摘要
本文采用实验室实验、理论分析与工程现场试验相结合的研究方法,通过分 析巷道两帮弹性区和塑性区煤体的破坏方式,实验室尺度设计加载路径,得到了 侧向应变梯度和体积应变梯度两个煤样破坏变形敏感指标.选定侧向应变梯度和 侧向应变增量作为预警指标,利用模糊数学和层次分析方法,综合考虑预警指标 及弹、塑性区煤体对冲击危险的影响程度,建立了基于变形破坏敏感指标的综合 危险评价方法.
研发了一孔多点钻孔位移计和光纤光栅冲击危险变形监测系统软件,在实验 室尺度进行了软硬件联合调试并取得较好的效果,构成了光纤光栅冲击危险变形 监测系统.通过工程试验证明了光纤光栅冲击危险变形监测系统的可行性,具有 一定的实用价值.
关键词:冲击地压;变形;光纤光栅;模糊数学;前兆信息;敏感指标
ABSTRACT
In this paper, the laboratory experiment, theoretical analysis and engineering field test were combined to analyze the failure mode of coal mass in elastic zone and plastic zone of two sides of roadway, and the loading path was designed at the laboratory scale, and two sensitive indexes of coal sample failure deformation, lateral strain gradient and volumetric strain gradient, were obtained. In this paper, lateral strain gradient and lateral strain increment are selected as early warning indexes, and fuzzy mathematics and analytic hierarchy process are used to comprehensively consider the influence degree of early warning indexes and elastic and plastic zone coal body on impact risk.
The software of the FBG impact dangerous deformation monitoring system is developed, and the software and hardware of the FBG impact dangerous deformation monitoring system is tested in the laboratory. The feasibility and practical value of FBG impact deformation monitoring system are proved by engineering tests.
Key words:rock burst; deformation; fiber grating; fuzzy mathematics; precursor information; sensitive indicators
目录
第1章绪论................................................................................................................1
1.1选题意义........................................................................................................1
1.2研究现状........................................................................................................2
1.2.1冲击地压研究现状................................................................................2
1.2.2冲击地压监测预警研究现状................................................................3
1.2.3变形与煤岩失稳的研究现状................................................................4
1.2.4光纤传感技术研究现状........................................................................5
1.3目前研究存在的问题....................................................................................6
1.4研究内容、研究方法及技术路线................................................................6
第2章三轴作用下煤体破坏敏感性指标确定实验研究........................................8
2.1实验依据........................................................................................................8
2.2实验目的和实验方案....................................................................................8
2.3实验装备........................................................................................................9
2.3.1加载设备................................................................................................9
2.3.2声发射试验装备..................................................................................10
2.4实验过程......................................................................................................11
2.4.1试样的制备..........................................................................................11
2.4.2实验步骤..............................................................................................12
2.5实验结果分析..............................................................................................12
2.5.1不同加载路径下强冲击倾向性煤样破坏变形特征分析..................12
2.5.2不同加载路径下强冲击倾向性煤样破坏声发射特征分析..............20
2.5.3不同加载路径下强冲击倾向性煤样破坏变形敏感指标分析..........24
2.6本章小结......................................................................................................27
第3章基于变形破坏敏感指标的危险评价方法..................................................29
3.1煤岩变形破坏的预警指标............................................................................29
3.2模糊综合评判法............................................................................................30
3.3综合危险程度评价方法................................................................................32
3.3.1不同区域(弹性区和塑性区)冲击危险程度评价..........................32
