基于高斯混合模型的采煤工作面冲击危险性评价

【目的】深入了解声发射或微震能量分布所蕴含的概率学信息,对于工作面回采过程中的冲击危险性评价具有重要意义。【方法】以陕西大佛寺煤矿4号煤层40111工作面作为工程背景,运用物理相似模拟实验、理论分析、现场监测等相关方法进行分析,研究了声发射监测数据在回采过程中的演化规律,阐明了声发射能量概率分布呈现波动性的物理意义,提出了基于高斯混合模型(Gaussianminture model,GMM)及置信区间的冲击危险性评价指标模型,并由现场微震数据进行验证。【结果和结论】结果表明:回采过程中上覆岩层周期性垮落并伴随声发射能量的集中释放。总能量的概率密度函数呈现多自由度的非对称分布,通过对比残差平方和等多项拟合效果指标,确定高斯混合模型为最佳拟合模型。基于EM(expectation maximization)算法的GMM聚类分析,将声发射事件总能量分布划分为两类:高频低能型和低频高能型,其中低频高能型与冲击事件的突发性和高能量破坏特征一致。依据概率-能量梯度变化特征,对工作面开采过程中冲击危险性进行了评估。研究成果为采煤工作面冲击危险性评价提供了概率学上的创新思路,具有在冲击地压监测预警及后续防治中的潜在应用价值。

基于钻屑量界限方程的冲击危险性判定新方法

为提高钻屑法判定冲击危险性的精度,基于钻屑法原理及评价指标,对实际钻屑量数据进行拟合,提出一种基于钻屑量界限方程的冲击危险性判定方法(以下简称“钻屑量界限方程方法”):利用实际钻屑量自回归判定冲击危险性,将钻屑法判定冲击危险性分区细化为冲击危险区、潜在冲击危险区和无冲击危险区。以古城煤矿3208工作面运输巷为工程背景进行了应用,结果表明:钻屑量界限方程方法与现场动力效应及微震监测指标判定结果相符,可有效提高钻屑法判定冲击危险性的精度,减少误判。

基于GIS的煤矿冲击地压危险区域预测

为了精准预测煤矿冲击地压危险区域,从自然地质、开采技术和防治措施等条件出发,采用层次分析法实现权重计算,应用模糊数学算法进行模糊评判,并基于ArcGIS网格法,将研究区划分为50 m×50 m的网格单元进行网格赋参和空间插值,分别以0.25、0.50、0.75作为冲击危险性临界值,对峻德矿的煤层和工作面进行冲击危险性预测,确定冲击危险区域。结果表明:峻德矿17煤层的无、弱、中等和强冲击危险区分别占32%、52%、15%、1%;工作面分单元概率预测结果为0.48~0.96,其中弱冲击区占34%,中等冲击区占48%,强冲击区占18%。当采掘工作推进至不同网格单元时,可确定工程所处位置的冲击危险性,以提前制订采取冲击防治措施。

煤矿覆岩主控致灾层位危险识别及现场应用

针对煤矿地面水力压裂技术施工中工作面覆岩主控致灾层位难以准确辨识的难题,以孟村煤矿401102工作面地面水力压裂工业试验为背景,采用理论分析、微震监测、现场调研等方法,揭示了煤矿厚硬覆岩运动诱发矿震和冲击地压的动力灾害机理,分析了基于载荷三带理论的厚硬覆岩分区运动特征与诱发动力灾害之间的关系,建立了基于关键层运动状态的矿震能量预测模型与采场等效附加应力估算模型,提出了基于K-means聚类算法和肘部法则的煤矿覆岩主控致灾层位识别技术方法,确定了现场压裂施工层位并进行工业试验,根据现场微震监测数据及理论分析结果进行了效果验证,得到结论如下:孟村煤矿401102工作面致冲关键层及矿震关键层均为距离煤层66 m的安定组关键层R9,其初次破断运动采场等效附加扰动应力理论值为7.23 MPa,初次破断运动释放矿震能量理论值为6.08×105 J,致灾危险性较强;震−冲关键层压裂后,矿震能量理论值降幅94%,采场等效附加扰动应力理论值降幅76%,工作面上方5×10^(3)J大能量微震事件出现明显上移趋势,上移量约为15 m;10^(3)J及以上能级微震事件频次占比显著下降,由60.39%降至17.89%,最大微震事件能量由6.65×10^(5)J降至9.75×10^(3)J;10^(2)J及以下能级微震事件频次占比显著上升,由39.61%增至82.11%。

