基于小波分析的煤矿巷道失稳预测研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 基于小波分析的煤矿巷道失稳预测研究 Prediction Research on Coal Mine Entry Destabilization Based on Wavelet Analysis 申请人姓名 赵航航 指 导 老 师 来兴平 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 动力灾害防治 西安科技大学 二〇一五年 六 月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。 尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产 权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本 人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目基于小波分析的煤矿巷道失稳预测研究 专 业采矿工程 硕 士 生赵航航 签名 指导教师来兴平 教授 签名 摘 要 随着煤矿开采深度增加，急倾斜煤层巷道煤岩失稳导致的动力灾害愈发严重，研究 巷道煤岩失稳的发生机制及规律就显得尤为重要。 论文以乌东煤矿急倾斜特厚煤层巷道稳定性控制为研究背景，通过现场地质调研、 分析，获取巷道的地质赋存特征；通过岩石力学试验获取煤岩材料的本构关系，基于小 波分析理论分析物理模拟实验过程中的声发射信号特征，确定煤岩体损伤特性、能量与 损伤之间的内在联系，建立巷道围岩失稳的临界能量判据。研究表明当能量值大于 6.0 104时，煤岩体发生破坏。工程现场开展声发射监测，借助小波分析与临界能量判 据预测得出43煤层南巷围岩失稳范围为 1.3m，45煤层南巷围岩失稳范围为 2.6m； 通过光学钻孔窥视系统监测巷道煤岩内部裂隙的发育程度， 结合松动圈监测仪探测巷道 煤岩的不同破碎程度的范围对预测结果进行验证。结果表明43煤层南巷围岩的失稳 范围为 1.6m，45煤层南巷围岩失稳范围为 2.5m。综上确定乌东煤矿500 水平 43煤层 南巷与 45煤层南巷的围岩失稳范围分别为 1.6m 和 2.6m。结合乌东煤矿的地质赋存特 征与500 水平 43煤层南巷和 45煤层南巷的围岩失稳范围对其原有的支护方式进行优 化，选取合理的支护方式和支护参数，保障巷道在开采扰动影响下的稳定，实现安全开 采。 本文研究成果对类似地质条件下的煤矿的安全开采，具有一定的参考与借鉴意义。 关 键 词急倾斜煤层;动力失稳;声发射;小波分析;支护优化设计; 研究类型应用研究 本研究得到国家自然科学基金项目U1361206和新疆科技支撑计划项目201432102资助。 万方数据 Subject Prediction research on coal mine entry destabilization based on wavelet analysis Specialty Mining Engineering Name Zhao Hanghang Signature Instructor Lai Xingping Signature ABSTRACT With the coal mining level extending gradurally, instability of roadway surrounding rock induced dynamic disaster occurred frequently. It is important to been given much more concern about the mechanism and rule of instability of roadway surrounding rock. Taken stability control of roadway between extremely steep seams in Wudong colliery into consideration, geological occurrence characteristics of roadway could be analyized and achieved through geology investigation. Based on rock mechanics test to obtain the constitutive relation of coal and rock materials With the help of wavelet analysis program, the acoustic emission signal, unleashed during rock mechanics test, were dealed with to deal with. Inner coeffience between energy, stress and critical energy criterion for instability of surrounding rock of roadway could be determined. We could obtain the critical damage energy judgment of surrounding rock. Researches show that when energy is bigger than 6.0 104 specimens damage occurred; Acoustic emission monitoring system was here to collect the released dynamic ination of the instability of roadway surrounding rock. It was dedicated that the range of dynamic instability of 43 coal seam southern roadway reached to be 1.3m; the range of dynamic instability of 45 coal seam southern roadway was 2.6m. Through optical borehole peeping system, the internal fracture inations of roadways surrounding rock were collected. Combined with loose circle monitor system, the loose range of 43 coal seam and 45 coal seam in southern roadway surrounding rock were determined to be 1.6m and 2.5m respectively. Comprehensive analysis of three kinds monitoring s, it was dedicated that the dynamic instability of roadway surrounding rock reached 1.6m in 500 level 43 coal seam, the instability of the surrounding rock of 45 coal seam in south range was 2.6m. Finally combined with the actual Wudon geological occurrence characteristics and the above research we could optimize the original supporting . Much more resonable supporting and support parameters were selected to ensure the safety of roadway in the exploitation. 