基于数值模拟的顶板围岩损伤过程动力响应信号的能量分析_曹野
金属矿山巷道围岩安全监测诊断预警体系
金属矿山巷道围岩安全监测诊断预警体系曹野【摘要】针对矿山巷道监测系统诊断预警系统功能弱,系统不完善的难题,通过将基于小波能量理论所建立的爆破震动去噪方法、围岩类别判定指标、爆破震动效应评价指标集成,形成可实现长期实时监测的金属矿山巷道围岩稳定性监测、诊断、预警体系.金属矿山巷道围岩安全监测诊断预警体系包括监测点布点优化、监测信号去噪、信号频域能量分析、巷道围岩类别确定、巷道围岩安全判别、巷道围岩安全预警等模块内容.该体系的最大特点是根据实时监测到的信号进行诊断分析,并依据所积累的数据库文件进行比对,最终得出诊断结论并给出相应的工程措施,该体系的建立为提高金属矿山安全监测技术水平奠定了基础.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】6页(P126-131)【关键词】金属矿山;巷道围岩;安全;小波理论;监测诊断预警体系【作者】曹野【作者单位】中国黄金集团建设有限公司【正文语种】中文【中图分类】TU457近年来，国内外重要的大型工程结构，如大型桥梁、大坝、重要建筑结构等，大多设置了安全监测系统[1-2]。
然而，目前的监测系统大多数仅对目标物理量进行采集与存储，缺乏有效的损伤诊断与安全评估能力[3]，尤其针对矿山巷道安全的安全监测诊断预警系统就更加缺乏，岩体介质特性的离散型决定了矿山巷道本身的地质条件以及所处的环境条件较为复杂，国家相关部门对此提出了具体的要求，例如要求建设矿山井下安全避险六大系统和“数字矿山”。
因此，本研究将在监测、诊断技术研究的基础上，建立以爆破震动安全诊断为核心的巷道围岩安全监测诊断预警体系，并对各个子系统之间的逻辑关系以及程序框架进行设计，为完善“数字矿山建设”奠定基础。
1.1 体系总构成及主要功能金属矿山巷道围岩安全监测诊断预警体系由目标监测、信号处理与诊断、损伤预警、信号样本数据库、用户使用等5个子系统组成，体系网络拓扑图如图1所示。
该体系通过在矿山的重点监测部位布置各类传感器，将目标的应力、变形、速度、加速度、环境参数等信号采集至信号解调仪，进行解调、放大；然后通过沿巷道布置的分布式光纤通信传输系统，送入基于小波分析的信号处理与诊断子系统，在该系统中将各测点的监测信号进行数学分析；进而将分析结果与信号样本子系统中预先设计的安全判据以及样本库数据进行比对，再根据比对结果自动给出预警信号和相应的工程处理措施；最后送至用户使用子系统供工程人员使用，同时所采集的数据、分析的结果均会被记录在样本库中作为下一次分析的参考依据。
试论岩体动力破坏的最小能量原理
第21卷 增刊 岩石力学与工程学报 21(增)193119332002年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringJune 20022002年2月26日收到初稿2002年4月2日收到修改稿* 国家杰出青年科学基金(59625409)国家重点基金(50134040)和山西省自然科学基金资助项目 作者 赵阳升 简介男1955年生1992年于同济大学结构工程专业获博士学位现任中国矿业大学采矿工程学科特聘教授博士生导师主要从事采矿工程和岩石力学方面的教学与研究工作试论岩体动力破坏的最小能量原理*赵阳升12 冯增朝2 常宗旭2(1中国矿业大学能源科学与工程学院 徐州 221008) (2太原理工大学采矿工艺研究所 太原 030024)摘要 通过对岩体在不同应力状态下的破坏方式破坏特征及其能量转换进行分析论证了岩体是一种有条件的物理不稳定性材料其动力破坏遵循最小能量原理得到了对岩爆等岩体动力现象的预测与防治研究有用的结果关键词 岩体破坏最小能量原理条件物理不稳定岩爆发生机理分类号 TU457 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)增-1931-031 引 言岩爆或称冲击地压冲击矿压甚至包括含气体水的突出试件都是岩体在外力作用下突然失稳破坏而造成的一种以急剧猛烈的破坏为特征的动力现象或动力事件[110]随着国民经济的迅速发展人类各类地下工程所涉及的埋藏深度日趋增加国内许多煤矿深度已近1 000 m 金属矿山达2 000 m 左右国际上金属矿山深度为4 000 m 左右地质钻孔资源开发钻孔深度达万米各类地下工程空间跨度也在增加地下工程跨度增加与深度增加的结果都导致工程岩体应力增加其应力的量值超过岩石的单轴抗压强度有时甚至超过若干倍岩石的强度因此深入研究岩体三维应力状态下的变形破坏规律及其强度研究岩体应力状态转变导致的岩体破坏形式能量转化更是岩体力学及工程研究的当务之急2 