宽沟煤矿开采中的冲击地压综合预警指标构建

　　摘 要

　　随着煤炭开采深度和开采强度的不断增加,冲击地压已经成为了矿山开采面临的主要灾害之一,严重威胁着矿山安全.根据地质赋存条件及开采技术条件对回采工作面做 出冲击地压危险性分析与利用监测数据探究冲击前兆特征是冲击地压防治的重要依据,对确保矿山的安全回采具有重要的工程意义.

　　论文采用工程调研、数值模拟、现场数据监测等方法与手段,较为全面地开展了工作面冲击地压危险区域划分与预警指标的选取.构建了 BP 神经网络预测模型,将整个工作面划分成小的单元区域,对各单元分别进行预测分析,得出了工作面不同区域冲击地压危险等级的分布情况.建立 FLAC 数值模型分析工作面不同回采距离时,应力分布和迁移特征,探究冲击危险的主要分布区域,当工作面在实体煤下方时,工作面中下部是高应力的主要集中区域,形成高应力"三角区",随着靠近 W1145 采空区出现应力叠加现象,且在 666m 处垂直应力峰值达到 41.2MPa;当处于采空区下方时,应力由中下部迁移到中上部,形成高应力"椭圆区".开展了微震数据的分析,揭示了冲击地压发生的微震前兆特征,冲击发生前,日总能量-频次的整体变化趋势表现为"V"型、"N"型、"上升"型,在变化趋势的上升阶段出现冲击事件,超前工作面 100m 附近是冲击事件发生的高频区域;在冲击发生前,微震事件的空间分布出现较明显的能量事件低密度区域.运用趋势法、临界值法和动态变化率法,确定了宽沟煤矿冲击地压的预警指标,建立适用于宽沟煤矿的冲击地压综合预警方法,并进行了现场应用,效果良好.

　　本研究对促进类似地质条件和开采技术条件的矿山冲击危险分析及预警具有较好的科学意义和参考价值.

　　关 键 词:冲击地压;神经网络;数值模拟;微震;预警

　　ABSTRACT

　　With the increasing depth and intensity in coal mining, rock burst has become one of themajor disasters faced by mining, which seriously threatens the safety of mines.it is animportant basis for the prevention and control of rock burst to make the rock burst hazardanalysis by analyzing geological occurrence conditions and mining technical conditions and touse the monitoring data to explore the precursory characteristics of rock burst in the face. It isof great engineering significance to ensure safe mining of mines.

　　In this thesis,the methods and means of engineering investigation,numerical simulationand field data monitoring are used to carry out the division of rock burst dangerous area andthe selection of early warning index in working face in an all-round way.The BP neuralnetwork prediction model is constructed, the whole working face is divided into small unitareas, each small unit is predicted and analyzed respectively, and the distribution of rock bursthazard grade in different areas of the working face is obtained. The FLAC numerical model isestablished to analyze the stress distribution and migration characteristics of different miningdistances in the working face, and to explore the main dangerous area of rock burst. when theworking face is under the solid coal, the middle and lower part of the working face is the mainconcentration area of high stress.The "triangle"of high stress is formed, and the phenomenonof stress superposition appears near the goaf of W1145, and the peak value of vertical stressreaches 41.2 MPa at 666 m;When it is below the goaf, the stress moves from the middle-lowerpart to the middle-upper part,forming a high stress "elliptical"area.The analysis ofmicroseismic data is carried out, and the precursory characteristics of microearthquakeoccurrence of rock burst are disclosed. before rock burst occurs, The overall variation trend ofdaily total energy-frequency is "V" type, "N"type and "ascending"type. rock burst eventsoccur in the upward stage of the change trend, and the high frequency area of rock burst eventsoccurs near 100m ahead of the working face. Before rock burst, There is an obvious lowdensity region of energy events in the spatial distribution of microseismic events. By usingtrend method, critical value method and dynamic change rate method, the early warning indexof rock burst in Kuangou coal mine is determined, and the comprehensive early warningmethod of rock burst suitable for Kuangou coal mine is established, and the field application iscarried out, and the effect is good.