万方数据 The research results provide guidance and reference for the safety mining in similar geological conditions. Key wordsSteeply coal seam; Dynamic instability; Acoustic Emission; Wavelet analysis;; supporting optimization Thesis Application Research 万方数据 目录 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 论文选题背景和意义 ..................................................................................................... 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 ............................................................................................................. 2 1.2.1 国外研究现状 ....................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 ....................................................................................................... 3 1.3 研究内容及方法 ............................................................................................................. 5 1.3.1 本论文主要研究内容 ........................................................................................... 5 1.3.2 研究方法 ............................................................................................................... 5 1.4 研究方案与技术路线 ..................................................................................................... 5 1.4.1 研究方案 .............................................................................................................. 5 1.4.2 技术路线 .............................................................................................................. 6 2 工程地质调研和岩石力学模拟试验 .................................................................................... 7 2.1 矿区位置 ......................................................................................................................... 7 2.2 地质调研概述 ............................................................................................................... 7 2.2.1 煤层赋存条件 ...................................................................................................... 7 2.2.2 煤质概况 ............................................................................................................... 8 2.2.3 水文地质 ............................................................................................................... 8 2.2.4 其他因素 ............................................................................................................... 9 2.3 实验室内岩石力学模拟试验 ......................................................................................... 9 2.3.1 试验准备 .............................................................................................................. 9 2.3.2 煤岩样声发射源定位原理 ................................................................................ 10 2.3.3 煤岩样力学特性和损伤特征............................................................................. 13 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 18 3 基于小波分析的巷道失稳预测 .......................................................................................... 19 3.1 巷道失稳监测与预测中的关键性问题 ........................................................................ 19 3.2 多尺度理论 ................................................................................................................... 19 3.3 小波分析理论 ................................................................................................................ 20 3.3.1 小波分析的发展 ................................................................................................. 