“煤岩灾害前兆预警基础研究”专题（《煤炭学报》）

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“煤岩灾害前兆预警基础研究”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“煤岩灾害前兆预警基础研究”主题论文。

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不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

作者(Author)：宋朝阳, 纪洪广, 张月征, 谭杰, 孙利辉

摘要：研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性，可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源，是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验，得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律，分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征，获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征，并基于AE峰值频率的演化特征分析，给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明，随着弱胶结砂岩粒度的减小，其峰值强度增加，岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显，AE振铃计数的峰值呈现数量级增加，能量集聚效应更加明显，岩样的自蓄能能力更强，且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10~20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275~285 kHz)，且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前，两个主频段(40~50，145~155 kHz)累积计数最大;AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩破坏过程中声发射信号源的判识依据。岩样进入塑性变形阶段时，AE峰值频率表现为由初期的2个主频演化为4个或5个频段，频段增加特征亦可作为不同粒度弱胶结砂岩破坏前兆信息判识的依据。

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煤炭学报

2020年第12期

1261

557
基于组合赋权和属性区间识别理论的岩爆烈度分级预测模型

作者(Author)：殷欣, 刘泉声, 王心语, 黄兴

摘要：岩爆是一种极易发生在深埋地下工程岩体开挖过程中的一种动力失稳现象，具有突发性、不确定性和强破坏性等特征，开展岩爆烈度分级预测研究已成为一项需要迫切解决的世界性难题。岩爆烈度分级预测是一个典型的多属性有序分割问题，采用属性区间识别理论建立预测模型。根据岩爆的成因及特点，从岩石物理力学性质、岩体完整性和地应力3个方面选取围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比、岩石单轴抗压强度与抗拉强度比、弹性变形能指数和岩体完整性系数作为岩爆烈度分级预测的评价指标。应用层次分析法和反熵权法分别确定评价指标的主观权重和客观权重，克服了传统熵权法在确定评价指标客观权重时对指标差异度敏感性较大的问题，并在此基础上，提出一种基于离差平方和的最优组合赋权规则，建立了岩爆烈度分级预测的最优组合赋权-属性区间识别模型。以国内外12组典型岩爆工程实例对所建模型进行检验，由于均化系数对模型的预测性能影响较大，为了选取最优的均化系数，使其在区间[0.05,0.95]内变化，步长为0.1，经分析，当均化系数取0.05和0.15时模型的预测准确率最高，达91.7%。将均化系数取0.15时，模型的预测结果与模糊综合评判法、灰评估模型的预测结果以及实际情况进行对比，验证了该模型的可行性与适用性。

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煤炭学报

2020年第11期

957

525
基于加权D-S证据理论融合多域特征的岩体失稳预测方法

作者(Author)：罗小燕, 占鹏飞, 黄祥海, 邵凡

摘要：岩体失稳预测是保障采矿安全生产的重要手段，由于岩体在力学性质上存在非线性、非均匀性、非连续性、各向异性等特点，导致岩体内部状态难以描述，建立在传统单一物理量监测基础上的岩体稳定性评价方法难以满足要求。根据声发射现象的不可逆性，通过采集到岩体失稳所释放的声发射信号就可以获得其岩体内部结构变化的实时状态。因此，基于D-S证据理论，提出一种基于加权D-S证据理论融合多域特征的岩体失稳预测方法。在实验室条件下，以红砂岩为实验对象采用RMT-150C 型岩石力学试验系统进行单轴压缩试验，采集岩体失稳声发射信号，提取岩体失稳声发射信号的多域特征参数，通过敏感特征评价方法，筛选出岩体失稳各阶段的敏感特征参数，将多域敏感特征参数作为证据源，分别经遗传算法优化的BP神经网络预测模型进行初步预测，并将输出结果采用后验概率建模方法计算出各证据的基本概率分配函数，再引入相似性测度优化基本概率分配函数，最后利用加权D-S证据理论建立多域特征融合预测模型。实验结果表明:通过加权D-S证据理论将多域特征信息进行决策级融合，能够有效提升岩体失稳预测模型的准确率;采用多域特征参数取代单一特征参数的方法，为预测模型提供更可信的信号来源;随着融合的特征参数越多，预测模型的准确率越高;采用加权思想引入相似性测度对基本概率分配函数进行改进，能够有效消除高冲突证据导致传统D-S证据融合算法融合失效的问题。

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煤炭学报

2020年第10期

938

451
围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

作者(Author)：孟召平

摘要：煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础，声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法，已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究，揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明，基于煤样全应力-应变-渗透性--声发射特征，将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段，荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密，煤样渗透率下降，进入弹性变形阶段，煤样渗透率较低，声发射活动不明显。在塑性变形阶段，随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展，煤样渗透率增大，声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段，煤的轴向应力随应变的增加而降低，煤样渗透率开始下降，声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大，煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。