　　This study has good scientific significance and reference value for promoting mine rockburst hazard analysis and early warning of similar geological conditions and mining technicalconditions .

　　Keywords: rock burst; neural networks; numerical simulation; microseismic;early warning.

　　目 录

　　1 绪论........................................................................................................................................ 1

　　1.1 选题的背景和研究意义.............................................................................................. 1

　　1.1.1 选题背景........................................................................................................... 1

　　1.1.2 研究意义........................................................................................................... 1

　　1.2 国内外研究现状及发展趋势...................................................................................... 2

　　1.2.1 冲击地压机理研究........................................................................................... 2

　　1.2.2 冲击地压监控预警研究现状........................................................................... 4

　　1.2.3 多参量数据处理研究现状............................................................................... 7

　　1.3 论文研究的内容、目标及关键问题.......................................................................... 8

　　1.3.1 研究内容........................................................................................................... 8

　　1.3.2 研究目标........................................................................................................... 8

　　1.4 研究方案及技术路线.................................................................................................. 9

　　1.4.1 研究方案........................................................................................................... 9

　　1.4.2 技术路线........................................................................................................... 9

　　2 基于地质因素的冲击危险性分析.......................................................................................11

　　2.1 矿井及工作面概况.................................................................................................... 11

　　2.1.1 矿井概况......................................................................................................... 11

　　2.1.2 工作面概况..................................................................................................... 13

　　2.2 历次冲击地压事件.................................................................................................... 15

　　2.3 W1123 工作面冲击地压主要影响因素分析............................................................ 16

　　2.4 运用 BP 神经网络模型的冲击地压危险性分析..................................................... 17

　　2.4.1 影响冲击地压因素分析................................................................................. 17

　　2.4.2 BP 神经网络的建立........................................................................................ 18

　　2.4.3 工作面冲击危险区域..................................................................................... 22

　　2.5 本章小结 ................................................................................................................... 23

　　3 基于数值计算的采动影响下工作面冲击危险性分析 ...................................................... 24

　　3.1 工作面回采模型构建................................................................................................ 24

　　3.1.1 数值计算模型设计......................................................................................... 24

　　3.1.2 煤岩体物理与力学参数................................................................................. 25

　　3.2 W1123 工作面开采应力演化分析............................................................................ 26

　　3.2.1 顶板初始应力................................................................................................. 26

　　3.2.2 工作面倾向垂直应力分布特征...................................................................... 27

　　3.2.3 工作面走向超前支承压力分布特征............................................................. 29

　　3.3 工作面采动影响特征................................................................................................ 32

　　3.3.1 工作面倾向采动影响特征............................................................................. 32

　　3.3.2 工作面走向采动影响特征............................................................................. 32

　　3.3.3 工作面冲击危险区域分布............................................................................. 33

　　3.4 本章小结 ................................................................................................................... 34

　　4 冲击地压监测前兆特征分析.............................................................................................. 35

　　4.1 微震监测原理及监测方案 ........................................................................................ 35

　　4.1.1 监测原理 ......................................................................................................... 35

　　4.1.2 监测方案 ......................................................................................................... 35

　　4.1.3 预警值 ............................................................................................................. 36

　　4.2 冲击地压事件的微震时空前兆特征分析................................................................ 36

　　4.2.1 冲击地压的微震时间序列前兆特征分析...................................................... 37

　　4.2.2 冲击地压的微震事件空间分布前兆特征分析.............................................. 45

　　4.3 本章小结 ................................................................................................................... 46

　　5 宽沟煤矿冲击地压综合预警与应用.................................................................................. 47

　　5.1 基于动态变化率方法的预警指标选取.................................................................... 47

　　5.1.1 动态变化率法 ................................................................................................. 47

　　5.1.2 微震数据预警临界值的确定.......................................................................... 48

　　5.2 基于 G-R 关系的微震监测预警指标....................................................................... 49