煤矿冲击危险预测与监测预警技术发展现状

随着矿井生产强度与开采深度的日益加大,煤炭资源开采逐步向深部、西部转移,致使冲击地压灾害普遍化,成为威胁中国井工煤矿开采的主要灾害之一。从预测预报与监测预警两方面,重点阐述5种预测预报技术、7种监测预警技术的发展现状,以及冲击危险指标构建以及综合监测体系与平台构建,论述冲击危险识别技术在实际应用中存在的问题,提出新技术创新发展思路,并展望其总体发展趋势。

硬厚顶板破断结构演化及冲击危险区分析

针对硬厚顶板破断及结构演化对工作面冲击显现的影响,以东滩煤矿63上05工作面硬厚顶板条件为背景,运用理论分析和数值模拟分析了硬厚顶板破断失稳的临界条件及其结构演化过程,并划分工作面冲击危险区域。结果表明:顶板厚度和强度与块体破断时端部垂直载荷成正比,直接顶与基本顶的结构形态由“V”形演化成“U”形;顶板初次和周期跨落步距相较于常规情况明显增大,且基本顶结构演化较直接顶具有迟滞性;顶板垂直应力以应力拱形式演化,开采过程中在采空区中形成多处应力集中。基于研究结果,划分63上05工作面冲击危险区域并利用微震监测技术验证准确性。

基于多灾害因素区段煤柱留设宽度研究

以某矿1105工作面为研究对象,针对本矿井冲击地压灾害突出,瓦斯、煤层自燃、水害等多灾害并存条件下1105工作面区段煤柱合理留设尺寸进行研究。采用工程类比、理论计算以及有限元数值模拟等分析方法,结合矿井地质以及开采技术因素,对矿井采用吸能抗冲击支护技术留设小煤柱的可行性以及煤柱留设尺寸进行分析研究。结果表明:工作面留设宽度为10 m小煤柱可以使工作面侧向支承压力集中区域向实体煤支承区转移,降低煤柱冲击危险性,且煤柱留设宽度满足采空区隔水防火要求。

中央大巷采空区影响区域冲击危险源探测技术

为了探明胡家河煤矿中央大巷采空区影响区域冲击危险源分布特征及危险程度,利用CT探测技术原位探测中央大巷采空区影响区域,并进行冲击危险性评价,确定危险区域及危险等级。结果表明,强冲击倾向性、密集巷道群、采空区支承压力相互叠加使中央大巷区域冲击危险性升高;中央大巷探测区域内煤岩层总体处于弱冲击危险等级,进一步确定危险区域,提出针对性防冲技术措施,提高冲击地压防治水平,防治效果良好。

考虑微震前兆特征的CNN-GRU冲击危险性分析模型

微震数据对于冲击危险性分析极为重要,但一般情况下微震事件缺少危险与否的标签,同时模型设计较少考虑微震自身特征,由此导致了模型性能不足的问题。通过对某煤矿微震事件显现特征进行跟踪标定,获得了具有危险性标签的微震数据集,针对性提出了一种基于CNN-GRU模型的微震危险性分析方法,该方法考虑了微震前兆特征,利用微震监测数据的时间、地点和能量建立特征指标;将建立的初始数据集,在时间尺度上分为训练集、验证集和测试集,并对危险和非危险样本不平衡的问题进行处理;最后利用训练集对CNN-GRU模型进行训练,将在验证集上效果最好的模型用于测试,严格规范了模型的泛化能力。该方法在对某矿山的微震监测事件的危险性分析中取得了很好的效果,证明了在选取合适分析特征的基础上,利用深度学习方法对冲击危险状态进行分析是可靠的。

