复杂介质条件下弹性波传播特征及冲击地压监测预警研究

【摘要】：微震监测技术作为一种实时、动态、连续的岩土工程监测手段,其最大的优势在于可以对破裂源进行定位,直观地描述煤岩体的损伤破坏过程。然而,由于煤矿井下介质和应力的非均匀性,常常难以保证破裂区域的定位精度,进而影响震源分析和灾害预警的有效性。为此,本文以复杂介质条件为研究背景,重点考虑外部载荷和宏观缺陷的影响,运用实验室实验、理论分析、数值模拟和现场验证与应用等手法,从弹性波传播特征(定位精度影响关键因素)、定位算法研究(定位核心理论)和震源演化规律(定位结果应用)三个方面开展系统地研究,并进行现场验证与应用。论文得到的主要研究成果如下:分析了不同方向波速的应力响应特征,并揭示了其变化的机制。结果表明,应力作用下煤岩试样波速存在明显的各向异性。波速变化规律与对应方向微裂纹结构应变变化规律一致:微裂纹闭合,对应方向的波速升高;微裂纹张开、扩展,对应方向的波速降低。建立了波速—应力耦合模型,波速与应力呈良好的指数函数关系;基于波速数据对煤岩试样应力状态进行了反演,计算结果与实际观测情况较为吻合。研究了波形时频参数随应力的变化规律及机制。首波幅值随应力的增加呈现“先逐渐升高、而后逐渐下降、最后明显下降”的变化特征;主频对应力状态的改变不敏感,而质心频率对应力状态的改变较为敏感,加载末期质心频率明显下降;小波包能量分布具有明显的多重分形特征,接收波的多重分形参数Δα值始终小于发射波的Δα值,且接收波的Δα值在加载末期明显减小;波形时频参数的变化主要受试样损伤程度的影响。探讨了宏观缺陷对弹性波参数的影响。随着裂隙夹角、数量、长度的增加,波速降低,首波幅值下降;质心频率会随着裂隙数量和长度的增加而下降,但当裂隙夹角逐渐增加,质心频率呈现“先上升、后下降”趋势。随着孔洞直径的增大,波速、首波幅值和质心频率均有所下降;但当其中填充不规则的碎煤块时,波速、首波幅值和质心频率则有所上升。研究了复杂介质条件下的震源定位算法。将包含有多个波速模型的监测区域划分为一定尺度的网格,根据Dijkstra基本算法计算传感器到其余各节点的最小走时路径,定义与观测到时差整体偏离度最小的节点即为定位点。基于不同尺度网格得到的定位结果较为均匀地分布在真实震源周围这一现象,提出了平均定位方法:运用多个尺度相近的网格对震源进行多次定位,计算多个定位结果的加权平均值,即为最终的定位结果。相比较于采用单一尺度的网格进行定位,平均定位方法具有定位精度高、运算量小、硬件配置要求低等优势。由于平均定位方法的定位精度主要受到监测区域内网格密度的影响,提出了整体—局部平均定位方法,结果表明其可以进一步提升定位精度。从时间、空间和强度的角度,研究了单轴加载条件下煤岩试样声发射事件的演化规律和机制。引入单键群方法,定义空间相关长度ξ和信源熵H两个参数;基于盒维数理论,提出球面覆盖方法,计算了单键方向分布特征的分形维数D;结合b值理论,对声发射事件演化规律进行了定量分析。整个单轴加载过程中,b值呈现“先高值波动、而后逐渐下降、最后显著下降”的变化;ξ值呈现“先上升、后波动、再上升”的变化,H值则呈现“先波动、后下降”的变化。结合岩石3-D裂纹扩展理论和微裂纹聚集临界条件,揭示了单轴加载条件下煤岩试样变形破坏的实质是小尺度破裂向大尺度破裂转化、局部破坏向整体破坏转化的过程,b值、ξ值和H值随应力的变化规律可以较好地对这一过程进行描述。在加载末期,D值呈现较为明显的下降趋势;其主要原因是此时大量微裂纹沿轴向扩展,导致单键方向的无序性减弱、有序性增强。根据某煤矿的地质条件和采掘数据,建立监测区域的定位网格模型;采用平均定位方法对冲击地压事件进行重定位,并运用单键群方法分析冲击事故的前兆规律。结果表明,重定位结果与现场破坏记录的描述更加吻合,基于重定位结果得到的前兆规律更加明显。开发了“微震定位监测与冲击地压预警软件”,并应用到煤矿现场的微震监测中:在冲击地压事故或引起地面和井下强烈震动的大能量微震事件发生之前,可以得到明显的前兆规律。本文的研究结果对于在煤矿井下的复杂介质条件中进行准确地震源定位和冲击地压灾害预警具有重要的理论意义和参考价值。