　　5.2.1 G-R 关系的定义.............................................................................................. 49

　　5.2.2 微震能量分布特征 b 值的临界值................................................................. 50

　　5.3 基于 BP 神经网络与数值模拟的冲击危险区域划分............................................. 53

　　5.4 冲击地压多参量综合预警方法的建立及应用......................................................... 55

　　5.4.1 冲击地压预警方法的建立.............................................................................. 55

　　5.4.2 冲击地压预警方法的应用.............................................................................. 56

　　5.5 本章小结 ................................................................................................................... 59

　　6 结论...................................................................................................................................... 60

　　致谢.......................................................................................................................................... 61

　　参考文献.................................................................................................................................. 62

　　附录.......................................................................................................................................... 67

　　1 绪论

　　1.1 选题的背景和研究意义

　　1.1.1 选题背景

　　我国的煤炭资源总量相对丰富,煤炭对国民经济发展具有强力的支撑作用.煤炭工业作为关系国家能源安全的重要产业,虽然国家经济增速放缓、能源结构调整,煤炭行业面临的压力增大,但结合我国"富煤、贫油、少气"的实际国情,在未来相当长的一段时间内,我国的主要能源依然是煤炭.煤炭资源具有低廉性、可靠性和可洁净性等性质,这为其担负国家能源安全、经济可持续健康发展的责任做足了准备.据中国工程院预测分析:2020 年、2030 年、2050 年,我国煤炭需求量分别为 39~44 亿吨、45~51 亿吨、38 亿 吨,煤炭需求总量仍然能够保障我国国民经济的良好发展[1].

　　冲击地压已经成为了采矿行业的主要灾害之一,最早有记录发生的冲击地压事故在1738 年的英国,我国是在 1933 年的胜利煤矿.随着开采深度和开采强度的不断提高,煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板事故等煤岩动力灾害越来越严重.动力灾害[2,3]是将集中应力从围岩深部传递到巷道、工作面等自由空间释放的过程.其中冲击地压以其发生前现象特征不明显,冲击发生时灾害猛烈、破坏范围大等特点严重威肋着煤矿企业的生产活动,其己经成为煤炭资源开采必须解决的重大安全生产难题[4,5].经过长期的生产实践证明,对冲击地压进行监控预警是减少或避免冲击地压灾害发生的基础.

　　神新公司所属的宽沟煤矿在回采 W1143 工作面时,在工作面下部(采深 317m)发生了首次冲击地压事故,造成了多人死亡、采煤机和数架液压支架报废的严重后果.在回 采后续工作面多次发生冲击地压事故,根据宽沟冲击事件资料,冲击地压灾害已经成为了矿上的主要灾害之一,给工作面正常回采、人员安全、设备维护带来了新的挑战.并且 W1123 工作面处于 B2煤层中,工作面埋深更深,开采工艺比 B4煤层采用的工艺更复杂,煤层具有弱冲击倾向性,顶板具有强冲击倾向性.为了保证工作面的正常回采,对冲击地压的防治更有针对性,前期的冲击危险性分析及预警方法研究就显得非常重要,并可作为后期冲击地压防治的依据.

　　1.1.2 研究意义

　　本研究通过对宽沟煤矿前期冲击危险性进行分析及建立合适的综合预警方法,可以对宽沟煤矿的冲击地压监控预警有实际指导作用,并且也可以为类似条件的矿井冲击地压预警方法的研究提供借鉴.

　　1.2 国内外研究现状及发展趋势

　　浅部煤矿资源的不断开采、经济的持续增长导致煤矿开采深度及开采强度的不断增加,冲击灾害日益突出,己经严重影响煤矿的安全高效生产.国内外学者关于矿井冲击地压做了大量的研究,但对于矿井埋深小于 400m 的冲击地压发生机理、防治体系尚待进一步研究[6].通过煤矿实践生产的冲击防治情况,冲击地压的防治主要在于对冲击地压进行早期的冲击危险性分析与预警方法的建立.

