煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

针对煤矿巷道掘进智能化建设情况,探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状,分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性,提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题,探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术,自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题,提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架,基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术,研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组,提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台,实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信,通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

煤矸石在土木工程材料中的应用研究进展

煤矸石作为煤基固废系列的重要成员,其资源化利用一直是煤基固废的热点研究方向。多年来,在研究人员和工程技术人员的共同努力下,我国煤矸石资源化利用技术水平与利用效率均得到大幅提升,在多个领域(能源、化工、土木工程)成功实现了煤矸石“由废变宝”的转化过程。特别地,土木工程材料领域兼具“大体量”特点和“多元固废协同处置”等技术优势,成为大宗消纳煤矸石的中坚领域。本文综述了煤矸石作为胶凝材料/辅助胶凝材料和骨料在水泥混凝土、地质聚合物、道路工程及地下工程等方向的最新研究进展,总结并对比了煤矸石用作不同组分时的技术要点、难点及对应的质量控制措施和改性增强手段等。然而,矸石建材化的同时也容易导致矸石内部的“有价资源”未得到充分利用;矸石构筑物的长期耐久性和环境影响监测等工作也亟待补充。综上,受煤矸石理化性质、矸石资源化利用技术水平、经验及政策扶持力度等区域化差异因素的影响,煤矸石原料在用于多类型建材制品的生产过程中依然缺少因地制宜、明确且规范的分类管理和分级处置方法,“多领域技术-规范-政策”的逐步发展、完善和有机结合是今后建立高效有序的矸石建材市场及产业链的关键所在。

井下断层活动的定量监测及其对冲击地压的影响研究

为建立断层活动与冲击地压之间的定量关系,实现煤矿冲击地压有效防控。通过理论分析义马矿区地质构造环境,以及耿村煤矿13200工作面与断层影响带的相对位置关系,研究了断裂构造对冲击地压的宏观控制作用。计算了井田构造应力并进行了构造应力区划分,分析了构造应力分区对冲击地压的控制作用。提出了井下断层活动性的定量监测方法,构建了“震源区煤岩体与动力核区尺度等量,震源能量随传递距离逐渐衰减”的模型,建立了大能量微震事件与断层活动的关系,确定了断层活动性对冲击地压的影响。研究结果表明:义马煤田内相对复杂的逆冲推覆构造体系,构成了义马矿区冲击地压的地质构造背景条件。F_(16)断层的影响带范围为7000~7600 m,13200工作面全部处于F_(16)断层的影响带内,在开采活动的影响下进一步增大了冲击地压的发生危险。Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂和Ⅳ-7断裂等控制的区域是冲击地压和大能量微震事件显现的主要区域,且冲击地压和大能量微震事件大多位于应力梯度区范围内。在大能量微震事件孕育和发生期间,F_(16)断层位移分别增长50 mm和45 mm;大能量微震事件发生前,断层活动拉力的增幅均相对最高,分别为2.58 kN和2.93 kN,断层位移量的快速增加和较高的应力增幅构成了大能量微震事件的主要能量来源。表明大能量微震事件和冲击地压的发生均与断层的活动联系紧密。井下断层的实际定量监测方法可以广泛应用于矿井冲击地压预测与防控的指导工作中。

水雾粒子特性对呼吸性粉尘降尘效率影响研究

为有效去除工业生产中的呼吸性粉尘,提高水雾粒子对呼吸性粉尘的捕捉效率,基于三相流理论建立了高速气流中单颗粒雾-尘碰撞耦合数值模型。研究高速气流中单颗粒雾-尘碰撞耦合过程,分析雾-尘粒径比及相对速度对尘粒表面线积分润湿度的影响。结果表明,对于不同粒径等级的呼吸性粉尘,达到最佳润湿度对应的雾-尘粒径比不同,k(PM1)=15、k(PM2.5)=2和k(PM5)=1。在高速气流中雾-尘相对运动状态不同时,粉尘颗粒的最佳润湿度随雾-尘相对速度U增大而增大。搭建仿真试验模型,研究不同情况下水雾粒子的捕尘效率。结果表明,超音速雾化喷嘴对呼吸性粉尘的降尘效率为95.95%,单流体喷嘴降尘效率为82.98%。结合现场试验对比分析,验证雾-尘粒径比及相对速度对尘粒表面线积分润湿度的影响规律。结果表明,越符合粉尘粒子被捕捉的最佳粒径比的喷嘴的降尘效率越高,提高尘雾粒子碰撞速度可以提高对粉尘粒子的捕捉效率,为治理呼吸性粉尘及清洁化工业生产提供理论依据。