20 3.3.2 傅立叶变换 ......................................................................................................... 21 万方数据 目录 II 3.3.3 小波变换 ............................................................................................................ 22 3.4 基于小波分析的巷道失稳位置的确定 ....................................................................... 27 3.5 基于小波分析的物理模拟实验巷道失稳分析 ........................................................... 28 3.5.1 模拟原型和目的 ................................................................................................. 28 3.5.2 物理模拟实验结果分析 .................................................................................... 29 3.6 本章小结 ....................................................................................................................... 33 4 乌东煤矿巷道失稳监测 ...................................................................................................... 34 4.1 概述 ............................................................................................................................... 34 4.1.1 巷道失稳监测与预报原理 ................................................................................ 34 4.1.2 巷道失稳监测与预报的内容 ............................................................................ 34 4.2 现场监测仪器 ............................................................................................................... 35 4.2.1 声发射仪器 ........................................................................................................ 35 4.2.2 松动圈测试仪器 ................................................................................................ 35 4.2.3 钻孔窥视仪器 .................................................................................................... 36 4.3 现场监测方案 ............................................................................................................... 37 4.3.1 井下测点布置 ..................................................................................................... 37 4.3.2 井下各测点位置 ................................................................................................. 38 4.4 基于小波分析理论的预测结果 ................................................................................... 38 4.5 预测结果验证 ............................................................................................................... 42 4.5.1 500 水平 45煤层南巷分析结果 ..................................................................... 42 4.5.2 500 水平 43煤层南巷分析结果 ..................................................................... 51 4.6 巷道支护优化方案 ....................................................................................................... 55 4.6.1 500 水平 45煤层南巷支护优化方案 ............................................................. 55 4.6.2 500 水平 45煤层南巷支护优化方案 ............................................................. 56 4.7 本章小结 ....................................................................................................................... 56 5 结 论 .................................................................................................................................... 58 致 谢 ........................................................................................................................................ 59 参考文献 .................................................................................................................................. 60 附 录 ........................................................................................................................................ 