基于变分模态分解算法的探地雷达信号去噪研究

探地雷达信号属于非平稳信号,容易受到干扰噪声影响导致探测能力降低.为了消除雷达信号的噪声,经验模态分解(EMD)、总体经验模态分解(EEMD)和完全总体经验模态分解(CEEMD)等方法被应用到雷达数据处理中.EMD虽然不断被改进,但仍存在一些不足,例如容易受到噪声干扰,存在模态混叠现象,依赖经验性等问题.因此笔者采用变...     

淋水碎裂顶板煤巷锚固试验研究与实践

煤巷顶板锚固区域富水岩层支护中出现的沿锚杆（索）钻孔持续渗、淋、涌水难题是工程中亟待解决的问题。采用一种新型锚杆（索）防水锚固剂进行了相关防水性配比试验研究;为了获得煤系碎裂顶板持续渗水作用下粉砂岩强度变化规律,在现场与实验室分别进行渗水试验。结果表明：NS-1不饱和聚酯树脂及添加2%的XS-1高分子速溶胶粉是防水型锚固剂关键点;在静水浸泡作用下,粉砂岩抗压强度呈现先缓慢增大而后快速衰减的变化规律;在动水渗流、循环风干作用下粉砂岩在36～42 h内裂隙开度增加,强度持续弱化。研究了粉砂岩顶板水与支护体耦合作用关系,在团柏煤矿101101巷道进行新型锚固剂锚杆（索）锚固试验,防水型锚固剂在钻孔渗流量为140 mL/s时,仍能达到208 kN的锚固效果;试验结果表明,对锚杆、锚索施加高预应力和采用防水锚固剂可保证顶板淋水碎裂煤巷的稳定。     

三维地震属性解释技术在巷道探测中的应用

针对煤矿安全生产中老窑巷道的位置和边界难以确定的困扰,对采煤巷道进行正演模拟,分析了巷道在二维地震资料剖面上的反映特征及敏感属性特征。以内蒙某区三维地震为例,在高品质数据采集的前提下,对实际三维地震资料进行保幅处理;在常规解释的基础上提取平均振幅、平均地震能量和均方根振幅等多种属性进行巷道定位解释。最终,解释结果与采掘工程图比对,巷道定位准确。     

煤巷复合顶板结构对其稳定性影响试验

煤层巷道复合顶板结构较为复杂,其自身稳定性与岩性、岩层厚度、层数、岩层位置及层间黏结力等因素有关。基于简化的复合顶板组合梁结构力学理论,建立了简化的组合梁力学测试模型,通过不同试验分析复合顶板结构特征对其稳定性的影响,其目的是为复合顶板稳定性分类及控制提供科学依据。研究结果表明：煤巷复合顶板厚度不变时,其自身稳定性随岩层强度提高、硬岩层厚度增加、硬厚岩层到煤层距离的减小及层间黏结力的增大而提高,随分层数的增多而降低,当层数达到4层及以上时,顶板稳定性受其层数变化的影响变小。各因素的影响程度由大到小依次：岩性 > 岩层厚度 > 层数 > 岩层位置 > 层间黏结力;强度低、厚度小的软弱薄夹层较其他岩层更易产生应力集中,且破坏早于其他岩层。     

高瓦斯面顶板走向钻孔抽放数值模拟与试验

高瓦斯矿井"U"型通风工作面采空区上隅角容易积聚瓦斯。以渗流理论为基础,根据气体扩散定律和质量守恒定律,建立了顶板走向钻孔抽放采空区瓦斯流场数学模型,并用6点隐式有限差分法进行了求解。以VB6.0为平台,利用工程软件SURFER模拟了抽放钻孔周围瓦斯压力场,并在现场进行了工业试验。理论研究与现场实践均表明:顶板走向钻孔抽放采空区瓦斯是解决高瓦斯工作面上隅角瓦斯积聚的一种行之有效的措施;顶板裂隙程度和状态是影响瓦斯抽放量的主要因素,将钻孔布置在适当的裂隙带中,瓦斯抽放浓度可达30%～90%,抽放负压可达50～55 kPa;数值模拟方法研究采空区瓦斯运移等工程实际问题是可行的。     