　　1.2.1 冲击地压机理研究

　　国外对冲击地压发生机理研究较早,众多专家学者对冲击地压机理和防治研究中积累了大量的理论成果,关于冲击地压机理主要成果如下:

　　强度理论认为,冲击地压的发生主要原因是采动后煤岩体所受实际载荷大于破坏极限载荷[7,8].虽然该理论可以直接描述煤岩在开采影响下的破坏机理,但该理论不能很好地描述冲击地压的动力特性,强度理论可以解释冲击地压的一些现象,但是巷道、煤柱等区域经常出现应力集中且超过其极限载荷,但不都会发生冲击地压事故,因此,强度理论对这些问题还无法给出全面的解释.

　　刚度理论将煤岩体作为一个受载体,冲击地压发生的条件是受载体屈服之后的刚度大于"围岩-支架"的刚度.Salaman[9]和 Brady[10]通过对多个矿柱的冲击问题进行了分析和计算,发现刚度理论更适用于矿柱冲击问题.该理论的不足是对煤岩体力学性质之间关系描述不透彻.

　　Cook 等[11]学者通过对发生的冲击地压灾害的总结分析,提出能量理论.从能量集中与耗散的角度来解释冲击地压的发生机理,将"围岩-煤层"系统中释放与消耗能量比较,冲击地压事故发生的能量前提条件就是破坏释放的能量比消耗的能量大,即煤岩体中释放与消耗的差值剩余能量会作为冲击地压的诱发因素,诱发冲击地压的发生.但是该理论没有对煤岩体平衡条件进行详细的说明.

　　Vesela、Beak 等[12,13]提出了一种以冲击敏感影响因素和能量集中存储因素为关键因素的冲击地压机理,Lippmann[14,15]通过对冲击地压现象的分析,提出了以结构失稳概念为核心的冲击地压理论.

　　Zoheir 等[16]采用离散单元程序及其显式时间推进格式,对冲击地压的初始准静态响应和随后的动力响应进行了数值模拟,得到了冲击地压剪切作用下的动力响应.通过模拟在不同压缩载荷下具有延性、半脆性和脆性破坏响应的矩形板状开挖,研究了影响冲击地压强度的因素.通过模拟不同加载条件下的不同滑移情况,探讨了剪切型冲击地压发生和强度的影响因素.通过分析,为冲击地压事件的研究提供了一个计算框架,并为处理更为复杂的冲击地压事件提供了参考,揭示了岩石的杨氏模量、破裂应力、岩石脆性和断层的滑移弱化行为是如何控制冲击地压发生的.

　　随着我国煤矿开采向深部发展,地质赋存复杂、开采布局差异大,冲击地压成为许多矿井的主要灾害之一,众多学者对我国煤矿发生的冲击地压事件进行总结分析,对冲击地压发生机理与冲击能量源识别与控制取得了诸多成果.

　　某些煤岩体具有发生冲击破坏的固有属性,与它所受的外界环境没有关系,冲击倾向性理论主要描述了冲击地压发生所具备的煤岩属性条件,但冲击地压的诱发影响因素是受到多种因素共同作用的结果,该理论没有考虑到地质赋存与开采技术因素等外部条件对冲击地压的影响[17].赵同彬等[18]利用细观颗粒流软件,研究煤岩不同细观参数均质度对冲击倾向性的影响,得出了颗粒弹性模量均质度与宏观弹性模量之间呈幂函数关系.潘一山等[19]在自行研制的多通道电荷感应监测系统的基础上,通过实验对冲击倾向性煤体破坏中的"力-电"响应规律开展研究,结果表明:具有冲击趋势的煤的物理"力-电"响应曲线存在一个冲击失稳的预警时间区域.左建平等[20]利用试验机对岩煤试样进行单轴压缩实验,研究结果表明:为了对冲击地压的发生进行预测及防治,有必要对冲击地压矿井的煤岩组合体进行冲击倾向性鉴定.

