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损伤岩石声发射演化特征及响应机制试验研究

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 96-106页

作者：张凯张东晓赵勇强杨英明郭伟耀孙鹏胥林鹏付光胜北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京102211 国家能源投资集团有限责任公司北京100011 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 中国冶金地质总局青岛地质勘查院山东青岛266590

岩石内部损伤演化是导致岩土工程灾害的原因之一,揭示岩石破裂过程中的关键参数响应特征可为岩石破坏后失稳状态识别提供依据,对于岩体工程灾害预警防控至关重要。通过循环加载-卸载(加卸载)试验制备不同损伤程度粉砂岩试样,利用损伤试... 详细信息

岩石内部损伤演化是导致岩土工程灾害的原因之一,揭示岩石破裂过程中的关键参数响应特征可为岩石破坏后失稳状态识别提供依据,对于岩体工程灾害预警防控至关重要。通过循环加载-卸载(加卸载)试验制备不同损伤程度粉砂岩试样,利用损伤试样开展单轴加载试验,分析试样损伤程度与波速关系及声发射演化规律,探讨不同损伤程度岩石的声发射响应机制。结果表明:(1)损伤试样纵波波速随着损伤程度增加呈线性减小趋势,但声发射振铃计数由阶段性递增转变为加载全过程迅速增加,声发射能量在屈服阶段由小幅度突增转变为快速增加。(2)反映岩石内部不同尺度裂隙发展趋势的声发射b值峰值区由峰后破坏阶段向压密阶段转移,造成峰后破坏阶段失稳特征不明显,反映岩体内部声发射源集中程度和能量尺度的S值在压密至屈服阶段由低位中幅度波动转变为高位小幅度波动,表明岩石在峰前阶段产生非稳定破坏。(3)损伤试样破裂过程随着损伤程度增加由晶间滑移主导型转变为裂隙发育主导型,导致声发射高频低能(400~800 kHz、0~250 aJ)信号由零星出现转变为加载全过程密集分布,以及高频信号带变宽。(4)损伤岩石内部裂隙发育程度不同是导致声发射响应机制差异化的根本原因,岩石内部裂隙密度随着损伤程度增加而增大,造成其在受载过程中由渐进式稳定破坏模式向突发式非稳定破坏模式转变,同时加载过程中声发射信号活跃度及强度增强。研究获得了不同损伤程度岩石的声发射参数特征,可为工程岩体损伤程度识别提供理论依据。

关键词：损伤岩石波速声发射能量主频响应机制

大范围采动影响下特大断层构造区微震活动规律及调控方法

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煤炭科学技术 2024年

作者：郭伟耀张悦颖谷雪斌公绪飞郭传清郭文静张骞张磊长崎大学工学研究科山西大同大学煤炭工程学院兖矿能源集团股份有限公司济宁二号煤矿山东科技大学能源与矿业工程学院石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所

为大范围采动影响下特大断层构造区冲击地压防控提供参考，以济宁二号煤矿落差达百米级八里铺断层构造区为工程背景，研究了全矿井及八里铺断层上下盘采区的微震活动规律，基于微震累积能量分析了八里铺断层活动性，探讨了特大断层构造... 详细信息

为大范围采动影响下特大断层构造区冲击地压防控提供参考，以济宁二号煤矿落差达百米级八里铺断层构造区为工程背景，研究了全矿井及八里铺断层上下盘采区的微震活动规律，基于微震累积能量分析了八里铺断层活动性，探讨了特大断层构造区微震活动调控方法，同时进行了工程实践。研究结果表明：大范围采动影响下，济宁二号煤矿微震事件以均匀分布于工作面及巷道区域的低能量量级事件为主，主要来源于顶板岩层运动；沿八里铺断层面没有产生集中、连续、大范围分布的微震事件，但微震事件随着工作面与断层距离减小而增加，即开采对断层具有明显扰动效应，但目前采动强度不足以造成八里铺断层活动；断层构造区微震最高累积能量整体呈稳定趋势，但集中位置随采掘状态改变而不断变化，尤其受工作面回采速度及强度影响较为明显；留设大宽度保护煤柱是调控特大断层构造区微震活动的有效方法，同时辅以顶板预裂和煤体卸压，能够实现特大断层构造区域煤层安全开采。基于不同类型断层在回采过程中的冲击地压防控思路，针对八里铺断层构造区103下03工作面进行了工程实践，发现回采过程中工作面微震活动强度明显减弱，单日微震总能量降低，而单日微震频次增加，即能量释放呈多次低能释放的特征。