岩石材料是一种有条件的物理不稳定性材料自然界的材料破坏无非以两种方式一种是渐进的稳定方式的破坏另一种是突然的不稳定破坏而岩体以何种方式破坏则是由岩体材料及其应力和结构形式共同决定的前一种破坏方式在岩体工程是常见的例如地下洞室的变形破坏等等而后者又可以分为两种类型一种是几何失稳破坏即压杆稳定问题板的屈曲问题窄小矿柱的破坏此类破坏在岩体工程中少见另一种是物理失稳破坏20世纪60年代刚性试验机的诞生揭示出岩体或岩石在峰值强度之后出现的应变软化即岩石的全过程应力-应变曲线(如图1所示)而且表明无论一维压缩还是一维剪切下其应力-应变曲线都表现为明显的应变软化客观地评价刚性试验机的诞生揭示的岩石全曲线实质上揭示了岩石材料的物理本质即它是一种物理不稳定性材料当岩石变形进入峰值强度之后变形增加应力反而降低应力应变的乘积是负值降低应力其变形反而增加其能量的来源是岩石在峰值强度之前积累的弹性变形能的释放这是非常典型的物理不稳定性特征其物理不稳定性因岩石类型或结构的不同而不同但所有岩石材料都表现为这种物理不稳定性到今天为止还没有做出一条类似于金属材料的理想塑性或塑性强化曲线这就是岩体之所以发生诸如地震岩爆冲击地压及各类突出事件的根本原因所在也是物理本质所在但岩体的这种物理不稳定性的反映或表现是有条件的当岩体或岩石在力的作用下先发生弹性变形弹性变形阶段应力增加变形增加应力减小变形减小[1]其应力应变的乘积εσd d ×0岩石材料在此段内仍为物理稳定性材料当岩石• 1932 • 岩石力学与工程学报 2002年1=a σ802=a σ403=a σ20 4=a σ105=a σ56=a σ图1 大理石常规三轴压缩应力-应变全图 Fig.1 Normal triaxial compressive stress-train curres ofmarble继续加载变形达到峰值强度后岩石材料的物理不稳定性才显现出来因此岩石材料的物理不稳定性显现是有条件的这种条件在一维应力状态下是其所承受的应力达到岩石的单轴抗压强度或抗剪强度在二维应力三维应力下所承受的应力超过岩石的二维强度或三维强度[24]因此可以清楚地认识到岩石材料是一种有条件的物理不稳定性材料岩体的条件物理不稳定性变化是随着各种岩体工程环境条件的变化岩体所受温度孔隙压化学作用等发生急剧的变化总体趋势为温度升高化学作用增强孔隙压增加岩体强度剧烈下降达到不稳定性的临界条件剧烈下降或者说岩体的物理不稳定性非线性增加3 岩体动力破坏的最小能量原理一维状态下无论岩石以单轴压缩破坏还是以剪切方式破坏其破坏的条件是应力超过单轴抗压强度或抗剪强度即σc σ或τc τ对应的能量消耗为E E 2/2c 1σ=或EE 2/2c 1τ=在此种情况下岩石整体上表现为失去承载能力破碎为一定块度的若干块体但工程岩体主要承受三维应力在三维应力状态下岩体破坏的条件是超过其三轴强度其对应的临界能量是三维状态下的弹性能但当破坏一旦启动岩体内部应力状态及其分布在极短的时间内发生剧烈而迅速的调整与转变岩体内部的三维应力迅速转变为二维一维状态而三维状态下储存在岩体中的大量弹性能仅需要消耗一维压缩或剪切所需要的部分能量其余能量则用于动力破坏或大变形塑性破坏尤其是像岩爆突出爆破等一类动力破坏事件更是如此无论在一维二维或三维应力状态下岩体动力破坏所需要的能量总是一维应力状态下破坏所消耗的能量将此称为岩体动力破坏的最小能量原理用此原理评价或简单度量深部地下工程的难易或灾害的剧烈程度一维状态下岩体破坏的能量为E E 2/21σ= 三维应力状态下假设为静水压力岩体破坏的条件是库仑-摩尔准则等强度准则对应的能量条件为E E 2/32/)(23322113σεσεσεσ=++= 假设作用于岩体的应力为其单轴强度的m 倍即cσσm =则E E 2/2c max 1σ=而Em E 2/32c 23σ=则岩体动力破坏的剩余能量为213e 3/m E E K ==岩体动力破坏的剩余能量与最小破坏能量之比eK 随着应力集中系数m 的变化关系如图2所示由此可见随着埋藏深度的增加岩体动力破坏的剩余能量与最小破坏能量之比值呈典型的非线性趋势增加图2 e K - m 关系曲线Fig.2 Relationship curve between m vs e K4岩爆发生机理与预测防治原理随着地下工程跨度增加深度增加岩体工程发生岩爆冲击地压及各类突出事件发生的频度与第21卷 增刊 赵阳升等. 试论岩体动力破坏的最小能量原理 • 1933 •强度都在迅速增加深入开展相关的各类动力事件发生发展机理及预测防治原理的研究是各类岩体工程建设的迫切需要岩爆发生机理当岩体所受的应力超过了岩体的极限强度岩体变形进入物理不稳定性阶段三维应力状态下破坏启动后迅速转变为一维破坏方式更加剧了动力破坏事件的发生与发展三维应力与其强度的比值越高其剧烈程度越大岩体物理不稳定性越强其剧烈程度越大三维能量与一维能量之比值越高其破坏越严重由此得出岩体动力破坏事件的预测原理为捕捉岩体达到峰值强度前的各种物理特征量例如声发射事件及其特征电磁波特征热红外弹性波等等事件防治原理加强支护或采取适当的地下空间布置方式目的是为了避免应力集中从而达到有效控制岩体达到物理不稳定性的条件改变岩石的物理不稳定性即降低岩体全程应力-应变曲线的软化段的负刚度例如目前工程上采用的预裂爆破技术注水软化技术大直径密集钻孔技术都是基于上述原理5 结 论在深入分析岩体在不同应力状态下的破坏方式破坏特征及其能量转换的基础上得出如下结论(1)岩体是一种有条件的物理不稳定性材料这是岩体材料与其他材料本质的区别它之所以发生类似岩爆地震等动力失稳事件是由其物理本质决定的(2) 无论是三维二维或一维应力状态下岩体最终都转化为一维破坏的方式将此称为岩体动力破坏的最小能量原理(3) 岩爆发生机理是岩体所受的应力超过了岩体的极限强度岩体变形进入物理不稳定性阶段其预测与防治原理为捕捉岩体达到峰值强度前的各种物理特征量避免应力集中有效控制岩体达到物理不稳定性的条件改变岩石的物理不稳定性即降低岩体全程应力-应变曲线的软化段的负刚度参 考 文 献1章梦涛冲击地压失稳理论与数值模拟计算[J]. 