　　李玉生[21]将强度理论、能量理论和冲击倾向理论结合起来提出了"三准则"理论,只有在同时满足这三个准则时冲击地压才会发生,然而由于实际生产活动环境的复杂性,冲击地压受到多个因素的影响,三准则理论运用具有局限性.

　　根据煤岩体变形系统的失稳理论,冲击地压是采掘空间煤岩体结构失稳引起的破坏过程[22].姜耀东等[23]总结冲击地压发生特征,研究煤体细观结构参数与煤体冲击倾向性的内在关系.通过实验探讨煤岩体在采动等外界因素影响下内部微裂纹快速成核、贯通、扩展进而诱发煤体整体失稳的机制.潘一山等[24]针对煤矿冲击地压问题,对扰动响应失稳理论展开研究,提出了煤岩体变形系统控制量、扰动量和响应量的概念.

　　谢和平[25]运用分形理论探究了冲击地压的分形特征和原理,认为冲击地压可以等同于煤与岩体内部裂隙的分形聚集.随着分形维数的降低,所需耗散能呈指数增长.许福乐等[26]通过单轴载荷作用下煤岩破坏全过程的声发射试验,采用多重分形分析方法,分析了煤岩声发射强度序列的相关性和多重分形特征.结果表明:声发射强度时间序列内的起伏变化不是完全随机的,其起伏变化趋势是有序的多重分形分布.丁鑫等[27]通过岩石力学试件实验,对破碎块进行了筛选统计,得到了块体的强度、分形特征、声发射信号规律及它们之间的相互关系.

　　齐庆新等[28]提出了"三因素"理论,该理论将影响冲击地压的众多因素总结、归纳为三个主要因素:冲击倾向性、容易引起突变滑动的层状界面、高应力集中及扰动,认为冲击地压发生是内在因素、结构因素、力源因素共同作用的结果.

　　随着科学技术研究的不断发展,冲击地压的理论研究及技术应用方面产生了许多新的研究课题,丰富了冲击地压的理论成果.

　　尹光志、潘一山等[29,30]在对煤岩体结构进行分析和总结的基础上,建立了煤岩体失稳突变模型,讨论了影响冲击地压的因素和影响程度.

　　徐曾和[31]利用尖点突变模型研究了坚硬顶板条件下的冲击地压非稳定机制,给出了冲击地压的发生判定条件,在此基础上,探讨了冲击地压的前兆规律和发生过程,提出了可监测的前兆信息,丰富了冲击地压研究成果.

　　赵忠虎等[32]从微观角度推导了岩石变形的能量传递方程,从宏观角度发现外部世界提供的能量在岩石变形初期以弹性应变能的形式储存在岩体中.从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,寻找岩石破坏的真正原因.

　　周晓军、鲜学福等[33,34]通过实验研究了煤岩体的粘弹性蠕变特性,提出煤的粘弹性蠕变柔度系数是判断煤蠕变不稳定性的主要指标,并对冲击倾向强度进行了分类.

　　窦林名、何学秋等[35]为了建立冲击地压的危险性判据,对煤岩体混凝土等材料的变形破坏特征开展了研究.通过对试验材料的变形特征、"声+电"特征的监测及分析,探究冲击地压危险判别准则.

　　虽然很多学者对冲击地压机理开展了研究,也得出了大量的成果,然而由于矿井地质赋存的差异性、冲击地压影响因素的多样性,目前仍没有一个理论能真正破解冲击地压的发生机理,冲击地压的机理仍需继续研究.

　　1.2.2 冲击地压监控预警研究现状

　　冲击地压的长期实践表明,冲击地压的监测和预警是冲击地压防治的前提和基础,冲击地压是煤岩层的物理力学性质在时间和空间上变化的宏观反映,其孕育及发展过程中存在着各种物理性质变化.冲击地压预警是对煤岩力学系统在这一过程中的相关指标进行监测,观察各指标在时间和空间上的变化,并选择合适的参数作为预警的敏感指标.目的是为冲击地压的防治提供强有力的具体定量指标,使其更具针对性,提高防冲措施的施工效率,同时减少人员和物资的浪费.