关键词：大范围采动特大断层微震冲击地压防控

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煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

煤炭科学技术 2024年第6期52卷 40-50页

作者：张东晓王翔宇郭伟耀张悦颖赵同彬吴震方恒宇张骞山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 长崎大学工学研究科日本长崎852-8521 兖矿能源鄂尓多斯能化有限公司内蒙古鄂尔多斯017000 石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所河北石家庄050043

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型,以某矿不同工作面为工程背景,研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律,探讨了煤层厚度... 详细信息

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型,以某矿不同工作面为工程背景,研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律,探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明:当大直径钻孔卸压参数相同时,薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层;大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,应力峰值由23.2 MPa降低到20.2 MPa,降低12.9%;大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%,即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好;当大直径钻孔卸压参数相同时,钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小,导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小,即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08、4.95 m,虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数,但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重,对大直径卸压钻孔参数优化后,煤体平均钻屑量由2.48 kg/m下降到1.76 kg/m,表明随着煤层厚度增加,需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

关键词：冲击地压大直径钻孔煤层厚度应力演化卸压释能

双轴压缩条件下侧向压力对不同类型岩石力学行为影响机制

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Journal of Central South University 2022年第11期29卷 3695-3705页

作者：张巍郭伟耀王志奇 College of Energy and Mining Engineering Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology(Shandong University of Science and Technology) Qingdao 266590China

大量现场案例证明,层裂结构通常出现在深部煤岩体的开挖过程中。为对探讨层裂结构形成机制提供实验数据,本论文通过测试分析四种类型岩石宏观破裂面的形成机制,研究了侧向压力对不同类型岩石力学行为的影响机制。结果表明,由于矿物成分... 详细信息

大量现场案例证明,层裂结构通常出现在深部煤岩体的开挖过程中。为对探讨层裂结构形成机制提供实验数据,本论文通过测试分析四种类型岩石宏观破裂面的形成机制,研究了侧向压力对不同类型岩石力学行为的影响机制。结果表明,由于矿物成分和内部结构不同,岩石或煤的脆性和冲击倾向性均强于石膏。当侧压低于单轴强度的10%时,峰值应力和弹性模量随着侧压的增加而升高;当侧向压力高于单轴强度的10%时,峰值应力和弹性模量随着侧压的增加略有下降或保持不变。分析其原因为当侧压达到临界值时,继续施加侧压时会导致岩石局部失效。低侧压条件下,试样破坏主要受拉伸机制控制;较高侧压条件下,试样邻近自由面区域发生拉伸劈裂破坏,远离自由面区域发生剪切破坏。

关键词：层裂结构板裂剥落双轴压缩侧向压力破坏机制

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深部巷道动静载试验系统研制及初步应用

岩石力学与工程学报 2022年第8期41卷 1513-1524页

作者：谭云亮郭伟耀赵同彬张东晓谷雪斌谭彦山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590

为研究动静载作用下深部巷道围岩破坏失稳机制,自主研发一套新型深部巷道动静载试验系统。该系统由主体框架、箱体、移动平台、静态加载系统、动载扰动系统和巷道反力装置组成,可实现“高静载+动载扰动”复杂应力加载条件。本文以深部... 详细信息