基于MFWA-LSSVM的冲击地压危险等级预测

为提高冲击地压危险等级预测的准确率,通过Cubic映射和随机镜像映射的方法改进烟花算法,利用改进烟花算法寻优最小二乘支持向量机的核参数和惩罚因子,构建基于改进烟花算法优化最小二乘支持向量机的冲击地压危险等级预测模型,以煤岩抗压强度和声发射特征参数作为输入向量,输出向量为综合危险指数,根据综合危险指数判定冲击地压危险等级。结果表明,与烟花和粒子群算法优化支持向量机方法相比,改进烟花算法优化最小二乘支持向量机将预测准确率提高了8%和13.5%,降低了预测误差。

基于震波CT探测的工作面冲击危险性评价及防治

为了提高工作面冲击地压防治效率,鉴于集中静载荷在冲击启动过程中的基础作用,以陕西某矿为工程背景,采用震波CT对工作面开展集中静载荷原位探测和冲击危险性评价,划分冲击危险区域,制定针对性防治方案。结果表明,煤层强冲击倾向性、开采深度大、上方厚硬顶板以及相邻工作面采空区顶板悬而不垮使工作面冲击危险性升高;工作面探测区域内煤层总体处于中等冲击危险等级,并准确划分了冲击危险区域。采用顶板爆破、煤层帮部及底板大直径钻孔卸压技术,切断力源,转移应力,由原来的“防治全巷道”转变为“防治重点危险区域”,提高冲击地压防治效率,得以保障工作面的安全回采。

高冲击地压矿井防治措施研究与分析

结合靖远煤电某矿12130运输顺槽地质特性,采用综合指数评价、冲击危险性等级评价以及基于多因素耦合评价方法对运输顺槽冲击危险区域圈定划分,并采取组合钻孔预卸压防冲治理措施进行防治。卸压效果检验证明了此钻孔设计及钻具选型方案满足工程所需卸压防治要求,卸压效果明显,为内蒙、陕西等冲击地压矿区的防治提供借鉴。

长大隧道岩爆灾害研究进展

岩爆是长大隧道施工中发生频率较高的突发性地质灾害;岩爆研究对于隧道的勘测设计、施工组织及安全生产具有重要的现实意义。岩爆机理研究是岩爆预测及控制技术发展的基础;由于现有理论的不完善,以之为基础的预报体系及控制技术还不能对岩爆灾害进行准确预报和有效控制。岩石静力学理论在岩爆研究中是重要的,但它还不能阐明岩爆的全部机理。钻爆法开挖过程中,各炮层的顺序起爆、周边眼起爆后开挖轮廓面的瞬时大幅卸载及岩爆事件本身所产生的各类高幅值、陡波前应力波以及它们的叠加效应对于围岩,尤其是处于双向受压、一侧临空、具有发生破坏潜势的既有炮次围岩的扰动作用应该是显著的。围岩也许不会在上述动荷载的一次作用下就发生宏观破坏,但这些应力波的多次扰动,却会在微观-细观尺度上引起围岩累积性损伤的加剧与局部应力环境的恶化,并最终导致裂纹的大规模瞬时动力扩展,伴随晶间、粒间瞬态应变能的高速释放,围岩便会以岩爆的形式失稳。因此,系统进行岩爆灾害的岩石动力学机理研究是必要的。

孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法

根据孤岛工作面采空区上覆岩层受采动影响的程度,将其顶板结构分为全悬顶结构、半悬顶结构和完全移动结构。通过理论分析3种顶板结构的应力传递机制,建立了孤岛工作面支承压力估算模型,提出了支承压力估算方法,并构建了存在基于弹性承载区的孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法。采用本文提出的估算模型及评估方法,对"全悬顶-完全移动结构"和"全悬顶-全悬顶结构"孤岛工作面进行了冲击危险性判定,为矿山决策孤岛工作面能否安全开采提供了理论依据。

冲击地压煤层局部保护层开采的减压机理研究

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法,但当开采保护层不具有经济价值、不开采保护层又不能保证主采煤层防冲安全的条件下,提出了开采局部保护层的防冲方案并进行了防冲和防大变形灾害的机理研究。为了论证开采局部保护层防冲方案的安全性,通过建立局部保护层和被保护层的力学关系模型,推导了在局部保护层作用下岩体应力的计算公式,绘制了不同宽度局部保护层条件下引起冲击的垂直应力和剪应力分布云图,给出了发生冲击和大变形边界的应力判据,为设计被保护层巷道的安全位置提供了理论依据。结合河南某煤矿的实际情况,给出局部保护层减压效果的计算方法,计算结果在该煤矿强冲击危险工作面设计中得到了应用。