　　(1)岩石力学方法

　　根据在煤体中钻孔排出的煤粉量的数据变化情况以及钻孔过程中出现的动力现象对工作面冲击危险程度进行探测[36].冲击地压的危险程度常用钻粉率指数来鉴别,钻粉率指数是钻孔的每米实际钻粉量与每米正常钻粉量的比值,其中每米正常钻孔煤粉量是指在支护压力影响范围外测量的煤粉量.通过监测钻粉率指数的大小变化与临界值指标的对比分析,来判定冲击危险程度.除煤粉量指标外,还应考虑动力效应.动力效应是反映冲击危险性程度的一个非常直观的指标,如钻杆跳动、卡钻、出现震动或声响等现象.对钻孔施工时所发生动力效应的详细记录及对比分析,可对冲击危险位置及冲击危险程度做出准确地判断.其具体的判别标准如表 1.1 所示:

　　朱丽媛等[37]利用自主研发的扭矩-推力测试装置,通过相似材料试件的钻孔试验,测试钻孔过程中的钻杆扭矩和钻屑推进力,来探究判断煤矿冲击地压危险的方法,为冲击地压的预测预报提供了更多的监测参量,提高了预测精度.

　　研究表明,综采阻力的大小变化与煤壁片帮、顶板的下沉和垮落、支架变形和破坏等动力效应有非常紧密的关系.通过对综采支架阻力的监测,分析支架阻力的变化特征,对防止冲击地压和顶板灾害的发生具有重要意义.李潞斌[38]针对有线矿压监测系统监测数据缺失、准确度低的问题,研制了无线矿压监测系统技术,实现了井下支架工作阻力的实时监测.唐明珠等[39]为了解决矿井液压支架监测系统的布线复杂、维护困难、监测数据传输稳定性差等问题,将蓝牙技术运用到矿井液压支架监控系统中,利用蓝牙无线通信传输液压支架的监测数据,其传输速率快,性能稳定.

　　回采期间整个工作面稳定性受到诸多因素的影响,其中地应力是导致围岩变形破坏、支护失效和矿山冲击地压现象的最重要和最基本的因素之一[40].在实际生产活动中,通过将钻孔应力计安装在煤层中来对应力集中程度进行监测,通过对应力值的读数观测来评价分析监测区间的冲击危险性.徐文全等[41]为了研究回采扰动作用下围岩的应力演化规律,基于静压原理自主研制了一种应力监测传感器,并在实验室进行了加载试验.将该装置用于现场开采实践中的应力测量,结果表明:研制的应力监测传感器的监测结果能够较真实地反映煤岩应力实际分布情况.

　　(2)地球物理方法

　　岩石破坏产生的电磁辐射现象作为一种地震的前兆,长期以来一直受到国内外学者的重视[42,43].通过记录电磁辐射信号强度的幅值和脉冲数能了解煤岩体的破坏程度从而预测冲击地压.顾合龙等[44]结合河南义马某矿的冲击地压特点,基于电磁辐射机理对该矿冲击地压前后的电磁辐射最大值及均值的变化规律进行分析,得出电磁辐射对于冲击地压具有定性反馈作用及定位功能.陈杨[45]以孤岛工作面为例,基于电磁辐射建立了"电磁辐射预警+电磁辐射卸压效果检验"的孤岛工作面冲击地压危险监测与治理技术.通过记录电磁辐射信号强度的幅值和脉冲数,观察煤岩体的破坏程度和破坏速度,以此为前兆特征,从而预测冲击地压.