3.3.2综合危险性评价..................................................................................33
3.4本章小结........................................................................................................34
第4章光纤光栅冲击危险变形监测系统..............................................................35
4.1光纤光栅冲击危险变形监测系统硬件........................................................35
4.1.1光纤光栅基本理论与特性研究..........................................................35
4.1.2一孔多点光纤光栅钻孔位移计的设计..............................................37
4.1.3一孔多点光纤光栅钻孔位移计的测量原理与位移计算..................37
4.1.4一孔多点钻孔位移测试的实现..........................................................40
4.2光纤光栅冲击危险变形监测系统软件........................................................42
4.3光纤光栅冲击危险变形监测系统集成........................................................43
4.4基于变形评价方法的冲击地压预警技术....................................................45
4.4.1预警指标..............................................................................................45
4.4.2预警方法..............................................................................................45
4.5本章小结........................................................................................................47
第5章光纤光栅冲击危险变形监测系统的工业性试验......................................48
5.1试验场地概况..............................................................................................48
5.2光纤光栅冲击危险变形监测系统的工业性试验........................................50
5.2.1光纤光栅冲击危险变形监测系统工业性试验概述..........................50
5.2.2监测系统测点布置..............................................................................50
5.3现场设备监测结果及指标阈值....................................................................52
5.3.1指标阈值的确定..................................................................................52
5.3.2设备监测情况......................................................................................52
5.4指标体系可行性验证....................................................................................53
5.4.1设备运行期间矿压监测......................................................................53
5.4.2指标体系与现场监测结果验证..........................................................54
5.5本章小结........................................................................................................55
第6章主要结论与展望..........................................................................................56
6.1主要结论........................................................................................................56
6.2展望................................................................................................................57
参考文献......................................................................................................................59
致谢..........................................................................................................................65
第 1 章 绪论
1.1 选题意义
中国是世界最大的煤炭生产国与煤炭消费国,2018 年煤炭产量 35.46 亿吨, 能源消费总量中煤炭消费量占比高达 59.0%.《国家能源战略行动计划 (2014-2020)》预计到 2020 年,煤炭消费总量控制在 42 亿吨左右.可见,煤 炭作为能源的主体地位短期内不会改变.
冲击地压是煤矿开采过程中常见的动力灾害之一,通常在煤、岩力学系统达 到极限强度时,以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能,导致煤岩层瞬时破坏并 伴随有煤粉和岩石的冲击,造成井巷的破坏及人身伤亡事故.随着我国煤矿开采 深度不断增加,开采强度不断增大,矿井在采掘期间容易诱发冲击地压事故,给 安全生产带来巨大威胁[1-3].笔者初步统计了近十年发生的 16 起冲击地压事故, 累计造成的死亡人员高达 80 人,具体数据见表 1.1.可见冲击地压事故是影响我 国煤矿安全生产最严重的灾害之一.
冲击地压孕育不是瞬时完成,是一个动态演化过程,近年来,我国学者和现 场工程技术人员在煤岩动力灾害预警方面进行了大量研究,取得了许多有益的成 果.冲击地压监测预警方面,目前完善了冲击倾向性评价法、钻屑法,引进了微 震和地音监测,当前监测手段对冲击地压能够实现一定程度预警,但无法实现精 准预测及有效防治.因此,完善前兆信息的识别体系,不仅在预测理论上有重要 意义,对于提高监测预警的准确率,保障煤矿安全生产同样具有重要意义.
目前矿井开采面临向深部转移趋势,本文在前人研究成果基础上,以义马矿 区耿村煤矿 13200 下掘进巷道为工程背景,采用实验室实验、理论分析和现场试 验等研究方法,研究煤样破坏的变形敏感指标及前兆信息,得到基于变形敏感指 标的冲击危险评价方法,对煤矿安全生产进行指导.
1.2研究现状
1.2.1冲击地压研究现状
随着煤炭开采深度的增加和采掘范围的扩大,冲击地压灾害的频度和强度明显增加,冲击地压事故仍然是影响我国煤矿安全生产最严重的灾害之一.当前对冲击地压的相关研究主要集中于发生机理、监测预警和防治技术三个方面.
冲击地压机理研究方面,不同学者提出不同的冲击地压发生理论.最有代表性的有强度理论[4-6]、刚度理论[7、8]、冲击倾向性理论[9]和变形失稳理论[10-15],在此基础上发展出"三准则"理论[16]、三因素理论[17-19]、冲击地压和突出的统一失稳理论[20-22]、强度弱化减冲理论[23,24]、复合型厚煤层"震冲"机理[25]、冲击启动理论[26]、冲击地压应力控制理论等[27,28].随着力学和数学学科的发展,利用分形理论、突变理论和混沌、分叉等非线性理论研究冲击地压发生过程,又取得了许多研究成果[29,30].