岩石力学与工程学报19876(3)1972042 Brady B T. 与尺度无关的岩石破坏理论[A]. 见地震理论与实验译文集[M]. 北京地震出版社197926443 赵阳升. 瓦斯压力在突出中作用的数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报199312(4)3283374 梁 冰章梦涛潘一山等. 煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论[J]. 煤炭学报199520(5)4924965 李廷芥王耀辉张梅英等. 岩石裂纹的分形特性及岩爆机理研究[J]. 岩石力学与工程学报200019(1)6106 许东俊章 光李廷芥等. 岩爆应力状态研究[J]. 岩石力学与工程学报200019(2)1691727谭云亮李芳成周 辉等. 冲击地压声发射前兆模式初步研究[J]. 岩石力学与工程学报200019(4)4254288杨 涛李国维. 基于先验知识的岩爆预测研究[J]. 岩石力学与工程学报200019(4)4294319 蔡美峰王金安王双红. 玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测[J]. 岩石力学与工程学报200120(1)384210 刘保县鲜学福姜德义. 煤与瓦斯延期突出机理及其预测预报的研究[J]. 岩石力学与工程学报200221(5)647650THE LEAST ENERGY PRINCIPLE OF DYNAMICAL ROCK FAILUREZhao Yangsheng12Feng Zengchao2Chang Zongxu 2(1Institute of Energy Science and EngineeringChina University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China )(2 Institute of Mining Technology Taiyuan University of Technology Taiyuan 030024 China )Abstract Throughanalyzing the failure manner failure character energy exchange under various stress states it is demonstrated that rock is the physical instability material under certain condition and its dynamical failure follows the least energy principle. These results will be beneficial to prevention and curing of rock burst.Key words rockdestroy principle of least energy condition physical instability rock burst generant mechanism。
矿山围岩蠕变破坏过程数值模拟
王青元体工程长期稳定的重要因素。本文在幂函数模型基础上，基于损伤 力学理论，建立了能够描述加速蠕变过程的非线性蠕变损伤模型。模型采用最大拉应变准则和摩尔–库 仑准则作为损伤判断准则。借助有限元分析软件编程实现该模型的数值求解。首先将数值模拟得到的结 果与已有试验数据进行对比分析，验证了模型的正确性。然后进行了单轴和三轴压缩蠕变数值模拟，模 拟得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段，即初始、稳定和加速蠕变阶段。研究结果表明：所建立的蠕变 模型适合于模拟预测岩石的蠕变破坏，复杂的宏观蠕变破坏可以用细观单元的损伤来解释。
Keywords
Rock Creep, Damage-Based Model, Tertiary Creep Model, Numerical Simulation
矿山围岩蠕变破坏过程数值模拟
王青元，刘 飞
菏泽学院，地下空间围岩稳定与支护研究所，山东 菏泽
收稿日期：2019年4月4日；录用日期：2019年4月22日；发布日期：2019年4月29日
Numerical Simulation of Creep Failure Process of Mine Surrounding Rock
Qingyuan Wang, Fei Liu
Institute of Underground Space for Stability and Support of Surrounding Rock, Heze University, Heze Shandong
Mine Engineering 矿山工程, 2019, 7(2), 188-195 Published Online April 2019 in Hans. /journal/me https:///10.12677/me.2019.72027
