煤矿冲击矿压灾害监测预警技术窦林名

“煤矿安全科技进山东”报告人：窦林名教授单位：中国矿业大学微信：中矿冲击地压研究国家煤矿安全监察局煤矿冲击矿压灾害监测预警技术冲击矿压的应力震动能量“三场”耦合及其多参量监测预警技术报告人：窦林名教授单位：中国矿业大学微信：中矿冲击地压研究3一、动静载叠加诱发动力灾害机理二、应力震动能量“三场”耦合规律三、分类冲击危险前兆信息及监测指标四、多参量风险判识监测预警指标体系五、预警平台示范工程及预警效果检验汇报提纲一、动静载叠加诱发动力灾害机理静载+动载诱发冲击minjdbσj–静载荷；σd–动载荷σbmin–冲击破坏最小荷载动静载叠加原理——煤岩体中静载荷与矿震形成的动载叠加之和大于诱发煤岩体冲击破坏的最小载荷，就会诱发强矿压灾害能量原理——煤岩体中聚积应变能释放率与矿震动载能量释放率之和大于其破裂过程中的能量消耗率，就会诱发冲击失稳UR–围岩储存能量；UC–煤体储存能量US–矿震能量；UB–冲击时消耗的能量dtdUdtdUdtdUdtdUBSCR能量条件minjdbσj—静载应力σd—动载应力σbmin—临界应力动静载叠加诱发冲击动力灾害机理能量表达：dtdUdtdUdtdUdtdUBSCRUR—围岩中储存的能量；UC—煤体中储存的能量US—矿震能量；UB—冲击时消耗的能量Ubmin—动态破坏最小能量22jdUE2minmin2bbUE单向：强度极限强度减小动载应力静载应力组合应力应力转移超强度区应力煤体OAB强度极限组合应力动载应力静载应力超强度区应力煤体OAB超强度区动载应力静载应力组合应力强度极限应力煤体OA静载水平应力组合应力动载反射拉应力抗拉强度超强度区应力煤体OA低应力扰动动载扰动动静组合反射拉伸一、动静载叠加诱发动力灾害机理冲击矿压煤与瓦斯突出复合动力灾害煤岩瓦斯动力灾害=动载+静载+流体能量gjdEEEgjdEEE++gjdEEE高静载：巷道或采场周围处于高应力及高瓦斯压力状态，采掘扰动产生的矿震动应力就可能会诱发动力灾害。高动载：浅部开采，巷道或采场周围的应力和瓦斯压力均不高，但强矿震高能量的动载作用，使得冲击与突出倾向性加大，造成动力灾害。低临界应力：因煤岩体和瓦斯赋存的不均匀性及其物理力学性质的差异，使得发生冲击突出的临界应力水平降低，这些区域容易发生动力灾害。一、动静载叠加诱发动力灾害机理冲击矿压zz冲击矿压冲击矿压xx冲击矿压断层巷道主副井断层煤层④③②①①②③④顶板型冲击矿压断层型冲击矿压煤柱型冲击矿压褶曲型冲击矿压冲击矿压类型——动静载、能量释放主体现有：冲击地压监测预警技术理论依据监测对象静载荷、动载荷；考虑了能量的释放，但不完善煤体应力、矿震分布；没有按冲击类型，针对性的监测监测指标钻屑量、钻孔应力、试验震动波CT技术矿震震源时序、空间分布、能量大小；指标单一，没有多参量、智能判识效果检验单一指标检验；监测预警准确率低9一、动静载叠加诱发动力灾害机理二、应力震动能量“三场”耦合规律三、分类冲击危险前兆信息及监测指标四、多参量风险判识监测预警指标体系五、预警平台示范工程及预警效果检验汇报提纲10基于煤岩体动静载叠加诱冲原理、能量聚集与释放原理，建立冲击危险的“应力场、震动场、能量场”监测预警的“三场”预警模型、智能判识方法。应力震动能量“三场”耦合模型监测预警理论基础——地球物理响应断层滑移关键层断裂矿震应力矿震地音电磁辐射关键问题：多参量统一参量应力场与震动场探测能量场的监测()DWwt2.1、应力场-震动场-能量场——“三场”模型胡家河矿2016年10月27日402103工作面动力显现应力场能量场震动场2.1、应力场-震动场-能量场——“三场”模型应力场强度与破坏准则震动场动力破坏准则能量场冲击致灾准则冲击孕育条件监测动力破坏模式确定冲击危险强度预测煤岩冲击破坏的动静叠加诱冲机理煤岩冲击动力灾害监测预警理论准则与模型2.1、应力场-震动场-能量场——“三场”模型冲击前兆应力-能量-多参量时空演化规律与耦合关系1221212021022AAEsxEEEEUUEUUE震动能量∝应力降∝应变增量2.1、应力场-震动场-能量场——“三场”模型冲击地压类型按载荷特征分：高静载型、强动载型、复合型按主控因素分：顶底板型、煤柱型、断层型、褶曲型顶底板型（c）断层面回转下沉关键块A关键块B水平应力叠加应力临界应力高应力断层煤柱耦合影响强烈应力波断层型应力波水平构造应力高应力集中高应力集中应力波RRTT高应力2.2、冲击危险智能判识方法和评价模型按不同类型的冲击地压，提出了主控因素的聚类智能判识方法输入层隐含层x2WH(1)………H(1)WH(2)H(2)……(WH(L))TH(2)……(WH(1))TWH(L)(WH(2))T隐含层隐含层隐含层隐含层H(1)IHH(L)重构结果………输入数据正向传播正向传播反向传播数据重构x1xny2…y1yn…隐含层反向传播深层网络结构+SVMSVM重构数据02040608010012014016018020010-310-210-1100101BestTrainingPerformanceis0.0098743atepoch204MeanSquaredError(mse)204EpochsTrainBestGoal10-2100102gradientGradient=0.031474,atepoch204-101valfailValidationChecks=0,atepoch2040204060801001201401601802000510lr204EpochsLearningRate=1.8931,atepoch20400.20.40.60.8100.10.20.30.40.50.60.70.80.91TargetOutput~=0.9*Target+0.055Training:R=0.92192DataFitY=T2.2、冲击危险智能判识方法和评价模型影响因素煤层埋深x1/m断层类别x2断层落差x3/m断层倾角x4/°煤层抗压强度x5/MPa顶板抗压强度x6/MPa构造应力集中度x7坚硬顶板厚度x8采动影响系数x9工作面布置长度x10采空区处理方式x11权重值0.11740.14360.11100.00920.10730.09380.09210.13710.12350.04470.0201断层型冲击地压影响因素权重值结果表样本号煤层埋深x1/m褶曲类型x2煤层抗压强度x3/MPa顶板抗压强度x4/MPa构造应力集中度x5坚硬顶板厚度x6/m工作面开采方式x7采动影响系数x8工作面布置长度x9采空区处理方式x10权重值0.15700.20390.08000.00860.20240.03680.09590.10170.01970.0940褶曲型冲击地压影响因素权重值结果样本号顶板坚硬程度基本顶厚度（m）顶板冲击倾向性埋深（m）煤层倾角（度）采高（m）采煤方法顶板管理方式权重值0.11370.08040.17170.09090.11330.16720.13660.1263顶板型冲击地压影响因素权重值结果样本号埋深采面与煤柱距离煤层冲击倾向性采高留底煤厚度采面形状权重值0.06050.15320.19670.22380.13180.2341煤柱型冲击地压影响因素权重值结果2.2、冲击危险智能判识方法和评价模型相对应力集中系数叠加法ij影响冲击矿压发生的某因素引起的最大主应力与自重应力的比值，称为相对应力集中系数分量，用表示。各分量的乘积为该区域的相对应力集中系数，记为i危险等级Rc16MPa判据Rc20MPa判据无冲击危险弱冲击危险中等冲击危险强冲击危险0ciR0070ciR007090ci090i0ciR0050ciR005070ci070i2.2、冲击危险智能判识方法和评价模型冲击危险风险判识2.2、冲击危险智能判识方法和评价模型20一、动静载叠加诱发动力灾害机理二、应力震动能量“三场”耦合规律三、分类冲击危险前兆信息及监测指标四、多参量风险判识监测预警指标体系五、预警平台示范工程及预警效果检验汇报提纲21以监测“应力场、震动场、能量场”为主体，以监测煤柱型、顶板型、断层型、褶皱型四类冲击地压为对象，研究前兆信息识别规律，确定分类监测预警指标。分类冲击危险前兆信息及监测指标应力场探测指标——震动波CT空间应力探测探测示意图震动波波速与应力关系曲线ψPσφV）（1/papv240026002800300032003400360038004000010203040Vp/m/sσ/MPa测量波速试验公式22002240228023202360240005101520Vp/m/sσ/MPa测量波速试验公式211ppnpVVAVanaVGVGAVG3.1、冲击危险监测预警指标3.1、冲击危险监测预警指标能量场监测指标——冲击变形能时空强监测预警技术冲击变形能指标的构建：利用矿震能量换成应变值，得到的冲击危险指数。综合反映冲击危险区域能量的积聚与释放特征，具有较强的预警能力。010;NEtEEtiiElEWENliiAENtiiAElNlNlNllNtNtNttemporalUUW11000121101211-冲击变形能时间指数的重构：冲击变形能空间指数的重构：1minmaxmin;()()/()1tspatialeeWtUUUUe3.1、冲击危险监测预警指标震源位置冲击区域陕西彬长胡家河矿402103面3.1、冲击危险监测预警指标103100103200103300103400103500103600103700103800103900104000104100104200-116200-116100-116000-115900-115800-115700-115600-115500斜机é�“-339.7-2.00-1.90-1.80-1.70-1.60-1.50-1.40-1.30-1.20-1.10-1.00-0.90-0.80-0.70-0.60A日期（2016/9/1～2016/10/1）2016/9/292016/9/262016/9/232016/9/202016/9/172016/9/142016/9/112016/9/82016/9/52016/9/2冲击变形能预警指标1.31.21.110.90.80.70.60.50.40.30.20.10弱中强稳定增长快速增长缓慢增长冲击变形能指标—俊德矿3.1、冲击危险监测预警指标3.2、分冲击类型的多参量监测预警指标震动场监测指标体系——选取物理意义明确的指标时序集中度：——监测煤柱、顶板、断层活化、皱曲冲击震源集中度：——监测煤柱、顶板、断层活化、褶曲冲击活动度指标S：——监测煤柱型冲击时空扩散性ds——监测褶曲型冲击总应力当量:——监测顶板型冲击b值、A（b）值、断层总面积A(t)值——监测断层性冲击0.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180510152025应力(MPa)应变应力绝对能量051015绝对能量（106aJ）ACEstressEnergyBDOStageOAStageOBStageOCStageODStageOEBeforefailureInitialfailu