“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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高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

作者(Author)：刘崇岩, 赵光明, 许文松, 孟祥瑞

摘要：为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律，通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验，利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统，分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段，岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符，围岩曲屈破坏时σθmax≈(1.38～1.85)σc;随着侧向载荷的升高，孔洞在平静期积累的弹性应变能增加，颗粒弹射期能量释放率增大，岩爆进程加快，稳定破坏期持续时间先增加后减小，侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号，围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中，孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合，形成以圆孔为中心的“X”型共轭剪切破裂，稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加，高频比例降低，低侧向载荷时破坏以中高频为主，高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高，呈现高温区嵌套低温条带的特点，岩爆时高温区由表面浅部向深部运移，在孔洞整体失稳坍塌前，岩爆坑温度急剧上升。

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煤炭学报

2020年第03期

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冲击载荷作用下层状岩石破碎能耗及块度特征

作者(Author)：武仁杰, 李海波, 李晓锋, 于崇, 夏祥, 刘黎旺

摘要：采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，对0°,22.5°,45°,67.5°和 90°五种不同层理倾角的层状岩石进行了不同冲击速度下的动态压缩试验，对破碎后的试样碎屑进行筛分，对比分析了层状岩石动态破坏时的块度分布特征;探讨了不同入射能对层状岩石反射能、透射能、耗散能密度和块度分布的影响。结果表明:对同一层理倾角试样，随着冲击速度增大，块度平均粒径逐渐减小，破碎程度逐渐增大;相同冲击速度下层理倾角为67.5°的试样破碎程度最大，0°试样破碎程度最小。分形维数可以很好的量化表征破碎块度分布特征，破碎块度越小，分形维数越大。相同入射能时，90°试样耗散能密度最大，0°或22.5°耗散能密度较小，表明高倾角试样能量利用率高，0°或22.5°的利用率较低。层理倾角为45°,67.5°和90°的试样在入射能相同时反射能较大，层理倾角为0°,22.5°的试样透射能较大，表明大倾角下无用功大多以反射波形式耗散，低倾角下无用功大多以透射波形式耗散;反射能、透射能与耗散能密度随入射能增大而增加;分形维数随耗散能密度增大而增大。高倾角时随能耗增大，试样破碎程度越剧烈;低倾角随耗散能密度增大，试样破碎趋势变化较小，产生新裂纹与破裂面所需能量较多。在实际工程中，选择45°~67.5°倾角的动态加载角度，不仅岩石强度较低，岩石破碎程度高，且能量利用率较高。

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2020年第03期

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高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

作者(Author)：苏承东, 宋常胜, 苏发强

摘要：为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500 ℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测，而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:① 高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段，经历温度越高压密和屈服阶段越明显，峰值后应力跌落速度有所减缓;② 高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低，在100和500 ℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100～400 ℃高温，高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25 ℃煤样比较，经历100,200,300,400和500 ℃高温后，煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%，抗压强度平均降幅依次为47.88%，49.99%，56.24%，56.91%和87.57%;③ 高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息，在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系，不同高温后煤样的声发射特征存在差异，声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生，声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点，且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前，而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④ 高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征，其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低，累计能量随温度变化具有波动性;⑤ 高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系，抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100～500 ℃高温作用后煤样结构发生了变化，煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加，煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。

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煤炭学报

2020年第02期

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考虑托板作用的深埋岩体分区破裂时空效应

作者(Author)：于远祥, 王赋宇, 任建喜, 李鑫, 王树明, 邵红旗

摘要：分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋洞室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象，考虑不同大小托板反力作用对洞室围岩强度参数的影响，基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征，建立了杆体与围岩协调变形的力学分析模型，推导了围岩分区破裂后锚杆中性点位置的计算公式，进而对不同托板反力作用下的围岩分区厚度、破裂范围及数量进行了反演分析;根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力，提出了弹塑性界面岩体破裂发生时刻的理论公式。结果表明:① 在分区破裂条件下，深埋洞室围岩与预应力锚杆产生协调变形，沿杆体长度方向存在多个处于拉-压受力平衡的中性点，在各中性点附近的弹塑性界面上岩体具有显著的流变特性。当该界面岩体所受最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂;② 预应力全长锚固锚杆对围岩强度参数具有重要影响，预应力的增加能够有效改善围岩的承载特性，围岩分区厚度、破裂区宽度与数量以及弹塑性界面上岩体破裂发生时刻随锚杆预应力的变化而变化;③ 在锚杆预应力作用下围岩强度的提高对洞壁岩体破裂具有一定的抑制作用。随着锚杆预应力的逐渐增大，靠近洞壁处的第1个锚杆中性点逐步向洞壁表面移动，洞壁岩体破裂区厚度也逐渐减小直至不再破裂;④ 通过算例分析对上述认识的合理性进行了验证。