关于锚杆本构及其数值模拟分析总结与思考
纯拉：
纯拉
何礼理
纯剪 拉剪
PILE
耦合
(1)塑性之前（OA 段），杆体拉力随着 拉应变的增加而线性增长； (2)屈服后，杆体 轴力保持不变（AB 段）；(3)当杆体的应变大于拉断破坏 应 变时，锚杆拉断,杆体拉力变为(BC 段)。
6
纯剪：
（1）在杆体受到的剪力达到抗剪极限 能力之前，其剪力随着剪 切位移的增 加而线性增加（OA 段）； （2）当杆体达到剪切 极限受力状态 时，杆体产生剪断破坏。
拉剪耦合：
纯剪： 拉剪耦合：
栾恒杰
拉剪
曹艳伟
PILE
6
耦合
蒋宇静
二、 关于 FLAC3D 中材料及结构单元二次开发的思考
（1） 深部巷道二次开发锚杆、锚索、锚网索支护稳定性控制模型 上述文献[1-9]对 FLAC3D 锚杆单元抗拉、抗剪、拉剪耦合方面二次开发及破断理论进行了详 细阐述，并在模拟实际工程取得良好效果。支护与围岩形成的相互协调的承载共同体是巷道围 岩控制的核心，但是目前文章[1-18]仅仅是对锚杆、锚索支护结构单元自身进行研究，一是缺乏 对恒阻吸能、恒阻大变形锚杆单元结构进行二次开发；二是缺乏二次开发锚杆单元与原结构单 元在静态围岩应力场对比、动态应力场演变规律量化分析、函数拟合，静态围岩位移场对比、 动态位移场演变规律量化分析、函数拟合；三是缺乏二次开发锚网索单元耦合与原结构单元在 静态围岩应力场对比、动态应力场演变规律量化分析、函数拟合，静态围岩位移场对比、动态 位移场演变规律量化分析、函数拟合，从而形成动、静应力作用下深部巷道二次开发结构单元 锚杆、锚索、锚网索支护稳定性控制模型。 围岩应力场稳定是巷道稳定的基础，国内外研究学者对围岩应力场演变进行了深入研究， 其研究现状如下： Antonio, B.[19]对深部隧道围岩应力场进行深入研究，通过围岩应力和位移变化揭示应力场 演变规律；Mohammad, R.Z.[20]研究了深部隧道围岩内弹塑性分区，对塑性损伤区给出了应力和 位移的解析解；Srisharan, S.[21]将深部煤矿巷道围岩简化为等效连续体，并使用离散元法对围岩
结构动力学中基于有限元方法的动力响应分析
结构动力学中基于有限元方法的动力响应分析结构动力学是研究结构在外部载荷作用下的振动特性和动态响应的学科。
大型工程结构系统的复杂性和非线性特性给结构动力学分析提出了挑战，而有限元方法则成为求解这种非线性响应的一种重要手段。
在本文中，我们将探讨结构动力学中基于有限元方法的动力响应分析。
1. 有限元方法有限元法是一种现代数值计算方法。
它是把连续物体分割成多个单元，通过单元间的相互作用关系求解结构的内部应力、变形和各种响应的数值方法。
有限元法的基本思想是把复杂的整体结构分解成有限数量的小单元，并对每个小单元进行数学模型分析。
通过求解这些模型，可以推导出整个结构的力学特性和响应情况。
2. 结构动力学中的有限元方法在结构动力学中，有限元方法也是一种重要的分析方法。
一般来说，结构动力学的有限元模型应包括结构的物理性质、载荷和边界条件等。
在构建有限元模型之前，需要对结构几何形状进行测量和描述，然后将结构分割成有限数量的单元，每个单元都有一组节点和自由度，节点之间的相互作用关系是通过构建单元刚度矩阵来实现的。
在建立了完整的有限元模型后，可以采用不同的求解算法，如静力求解和动力求解进行解析求解。
3. 动力响应分析在有限元法中，一般需要对结构进行动力响应分析。
动力响应分析的主要目标是确定在特定载荷下结构的动态响应情况。
动态响应包括结构的位移、速度、加速度、应力和应变等。
这些响应都对结构的安全性、稳定性和寿命等方面产生影响，因此需要进行充分的动态响应分析。
在动力响应分析中，一般采用有限元模型接触外部载荷模拟结构振动情况。
通过分析结构的固有振动模态和相应的频率响应，可以计算出特定载荷下结构的动态响应。
在实际分析中，通常需要考虑多种载荷并结合计算机模拟技术实现更为准确的动态响应分析。
4. 结论本文简要介绍了结构动力学中基于有限元方法的动力响应分析。
有限元法是一种现代数值计算方法，它可以将结构分割成多个小单元，进行数值模拟，计算结构内部应力、变形和各种响应。
小车运行状态下岸桥结构动力响应分析
小车运行状态下岸桥结构动力响应分析作者：胡雄董凯郑培孙志伟穆森来源：《振动工程学报》2024年第07期摘要：本文对在役岸桥整机金属结构的动力学响应机理进行分析。
基于Euler‑Bernoulli 梁理论建立起重机单梁结构数值模型，分析不同工况对梁结构动力响应的影响，并分析动力学方程中“离心加速度项”对岸桥的动力学响应的影响。
利用一岸桥结构数据建立包含结构重要分析部位如铰点、轨道梁等结构的几何特征的整机精细化数值模型。
以简化质量点模拟小车，将质量与板壳单元接触，实现小车与大梁的相互作用，并应用于岸桥结构动力学分析中，考虑轨道梁非中心受力，计算得到大梁铰点的加速度响应，与实测信号结果基本一致。
经计算分析发现，岸桥大梁铰点处测点的加速度实测信号频谱和计算信号频谱均表明小车运行对岸桥结构的主要影响为经过轨道接头时产生的高频冲击。
