数法包含的评价指标进行线性归一化得到单指标危险指数,利用层次分析法对各评价指标赋权,通过加权求和分别得到地质因素和开采技术因素确定的危险指数,然后将两个危险指数加权平均得到静态评价危险指数;其次,利用监测数据构建了采掘过程中动态评价方法,包括根据微震和钻孔应力监测特点及其与冲击危险性的关系,构建了微震能量密度和钻孔应力变化率作为动态评价指标,将评价指标线性归一化分别得到震动场评价指数和应力场评价指数,将两者加权平均得到动态评价危险指数;最后,利用加权平均法将静态评价危险指数和动态评价危险指数进行耦合叠加得到耦合评价危险指数,根据该指数来确定危险等级和危险区域。上述方法在乌东煤矿+450B3+6工作面的应用结果显示,静态评价方法在工作面回采前划定4个中等冲击危险区和1个弱冲击危险区,动态评价方法判定工作面回采过程中岩柱侧具有较高冲击危险性,静动态耦合评价将静态评价的部分弱冲击危险区再评价为中等冲击危险区;通过工作面回采过程的支架压力监测数据、数值模拟结果和冲击地压显现事件对评价结果进行了检验,发现静动态耦合评价结果更符合现场实际。研究成果为冲击地压危险评价提供了一种新方法和新思路。

埋入式混凝土用Ag/AgCl工作电极制备与性能表征

为了及时、准确地监测海洋环境下混凝土结构中的氯离子侵蚀过程和钢筋周围的氯离子浓度,基于电化学工作原理,制备了一种精度高、性能稳定的可埋入式固态Ag/AgCl工作电极.结果表明:粉压法制备的Ag/AgCl工作电极耐碱性好、响应时间短、稳定性和重现性均较好,电极电位与氯离子浓度的对数呈线性关系,符合Nernst方程;当工作温度为10~40℃时,温度对传感器电位值的影响可以忽略,当工作温度超过40℃时,传感器电位值要进行温度修正;干扰离子对电极电位没有影响;当7<pH≤10时,电极电位几乎不变,当10<pH≤13时,电极电位随pH值的增加而增大.使用Ag/AgCl工作电极测试混凝土中的氯离子浓度时,必须同时测试混凝土内部的温度和pH值,并作相应的修正.Ag/AgCl工作电极可以为混凝土中氯离子含量的原位动态监测提供技术支持.

基于卷积神经网络的冲击地压预警方法研究

为探究深度学习在冲击地压预警方面的应用前景,以新疆某冲击地压矿井为研究背景,将深度学习和专家评判运用到微震数据分析中,基于卷积神经网络构建冲击地压预警模型。充分利用一维卷积神经网络对时序数据有较强特征提取能力的优势,以微震数据及其特征参数作为输入,以专家评判值作为标签,借助Python-Keras框架实现冲击地压预警模型的构建和训练。研究结果表明:模型预警效果并不随着训练迭代次数的增加而逐渐最优,存在最优迭代次数,对于所建模型当迭代次数为30时测试集的冲击危险预测结果与专家评判结果基本吻合,同时说明模型可以较好地学习专家评判经验实现冲击地压预警。研究表明所建模型对研究时段内发生的5次大能量矿震事件均进行预警,其准确度较高,具有现场实际应用价值。

不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α>45°的煤样。α>45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α>45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时,需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。

基于损伤因子的断层滑移过程声发射特征试验研究

断层滑移是引起矿井断层型冲击地压的直接原因,其过程十分复杂。基于此,选取石英砂和石灰岩为材料,利用双剪摩擦试验研究了不同加载速率(0.05,0.075,0.1,0.15,0.2 mm/s)及不同水平压力(30,60,90 kN)条件下的断面损伤滑移过程,得出了不同加载速率和不同水平压力条件下岩样的声发射特征。研究结果表明:岩样受载滑移过程中声发射能量伴随着局部应力降出现会显著增加,显示出显著的时间同步性;振幅、能量及振铃计数等声发射参数随着加载速率升高逐渐增大、随着水平压力升高呈减小趋势;基于声发射振铃计数累计值建立断面损伤预警模型,采用时间分段预测法将峰前阶段划分为初期预警阶段和二次预警阶段。研究结果为现场断层预警预测提供了参考。

不同层理煤破坏过程声发射RA-AF特征研究

为研究不同层理煤破坏声发射RA-AF特征,开展了0°、30°、60°、90°层理夹角煤单轴压缩破坏试验,同步采集了煤体力学和声发射数据,分析了RA-AF特征与裂纹扩展模式的关系。结果表明:第Ⅰ和第Ⅱ阶段,声发射计数水平较低,第Ⅲ阶段,计数值逐渐增加,在第Ⅳ阶段,α=0°和60°时,声发射计数更多,峰值较高;α=0°和90°时,张拉破坏占比分别为58.44%和58.06%,裂纹以张拉破坏为主;α=30°时,张拉剪切破坏占比相当,裂纹表现为张剪复合破坏;α=60°时,试样剪切破坏占比68.14%,裂纹以剪切破坏为主。