为研究动静载作用下深部巷道围岩破坏失稳机制,自主研发一套新型深部巷道动静载试验系统。该系统由主体框架、箱体、移动平台、静态加载系统、动载扰动系统和巷道反力装置组成,可实现“高静载+动载扰动”复杂应力加载条件。本文以深部巷道围岩应力演化过程为依据,初步开展验证性试验。结果表明:该试验系统框架结构紧凑、箱体移动便利、系统操作简便;静态加载系统可实现轴向与侧向分级同步均匀加载,且具备长时间保载功能;动载扰动系统中的作动器可根据预设波形进行循环加卸载扰动,轴向落锤扰动装置和侧向摆锤扰动装置可进行单次锤击扰动;巷道反力装置虽然一定程度可模拟巷道开挖卸荷行为,但不便于观测巷道围岩变形破坏过程,后续将以人工开挖巷道方式开展相关研究;巷道围岩应力分布规律与现场实际相符,试验系统能够较好地还原地下工程中动静叠加复杂应力环境。研发的试验系统可开展大尺度深部巷道物理相似模型试验,对于研究深埋巷道动静载叠加诱冲机制、复杂应力环境下巷道围岩变形破坏规律、卸-支协同防冲作用原理以及远场能量传播衰减机制等具有重要价值与意义。

关键词：采矿工程深部巷道试验系统动静载应力扰动围岩应力相似模拟

基于不同预裂长度防控顶板型冲击地压风险:机理与效果研究

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Journal of Central South University 2022年第11期29卷 3706-3719页

作者：赵同彬张鹏飞郭伟耀公绪飞王超陈洋 College of Energy and Mining Engineering Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology(Shandong University of Science and Technology) Qingdao 266590China Yankuang Energy Group Co. Ltd.Ji’ning 273500China Shandong Energy Group Co. Ltd.Ji’nan 250014China

顶板预裂是控制潜在顶板型冲击风险的有效方法。本文采用不同预裂长度的细砂岩试样开展了三点弯曲加载试验,利用数字散斑方法(DSCM)和声发射技术(AE)对裂纹扩展全过程进行了监测,分析了预制裂隙对岩梁断裂的影响规律,揭示了岩梁断裂过... 详细信息

顶板预裂是控制潜在顶板型冲击风险的有效方法。本文采用不同预裂长度的细砂岩试样开展了三点弯曲加载试验,利用数字散斑方法(DSCM)和声发射技术(AE)对裂纹扩展全过程进行了监测,分析了预制裂隙对岩梁断裂的影响规律,揭示了岩梁断裂过程的力学机理,提出了顶板预裂设计方法,在济宁二号煤矿10303工作面进行了工程实践。研究结果表明:预裂岩梁的加载曲线表现出明显峰后特征;与完整岩梁相比,35 mm预裂岩梁的抗拉强度和最大拉应变分别降低了32.4%和33.1%,声发射b值增大了30.2%;10303工作面预裂施工后的最大微震能量和平均微震能量分别降低了25.6%和6.4%,厚层坚硬顶板预裂效果良好。

关键词：三点弯曲声发射顶板预裂数字散斑冲击地压防控

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岩性对I型裂纹定向扩展规律影响的试验研究

Journal of Central South University 2023年第10期30卷 3322-3334页

作者：陈玏昕郭伟耀蒋宇静谭彦张悦颖卢丹韩飞 College of Energy and Mining Engineering Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China Graduate School of Engineering Nagasaki UniversityNagasaki 852-8521Japan Research Center for Rockburst Prevention and Control Shandong Energy Group Co.Ltd.Jinan 250014China

为揭示岩性对岩石I型裂纹定向扩展的影响规律,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展白砂岩、灰砂岩和大理岩3类典型岩石加载试验,研究不同类型岩石I型裂纹定向扩展过程中变形场及声发射演化特征,探讨岩性影响下I型裂纹扩展机制。研究结果表... 详细信息

为揭示岩性对岩石I型裂纹定向扩展的影响规律,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展白砂岩、灰砂岩和大理岩3类典型岩石加载试验,研究不同类型岩石I型裂纹定向扩展过程中变形场及声发射演化特征,探讨岩性影响下I型裂纹扩展机制。研究结果表明:白砂岩峰后荷载曲线呈平缓降低趋势,而大理岩和灰砂岩峰后曲线则呈陡降趋势,且其断面平整度高于白砂岩的,脆性断裂特征更为显著;根据水平位移场演化规律,可将岩石I型裂纹扩展过程划分为弹性变形、微裂纹集结成核和裂纹起裂扩展3个阶段,而白砂岩进入微裂纹集结成核阶段则远早于大理岩和灰砂岩;岩石I型裂纹扩展全过程中声发射演化可划分为平静期、活跃期、突增期和回落期4个阶段,其中白砂岩的平静期、活跃期及突增期持续时间短、回落期持续时间长,而大理岩和灰砂岩则与之相反;岩石I型裂纹扩展的本质是断裂过程区孕育过程,由于白砂岩断裂过程区长度大于大理岩和灰砂岩的,造成其裂纹定向扩展速度及稳定程度均低于其他两类岩石。