隧道衬砌病害地质雷达探测正演模拟与应用

国内大多数隧道都存在着不同程度的病害,其中诸如衬砌开裂、不密实、含有空洞和渗漏水等衬砌病害是隧道最常见的病害类型,严重影响行车安全。地质雷达（GPR）可以用来对隧道衬砌病害进行快速无损探测,但对于衬砌病害的解译十分依赖于探测人员的经验,很容易造成误判和漏判。因此,对隧道衬砌病害进行分类,并针对典型衬砌病害类型进行建模,利用时域有限差分（FDTD）法对衬砌病害模型进行地质雷达探测正演模拟,针对衬砌渗漏水和存在钢筋干扰等特殊情况,通过频谱分析对病害进行了定量识别,总结出典型衬砌病害的地质雷达探测解释准则,最后结合工程实例对衬砌病害进行了推断和解译。结果验证了衬砌病害地质雷达探测正演模拟和解释准则的可靠性。     

一种基于块体化程度理论的裂隙岩体巷道顶板稳定性分级方法研究

岩体完整性是进行巷道顶板稳定性分级的一个重要指标,当前分级方法均是从一维角度对岩体结构进行描述,不能全面刻画出三维空间上顶板围岩的完整性。针对这一缺陷,引入裂隙岩体块体化程度理论,以块体化程度代替常规标准中表征岩体完整性的岩体质量RQD值和节理间距两项子指标,开展裂隙岩体巷道顶板稳定性分级研究,创新形成了一种适用于裂隙岩体顶板稳定性分级的BT分级方法。以块体百分比和块体体积曲线为基本依据,构建出裂隙岩体巷道顶板围岩块体化程度的解算流程;运用AHP法对稳定性影响因素权重进行了排序,制定出稳定性分级方法与标准。以铜坑矿92号矿体裂隙岩体试验区巷道顶板结构面调查数据和岩石力学参数为基础,运用传统分级方法RMR法和BT法分别对各试验区巷道顶板稳定性进行评价,对两种分级结果进行比较分析,结果表明：与传统的RMR法相比,BT法在稳定性描述、分级准确性和安全管理指导作用等方面更为优越,更能够客观真实地反映出裂隙岩体巷道顶板稳定性。研究成果可为复杂裂隙岩体条件下的巷道顶板安全分级与管理提供更为可靠的科学依据。     

坚硬顶板采场采空区岩层离层遥测研究

利用梁弯曲理论,根据岩层间变形不协调性关系,建立了坚硬顶板离层的判别条件,并指出了相应参数对顶板变形的相对影响程度。采用遥测技术监测坚硬顶板采场采空区岩层离层,结果表明,遥测系统可以有效采集到顶板岩层离层发育信息,通过监测曲线的分析,能够确定采空区顶板产生离层的位置,进而可预测出顶板垮落厚度。利用遥测系统采集到采空区顶板失稳前的离层信息,及时采取相应的措施,可保证坚硬顶板煤层安全开采。     

煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9～ 2.3 MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。     

紫金山金-铜矿露天采矿场地下不明空区的地质雷达探测

采用先进的地球物理技术探明露天采矿场地下不明空区的分布情况,准确确定其平面分布范围、顶面埋深及空间高度,对保障露天采矿作业的安全进行、预防突发性事故的发生具有十分重要的意义。运用地质雷达对福建紫金山金铜矿露天采矿场地下不明空区进行探测,在两个不同探测区块共完成18条探测剖面,剖面线总长近4km;经处理后的实测地质雷达剖面具有高清晰度、高分辨率,能准确反映地下各种不同规模的不明采空区的属性、平面位置、顶板埋藏深度、空区大致高度;地质雷达探测共查明较大空区异常55个。采用50MHz天线的地质雷达系统在该露采场的有效探测深度可以达40m以上。在露天采矿场,地质雷达探测受矿区地形条件及环境影响很小,可直接在岩（矿）石表面进行,不受第四系覆盖层对雷达波衰减吸收的影响。因此,地质雷达非常适应露天采矿场地下采空区的探测及定位。     

