矿井突水灾变过程电阻率约束反演成像实时监测模拟研究

为实现矿井突水灾变的实时监测与灾变前兆的预警,提出了突水灾变过程电阻率约束反演成像实时监测方法。首先,将表征网格电阻率变化范围的不等式约束施加到电阻率反演成像方程中,并设计了快速反演算法,有效地改善了反演的多解性与计算效率,据此建立了电阻率约束反演成像实时监测方法。同时,开展了隐伏断层底板突水约束反演成像实时监测的数值试验,利用灰度相关系数理论定量评价了突水过程中的电阻率反演图像主要响应特征:表现为反演图像中岩层断裂、突水通道形成等重要事件及图像灰度相关性系数的基本持续单调发展或信息突变。最后,将实时监测方法应用到矿井突水物理模拟试验中,实现了对裂隙萌生、扩展、岩层断裂等重要突水过程的较真实动态成像,提前813 s准确捕捉到灾变前兆信息,表明电阻率约束反演成像实时监测方法用于突水灾害监测与预警具有良好的可行性。

松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与数值分析研究

以松散承压含水层水下采煤为例,通过研制的新型流固耦合相似材料和突涌水物理模拟试验系统真实再现采区突涌水的灾变演化过程,采用光纤光栅技术、声发射技术和电阻率层析成像技术,全程捕捉隔水层围岩应力场、位移场、渗流场、温度场、电场和声发射信息的变化特征及其异常信号,研究突水前兆多元信息的演化规律及其临突特征。采用可考虑多场耦合效应的数值分析方法,研究突水灾变演化过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律,分析突水前兆多物理场信息的响应特征。试验和数值分析结果表明:在隔水层破断突水前,围岩应力变化持续增长后发生回跌,但已濒临突水。围岩位移变化持续增长后发生跳跃,在跳跃前出现孕育突水前兆的稳定突升段。围岩渗透压力变化持续降低后发生急剧跌落,在突水前很长时间里出现孕育突水前兆的异常波动段。围岩视电阻率和声发射能量也在突水前产生明显的突升和激增现象,尤其是视电阻率突升段的增长点出现在突水前较长的时间段。通过对多场信息变化规律的内在联系及其对突水预测的有效性分析,发现隔水层的渗透压力、视电阻率以及位移变化信息在突水前具有明显的前兆特征,是松散含水层开采突水灾害预警和监测的重要前兆信息源。研究结果有助于加深对煤矿突水灾变演化过程的认识,为突水前兆信息演化规律及实时监测理论的建立提供科学依据。

基于微震监测的工作面底板突水全时空预警方法

为分析采煤工作面不同时期、不同空间的微震响应特征差异,进而实现矿井水害预警和防治,基于典型案例分析提出了一种基于微震监测的工作面底板突水全时空预警的方法。所谓“全时空”是指包括采前时期、超前采动影响时期和开采时期在内的工作面全时间周期的3时段划分,以及工作面全空间的7个评价区域划分。在第1时段(采前时期),基于钻孔工程信息(钻孔涌水量、钻孔水压、钻孔注浆量)和微震响应特征,形成了突水危险性的表示方法,确定了原发性突水危险区,进而实现了采前时期突水危险性的长期预测;在第2时段(超前采动影响时期),设置“固定工作面”,并对微震事件及震源参数进行重新定位,在对微震事件核密度分析的基础上,获取突水前兆信息,确定了超前影响区、滞后影响区、侧向影响区的突水特征,进而实现了超前采动影响时期的突水危险性预警;在第3时段(开采时期),结合微震事件核密度分析,确定了顶板导水破坏区、底板破坏区、底板采动损伤区,引入2D-CE法在平面上对微震事件进行规范化,分析微震事件置信椭圆与预警含水层的位置关系,进而实现了工作面开采时期的突水危险性预报。同时根据开采验证结果,对前期预报方法进行修正,为后续工作面突水预报服务,使得焦作、邯邢矿区多个工作面基于微震监测的底板突水预测结果更加准确。

深部开采底板破坏及高承压突水模式、前兆与防治

以深部开采底板承压超过5 MPa的特殊条件为研究对象,围绕复杂结构底板隔水层采动破坏及其诱发高承压突水这一核心问题,以大量突水资料为背景,分析了底板突水的形成及影响因素、水岩相互作用、时空分布及规律,总结了底板突水的两类基本模式,即完整型底板突水模式和断裂构造型底板突水模式。采用现场实测、数值模拟及物理模拟等手段,揭示了深部开采条件下底板隔水层的采动破坏规律,即在底板承压超过5 MPa条件下,工作面底板隔水层受超前应力破坏明显,深度一般在25 m左右;在相同底板隔水层结构和开采条件下,随着水压的升高,底板破坏深度及范围不断增大;工作面底板不同位置的破坏范围具有差异性,从工作面正下方往采空区方向由"倒马鞍形"逐步过渡到"倒梯形"。利用高承压矿井突水模拟试验系统,设计并完成了单一结构、多层组合结构以及断裂结构底板隔水层条件的底板高承压突水模拟试验,揭示了不同底板结构模型突水的压力及孔隙水压力变化特征,试验结果表明:采动引起的底板压力及孔隙水压力呈周期性波动,与工作面推进距离有关。突水通道形成过程中,各参数均表现为较大幅度升高并剧烈波动;通道一旦形成并发生突水时,压力和孔隙水压力均急剧下降,并稳定在某一范围,试验结果表明,底板压力和孔隙水压力信息是较为理想的底板突水监测预报信息源。以典型底板隔水层条件为基础,建立了深部高承压厚隔水层条件下安全开采评价方法以及薄隔水层条件下"底板富水性探查-注浆改造-物探钻探验证-安全开采评价-回采"的决策及实践范例;发现了豫中矿区寒武系石灰岩上段20～30 m层段岩溶不发育的特点,并具有良好的隔水性,分析了该层段隔水性的地质成因,将寒武系石灰岩上段岩溶不发育段作为隔水层考虑,并成功应用于马陵山井田井巷工程布置,实现了-350 m上车场进入寒武系石灰岩上段垂深55.5 m,合计320 m长度巷道的安全施工并投入使用2 a。

矿井水害的临突监测指标及预警模型

对矿井水害临突监测的有效指标进行了探讨,分析了其报警阈值的确定方法。在此基础上,提出了单因素评判预警模型及多因素耦合预警模型,并建立了相应的预警指标和等级,初步构建了矿井水害临突监测预警系统的框架体系。

多场前兆信息辨识粉砂岩巷道突水模拟实验研究

采用高速照相机、红外热像仪和声发射系统对巷道掘进面突水过程进行监测,总结加载过程中可见光图像、红外辐射温度以及声发射参数变化规律,寻找粉砂岩巷道突水的前兆信息。研究结果显示,突水发生前,巷道掘进面的渗水面积因渗水量增大而出现扩大情况。随载荷的增加,突水呈现2种模式,即"渐变型"和"突增型"。2种模式的突水发生前均存在多场信息变化的前兆。"渐变型"突水发生前红外最低温曲线呈现"降转升"波动,声发射出现大量低能率事件。"突增型"突水发生前红外最低温曲线为"突升转平静"变化,声发射表现为大量高能率事件。经统计分析,3种监测手段对突水前兆响应顺序为:红外>可见光>声发射。由于巷道突水的复杂性,建议采用多场联合监测方法,为突水监测提供更可靠的预警信息。