由于冲击地压问题本身的复杂性,目前尚未建立比较符合工程实际的冲击地压发生和破坏过程的理论,没有任何一种理论可以解释所有的冲击地压现象,影响了冲击地压预测.
冲击地压监测预警方面,目前采用岩石力学方法和地球物理方法,在煤矿现场广泛应用的岩石力学方法是钻屑法和应力监测法.电磁辐射法、微震法和地音法属于地球物理方法,其中微震法是现场最常用的冲击地压监测预警手段.微震监测通过分析微震事件频次和能量变化规律进行危险识别,通过对微震事件定位,也用来分析覆岩运动规律.从冲击地压的监测预警手段上看,目前普遍采用的预测方法单一、适用范围有限,可靠性低,难以做到对冲击地压的精准预测.
冲击地压防治包括两大类,即区域性防范措施和局部性解危措施.区域性防范措施通过合理留设煤柱、合理开采布置、优化工作面接续等手段避免形成高应力集中.局部性解危措施是利用断顶爆破[31,32]、煤层注水[33,34]、水压致裂顶板[35,36]、大直径钻孔卸压[37-40]、煤层爆破卸压[41]等方法,降低高应力集中区域或者 地质构造区域煤岩体内应力集中程度,释放煤岩体中储存的弹性能,达到防治冲 击地压的目的.
整体来讲,目前在冲击地压发生机理、监测预警和防治技术方面取得很多研 究成果,提升了煤矿工作者对冲击地压的认识水平,在一定程度上缓解了煤矿冲 击地压灾害,但由于冲击地压问题本身的复杂性、涉及学科的广泛性,尚未建立 比较符合工程实际的冲击地压启动及破坏过程的理论,因此冲击地压方向相关研 究工作仍是岩石力学领域和采矿工程领域未来的研究重点之一.
1.2.2 冲击地压监测预警研究现状
冲击地压发生一般没有明显宏观前兆,具有突发性、巨大破坏性等特征,当 前监测手段难以事先、准确确定发生时间、地点和强度.因此,冲击地压监测预 警方面的研究尤为重要.岩石力学方法和地球物理方法是目前冲击地压监测预警 的两类手段.
1)岩石力学方法
岩石力学方法主要包括钻屑法[42-45]、冲击倾向性评价法、综合指数评价法和 数值模拟方法等.
钻屑法主要依据煤粉量与煤壁间距离,打钻过程中出现的动力现象综合判定 冲击危险程度,但存在监测范围有限、监测时间不连续,监测结果人为影响大的 不足.综合指数法广泛应用于采区设计和工作面布置,综合考虑影响冲击地压发 生的各类因素.
冲击地压的发生受煤岩自身属性的制约,即自然界中的煤岩介质有些是具有 冲击倾向性,具有冲击倾向性的煤体才有可能发生冲击地压,对于煤岩介质自身 属性的判别,目前有比较成熟的煤岩冲击倾向性的判别体系.数值模拟方法,可 以用来分析工作面的应力集中情况、塑性区运动状态,也可以分析开采活动对冲 击地压的影响,在冲击地压研究中广泛应用.
2)地球物理方法
地球物理方法主要包括微震法[46-48]、地音法、电磁辐射法等.其中微震监测 是常用的冲击地压监测预警方法.它利用微震监测系统进行震源定位,分析微震事件的频次、能量等震动参数,以此为基础评价冲击地压危险程度[49].目前国内煤矿应用较多的微震监测设备主要有煤科院安全分院自主研发的KJ768系统[50]、波兰进口ARAMIS系统和SOS系统、北京安科兴业KJ551系统等.声发射法[51-54]以脉冲形式记录能量水平较低的地音现象.地音监测与煤体应力监测相似,在工作面某个位置集中且强度逐渐增加时,代表冲击危险程度增大.电磁幅射法[55-57]认为,煤岩体变形破裂时向外界释放电磁能量,释放的电磁幅射信息与煤岩体变形破裂过程紧密相关,可反映冲击危险程度.电磁辐射指标主要有强度幅值和脉冲次数.