关键词：岩性 I型裂纹数字图像位移场声发射扩展机制

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冲击地压矿井典型微震信号特征及其判识研究

煤炭学报 2023年

作者：谷雪斌张呈国郭伟耀张悦颖公绪飞王超赵西坡张磊兖矿能源集团股份有限公司山东科技大学能源与矿业工程学院大同大学煤炭工程学院新南威尔士大学矿产与能源工程学院长崎大学工学研究科

准确识别微震信号的类型对于冲击地压矿井动力灾害监测预警与防控具有重要意义。以冲击地压矿井南屯煤矿为工程背景，划分了矿震、爆破、煤岩体破裂、敲击和噪音5种类型微震信号，建立了5种信号类型的样本数据库，分析了最大振幅、持续... 详细信息

准确识别微震信号的类型对于冲击地压矿井动力灾害监测预警与防控具有重要意义。以冲击地压矿井南屯煤矿为工程背景，划分了矿震、爆破、煤岩体破裂、敲击和噪音5种类型微震信号，建立了5种信号类型的样本数据库，分析了最大振幅、持续时间、主频等微震特征参数，建立了微震事件类型的BP神经网络判识模型。研究结果表明：矿震事件与煤层上方高位坚硬岩层破断有关，其能量一般不低于105J，可触发矿井半数以上传感器，事件具有高最大振幅和高平均振幅的特征(阈值为3×10-4m/s)，持续时间一般在6s以内、主频一般小于10Hz；爆破事件能量一般不低于104J，可触发矿井半数以上传感器，事件具有高最大振幅和高平均振幅的特征，持续时间一般小于2s；煤岩体破裂事件与采场顶板周期破裂有关，其事件能量一般不高于104J，可触发矿井40%-65%传感器，该事件具有低最大振幅和低平均振幅的特征，持续时间主要0-1s、主频分布较为均匀；敲击事件与人为测试有关，其触发传感器数量一般在4个以内，该事件具有高最大振幅和低平均振幅的特征，持续时间较长、主频在0-80Hz内均匀分布；噪音事件与电磁干扰等相关，绝大多数微震传感器发生无序震动，其触发传感器一般小于6个，该事件具有低最大振幅和低平均振幅的特征，持续时间长、主频不固定。建立的BP神经网络判识模型准确率达88.3%，该方法误判率低，特征参数易获取，为冲击地压矿井微震事件快速准确识别提供了一个新途径。

关键词：冲击地压微震参数时频分析 BP神经网络波形判识

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煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

煤炭科学技术 2023年

作者：张东晓王翔宇郭伟耀张悦颖赵同彬吴震方恒宇张骞长崎大学工学研究科山东科技大学能源与矿业工程学院兖矿能源鄂尓多斯能化有限公司石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型，以某矿不同工作面为工程背景，研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律，探讨了煤层厚... 详细信息

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型，以某矿不同工作面为工程背景，研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律，探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明：当大直径钻孔卸压参数相同时，薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层；大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势，当煤层厚度由1m增加到9m，应力峰值由23.2MPa降低到20.2MPa，降低12.9%；大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势，当煤层厚度由1m增加到9m，大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%，即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好；当大直径钻孔卸压参数相同时，钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小，导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小，即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08m、4.95m，虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数，但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重，对大直径卸压钻孔参数优化后，煤体平均钻屑量由2.48kg/m下降到1.76kg/m，表明随着煤层厚度增加，需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

关键词：冲击地压大直径钻孔煤层厚度应力演化卸压释能