同时，岸桥模型大梁上10个测点及小车的位移结果表明，当小车带额定载荷以额定速度匀速运行时，岸桥前大梁前端产生垂向拟静态位移，位移频谱表明小车主要受到垂向强迫振动。
关键词：岸边集装箱起重机；小车运行；质量‑板壳接触法；非中心受力；动力响应中图分类号： TH215；O327 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2024）07-1200-11DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2024.07.012收稿日期： 2022-07-14；修订日期： 2022-10-04基金项目：国家自然科学基金资助项目（62073213）；上海市科学技术委员会科研计划项目（19511105002）。
1 概述岸边集装箱起重机，简称岸桥，岸桥结构随着港口物流吞吐量的增长而不断大型化，其安全性能需要引起重视。
大型岸桥的结构刚性较弱，在不断搬运集装箱的过程中，岸桥主要结构，如前后大梁、拉杆及相关零部件始终承受交变载荷，容易产生疲劳问题，从而产生裂纹。
图1所示为岸桥中拉杆根部长裂纹。
煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价
第53卷第7期2022年7月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.53No.7Jul.2022煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价钟坤1,2，陈卫忠1，赵武胜1，秦长坤1,2，曹怀轩3，谢华东3(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉，430071；2.中国科学院大学，北京，100049；3.兖矿能源集团股份有限公司，山东邹城，273500)摘要：针对坚硬顶板易形成悬顶导致应力集中及大面积悬顶突然破断形成动载扰动并诱发冲击动力灾害等问题，以东滩煤矿6303工作面为研究背景，提出定向长钻孔分段水力压裂区域坚硬顶板治理技术。
在顶板关键层共布置4个钻孔，钻孔长度最深达792m ，累计完成28段压裂。
为评价顶板致裂效果，利用光纤光栅三维应力长期动态监测系统和SOS 微震系统对水力压裂前后三维采动应力和微震事件进行实时监测。
研究结果表明：定向长钻孔分段水力压裂实施后，顶板岩层应力集中程度明显降低，主应力方向改变，超前支承压力影响范围减小，采动影响下应力集中系数由2.20下降到1.32，弹性应变能密度峰值由200kJ/m 3下降到80kJ/m 3；压裂后大能量微震事件明显减少，微震事件日平均能量由100kJ/d 下降到10kJ/d ，能量释放缓和且均匀，空间平均释放能量保持在4~8kJ/m ，且由低频高能释放形式转变为高频低能释放形式。
关键词：坚硬顶板；分段水力压裂；应力；微震；冲击地压中图分类号：TD324文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2022）07-2582-12Monitoring and evaluation of segmented hydraulic fracturingeffect in rock burst prevention on hard roof of coal mineZHONG Kun 1,2,CHEN Weizhong 1,ZHAO Wusheng 1,QIN Changkun 1,2,CAO Huaixuan 3,XIE Huadong 3(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Yankuang Energy Group Co.Ltd.,Zoucheng 273500,China)收稿日期：2021−09−07；修回日期：2021−11−09基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金重大项目(51991393)；国家自然科学基金面上项目(52079134)(Project(51991393)supported by the Major Program of National Natural Science Foundation of China;Project(52079134)supported by the General Program National Natural Science Foundation of China)通信作者：陈卫忠，博士，教授，从事地下工程稳定性及软岩支护研究；E-mail ：***************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2022.07.018引用格式：钟坤,陈卫忠,赵武胜,等.煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(7):2582−2593.Citation:ZHONG Kun,CHEN Weizhong,ZHAO Wusheng,et al.Monitoring and evaluation of segmented hydraulic fracturing effect in rock burst prevention on hard roof of coal mine[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(7):2582−2593.第7期钟坤，等：煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价Abstract:Aiming at the problems of stress concentration and dynamic load disturbance induced by hard roof,the segmented hydraulic fracturing technology with directional long boreholes was used in the key roof layer above the coal seam in the6303working face of Dongtan Mine.A total of4boreholes were arranged,with the maximum length of792m,and28fracturing sections were completed.The three-dimensional stress monitoring system and the SOS microseismic system were used to realize real-time monitoring of the three dimensional mining stress and microseismic events before and after hydraulic fracturing,so as to evaluate the fracturing effect.The results show that after fracturing,the stress concentration of the roof rock layer is significantly reduced,the direction of the principal stress changes,the influence range of the leading abutment pressure is reduced,the stress concentration factor drops from2.20to1.32under the influence of mining,and the peak elastic strain energy density decreases from200kJ/m3to below80kJ/m3.The number of high-energy microseismic events is significantly reduced,the daily average energy of the microseismic events decreases from100kJ/d to10kJ/d,and the spatial average energy release remains at4~8kJ/m.The energy release mode changes from low-frequency and high-energy microseismic events to high-frequency and low-energy microseismic events.Key words:hard roof;sectional hydraulic fracturing;stress;microseismic;rock burst高位巨厚坚硬岩层是一种特殊的岩层赋存形式，在我国多个矿区均有分布[1]，如淮北、兖州和大同煤田等[2]。
岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究
岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究近年来，隧道工程在城市建设和交通发展中发挥着越来越重要的作用。
然而，在隧道开挖过程中，岩石的损伤与破坏问题一直是制约工程质量和安全的重要因素。
为了更好地理解和控制岩石的损伤与破坏，岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究成为当前隧道工程领域的热点问题。
一、岩石损伤断裂相场模型1. 岩石力学性质岩石是一种具有复杂结构和性质的地质体，其力学性质表现出非线性、非弹性和非均质等特点。
为了描述岩石的力学行为，科学家们逐渐建立了不同的力学模型，其中判断裂相场模型成为研究岩石损伤和破坏的重要工具。
2. 判断裂相场模型介绍判断裂相场模型是一种基于连续介质力学和断裂力学原理的数值模拟方法，适用于描述岩石损伤、破坏和裂纹扩展等现象。
该模型将岩石看作是一个连续的相场系统，在岩石内部存在着复杂的微裂纹网络，通过相场变量来描述裂纹的形成和演化过程，并结合能量耗散函数来描述裂纹扩展的物理过程。