66 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文选题背景和意义 1.1.1 选题背景 煤炭资源对我国的发展十分重要。特别是我国西部地区矿产资源相对集中且丰富， 其中我国西部煤炭资源总量为4.7亿万吨，占全国总量的84.5[1]。随着煤炭开采技术和 装备越来越先进，开采强度逐渐增大，开采规模日益加大，失稳现象越来越明显[2]。目 前，有很多矿井存在煤岩体失稳现象，而且随着矿井开采的进行，深度会不断增加，煤 岩体失稳的现象和危险程度也会增加，以前没有出现煤岩体失稳现象的矿井，现在也开 始逐渐出现失稳现象；原来出现过煤岩体失稳现象的矿井，现在发生失稳现象的强度越 来越大，次数也越来越多[3]。巷道围岩的控制情况直接影响煤矿井下的安全和生产，且 全国煤矿顶板事故中将近一半发生在巷道工程中[4]。 近年来， 由于开采深度的逐渐增加， 矿压显现也越来越明显、巷道变形量也在急剧加大、巷道底鼓及两帮片帮现象明显，巷 道支护难度加大，同时对巷道围岩的稳定性造成威胁，使巷道维护工作难度加大，严重 制约着深部开采[5]。 乌东煤矿地处我国新疆乌鲁木齐市东部。新疆地区，可采煤层较多、煤层较厚、且 煤质优良、构造相对简单，在我国能源发展战略中具有非常重要的地位[6]。随着煤层开 采深度的增加，矿压开始明显显现。巷道围岩在矿压作用下开始破碎，维护相当困难， 片帮、冒顶、底鼓等现象时有发生。由于失稳现象发生的随机性和突发性，这给乌东煤 矿安全高效生产造成了极大的威胁。所以，需要对乌东煤矿巷道失稳进行监测预报，为 煤矿安全生产提供依据。 1.1.2 研究意义 本研究针对巷道失稳预测问题，以神华新疆能源公司乌东煤矿500水平43煤层南 巷与45煤层南巷为工程背景，以乌东煤矿巷道失稳现象监控预测为目标，通过采用现 场工程地质调研、室内岩石力学试验、小波分析预测结果与现场监测检验结果对比验证 相结合的方法，对开采扰动作用下煤岩失稳现象进行监控预测，对监控预测结果进行分 析，并与现场实际情况进行对比验证，对乌东煤矿500水平45煤层南巷和43煤层南巷 巷道围岩失稳进行预测，同时对巷道稳定性进行评价，结合预测结果对巷道支护进行优 化，提高乌东煤矿500水平45煤层南巷和43煤层南巷巷道围岩自身的承载能力，保障 乌东煤矿的安全开采。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 在煤矿开采过程中，失稳所诱发的灾害是矿井开采长期面临的问题之一，是国内外 专家关注和研究的主要问题之一[7]。 1965年库克利用实验室内岩石力学试验方法， 研究了岩样在加载受压的峰值强度时 所发生的破坏，得到了实岩石应力-应变曲线，并研究发现了岩样所发生的突然、迅猛 破坏，其原因是岩样和实验机组成的压缩系统不稳定引起试件变形失稳，且首次认识到 冲击矿压是由矿岩失稳造成的[8]。 世界上最早记录的失稳现象是在1738年英国的南思蒂夫煤田，之后前苏联、南非、 德国、波兰、美国等都对失稳现象进行了记录[9]。其中受到危害最大的是波兰、苏联和 德国，但同时在受灾治理方面做得最突出的也是波兰、苏联和德国。围岩失稳导致的灾 害具有突发性和灾害性，由于地质环境条件、围岩应力分布和开采工艺等因素的多方面 影响，围岩失稳灾害预测预报至今仍处于不成熟阶段。 1979年Salamon等人经过实验发现当煤岩进入峰值强度后，随着应变进的继续加 大，对应的应力反而减小，出现应变软化现象。 1983年Zubelewicz等人将冲击矿压现象定性为动力非稳定问题，也采用杜克准则作 为失稳判据，且对冲击矿压现象进行了数值实验模拟[10]。 针对失稳的机理，国外的专家们已经做了多方面的工作。Gibowicz利用剪切滑移模 型解释失稳的机理[11]。该理论认为，当煤岩体由于开采活动受到影响后，当任何一个自 由面的任一点处的静态剪切应力不为零时，就会出现剪切破坏或者沿破坏面进行滑移。 当滑移现象发生之后，静态的剪切过程开始转化为动态的剪切过程，其应力状态也从静 态的过程转化为动态的过程。 。同样的，当动态过剪切应力大于零时，就会使岩体发生 失稳现象且沿着不连续面进行滑移。Nur、Whiteomb等人根据岩体受压产生体积膨胀， 提出了失稳现象的扩容理论[12]。 Fujii和Sato在研究煤矿在生产过程中由于瓦斯突出问题所导致的矿震是具有双力偶 剪切破坏的震源[13]，可能会引发失稳现象发生。Prugger和Gendzwill研究发现顶板离层 诱发的失稳现象具有拉伸破裂的性质[14]。 McGarr在研究失稳事件时发现了拉伸和剪切岩 体都会产生破裂震动[15]，并在后续的研究中发现，拉伸等非剪切破裂方式与工作面的开 采情况有很大的关系。 监测预报动力灾害的发生对于保障煤矿安全生产是非常重要的。 因此国内外大量的 专家学者对预报工作采用不同的方法进行了大量的研究。Gibowicz S、McGarr等人认为 矿震现象的破坏机理与天然地震的震源破裂机理具有相似性[16]， 失稳现象的强烈程度主 万方数据 1 绪论 3 要由岩体内部断层面的剪切破裂程度决定， 并且对于地震震源的破坏机理及发生条件及 理论大部分都可以应用到矿山失稳研究。Dessokey、Idziak等人采用不同极值分布模型 对波兰的温克和色勒矿区的失稳现象的安全性以及其分布规律进行了长期的评估分析 [17]。Scholz研究发现震级与频率关系的变化与矿区围岩应力状态有直接的关系，且随着 围岩应力的增加振动频率下降[18]。XunLuo、Kelly等人分析研究了多个矿井的微震监测 数据，认为工作面煤壁前方围岩主要承受受剪切力的破坏作用，失稳现象主要以剪切破 坏为主 [19]。 波兰学者经过大量的实验与研究提出了失稳现象的趋势微震预测方法和精确微震 预测方法。根据煤矿在开采过程中震源震动的能量水平大小，对失稳危险程度进行评级 从而进行预测预报，这种方法即趋势预测方法；精确微震预测法主要以震源能量大小、 岩体中应力变化或非稳定状态的变化对巷道的动力作用为基础了评价失稳现象[20]。 该方 法效果显著。失稳问题曾经对日本煤矿的安全生产造成了极大的威胁，Fujii等人根据能 量释放原理对煤矿失稳的危险程度进行了评价[21]。 Kray等人煤矿开采过程中产生的波对 其波速分布进行分析对比，发现波速高的地方就是应力比较集中的地方，也就是所谓的 应力集中区[22]。 1987年Lippmannn研究发现当单轴受压的岩样在裂隙出现后，应力开始降低，裂隙 开始不继续扩张，当应力继续增大，达到一定的数值之后，应力会随着压力是继续增大 反而突然降低。利用大理石岩试样，在试样的裂缝处锯一个断岩面，在一定的围压范围 内对其进行单轴加压，发现其滑动特性不稳定。 20世纪80年代初，根据煤岩动力失稳发生的数据，我们发现在整个围岩中，应力比 较集中的区域，容易发生煤岩失稳，具有普遍性且巷道围岩应力的变化，会导致应力的 重新分布，有一部分岩石就会产生裂隙、发生破碎，会导致围岩产生运动，而围岩的运 动又会导致整个巷道围岩应力状态的变化， 使裂隙的发展也会从一个静止的状态转化为 一个活跃的状态，最后裂隙贯通形成破坏面从而导致失稳现象发生。 1.2.2 国内研究现状 国内研究方面，我国最早记录发生煤岩动力失稳现象的煤矿是胜利煤矿。宋建朝等 人认为煤矿在开采过程中，会产生扰动作用，受扰动作用的影响，煤体有可能会产生断 层，从而发生煤矿巷道失稳现象。刘大勇等等人经过研究提出了巷道失稳发生的几个条 件1存在脆性岩石；2巷道围岩的变形足够大；3一定的开采深度范围内。梁冰等 人经过研究发现煤矿巷道失稳是由于开采过程中出现了一系列细微的力学变化， 主要表 现在巷道围岩摩擦模式的变化，从而导致巷道围岩产生相对运动，使得巷道失稳现象发 生[23-24]。 冯涛等人经过研究分析得到裂隙的产生与自由边界发生相互作用会导致裂隙的扩 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 展，导致失稳现象初级阶段的发生，然后裂隙相互贯通形成破坏面，从而导致失稳现象 的发生，此研究认为巷道围岩失稳状态是一个裂隙从微观到宏观演变的一个过程。 左宇