基于瓦斯实时监测的炮掘工作面爆破自动识别与突出危险性预测

为实现应用炮掘工作面炮后瓦斯实时监测数据进行突出危险性动态预测的目标,提出了一种应用一阶差分、卷积运算和MATLAB中的findpeaks函数,自动识别瓦斯体积分数监测曲线中爆破事件的方法,应用提出的自动识别方法,对某炮掘工作面的爆破事件进行了自动识别与提取,并对识别结果进行了评价;基于爆破识别与提取的结果,分析了炮后瓦斯体积分数变化特征,计算了炮后瓦斯体积分数增长速率、峰值和衰减速率3个指标与K1值的相关性,据此建立了炮掘工作面突出危险性预测模型,并将模型应用于另一炮掘工作面,对工作面前方的突出危险性进行预测。研究结果表明:提出的自动识别方法实现了对爆破时刻、爆破时的瓦斯体积分数、炮后瓦斯体积分数峰值及其时刻的自动识别与提取,识别爆破事件的召回率平均为84.13%、精准率平均为77.21%,提取出的炮后瓦斯体积分数峰值和爆破时刻的平均绝对误差分别为0.0189%和2.3237 min;炮后瓦斯体积分数增长速率、峰值、衰减速率都与K1值强相关,相关系数分别为0.85、0.92、0.79;应用建立的突出危险性预测模型,成功地预测出了25次喷孔事件和1次小型压出事件,预报效能为60.48%。研究结果可作为现有突出预测方法的补充,辅助钻屑瓦斯解吸指标K1值进行突出危险性预测,并可为炮掘工作面瓦斯异常识别及突出危险性预测提供指导。

近直立特厚煤层分段综放开采巷道布置研究

为优化近直立特厚煤层综放分段开采巷道布置,以乌东煤矿南采区近直立煤层开采工程为例,运用理论分析、数值模拟等方法,研究全煤巷道和半煤岩巷道围岩应力和位移分布特征及巷道稳定性。顶板侧巷道围岩应力集中程度明显高于底板侧巷道;布置全煤巷道时,巷道变形程度较大而应力集中程度较低,影响巷道稳定主导因素为围岩变形;布置半煤岩巷道时,巷道变形程度较小而应力集中程度较高,影响巷道稳定主导因素为围岩应力。研究结果表明:综合考虑巷道围岩变形大小、应力集中程度和围岩稳定性控制等因素,近直立特厚煤层应采用不留煤皮的全煤巷道。

遗留煤柱下近距离特厚煤层临空掘巷合理煤柱尺寸

选择合理的护巷煤柱尺寸是临空掘巷成功和安全的前提;以某矿30503工作面为背景,采用理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法,对上覆遗留煤柱和本煤层相邻采空区条件下临空掘巷区段煤柱的合理尺寸进行了研究。结果表明:通过理论分析遗留煤柱沿底板应力变化规律,确定区段煤柱留设尺寸范围应在7~10 m之间;运用数值模拟分析了不同煤柱宽度条件下临空巷道煤柱应力和变形破坏规律,综合理论分析和数值模拟得出留8 m煤柱合适。现场监测结果表明,留8 m煤柱时,临空巷道顶板最大变形量为359 mm,两帮变形量为66 mm,巷道围岩变形稳定,能够满足现场实际生产要求。

不同变质程度煤岩微表面电性特征

为进一步研究煤岩电磁辐射产生机理,通过原子力显微镜研究了不同变质程度煤岩微表面电势及电荷密度等电性参数的变化规律,将煤岩表面微观电性特征研究推进到微纳米尺度。结果表明:煤体表面在细观或宏观统计层面上显弱电性或电中性,但在纳米尺度下对外显示一定的电性特征;计算得到了煤体表面电荷密度,不同煤样的表面电荷密度差异明显,在79. 95～312. 97μC/m2变化;煤的变质程度对表面电性参数存在重要影响:随变质程度的升高,煤表面负电势经历了先缓慢下降又快速升高的变化趋势,表面电荷密度呈现出先减小后增大的"V"型曲线变化。研究煤岩微结构的电性特征,对从微观层面进一步揭示煤岩电磁辐射机理、瓦斯吸附和解吸过程,乃至煤岩物质特性等具有重要意义。

