矿山顶板灾害地声监测预警与防控
作者：
董陇军，郝晨良，孙道元，张义涵，闫先航，王加闯，裴重伟
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摘要
随着矿山开采深度的不断增加，顶板稳定性问题及失稳灾害风险日益增加，对矿山顶板健康状态的分析、监测预警和灾害防控技术的研究变得尤为关键。本综述系统总结了团队多年来研究成果及进展，建立了采矿活动引起的多类多震源全自动识别理论，提出了多中段多采场复杂开采环境中无需预先测速的震源定位理论与方法，提出了变“噪”为“用”的波速场反演快速成像方法，自主研发了地声智能感知监测传感器、采集仪与数据动态处理系统，开发了协同“数据感知”、“信息处理”、“智能预警”为一体的地声智能感知与微震监测全套技术装备，在此基础上建立了矿山顶板岩体失稳的多指标联合预警理论与方法，最终构建了基于岩体损伤与围岩体动态响应的分区支护防控方法。研究成果可以提升顶板健康监测与失稳灾害防控的整体效能，对未来深部矿山的安全高效开采具有重要意义。
图片
图1 无需预先测速的震源解析迭代协同定位方法；（a）复杂矿山环境震源监测与P波传播路径（b）无需预先测速定位原理示意图
图2 同震源解析解概率密度函数异常到时快速识别模型（a）识别判据；（b）异常到时识别；（c）定位结果比较
图3 无需预先测速的异常岩体结构自适应定位（a）VFH方法的定位流程；（b）TD和VFH方法定位结果对比
图4 不同特征参数（部分）在不同矿山的概率密度分布函数（a）时间差与频率的概率密度；（b）起始时间概率密度
图5 微震监测系统可识别的不同类型波形信号
图6 使用机器学习方法的微震监测波形识别与分类（a）CNN 图像分类架构（b）识别和分类的过程（c）训练过程和结果
图7 岩体失稳微震震源机制（a）岩体断裂类型对应的震源机制分布范围（b）全波形反演及事件归属于特定灾源的概率
图8 不同应力条件下岩石破裂震源类型分布特征与演化机制（a）矿区历史事件的震源反演结果（b）应力迭代反演结果（c）矩张量反演结果（d）源模型的震源机制和不同噪声水平的合成地震图的示例
图9 不同震源模型在噪音水平下合成数据的反演结果 （a）采矿爆破（b）顶板垮塌（c）断层滑移（d）拉伸破坏
图10 波速场快速成像算法流程图（a）改进的基于快速行进法和最小二乘拟牛顿法的主被动震源三维层析成像方法；（b）结合阻尼最小二乘法和高斯滤波的走时层析成像方法
图11 震奥鼎盛铅锌矿2022年3月30日至4月10日矿山顶板层析成像结果
图12 2023年3月17日至2023年3月27日1018分段VI盘区生产过程与波速场层析成像结果
图13 波速场反演成像量化分析
图14 陕西震奥采场顶板波速场反演成像现场效果检验
图15 甘肃金川充填体顶板波速场反演成像现场效果检验
图16 顶板失稳灾害的多指标联合预警技术（a）前兆参数与指标（b）前兆指标变化与识别
图17 波速场成像与声学参数联合预警
图18 分区支护防控方法（a）近断层采区微震活动及震源矩张量表征（b）岩体破碎区微震动荷载PGV表征（c）考虑岩体质量及动荷载影响的防灾支护策略
作者简介
通讯作者简介：
郝晨良（1995—），山西晋中人，中南大学博士研究生。主要研究方向为矿山灾害防控、非爆机械连续采矿、岩层控制与巷道支护方面的研究工作。主持湖南省研究生科研创新项目1项；发表EI/SCI检索论文8篇，1篇入选F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文；获中国职业安全健康协会科学技术一等奖、德国纽伦堡国际发明展银奖、山西省优秀硕士学位论文奖、全国岩石力学与工程优秀毕业设计(论文)奖。授权国家发明专利20余项，登记软件著作权5项。
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