斜盘式轴向柱塞泵空化特性分析

针对斜盘式轴向柱塞泵的空化现象,建立了斜盘式轴向柱塞泵全流域模型,采用计算流体力学方法研究了全流域空化特性分布,分析了排油口负载压力、缸体转速和斜盘倾角等工况参数对全流域空化特性的影响规律。研究表明:空化主要发生在吸油区的吸油口、配流盘和柱塞腔区域,空化随气相体积分数增大而加重;排油口负载压力由10 MPa增至30 MPa,吸油口、配流盘和柱塞腔气相体积分数峰值分别由6.28%增至6.68%、5.91%增至7.13%、10.03%增至11.23%;缸体转速由2 200 r/min增至3 000 r/min,吸油口、配流盘和柱塞腔气相体积分数峰值分别由6.39%增至6.41%、6.26%增至10.54%、7.13%增至10.16%;斜盘倾角由3.64°增至5.64°,吸油口、配流盘和柱塞腔气相体积分数峰值分别由6.34%增至6.41%、14.7%降低至13.9%、10.16%增至11.66%。斜盘式轴向柱塞泵在实际设计中,排油口负载压力、缸体转速和斜盘倾角的取值在合理范围内越低越好,斜盘倾角取值存在最优区间。

液压支架立柱防冲吸能构件优化仿真及压溃实验研究

液压支架作为煤炭开采主要支护设备,经常受到冲击地压影响,防冲吸能构件起到保护液压支架作用,为获得更大的初始支反力峰值与吸能量、更小的支反力分散度,对吸能构件参数细化并通过ABAQUS有限元软件进行吸能构件的建模与压溃冲击仿真,获取吸能构件的吸能性能及屈曲变形形态,验证最优尺寸的吸能性能;对比吸能构件平均支反力的预测数据与有限元仿真数据,误差在15%以内,最优尺寸构件的平均支反力模型预测误差为−3.40%,验证吸能构件预测模型所预测数据较为准确;搭建吸能构件压溃实验台,选择5种加载速度,以准静态压溃方式对定制加工的吸能构件进行轴向加载压溃实验,实验结果表明:不同加载速度轴向压溃实验,支反力波动基本一致,最大初始支反力峰值为2253.52 kN,最大支反力标准差为206.23 kN,最小初始支反力峰值为2096.26 kN,最小支反力标准差为189.83 kN,初始支反力峰值的平均值为2149.32 kN,支反力标准差平均值为196.77 kN;不同压溃速度下的轴向压溃实验数据与吸能构件有限元仿真数据对比,初始支反力峰值、支反力标准差的相对误差分别为5.6%、11.07%;对最优尺寸吸能构件通过预测模型法、有限元仿真法、压溃实验法三种方法进行吸能性能分析,预测模型法的平均支反力为1879.7 kN,有限元仿真法的平均支反力为1945.9 kN,压溃实验法平均支反力为1919.8 kN,预测模型误差3.41%,压溃实验误差−1.3%,通过3种方法的数据验证结果,证明了吸能构件分析方法的可靠性和可行性。

原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料研究进展

原位合成技术制备的铝基复合材料,权衡了强度和塑性间的矛盾,有望实现铝基复合材料的结构功能一体化。原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料比刚度,比模量高,具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗疲劳性能,是近年来金属基复合材料的研究热点之一,在汽车制造、高铁动车、航空航天和国防军事等领域具有广阔的应用前景。归纳了三种原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料反应体系(Al-K_(2)TiF_(6)-KBF_(4)体系、Al-TiO_(2)-B_(2)O_(3)体系和Al-Ti-B体系)的特点和优势,概述了原位合成TiB_(2)颗粒对铝基体晶粒尺寸、界面结合和润湿性产生影响的研究现状,对TiB_(2)颗粒强化铝复合材料力学性能的作用机制展开了讨论,梳理总结现阶段在此领域研究过程中仍未解决的问题,展望TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料的潜在发展空间,以期为研究和开发原位合成颗粒增强铝基复合材料提供参考。