典型近直立煤层群冲击地压机理及监测预警研究

近直立煤层群由于特殊的煤岩赋存和开采方式,覆岩破断运动及其导致的围岩静载应力分布和动载扰动特征与缓倾斜煤层有较大差异,已有冲击地压灾害在近直立煤层群开采矿井(SICS)发生。为指导类似赋存矿井冲击地压防治,以乌东矿南采区典型近直立煤层群为工程背景,从诱冲机理、监测预警及防治技术方面展开了系统研究,揭示了近直立煤层群压撬型冲击地压机理,建立了适用于近直立煤层的预警指标体系,提出了近直立煤层降载减撬冲击地压防治技术。结果表明:近直立煤层群综放开采下冲击地压显现具有巷道顶底板侧不对称和岩体压撬显现特征;煤体所受顶板和岩柱的压撬作用是诱发冲击的基础静载力源,悬顶和层间岩柱破裂产生的动载扰动对冲击显现有重要诱发作用,近直立煤层群综放开采冲击地压是顶板和岩柱压撬效应耦合作用结果;各预警指标对冲击地压和大能量矿震均具有一定的响应,各维度和各系统预警指标综合预警可综合各自优势实现互补,提高预警准确性;深浅孔交替爆破可削弱对煤体的压载荷和撬动效应,现场实施后,微震日总能量和频次明显减少,顶板和岩柱每米能量104J以上微震事件较实施前平均减少了96%,卸压效果明显,冲击危险性降低。

Signal characteristics of coal and rock dynamics with micro-seismic monitoring technique

In this study,differences of signal characteristics between mine shocks and coal and gas outbursts in coal mines were examined with the micro-seismic monitoring technique and time–frequency analysis.The duration of the mine shock is short while the coal and gas outburst lasts longer.The outburst consists of three stages:the pre-shock,secondary shock and main shock stage,respectively.The velocity amplitude of the mine shock is between 10^(-)5and 10^(-3)m/s,which is higher than that of the outburst with the same energy level.In addition,in both cases,the correlation between the velocity amplitude and energy is positive while the correlation between the signal frequency band distribution and energy is negative.The signal frequency band of the high energy mine shock is distributed between 0 and 50 Hz,and the low energy mine shock is between 50 and 100 Hz.The fractal characteristics of mine shocks were studied based on a fractal theory.The box dimensions of high energy mine shocks are lower than the low energy ones,however,the box dimensions of outbursts are higher than that of mine shocks with the same energy level.The higher box dimensions indicate more dangerous dynamic events.

厚硬顶板多煤层开采煤柱型冲击显现分析

现有研究只是针对特定条件下的冲击显现特征进行分析,缺乏对厚硬顶板条件下煤柱诱发冲击显现的研究。针对该问题,以新疆某矿I010203工作面为研究对象,采用现场监测、数值模拟手段,分析了厚硬顶板多煤层开采条件下的工作面冲击显现特征及原因。通过分析现场监测的微震大能量事件空间分布规律、支架压力分布特征,以及数值模拟的工作面回采期间围岩应力分布特征,得出结论:工作面运输巷区域应力集中程度和微震事件密集程度均高于回风巷区域,顶板与煤层区域应力集中程度与微震事件密集程度大于底板区域。基于上述结果,采用动静载叠加诱冲理论分析了I010203工作面开采过程中煤柱型冲击显现原因:①运输巷区段煤柱上方易产生侧向悬顶,长悬顶突然破断并产生大量动载荷,同时在开采过程中煤柱和顶板积聚了大量静载荷,当两者叠加超过临界载荷时可能造成工作面冲击显现或大能量事件;I010203工作面回采过程中受煤柱集中应力、上覆顶板及围岩支承应力等主控因素影响,易产生煤柱型、厚硬顶板垮落型冲击显现。②当工作面回采位置逐渐接近“刀把形”采空区边界时,边界应力向下传递至I010203工作面,从而导致I010203工作面冲击危险性进一步增大。

城市轨道交通直流设备绝缘性能在线监测系统研究

针对直流牵引供电系统直流设备框架泄漏保护存在电流元件易误动、电压元件拒动、框架绝缘性能破损不能及时发现的问题,对电流型/电压型框架保护原理、整定方式、双边联跳范围进行分析,结合国内某地铁典型电流型框架泄漏保护案例,提出了一种城市轨道交通直流设备绝缘性能在线监测系统及控制方法,可在线监测框架绝缘性能破坏点,保证框架单点接地,接地网各连接处接触良好,框架保护元件正常动作。

上覆局部采空下冲击危险工作面煤柱留设宽度研究

为研究上覆局部采空下冲击危险工作面区段煤柱的布置问题,以某矿I010203工作面为工程背景,通过现场监测、数值模拟、理论分析等方法对工作面区段煤柱冲击危险和合理宽度进行研究。现场监测和数值模拟结果表明:I010203工作面回采过程中,15 m宽区段煤柱微震事件频繁,能量释放剧烈,增大了工作面冲击危险;15 m宽煤柱在工作面回采后不能完全破坏,仍可承受较高应力并向下部煤层传递,增大了下伏煤层回采工作面的冲击危险。理论分析结果表明:当宽度为0~6 m时,煤柱破碎程度较高,不利于隔绝采空区及巷道稳定;当宽度大于10 m时,煤柱内出现弹性核区,应力增加迅速,冲击危险性增高;8 m宽煤柱既能隔绝采空区预防瓦斯,又能使应力最低,降低冲击危险的临界煤柱宽度,因此更合理的区段煤柱宽度为8 m左右。研究结果可为该矿井接续工作面和相似条件工作面回采的煤柱宽度留设提供理论依据。