深部矿井应力型突出灾害的声发射演化特征及前兆信息研究

With the increase of mining depth, deep mine stress-dominant coal and gas outburst disaster is increasing. Acoustic emission（AE） monitoring technology is an important method to achieve effective monitoring and pre-warning of the outburst disasters in deep mine. Aim to solve the key scientific problem that AE characteristics of precursory information of the outburst in deep mine is not clear, the project is designed to carry out the following 3 aspects of researches by experimental method. First of all, perform serial failure process experiments of coal samples with different mechanical properties in different loading conditions, reveal main control factors of AE evolution characteristic and its mechanism, construct the AE sequence evolution theory model in coal failure process. Secondly, carry out small scale of coal failure experiment and the large scale of outburst simulation experiment under the real stress path, to explore the AE evolution sequence characteristics and precursory information of the stress-dominant outburst disaster based on the similarity criteria. Finally, conduct the in-site monitoring experiments, analyze the relationship between abnormal AE parameters changes and geological changes (such as stress, geological structure, coal strength etc.) or dynamic phenomenon in working face, to validate and improve the research results. The project will provide theoretical basis for solving the monitoring and pre-warning problem on stress-dominant outburst disaster in the condition of low gas in deep mine.

随着开采深度的增加，深部矿井应力主导型煤与瓦斯突出灾害日趋增多，声发射监测技术是实现深部应力型突出灾害有效监测预警的重要方法及途径。针对应力型突出灾害的声发射前兆特征信息尚未理清的关键科学问题，项目以实验研究为主要手段，开展深部应力型煤与瓦斯突出灾害的声发射演化特征及前兆信息研究。首先，开展不同力学性质煤样在不同受载条件下的破坏失稳实验，揭示煤体破坏失稳过程的声发射主控影响因素及作用机制，构建煤体声发射时序演化特征理论模型；其次，开展仿真应力路径下小尺度煤体破坏失稳实验和大尺度应力型突出灾害的相似模拟试验，基于相似准则探索灾害发生演化过程声发射参数的时序特征及前兆信息；最后，开展现场监测试验，分析声发射特征参数的异常变化与地质构造、地应力、煤体强度等地质赋存变化、动力现象之间的联系，对研究成果进行现场的验证、完善，为解决深部矿井低瓦斯条件出现的应力型突出灾害的监测预警难题提供理论基础。

随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出灾害的发生机制及类型趋于复杂，灾害类型逐步由浅部瓦斯主导型向深部应力主导型灾害转变。声发射方法是深部应力型突出灾害预防技术的发展方向之一，目前，制约声发射技术发展的关键问题在于灾害的声发射前兆特征信息尚未理清。针对这一科学问题，项目以实验研究为主要手段，开展了煤体受载破坏声发射试验、突出相似模拟、现场声发射监测试验等研究，以探求深部应力型煤与瓦斯突出灾害的声发射演化特征及前兆信息。首先，开展了不同应力路径及煤岩组合等条件下不同性质煤体受载破坏过程的系列化声发射试验，分析了煤体在受载破坏过程声发射事件率、能量、分形、b值等特征的时序演化规律；研究发现煤体的声发射特征参数变化与其破坏阶段相对应，提出了基于“破坏类型”的受载煤体声发射演化特征分类模型，揭示了受载煤体声发射的主要影响因素及其作用。其次，开展了煤与瓦斯突出的相似模拟以及大尺度煤体受载的声发射试验，基于突出过程的煤岩体失稳分析和煤体声发射事件数、能量、分形、b值等特征参数的演化特征，提出了应力型突出灾害的声发射前兆特征信息，构建了深部矿井应力型突出灾害的声发射事件率、能量、分形及b值等4个灾害判识准则。最后，开展了深部高应力突出矿井的掘进工作面、回采工作面的现场声发射监测试验，对比分析了声发射异常变化与地质构造、地应力等采动影响范围煤岩地质体的参数变化或突出动力现象之间的联系，对研究得到的声发射前兆信息及判识方法进行现场验证。项目研究成果为深部煤与瓦斯突出灾害的声发射监测预警技术提供了理论依据及指导。