1.2.3变形与煤岩失稳的研究现状
变形是煤岩破坏过程最直观的显现,是反映煤岩失稳的重要指标.研究煤岩材料破坏过程中变形场演化规律,有助于加深对煤岩破坏过程和机理的认识,对于冲击地压监测预警技术的发展有积极意义.
国内外一部分学者采用声发射、数字散斑、CT扫描和电磁辐射等多种手段在实验室尺度研究了煤岩变形和破坏关系,取得了丰硕的研究成果.
Lockner等[58]采用声发射定位方法开展了岩石变形破坏过程的实验研究工作,并对岩石破坏过程中微裂纹的非均匀演化进行详细描述;潘一山等[59]提出岩石失稳破坏应变梯度理论模型;宋义敏等[60]通过岩石单轴压缩实验,利用数字散斑相关方法得出了岩石变形破坏全过程和岩石破坏瞬态过程的变形场演化;马少鹏等[61]分析了岩石试件表面的应变场演化过程,发现应变局部化是一个重要阶段;许昭永等[62]采用新型应变仪观测岩样在破裂孕育过程中岩样表面测点的应变变化,发现在临近主破裂前很短时间内有突变或扰动的特征;郝圣旺等[63]发现试样破坏前变形场存在变形局部化现象,并在变形局部化区形成宏观破裂面;何学秋,王恩元等[64]系统研究了煤岩变形破裂时的电磁辐射现象,并与声发射现象进行比较,发现煤岩体变形破坏时电磁辐射和声发射并非严格同步;窦林名等[65]基于煤岩破坏的声电效应规律,建立了作为冲击地压前兆预测的声电判据;.
另一部分学者从工程尺度出发,进一步探寻煤岩变形与失稳破坏之间的联系,为深入挖掘煤岩动力灾害发生的内在机制提供基础.
钱七虎[66]指出围岩中的大变形和大变形速度、应变型岩爆的发生及岩爆的时空效应是今后需要进一步研究的方向.可见,基于变形对煤岩破坏模式与机理的认识及预测还需要不断探索.
姜福兴[48]、窦林名[67]通过分析微震事件在岩层中的分布规律,推断顶板岩层破断情况,并深入研究了适用于我国矿区煤岩动力灾害的微震监测及预报技术.
由于缺乏内部变形场监测设备与危险评价方法,目前煤矿和隧道现场主要监测围岩表面变形.岩土工程领域,新奥法是常用的隧道施工方法,基于围岩变形速率或变形量的实测数据,整体反映施工状况[68、69].李世辉[70,71]提出了"变形速率比值判别法",给出了新奥法支护初期定量的稳定性判据.煤矿现场,巷道表面围岩变形监测和顶板离层监测是常规监测手段,在现场监测中仍发挥重要作用.
1.2.4光纤传感技术研究现状
光纤传感技术具有抗干扰能力强、监测范围广、灵敏度高、便于组网等优点[72,73],克服了传统测量方式存在的"测量精度低、抗干扰性能差、防水性能差"等缺点,为煤矿灾害监测创造了条件,受到专家和专业技术人员广泛关注.
分布式光纤传感系统作为光纤传感未来发展的一个趋势,测量不仅精确、稳定,同时能够满足长距离、大范围连续监测.为煤矿、隧道等地下工程的围岩变形测量创造了条件.另外,光纤光栅传感技术广泛应用在大坝的稳定性与渗漏监测中,并取得良好效果.