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煤炭学报

2020年第02期

843

582
岩体崩塌的早期预警方法与试验验证

作者(Author)：杜岩, 吴志祥, 谢谟文, 刘日成, 陈晨

摘要：岩块体崩塌的早期预警一直是岩土工程灾害研究的热点和难点问题。传统监测方法大多关注于破坏阶段，因此很难实现崩塌等脆性破坏灾害的早期预警。实际上，崩塌通常经历分离和破坏两个阶段。关注分离破坏阶段的前兆事件，可更快提醒公众在灾难性的崩塌事件之前寻求庇护。本次实验应用激光多普勒测振技术，通过新型物理模型实验，开展危岩分离破坏前兆现象识别研究。实验采取新型的冰冻实验方法来模拟岩块体黏结强度不断降低，块体随着时间推移，稳定性不断降低，最终于117 s发生破坏。监测结果显示，频率监测指标分别在50 s和115 s发生分离和加速破坏前兆。基于分离阶段破坏前兆识别提前67 s实现预警，而基于加速破坏阶段的破坏前兆识别则在破坏前2 s触发预警。相较于传统的基于破坏前兆识别的预警思路，基于分离破坏前兆识别的预警方法提前65 s对岩块体崩塌破坏进行预警，具有更好的时效性，可有效利用早期预警的“黄金期”，为工程中更好地应对崩塌灾害争取时间。基于分离破坏前兆识别的岩块体崩塌灾害预警思路是矿山等高陡边坡岩体崩塌等脆性破坏灾害应急预防的发展方向。

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煤炭学报

2019年第10期

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煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

作者(Author)：丁鑫, 肖晓春, 吕祥锋, 赵同彬, 尹延春, 宋义敏, 杨小彬, 潘一山

摘要：掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础，引入小波变换方法，结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律，构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低，峰后软化特征明显，声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点，强度越高，能量信号幅值显著提高、累积总能量越多，波形幅值增加，信号波形两相邻波峰间隔时间增长，夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高，更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0~70 kHz，煤岩强度越低信号频率分布越宽泛，随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围，裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势，裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量，进而三个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述，为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础，开展该理论的定量化的应用是后续研究工作的重点。

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煤炭学报

2019年第10期

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基于PCA-PNN原理的岩爆烈度分级预测方法

作者(Author)：吴顺川, 张晨曦, 成子桥

摘要：根据岩爆的影响因素、特点及成因,选取围岩最大切应力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、应力系数、脆性系数和弹性能量指数构成岩爆预测指标体系。搜集国内外 46 组典型岩爆案例数据, 考虑到概率神经网络(PNN)中高斯函数要求各指标变量互不相关,采用主成分分析法(PCA)对原始数据预处理,消除指标间相关性并降维,得到线性无关的 3 个主成分即岩爆综合预测指标 RCI1 , RCI2 ,RCI3 ,构成概率神经网络的输入向量。将岩爆烈度分级预测视为共有 4 种类别的模式分类问题,在满足均匀分布的前提下,选取[0.02,1.00] 内的 50 个 Spread 值,观察模型预测正确率随 Spread 值的变化。经测试,Spread 值为 0.36 时,预测结果首次同时达到最优,故创建平滑因子为 0.36 的概率神经网络。岩爆案例数据由主成分分析法处理后分为训练样本和测试样本,对训练后的 PNN 网络进行性能测试,两组数据预测正确率分别为 100% ,90% 。将该结果与随机森林(RF) 模型、支持向量机(SVM)模型、人工神经网络(ANN)模型进行比较,可知 PCA-PNN 模型的预测结果稍好于 SVM 模型、ANN 模型,误判率与 RF 模型的训练样本平均误判率、测试样本平均误判率一致。此外 PNN 网络收敛速度快,通常在数秒内即可完成,表明基于 PCA-PNN 的岩爆烈度预测模型是合理可行的。

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煤炭学报

2019年第09期

919

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渗透-应力耦合作用下灰岩压缩破坏及声发射特性分析

作者(Author)：宋战平, 程昀, 杨腾添, 霍润科, 王军保, 刘新荣, 周冠南

摘要：富水隧道围岩体挖掘过程中,复杂的渗透-应力耦合作用经常导致岩体内部结构演化具有不稳定性,进而诱发围岩体的劣化与失稳,这对地下渗流岩体稳定性的研究提出了更高的要求。为研究贵阳下麦西隧道进口区灰岩的宏观力学和声发射特性,利用自主研发的渗透-应力耦合试验装置进行了不同渗透水压下的单轴压缩破坏、声发射和压汞试验,分析了灰岩的应力-应变、峰值强度、特征应力、破裂和声发射特性以及劣化机制等。研究结果表明:随渗透水压力增大,灰岩压密阶段延长而弹性阶段相对缩短,峰值应力为指数衰减;闭合应力和损伤应力均随渗透水压力增加呈线性减小,而随峰值应力增大而增加,表明溶蚀作用增加了灰岩损伤敏感程度;渗透水压力对灰岩破裂形式未造成较大影响,以劈裂破坏为主,且碎块均匀度与渗透水压力、峰值应力均为指数关系; 不同渗透水压力下,灰岩声发射振铃计数大致经历了“平静-发展-突增-跌落”过程,水岩作用弱化了灰岩结构稳定性,导致应变能提前释放;渗透水对灰岩具有溶蚀和引裂作用,随渗透水压力增加, 单位质量孔隙体积呈指数增加,起裂应力呈线性衰减。研究结果可为地下富水岩体的开挖的稳定性及减防灾分析提供理论基础。

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煤炭学报

2019年第09期

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