探地雷达技术在煤矿采空区探测中的应用

不明采空区对煤矿的安全生产构成潜在危害,而人工地震勘探对埋深较浅的采空区存在盲区。采用RAMAC/GPR探地雷达仪配备的超强地面耦合天线(RTA50MHz)探测采空区。由于煤层及采空区相对雷达探测的有效范围较深,综合考虑探地雷达的分辨率与探测深度的关系,选用合适的雷达参数和探测模式进行数据采集,并采用了VC++开发了三维系统进行了补充解释,实现了探测目标体的准确定位,取得较好的探测效果。     

煤巷顶板软弱夹层层位对锚杆支护结构稳定性影响

中国煤矿开采条件复杂,煤层顶板多为分层性强的复合顶板,含有软弱夹层时采用锚杆支护技术难度大、安全可靠性低。根据煤巷顶板软弱夹层和锚固区的相对位置,采用物理模拟方法研究了三种软弱夹层层位条件下顶板的采动失稳特征和破坏型式,提出了包括锚杆支护承载性能强化、巷道破裂围岩体强度强化和围岩承载结构强化的巷道围岩强化控制原理;在应用安全因子AQ对顶板安全可靠性进行分级评估基础上,给出对应于不同顶板软弱夹层层位的煤巷分级强化控制对策。研究成果已在安徽两淮矿区煤巷工程实践中成功推广应用35×104 m。     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义     

煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究

针对断层区煤巷顶板破断问题,分别建立了正断层和逆断层构造区的顶板弹性深梁力学模型,研究了顶板应力分布规律,并以Mohr-Coulomb破坏准则为判据,分析了不同顶板压力、支护强度、跨高比等因素下的顶板破断机制。理论分析表明,顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增大而增大;其随跨高比不同而呈现出3种不同破断模式;穿越断层的巷道在断层区域应尽早使用强力支护系统,提高支护强度;穿越正断层的巷道在断层面附近应当提高护表效果。根据理论分析结论提出,在煤巷断层区使用让压型锚索箱梁支护系统,可对顶板围岩进行及时强力支护,实现“先控后让再抗”,既能有效发挥支护系统作用,又能充分发挥围岩自承能力。上述支护对策应用于巨野矿区断层区煤巷支护方案设计中,有效防止了顶板事故的发生,验证了理论分析的正确性。     

基于岩梁-块体理论的巷道软弱层直接顶板破坏形式研究

巷道软弱层直接顶板具有挠曲破坏、整体冒落和拱形冒落3种破坏形式,顶板厚度变化是影响其破坏形式的主要原因之一。对此,基于梁理论和块体理论,构建了顶板岩梁-块体力学模型,以揭示软弱层直接顶板破坏形式的变化规律。在此基础上,定义了挠曲破坏安全系数和剪切破坏安全系数,建立了顶板不同破坏形式的顶板临界厚度计算模型,以判定不同顶板厚度对应的顶板破坏形式。通过实例演算显示,随着顶板厚度的增加,顶板破坏形式由挠曲破坏逐渐变为整体冒落再变为拱形冒落。同时,当顶板厚度超过一定值时,冒落拱高度不再显著增加。基于相同的工程条件和力学参数,通过实例演算和数值模拟对比分析,计算得到演算工况下从挠曲破坏到整体冒落的顶板临界厚度均为0.14 m,从整体冒落到拱形冒落的顶板临界厚度为0.8m,结果具有一致性。表明应用顶板临界厚度计算模型能够有效地判定顶板破坏形式。该研究成果可为矿山巷道在软弱层直接顶板管控及支护方案设计提供理论参考。     