基于光纤光栅传感原理研制的传感器可以通过测量光的波长来测量应变、应力、温度、位移、压强等物理量,近年来在煤矿井下得到应用.毛灵涛、安里千等人[74、75]以自行研制的GWG200(C)型光栅位移传感器为基础,建立了一套顶板离层及围岩变形实时自动监测系统;柴敬[76]等人将光纤bragg光栅技术引入锚杆支护质量监测中,实时监测锚杆应力、应变值;在井下顶板压力监测、采空区及电气设备温度监测、火灾及水灾预警、竖井结构健康监测、露天矿边坡移动监测、地层沉降监测等方面光纤光栅传感技术同样取得较好的应用效果.光纤光栅分布式测量的优点,能够实现煤体内部应变的测量,而且便于组网,能够实现实时动态监测.可见,光纤光栅传感器在煤矿井下应变场监测中将大有作为.
1.3目前研究存在的问题
目前国内外学者在冲击地压前兆信息识别、冲击地压监测预警方面进展的研究还不完善,主要体现在以下两个方面:
1)当前冲击地压监测预警方法主要侧重于应力、地球物理的手段.缺乏应变场监测,特别是内部变形场与失稳破坏前兆识别间关系;
2)对受载煤体失稳破坏变形参量的研究主要集中在煤体表面和煤体上,缺乏内部测量的相关技术与装备.当前的变形监测手段不满足冲击地压预警需求,现场变形监测手段仅有顶板离层仪、巷道围岩变形监测等.
1.4研究内容、研究方法及技术路线
论文采用实验室实验、理论分析与工程现场试验相结合的研究方法,通过分析巷道两帮弹性区煤体和塑性区煤体的破坏方式,在实验室尺度设计加载路径,得到了基于变形的破坏敏感指标和冲击危险综合评价方法,研发了一孔多点钻孔位移计和光纤光栅冲击危险变形监测系统软件,在实验室尺度进行了软硬件联合调试并取得较好的效果,构成了光纤光栅冲击危险监测评估系统,并在工程试验中进行验证.论文具体研究内容如下:
1)三轴作用下煤体破坏敏感指标确定实验研究
通过分析巷道两帮煤体的破坏方式,在实验室尺度确定实验加载路径;研究煤样在加载至破坏过程中应变、声发射参量与时间的动态演化规律,得到煤样变形破坏的变形敏感性指标和前兆信息.
2)敏感指标及危险评价方法分析
基于实验室实验得到的变形敏感指标,利用数学分析方法方法,综合考虑各个预警指标对冲击危险的影响程度,建立了基于变形破坏敏感指标的综合危险评价方法.
3)光纤光栅冲击危险变形监测系统
基于光纤光栅传感技术,研发变形测量的装备和光纤光栅冲击危险变形监测系统软件,实现变形数据的采集、解调和分析;实验室尺度下进行软硬件联合调试;形成基于变形评价方法的冲击地压预警技术.
4)光纤光栅冲击危险变形监测系统的工业性试验
以义马矿区耿村煤矿13200下掘进巷道为工程背景,利用光纤光栅冲击危险变形监测系统进行监测,将监测结果与钻屑监测、应力监测等现场监测预警手段作比对,评价光纤光栅冲击危险变形监测系统在煤矿现场的应用情况.
从本文研究的问题出发,基于上述确定的研究内容、研究方法,从而提出了本文的技术路线如图1.1所示.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第6章主要结论与展望
6.1主要结论
论文以煤体失稳破坏的变形敏感指标及前兆信息为研究对象,采用实验室实验、理论分析及工程试验等研究方法,对煤样变形破坏过程、敏感指标及危险评价方法、光纤光栅冲击危险变形监测系统和光纤光栅冲击危险变形监测系统的工业性试验进行研究,具体研究工作及所得主要结论如下:
1)煤样变形破坏过程分析
论文通过分析巷道两帮弹性区煤体和塑性区煤体的破坏方式,在实验室尺度设计了弹性区煤体"固定围压、加载轴压"和塑性区煤体"加载轴压、卸载围压"两种加载路径;"加载轴压、卸载围压"加载路径下实验煤样在屈服阶段后期会发生强烈径向扩容,扩容特征点与AE能量突变点基本吻合,将开始出现扩容作为煤样变形的一个破坏前兆信息;两种加载路径下AE计数峰值出现在应力峰值点附近,作为煤样变形破坏的标志;AE能量峰值均出现在屈服阶段后期,将AE能量突变作为两种加载路径下声发射的一个破坏前兆信息;将侧向应变梯度和体积应变梯度作为煤样变形破坏的敏感指标,侧向应变梯度和体积应变梯度突增作为煤样变形破坏的前兆信息.