　　煤、岩等固体材料中存在物理的缺陷[46].如果有外部条件的作用,引起内部损伤并在损伤破坏期间以弹性波的形式释放应变能.王恩元等[47]对煤体声发射的频谱特征和变化规律进行了测试和分析,结果表明,随着载荷和变形破坏过程的增加,声发射信号的频谱逐渐增大.煤的声发射特征的变化与煤体的变形和断裂过程密切相关[48].来兴平等[49]为了急斜煤层开采顶板断裂失稳动力灾害的预测研究,通过构建顶板裂隙扩展能量演变模型实验,利用声发射监测指标的变化趋势分析顶板岩体裂隙扩展过程,揭示急斜煤层顶板裂隙扩展诱导能量时-空演变特征.研究表明:急斜煤层顶板积聚的应变能大于耗散能,工作面开采加剧了顶板岩体的破坏,裂纹扩展引起的能量释放速率必然急剧增加.随着煤岩体内部裂隙扩展,声发射监测信号发生同步变化,声发射监测数据的能量率和断裂事件数主要经历缓慢变化、突然增加和突然减少的过程,能量的加速释放容易引起顶板断裂失稳和诱发动力灾害.这为现场灾害预测和预防提供了科学依据.

　　目前,微震监测系统[50,51]广泛应用在冲击地压的监测中,其可以对冲击地压进行连续、在线监测,自动记录矿山微震活动,计算微震事件能量,准确定位震源位置.李楠等[52]通过对微震技术应用范围的总结分析,发现煤矿微震监测中还存在许多需要系统深入研究的问题.陈通等[53]以董家河煤矿为例,根据监测数据的统计分析研究了微震事件的分布特征及其上覆岩体"三带"间的关系.结果表明:在走向方向上,煤壁支护影响区是采煤引起的微震活动主要分布区域.

　　钻孔电视能直观的观测钻孔内煤岩体结构完整性,钻孔电视资料的解释主要是对裂隙或不连续面的解释,包括裂隙的埋深、倾向、倾角、宽度、裂隙面的粗糙度、充填物等性质.来兴平等[54]通过对乌东煤矿钻孔测试点的监测,利用三维全景智能钻井电视,获得了煤岩体内部变形的光学特征图像.通过三维成图解析重构,定量化急倾斜采动煤岩体裂隙化程度(隙宽、角度、迹线长度及数目等)、纹层及碎裂带等特征,揭示急倾斜煤层开采煤岩体内部变形特征与埋深位置关系.

　　CT 技术在地学领域的应用称为地震层析成像.其在地球科学中的应用主要集中在勘探、裂缝探测、地质构造探测等方面.科学技术日新月异,新的研究成果不断涌现,以前的许多技术问题得到了解决,随着 CT 技术的不断改进和发展,处理生产活动中的实际问题将取得良好的经济效益和社会效益[55].窦林名等[56]针对煤矿冲击灾害日益频繁的情况,基于应力与纵波速度的试验关系模型,分析了用纵波速度确定冲击危险性的理论依据.建立了用于冲击危险动态预测和评价的振动波 CT 检测技术.结果表明,对于相同性质的岩体,纵波速度反映了冲击地压的强度条件、能量条件和动载荷诱发冲击条件.

　　井下智能雷达是一种利用电磁波对不可见介质或介质内部物质分布规律的智能监测方法,通过电磁波探测煤岩体不同结构时的电性差异,产生强弱差异的反射波,通过对反射波处理形成智能探测图像,可以直观反映煤岩体破碎程度和稳定性.来兴平等[57]以综放工作面顶板煤岩稳定性控制为目标,采用井下智能雷达探测设备进行现场监测,通过雷达探测数据的分析,了解顶板岩体破碎特征.结果表明:分段卸压技术措施实施后,综放面顶板岩体破碎,顶板集聚的能量得到了有效的释放,工作面推进不会造成顶板大面积悬空.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　6 结论

　　论文以宽沟煤矿 W1123 工作面冲击危险性分析及预警为研究目标,采用工程调研了解工作面的地质赋存情况、生产技术条件.运用神经网络手段,建立预测冲击地压危险等级的模型,并对整个工作面区域按危险等级进行了划分;通过数值模拟分析工作面在不同的回采阶段应力的分布及迁移特征,划分冲击高危区域;通过微震数据的收集,分析微震数据的时空前兆特征.建立基于趋势法、临界值和动态变化率的预警指标,形成宽沟煤矿冲击地压综合预警方法并在实践生产中得到验证.取得的主要成果有:

　　(1)分析了开采深度、煤层厚度、倾角大小、顶板条件、构造情况、煤厚变化和倾角变化等影响冲击地压的主要因素,并在此基础上建立预测冲击地压危险的 BP 神经网络模型.工作面的冲击地压预测等级主要为弱冲击和中等冲击,当回采位置在实体煤岩体下方时,冲击危险区域主要靠近在巷道煤壁侧;当工作面位于 W1145 采空区下方时,工作面冲击危险区域集中在走向 700~980m 之间,中等冲击危险区域呈"日"型分布.

　　(2)分析运输巷走向方向顶板初始应力,分为应力平稳区(0~600m、800~1468m)、应力变化异常区(600~800m).分析开采扰动后工作面的应力分布特征,结果表明:a、 在实体煤下方,倾向剖面上垂直应力随着工作面的不断回采,在垂直方向上的影响范围不断增加,在回采 666m 处应力影响覆岩的范围达到峰值为 94m;处于采空区时,出现两个应力集中区域,分别位于 W1123 工作面中上部和 W1145 采空区回风巷附近.b、工作面垂直应力分布在走向上有分区特征,工作面在实体煤下方时,工作面中下部形成高应力"三角区",在 666m 区域出现应力叠加峰值;当处于 W1145 采空区下方时,应力由中下部迁移到中上部,形成高应力"椭圆区".

　　(3)冲击发生前,日总能量-频次整体变化趋势表现为"V"型、"N"型、"上升型",在变化趋势的上升阶段出现冲击事件,冲击发生在走向上超前工作面 60~180m,超前工作面 100m 附近是冲击事件的高频区域;工作面中下部冲击事件发生前出现较明显的能量事件低密度区域,可以将此空间分布特征作为冲击地压的预警指标.

　　(4)运用趋势法、临界值法和动态变化率,选取冲击地压综合预警指标,建立适用于宽沟煤矿的冲击地压综合预警方法,并进行了现场验证,效果良好.

　　致谢

　　本论文是在导师来兴平教授的悉心指导下完成的,包括论文的选题、研究过程及论文的修改.有幸能够在来老师的悉心指导与关心下度过丰富多彩的三年研究生生活,深感获益匪浅,导师不仅在学习上教育要我刻苦钻研、踏实奋进,更在生活中以身作则,告诉我谦虚谨慎、尽心敬业的处事道理,导师持之以恒、一丝不苟的科研态度和务实创新的科研作风使我倍感敬佩.在此,我谨向导师致以崇高的敬意和诚挚的感谢!

　　感谢课题组曹建涛老师、崔峰老师、单鹏飞老师、孙欢博士,在我论文写作过程中以及平时学习生活中对我的帮助和指导,感谢你们的宝贵建议.

　　感谢王康同学、李军伟同学、吴晓同学在学习期间的合作与帮助,是你们的帮助与陪伴给予了我进一步走下去的动力.

　　感谢实验室杨文化、尉迟小骞、杨毅然、张帅、任杰师兄们,许慧聪、王泽阳、吴璇、方贤威、程晓强、杨彦斌、代晶晶、董帅、贾冲师弟们,在我从事论文写作期间对我的帮助及支持.

　　感谢能源学院的各位老师三年来提供的各种帮助和人生的指导.

　　感谢神新公司及宽沟煤矿的各位领导和员工给我的帮助和支持,感谢你们提供的各种资料和所给建议.

　　感谢在我论文开题、中期答辩、预答辩及答辩时的评审专家们,衷心的感谢你们对我论文的指导,并热切地希望得到您们的批评和帮助.

　　感谢论文研究过程中参考和引用的所有文献的作者,由于本人水平有限,若是存在不当之处,恳请谅解.

　　最后,感谢在百忙之中对我的论文进行评审并提出宝贵意见的各位专家和教授!
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