带式输送机不停机托辊更换车结构设计及特性分析

为提高煤矿带式输送机在更换损坏托辊时的维护效率,减小人工更换产生的安全风险,文中设计了一种可在带式输送机不停机状态下进行托辊更换的更换车。针对不停机更换托辊的工作要求,确定更换车的更换方案,并建立三维模型。采用D-H参数法建立更换车机械手的连杆坐标系,通过MATLAB软件机器人工具箱建立机械手模型,并用蒙特卡洛法确定机械手的工作空间,结果表明,其运动范围满足槽型托辊组3个托辊的更换。采用ADAMS软件对机械手拆卸和安装托辊过程进行仿真,得到损坏托辊和备用托辊的位移曲线,结合夹取结构的运动曲线和运行轨迹,结果表明,机械手的工作过程平稳流畅。采用ANSYS软件对更换车工作中关键受力部件支撑臂和支撑托辊架进行有限元分析,结果表明:两部件强度满足工作要求,保证更换车工作的可靠性。

多层坚硬顶板特厚煤层综放工作面小煤柱护巷技术

为研究小煤柱护巷巷道的稳定性及其阻隔同层位邻近采空区灾害的特征,以大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,采用理论分析、实验研究、数值模拟等研究方法,从小煤柱护巷巷道的稳定性和其是否具有阻隔同层位邻近采空区有害气体能力2个角度,综合分析小煤柱的合理尺寸及其在不同采动阶段渗透率的演化特征。针对同忻煤矿石炭系煤层8210工作面沿空掘巷小煤柱开采具体的开采条件,建立了双关键层采场内外应力场叠加的力学模型,推导出双关键层条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的计算关系式,理论确定8210工作面小煤柱合理尺寸为6.0 m;应用DJG–Ⅱ型煤岩渗流测试装备,研究不同采动阶段小煤柱渗透率演化特征,试验确定在第3采动阶段小煤柱渗透率较初始渗透率增大了23倍,该阶段小煤柱基本失去了阻隔邻近采空区有害气体的能力。根据理论研究结果,现场选取6 m小煤柱进行工业性试验;根据试验研究结果,开采试验过程中对小煤柱进行了改性降透措施,在小煤柱表面及顶板距煤柱帮1500 mm范围内喷射厚层混凝土(100 mm)。实践表明:工作面回采过程中小煤柱护巷的回采巷道发生了一定的变形量,但是巷道变形在安全可控范围之内,巷道稳定,可实现安全回采;开采过程中8210工作面上隅角CH4气体浓度远低于邻近8305工作面采空区CH4气体浓度,表明小煤柱经过改性降透后具备了阻隔同层位邻近采空区有害气体的能力;开采实践也进一步验证了理论和试验研究成果的合理性和科学性。研究成果可以为类似条件下小煤柱护巷技术的推广应用提供参考。

基于NXMCD的虚实映射实验交互系统设计与实践

该文基于数字孪生理念,结合NX MCD机电概念设计、PLC编程与控制和LabVIEW的图形化编程手段,完成了基于NX MCD的虚实映射实验交互系统设计与实践。以LabVIEW设计的UI界面为控制监测端,物理对象与MCD虚拟模型为执行端,实现了物理对象与MCD虚拟模型的虚实映射,同时MCD虚拟模型能够输出控制信号进而控制物理对象。在此基础上,设计了步进电机往复运动与MCD虚拟模型虚实映射实验案例。该实验案例可为本科生和研究生相关课程的实践教学提供虚实映射交互实验方法和手段,可显著提升学生的创新实践能力与水平,是对数字化实践教学研究的一次探索。

PASCO-Tracker实验系统的搭建及其对热机效率的测量

为使热机p-V图线的测量和由图线计算热机效率的整体过程可成为大学物理实验中易于操作的一部分,笔者首先搭建了PASCO-Tracker实验系统,然后在两种高温热源温度下,通过该系统分别实践了热机工作中p-t、V-t关系图线的测量,并在此基础上得到了p-V图线,在拟合出p-V关系函数后,通过原理公式的计算得到了热机效率与高温热源温度及气缸内装入的钢丝质量间的关系。测量结果表明,压强、体积的周期均随钢丝质量的增加而减小,效率随钢丝质量的增加而增加,二者具有非线性关系。热机效率随高温热源温度的增加而增加。本实验系统可用于演示热机工作过程的实时监控和热机效率的测量与计算。