2)敏感指标及危险评价方法分析
侧向应变梯度的突增可以反映煤样破坏的危险,但仅凭侧向应变梯度的突增进行预警不够充分;从煤体损伤角度看,进入屈服阶段后煤体破坏危险程度大大提高;侧向应变增量的变化规律可以很好地同压密与线弹性阶段、屈服阶段和屈服后阶段联系起来;本文选取侧向应变梯度和侧向应变增量作为预警指标,通过模糊数学和层次分析方法,综合考虑预警指标及弹、塑性区煤体对冲击危险的影响程度,建立了基于变形破坏敏感指标的综合危险评价方法.
3)光纤光栅冲击危险变形监测系统
基于光纤光栅传感技术,研发了一孔多点光纤光栅位移计,分析了位移计的测量原理,推导出了位移计算公式,并结合实验室实验对位移计的性能进行测试;光纤光栅冲击危险变形监测系统软件分为两部分:数据采集部分和数据分析部分,主要包括测点处位移数据的采集、存储、数据的处理与分析、冲击地压预警等功能;在实验室尺度完成了软硬件联合调试,结果表明:光纤光栅冲击危险变形监测系统得到的钻孔位移值与外部变化具有很好的动态响应性能,光纤光栅钻孔位移计基本满足使用要求;光纤光栅冲击危险变形监测系统形成了基于变形评价方法的冲击地压预警技术,系统选定水平应变梯度和水平应变增量为预警指标,通过对弹、塑性区煤体水平应变变化进行分析,综合评价冲击危险等级.
4)光纤光栅冲击危险变形监测系统的工业性试验
论文以义马集团耿村煤矿13200掘进上巷为工业性试验地点,设备安装初期,数据总量不足,参考应力监测的预警值确定水平应变梯度和水平应变增量的阈值;设备监测期间,13200下掘进巷道未发生冲击,指标体系监测结果与现场情况吻合;设备监测期间微震监测到13200下掘进巷附近发生一起高能量微震事件,高能量事件发生前后应力瞬间有不同程度的变化,同时部分位移测点监测到高能量事件发生前后应变增量变化明显,监测结果与现场情况基本吻合;通过工业性试验,验证了本文提出的敏感性指标和构建的预警体系应用的实用性.
6.2展望
当前冲击地压监测预警方法主要侧重于应力、地球物理手段,缺乏变形场的监测.本文通过分析巷道两帮弹性区煤体和塑性区煤体的破坏方式,在实验室尺度设计加载路径,得到了基于变形的破坏敏感指标和冲击危险综合评价方法,研发了一孔多点钻孔位移计和光纤光栅冲击危险变形监测系统软件,在实验室尺度进行了软硬件联合调试并取得较好的效果,构成了光纤光栅冲击危险监测评估系统,并在工程试验中进行验证,取得了初步的研究成果,但还需要进一步深入研究并不断完善,主要有以下三个方面:
1)本文提出了水平应变梯度和水平应变增量两个变形预警指标,并依据模糊数学和层次分析方法建立了综合危险评价方法,未来需要对预警指标和综合危险评价方法进行优化;
2)本文研发了一孔多点钻孔位移计,但现场测量时无法测量一点处水平应变值,测量的是两个测点间中间岩层水平应变的平均值,测量设备需要进行优化;现场设备监测时间有限、测点布置有限,预警值参考应力监测系统设定,现场数据足够时需要进一步分析.
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