冲击地压电磁辐射实时监测及自动预警研究

【摘要】：我国是世界上冲击地压灾害最严重的国家,其预防难题严重制约着矿山安全和高效生产。作为一种有效的地球物理监测方法,煤岩电磁辐射技术已经广泛应用于具有冲击地压危险性矿井的监测预警。目前的冲击地压电磁辐射监测多为移动式监测,虽然在线式电磁辐射监测装备近年来也应用于现场监测,但多作为传感器接入煤矿KJ安全监控系统使用,尚未有独立的监测系统,存在干扰多、难以确定有效信号、数据处理分析工作量大且滞后、预警准确率低等问题,且在实时监测数据的深入分析、前兆响应特征、危险自动识别及提前预警等方面缺乏深入研究,限制了其监测及预警的效果。因此,研发独立的冲击地压电磁辐射实时监测及危险自动预警系统与技术,具有重要的意义和工程应用背景。论文通过设计开发、理论分析、现场试验等手段研制冲击地压电磁辐射实时监测系统,研究采掘现场冲击地压危险的电磁前兆时空特征,提出冲击地压危险自动预警模型并进行现场应用。全文取得的主要研究成果有:(1)以有冲击地压危险性的大安山煤矿轴7槽煤层回采工作面为典型代表,基于其地质、采矿实际条件及煤岩层力学参数,建立了工作面开采数值模拟模型,模拟分析得到了轴7槽新补西一工作面和西一工作面回采过程中应力分布及变化规律、应力集中区域及应力集中程度对冲击地压危险的影响规律;理论分析和计算了本煤层、上下邻近煤层采空区和留煤柱对工作面开采的叠加影响;在综合数值模拟和理论分析结果的基础上,按照“危险区、威胁区、安全回采区”三个等级,将轴7和轴10槽四个回采工作面上的冲击地压危险性区域进行了划分,并确定了影响冲击地压的关键区域。为制定合理的电磁辐射现场实时监测方案,实现全面、动态监测采动应力集中及冲击地压危险提供了理论依据。(2)研发了冲击地压电磁辐射实时监测系统,开发了相配套的系统软件,实现了采掘现场冲击地压电磁辐射信号高灵敏度采集、定向和实时监测、监测数据深度分析等,达到了监测时间全覆盖、监测信息无遗漏;同时对系统进行了抗干扰、滤噪设计,包括传感器定向天线增加槽缝、监测方向及角度优化及选择、外壳防水、信号采集设备电路抑噪设计、监测异常数据滤波处理算法等,增强了电磁辐射监测的抗干扰能力,减少和消除现场运行中电磁干扰源和信号噪声对有效电磁辐射监测信号的不利影响,进一步提高实时监测系统的准确性和可靠性。(3)现场测试并分析了轴7槽和轴10槽工作面采动过程中电磁辐射强度值和脉冲数的时间序列特征和空间分布特征,反映了工作面回采的应力分布及变化规律;获得了工作面采动应力集中及释放导致冲击地压危险性增大、周期性顶板垮落等现象的电磁辐射响应规律。(4)基于移动式和在线式的联合监测结果,分析并揭示了大安山矿轴7槽和轴10槽工作面及上下山巷道的煤炮、应力释放、顶板垮落等动力显现发生前的电磁辐射前兆时间-空间特征,并引入能量耗散理论和煤岩失稳锁固体破裂理论,从能量和破裂失稳角度,解释了冲击地压、动力显现事件发生前电磁辐射前兆在时间和空间上的响应行为及产生机制。(5)提出了电磁辐射监测预警冲击地压方法,开发了一套基于电磁辐射实时监测数据,能对冲击地压危险进行自动分级的电磁辐射实时监测分析与自动预警软件,并在大安山矿采掘现场开展了应用。在震级2.7级的“4.19”冲击地压事件和一些顶板垮落事件发生前,均成功进行了危险自动识别和提前预警,效果明显。