3. 模型在岩石工程中的应用判断裂相场模型在岩石工程中的应用主要包括岩石损伤和破坏的数值模拟、岩石力学参数的反演和优化设计等方面。
通过模拟岩石开挖过程中的损伤演化，可以为工程设计提供可靠的参考依据，降低工程风险和成本。
二、隧道开挖损伤区应用研究1. 隧道开挖引起的岩石损伤隧道开挖过程中，地下岩体会受到巨大的应力和变形，从而引起损伤和破坏。
特别是在岩体中存在构造面、节理、脆性岩层等情况下，岩石的损伤程度更加严重。
2. 损伤区范围与控制隧道开挖损伤区是指岩石在开挖过程中受到破坏和损伤的区域，其范围与控制对于隧道工程的安全和稳定至关重要。
利用判断裂相场模型对隧道开挖损伤区进行数值模拟和分析，可以有效预测损伤区范围、形态和变形特征，为设计和施工提供科学依据。
3. 工程实例分析通过对某一具体隧道工程开挖损伤区的实际研究和分析，可以验证判断裂相场模型在现实工程中的适用性和有效性。
基于能量耗散的岩石损伤破坏数值模拟
此时耗散的应变能密度为 面积 Ｏ Ｕ Ｆ 。定义岩石 材料的 岩石的损伤演化 本质 上是 能量 耗散 的过 程 Ｊ 。 目前 常用 的 任何荷载 ， 并 用 等效 弹性模 量 Ｅ 来表 示。岩石 单 能量判 别准则为第 四强度理论 （ 畸变能密度理论 ） ， 但 该准则 只考 损伤为弹性模 量的折 减 ， 进入 损伤 ， 同时开始 产生能量 耗散 ， 随着 虑 畸变 能而没有考虑体积变形能 ， 而应 变能密 度理论是将 畸变 能 元到达应力峰值点 Ｕ后 ， 能量耗散量不 断增 加 ， 损伤加剧 ， 等效 弹性 模量也 随着不 断降低 ， 密度 和体积变形能密度综合考 虑 ， 可 以更 好 的反映岩石 在复 杂情 单元完全破坏 。为 了方便计算 ， 综合考虑计算效率 况下 的受力 情况 。因此本文 通过 应变 能密 度理论 建立 能 量耗 散 直到到达 ，点 ， 与岩石损伤 破坏之 间 的判别标 准 。假 定岩 石是 由很 多微 小单 元 组成 的连续 块体 ， 每个 岩石单 元为 单位 体积 ， 当岩石 在外 力作 用 下发生变形时， 每个 岩 石 单 元 储 存 的 能 量 就 称 为应 变 能密 度
导致 了岩石 的应力应变关 系是非线性 的特点 。大量研究 表 明， 在
＝
（ ） ＋ （ ） 。 其 中 ， （ ａ ｗ ／ ａ ） 为 耗 散 的 应 变 能 密 度 （ 面
Ｕ Ａ Ｂ） ； （ ｄ Ｗ ／ ｄ Ｖ ） 为可恢 复的应 变能密度 （ 面积 Ｂ Ａ Ｃ ） 。 岩石变形破坏过程 中， 能量起着根 本 的作 用 Ｊ 。岩石 的破 裂是一 积 Ｏ 个逐步损伤 以至 于最终 破坏 的过 程 ， 从热 力学 角度 看 ， 这 是 一个 能量不断耗散 的不可 逆过 程。研究 并建 立岩 石破 坏过程 中的能 量变化规律及其与强度 和整体 破坏之 间的联系 ， 将更 有利 于反映 外载作用下岩石强度变化 与整体破坏 的本质特 征 。因此 ， 本文 从 能量角度 出发 ， 通过 细观 损伤 力学 研究 岩石 的变形 破 坏 ， 并 进 行 数值 模拟 。参考文献 ［ ３ ］ 采 用双线性 应 变软 化本 构模 型 ， 通 过 应 变能密度理论和 能量耗 散 原理 建立 了细观 岩石 单元 的损伤 破 坏 判别准则 。根据岩 石单 元 的能量 耗散情 况 确定 岩石 的损伤 程
基于裂隙尖端放电机制的深部岩体损伤自电特征分析
基于裂隙尖端放电机制的深部岩体损伤自电特征分析刘静;刘盛东;曹煜【摘要】在大规模深部岩体损伤过程中发生的裂隙尖端放电现象往往引发地下雷电,对该现象发生机理、表现规律的揭示有助于地震、岩爆等的临灾预报.不同于在岩土体中液固耦合界面上发生的自然电场异常机理,在岩土体内部发生的裂隙尖端放电可谓是引发自然电场异常的另一重要微观机制.本文基于现有裂隙尖端放电的研究成果,详细阐述了裂隙尖端放电发生的过程,解释了岩体损伤过程中自然电场异常产生的微观机理,并结合室内实验成果论述了自电位的主要特征;进行了理论推导,认为在大尺度岩体连续损伤过程中,自电位具有含脉冲状波动并整体下降的特征;开展了原位测试,结果证明人工采掘扰动下的深部岩体连续破坏的过程中,自电位在破坏前期缓慢下降,在破坏过程中会出现脉冲状波动,随着破坏程度的加剧整体呈现波动中下降的规律,与理论推导、室内实验结论都相符.对比室内实验和原位测试成果发现,随着研究目标的空间尺度由mm级别扩展到m的级别,自电位波动的幅值也从数十个mV扩展到数百甚至上千mV,故认为在利用自电位波动规律来预测岩体破坏状态时,须受研究对象的空间尺度的约束.此外,在原位测试中发现,自电位对岩体损伤过程的响应较直流电阻率而言具有时域上的超前优势,并对此现象进行了解释.