露天矿含弱层边坡三维危险滑面构建及稳定性计算

露天矿含弱层边坡稳定性分析是露天开采领域中的一个重要研究内容,实际工程问题复杂多样,基于二维计算会导致结果偏于保守,有时无法满足复杂工程的需要,因此,开展含弱层边坡三维稳定性分析的研究是很有必要的。基于标准椭球,对其进行空间几何变换,与边坡插值生成一种由x_(a)等6个参数控制的椭球危险滑面,将椭球滑面与弱层结构面进行组合插值,构建含弱层边坡三维危险滑面;使用三维剩余推力法和遗传算法计算边坡稳定性系数并进行最危险滑面搜索,使用经典算例对方法进行验证,发现含弱层边坡随着滑体宽度增加稳定性系数逐渐降低。以锡林浩特某露天矿为应用实例,对东北帮含弱层边坡进行三维稳定性计算,验证了方法在实际工程中的适应性。

基于Weibull分布的煤矸石对混凝土断裂损伤特性的影响

为探索煤矸石质量取代率、粉煤灰质量取代率、水灰比对I型裂缝煤矸石混凝土荷载-裂缝张开位移、荷载-跨中挠度曲线、断裂韧性、断裂能的影响规律,对I型裂缝煤矸石混凝土进行三点弯曲试验,将所得结果结合损伤力学及Weibull分布函数建立煤矸石混凝土的断裂损伤本构模型。结果表明:煤矸石质量取代率对预制I型裂缝的煤矸石混凝土断裂性能影响最大,粉煤灰质量取代率对其断裂韧度影响较大,水灰比对其断裂能影响较大;提升煤矸石混凝土断裂时断裂韧度及断裂能的最佳组合的煤矸石质量取代率为25%、粉煤灰质量取代率为10%、水灰比为0.5;经对比可知,所得损伤本构模型对应的应力-应变曲线与试验曲线高度吻合。研究成果为煤矸石混凝土的制备及工程实际应用研究提供了参考。

基于蒙特卡罗的硫化氢吸附-扩散机理

为了明确硫化氢(H_(2)S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H_(2)S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H_(2)S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H_(2)S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H_(2)S过程中,H_(2)S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H_(2)S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H_(2)S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H_(2)S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H_(2)S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H_(2)S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H_(2)S分子的扩散系数由1.066×10^(-10)m^(2)/s升至2.025×10^(-10)m^(2)/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H_(2)S分子平均自由程,使得H_(2)S扩散能力增强,H_(2)S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H_(2)S相对体积分数分布呈现多峰结构,H_(2)S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H_(2)S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H_(2)S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H_(2)S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

巷帮煤体整体滑脱型冲击地压锚杆防冲支护原理及工程实践

冲击地压是目前严重影响煤炭安全有效开采的灾害之一,研究锚杆防冲支护原理和技术对防治巷道冲击地压灾害具有重要意义和价值。通过对巷帮煤体整体冲入型冲击地压发生的地质条件以及破坏特征进行总结分析,认为坚硬顶板与坚硬煤层是此类型冲击地压的重要地质特征,而巷帮煤体整体滑脱是其主要冲击破坏特征。在此基础上,以巷帮滑脱煤体为研究对象,建立了顶板-巷道-底板复合结构体力学模型,建立了巷帮煤体发生水平滑移的极限平衡方程,并对各个参数进行分析。结果表明:由于顶板反弹使巷帮煤体竖直方向压力降低,巷帮煤体被构造应力推入巷道发生冲击地压。基于该发生机制模型,认为目前的锚杆支护设计体系在防治巷帮煤体冲入型冲击地压存在不足,并基于其发生和破坏特征,建立了针对巷帮煤体整体滑脱型冲击地压的锚杆防冲支护设计原则,即将顶和底帮锚杆锚固端分别穿层打入稳定的顶底板内,并使用长锚索取代中部帮锚杆,提供锚杆支护的防冲作用。基于新建立的锚杆防冲支护设计方法,以大屯矿区孔庄煤矿7305工作面防冲支护为工程背景,在宽煤柱段巷帮锚杆支护采取了防冲设计,帮顶、底部锚杆及补强锚索均锚固于顶底板内部,能够有效吸收煤体滑动动能,提高安全性。