钻屑温度测试煤体法向应力的试验研究

针对煤体法向应力测试问题,基于煤体法向应力的变化引起钻屑温度改变的实际,通过实验室实验,研究了钻屑温度与煤体法向应力的对应关系。实验研究结果表明:在一定范围内,煤体法向应力不同而其余实验条件相同的情况下钻屑温度随着煤体法向应力的增大而升高;钻头温度最大值、钻头温度上升速率、钻孔温度、煤屑温度与煤体法向应力基本呈线性关系。实验方法可用于测试煤体法向应力水平变化,为预测煤层冲击地压危险性提供新的思路。

基于临界应力指数法巷道冲击地压危险性评价

冲击危险性评价的目的是确定待采掘区域的冲击地压危险等级及范围,是冲击地压防治工作的基础。建立了“应力-围岩-支护”巷道冲击地压力学模型,发现了巷道冲击地压发生的临界应力、临界阻力区深度与煤体单轴抗压强度、巷道支护强度、巷道几何参数以及冲击能指数4者之间的内在关系。冲击能指数直接影响巷道围岩系统结构失稳的临界应力与临界阻力区的大小,阻力区深度增加导致冲击地压发生的临界载荷增加,实际阻力区深度与应力环境是影响冲击地压发生的重要因素。给出了考虑了煤体的实际应力环境、煤体冲击倾向性、巷道结构属性及实际围岩状态4个因素的临界应力指数计算方法。提出采用临界应力指数评价巷道冲击地压危险性的方法,将相似条件下已经发生过冲击地压区域的临界应力指数,作为待评价区域的冲击地压发生指标Kfcr,把临界应力指数在[0,Kfcr]区间以0.25Kfcr为间隔,划分为4个数值区间,由低到高分别对应无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险4个危险等级,依据临界应力指数在4个区间的分布情况判定待评价区域的危险等级。以某矿303工作面实际工程为案例,介绍了包含10个步骤的冲击危险性评价流程,评价结果表明:该工作面存在中等冲击危险区域5个,强冲击危险区域7个。钻屑法监测数据表明评价结果与现场实际相符。与综合指数法评价结果相比,临界应力指数法的评价结果更趋于量化。

煤层硬度与厚度对冲击矿压影响的数值模拟

在坚硬顶板和底板的“两硬”条件下,对不同煤层厚度和硬度对煤岩体中的垂直应力分布的影响,也即反映了对煤岩体中发生冲击矿压危险性的影响进行了模拟.通过组合煤岩试样的试验结果验证了数值模拟的正确性,根据煤岩体相互作用的理论分析了其原因.在“两硬”条件下,煤层厚度与硬度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响,从而对煤岩体系统中冲击矿压的发生有着很大的影响.随着煤层厚度的减小,在煤岩体中产生的应力集中将增大;随着煤层硬度的增加,煤岩体中的最大垂直应力也将增大,从而也增加了冲击危险性.

基于微震和地音监测的冲击危险性综合评价技术研究

采用微震和地音监测系统对千秋煤矿煤岩震动信息进行了联合监测,研究确定了千秋煤矿评价冲击危险性的微震和地音指标。根据微震和地音系统不同的监测对象和监测区域,建立了千秋煤矿基于微震和地音监测的冲击危险性联合评价模型,提高了冲击地压的预测水平。

济二矿首例孤岛综放面冲击矿压监测治理

孤岛综放工作面及其周围巷道附近应力集中程度高,顶板运动剧烈,再加上地质构造的影响,采深较大时,很容易引发冲击矿压.孤岛工作面冲击矿压危险检测预报及控制的技术可事先分析冲击危险程度,并提出早期预报.本文采用电磁辐射和钻屑法进行及时预报;应用卸压爆破进行处理,并采用电磁辐射和钻屑法检验防治措施的效果.实践证明,这套技术安全、可靠、有效,能够保证工作面的安全高效生产.