双河煤矿采动巷道顶板裂隙的分形研究

巷道顶板的变形量是评价巷道顶板稳定性的一个重要指标,巷道顶板裂隙的间距分形维是综合反映顶板裂隙发育、分布特征的一个重要参数,尝试建立二者之间的数学关系。利用多基点位移计对双河煤矿采动巷道顶板的变形量进行了监测,利用钻孔电视成像仪对顶板内裂隙的发育和分布状况进行了监测,并且计算出顶板内裂隙间距的分形维。结果表明,顶板0~2 m内裂隙最为发育,在此范围内,裂隙线密度与裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,二者具有线性关系;顶板的变形量与相应的裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,顶板裂隙的间距分形维增大,相应的围岩变形量增大,二者之间存在线性关系。研究结果表明,顶板裂隙的间距分形维是综合反映巷道顶板稳定性的一个指标,可以作为巷道顶板稳定性的指标,对巷道顶板稳定性进行评价,为支护设计提供可靠依据。     

基于解析信号振幅识别磁源体边界的分析解释方法

解析信号本质上是一种全通滤波器,由于其不受人为因素干扰,能够较好地反映原始信号包含的信息特征。该方法不仅是对非平稳信号进行分析的有效方法,也是检测信号局部特征的有力工具。本文通过对实信号的解析信号处理得到复信号,由该复信号的振幅,能清晰地刻画信号能量空间分布特征。模型试验表明,解析信号振幅方法减小了常规化极方法在勘探程度较低的地区引起假异常的问题,使地下磁性体与振幅中心位置对应。尤其在低纬度或地形切割较大的地区,该方法更具优势。将该方法应用于老挝爬立山铁矿区实测磁异常的分析,由此圈定了磁铁矿分布位置,并由区内56个钻孔证实该推断的可靠性。     

工作面过空巷基本顶超前破断机制及控制技术

以工作面进入平行空巷、回撤通道时顶板超前破断、巷道被掩埋、支架压架的事故为研究对象,通过相似模拟试验对比了工作面过不同宽度空巷、充填与否时围岩破坏特征、应力变化和支架载荷变化,展现了工作面过大断面空巷基本顶超前破断及其灾变演化过程。研究表明：超前破断会导致基本顶一次性破断长度增加、上覆亚关键层同时破断。一旦发生超前破断,现有支护技术很难避免压架,故预防出现超前破断最为重要。鉴于此,运用Winkler地基梁理论对基本顶中弯矩和挠度进行了计算,解释了试验中围岩破断特征、支承应力和支架载荷的变化,给出了基本顶超前破断的机制：煤柱失稳是导致出现超前破断的主要因素,提高煤柱强度有利于预防超前破断。据此提出了局部注浆充填技术使煤柱由单轴压缩变为三轴压缩,提高煤柱支撑能力,并在现场实践中得到了验证。     

顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故,提出了部分充填方案进行模拟研究。首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故,深入研究离层积水致灾模式;然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例,分析其水文地质条件、上部含水层和离层水突涌的关系,利用3DEC数值软件模拟工作面顶板离层空间发育特征;最后根据该矿的实际情况,提出部分充填开采方式预防离层水突涌的技术措施,并对该矿的部分充填方案进行优化模拟研究。研究结果表明：根据发生条件的不同将离层水突涌划分为5种模式,离层积水过程分为初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期;在保持充填率不变的情况下,随着走向采宽和充填宽度的同时同量增加,充填体对上覆岩层支撑作用逐渐增强,离层下部隔水层出现两侧应力增大现象,最佳部分充填方案为采宽80 m,充填宽度80 m,为顶板离层水害的预防提供新的思路。