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煤炭学报

2020年第07期

949

577
真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究

作者(Author)：鲁俊, 尹光志, 高恒, 李铭辉, 邓博知

摘要：煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后，受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响，冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势，其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合动力灾害致灾机理对于动力灾害的有效防治至关重要。本文基于自主研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”，进行了考虑气体影响的完整煤样和卸压孔煤样的5面加载、单面临空试验。结果表明，复合动力灾害是煤岩在应变能和气体内能作用下非线性瞬发性破坏的动态过程。其发生过程具有明显的阶段性，主要经历颗粒弹射、碎片弹射、局部煤体破坏、煤体抛出失稳和重新平衡状态，煤样破坏后形成明显弧形阶梯状煤体抛出坑。中间主应力在一定范围内有增强煤样强度的特性，试样强度随中间主应力的增加而逐渐增加，试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。钻孔卸压措施可在一定程度上改善煤岩力学性质，软化煤岩结构，降低煤岩强度，增强其塑性变形特性，使集聚的弹性能量缓慢释放，降低动力灾害发生的可能性。对比试验结果表明，卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大，塑性程度更强，钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构，与未钻孔和其他钻孔布置方式相比，致灾程度弱化，无明显动力显现特征，卸压效果更好。卸压钻孔主要通过优化能量释放结构，促进煤岩渐进式损伤，最终煤岩趋于静态缓慢式破坏。针对现场具体工程条件，提出了根据实际地应力、地质条件等布置卸压钻孔方位的技术方案和可行的治理措施。

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煤炭学报

2020年第05期

1224

744
煤与瓦斯复合体受载变形破坏特征及微震-电荷感应规律

作者(Author)：朱小景, 潘一山, 王爱文, 李祁, 王凯兴, 罗浩

摘要：针对冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害预测手段欠缺、前兆信息监测方法不完善这一工程现状，利用自主研发的高频微震全波形实时监测系统和电荷感应监测系统开展了煤与瓦斯复合体受载变形破坏试验，分析了不同瓦斯压力下煤与瓦斯复合体变形破坏特征及微震信号和电荷感应信号显现规律的关系，以及瓦斯压力对3者的影响。结果表明:煤与瓦斯复合体变形破坏可分为3个阶段，即弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段，随着瓦斯压力的增大，煤与瓦斯复合体的抗压强度、弹性模量和软化模量减小，冲击倾向性降低，弹性和屈服强化阶段持续时间缩短;煤与瓦斯复合体变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生，且两种信号的峰值振幅均出现在煤与瓦斯复合体的破坏阶段;随着瓦斯压力的增大，微震信号和电荷感应信号数量增加且越来越分散，振幅增大，峰值振幅对应的应力降速率增大，同时，微震信号峰值振幅所在波形的起始振幅增大，峰值振幅前移，且越来越接近起始振幅。煤与瓦斯复合体中瓦斯压力越大，越容易发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害，通过微震信号和电荷感应信号的监测能够在一定程度上判断复合体所处的变形破坏阶段，结合瓦斯压力大小可预判复合动力灾害的类型和危险性。

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煤炭学报

2020年第05期

1295

532
不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

作者(Author)：牟宏伟, 何学秋, 宋大钊, 李振雷, 邱黎明, 苏东方, 殷山

摘要：煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要，为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响，对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验，并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大，峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势，峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象，单轴抗压强度和应变量均小于α＞45°的煤样。α＞45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主，更容易产生沿节理面的滑移破坏，振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段，声发射信号与应力降具有很高的相关性。α＞45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主，更容易产生挤压摩擦破坏，在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号，大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大，煤样表现出的冲击倾向性越强，声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此，鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时，需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。

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煤炭学报

2020年第05期

1471

720
复合煤岩变形破裂温度-应力-电磁多场耦合机制

作者(Author)：李鑫, 李昊, 杨桢, 苏小平, 马子莹

摘要：煤岩动力灾害中各个物理场演化非常复杂，结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论，推导了复合煤岩变形破裂温度场、应力场、电磁场多物理场耦合数学模型，建立了多场仿真模型，对煤岩受载变形破坏过程中这三个物理场的变化规律进行数值模拟，并进行实验验证研究。仿真结果表明:复合煤岩内部应力突变，微观角度而言，旧分子链断裂形成新的分子链，释放热量，同时，带电粒子在区域电场的作用下变速运动产生电磁辐射。宏观而言，煤体的抗压强度弱于岩体，煤岩体内出现裂隙，煤体应力、温度和电磁场能量明显高于岩体，在裂隙尖端应力和温度最大，磁场能量跟随仿真加载时长增加不断增强，磁感应强度沿逆时针旋转，由内向外不断衰减。在相同条件下的实验结果表明:复合煤岩内部红外辐射温度随应力的增长呈现阶梯型上升趋势，在应力峰值附近温度达到最高。电磁辐射在加载初期缓慢增长，在应力峰值附近，电磁辐射突增至峰值，继续加载至煤岩破裂，电磁辐射急剧衰减直至消失。实验与仿真结果一致，利用力电热耦合模型可以研究复杂条件下煤岩受载的特性，为深部煤岩开采动力灾害预测预报提供理论基础和新方法。

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煤炭学报

2020年第05期

896

360