高职院校高质量发展的理论逻辑与实现机制

近年来,高职院校“高质量发展”成为社会各界的广泛关注和热议话题,在这一过程中,关于“高质量发展”的理论阐释与实践探索不断深入。对高职院校高质量发展的理论解释,主要是从高职教育作为类型教育、职业教育作为类型教育等不同角度进行的。从理论的角度分析,高职院校高质量发展是以服务国家战略和区域经济社会发展为核心导向,以培养技术技能人才为主要目标,以满足学生终身发展为价值取向,以促进社会经济高质量发展为根本标准,形成的一种具有中国特色的现代化职业教育体系。从逻辑的角度分析,高职院校高质量发展是一种基于问题导向和需求驱动的发展性理论,其价值目标在于满足社会经济高质量发展对技术技能人才的需求。

露天煤矿安全-绿色-高效-低碳协同开采技术体系

露天煤矿安全绿色高效低碳开采是全球露天煤矿发展的共识性目标。我国露天煤矿资源开发强度与生态承载力呈现逆向发展特征,我国西北部生态环境脆弱区已成为露天煤炭的主产区,使得露天煤矿开采与生态环境保护成为亟需解决的重要科学问题、生态问题和发展问题。基于我国露天煤矿发展概况、自然条件及主要影响因素,阐释了实现露天煤矿安全-绿色-高效-低碳开采内涵特征与总体架构,针对露天煤矿采前-采中-采后全生命开采周期特点,从安全开采技术、绿色开采技术、高效开采技术、低碳开采技术4个层次,归纳总结了时效边坡控制技术、智能预警决策技术、运输环节新模式、矿区生态建设、相邻矿山协调开采、智能采矿设计、电动矿卡应用以及采矿源头生态减损8项关键技术,明确了露天煤矿安全-绿色-高效-低碳协同开采研究重点工作和方向。在安全-绿色-高效-低碳协同发展措施方面,从强化顶层设计、加快分布实施、深化科研攻关、提升人才培养以及完善标准规范5个方面,提出2025年、2030年、2035年不同阶段需要完成的目标任务。新时期露天煤矿要坚定不移走安全-绿色-高效-低碳发展路径,实现露天煤矿在新时期、新格局下的高质量发展目标。

新工科背景下基于OBE理念的露天矿边坡稳定课程教学改革与实践

在新工科建设背景下,我国高等院校提出培养具备实践能力和创新能力的工程人才的新要求,采矿工程专业的课程教学也需与时俱进。针对目前传统教育存在的问题,基于OBE理念对露天矿边坡稳定课程改革进行思考,从修订教学目标、教学内容重构、教学策略改革和多元化新型评价体系四个方面,对露天矿边坡稳定进行课程改革。通过以上改革策略的实施,以期提高学生在新工科背景下露天矿边坡稳定课程中的学习效果和综合能力,为培养适应新工科要求的优秀采矿类人才提供参考和借鉴。

基于变分模态分解的采空区“三带”微震信号能量衰减规律

为探明微震信号能量在采空区“三带”结构中的衰减规律,拟开展采空区覆岩相似模型试验,采集人工激发微震波经由采空区结构传播的微震信号,通过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理微震信号,获取各频率下模态分量。针对采空区微震信号在VMD下各模态分量中心频率与能量之间的关系展开分析。根据中心频率法确定微震信号最佳模态数量,并计算微震信号欠分解状态、最佳分解状态、过分解状态下各分量能量;对各震源下信号最佳分解状态时各模态分量能量与中心频率分布关系进行拟合,分析在“三带”结构中,微震信号不同传播状态下各结构层对信号能量影响作用。研究结果表明:(1)在VMD过程中,人工激发震动信号有效模态数量在6~11范围内,微震信号能量随模态数量变化明显。(2)采用幂函数可实现对微震信号模态能量与频率关系的拟合,且拟合状态良好(决定系数大于0.9),其中低频模态分量包含能量占信号总能量近50%;采用高斯函数可以拟合震源各分量能量在频域上的分布表现,拟合状态较好,且表现出高斯单峰特征。(3)微震信号穿越采空区“三带”结构,微震信号能量随震源位置与传感器距离增加而减小,同时信号能量随震源位置到达传感器穿越岩层数量增加而减小,信号能量在经由垮落带时,能量变化明显,相较于裂隙带和弯曲下沉带,垮落带对信号能量衰减作用明显。