%Electric point discharge occurring in large-scale deep rock mass damage often leads to underground thunder.The study of its mechanism and variation characteristics is helpful to forecast disasters such as earthquakes,rock burst and so on.Electric point discharge in rock is an important microscopic mechanism to internally induce natural electric field anomaly,unlike that happens externally at the liquid-solid interface.Based on the existing research achievements of this phenomenon,detaileddescription of the point discharge occurrence was given,micro mechanism of the self-potential (SP) anomalies were explained,and its main characteristics were discussed in view of indoor experimental results.By theoretical deduction,it is considered that SP generally descends with pulse shape fluctuations.In-situ scanning experiment conducted in coal mines shows that in the process of deep rock damage induced by excavation,SP curves generally descend accompanied with a number of steep rises and falls,similar to a few of successive pulses,which is in good agreement with theoretical derivation paring rock sample breaking experiments to deep rock mass damage test,it is found that while the research scale extends from millimeter level to meter level,SP amplitude fluctuation range from several or dozen mV to hundreds or even thousands mV,and this indicates that the SP fluctuation range is related to the spatial scale of the research objectives.In addition,it is found by in-situ test that SP response to the rock mass damage is more advanced than that of the DC resistivity,and the phenomenon is explained.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2018(061)001【总页数】8页(P323-330)【关键词】深部岩体损伤;裂隙尖端放电;自电位;原位检测【作者】刘静;刘盛东;曹煜【作者单位】中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司,合肥231202【正文语种】中文【中图分类】P3190 引言高应力储能岩体中的应力释放会导致岩体破裂，在此过程中的能量集散常引发岩体系统及其周边环境中的物理异常，包括电磁异常、声光发射和红外效应等(Enomoto and Hashimoto，1990；王恩元等，2005；宋晓艳等，2016)，对这些物理异常的产生机理、检测方法与演变规律的研究，对地震、岩爆、突水、瓦斯突出等的临灾预报具有重要意义(Corwin and Morrison，1977；朱元清等，1991；谭大诚等，2012).现有研究认为，岩体损伤过程中的电磁异常包括两种基本过程：一是岩体变形与破裂引发电荷局部积聚与流动形成自然电场异常；二是岩体破裂发射高速运动的电荷而引发电磁辐射.在地震发生时，上述强烈的电磁异常过程往往引发“地下雷电”，而在大规模地震过程中其放电通道甚至可达千米数量级，且是潜在的、即将产生的主断层所在(董泰，2009).鉴于自然电场对受载岩体(含煤岩体)的变形、破裂都有明显响应，且发生时间上相对超前于电磁辐射等相对高频的信号(郭自强等，1989；钱书清等，1996；Freund，2002)，其发生规律颇具趣味性且在岩体损伤与灾变规律的揭示等方面具有深入探究的价值，故笔者对深部岩体损伤过程中自然电场异常的产生机理、分布特征、检测方法等开展了长期研究.本文主要基于裂隙尖端放电机制(朱元清等，1991)，对深部岩体损伤过程中的自然电场异常的产生机理、宏观检测规律和原位检测特征进行了论述，以期对自然电场法拓展性地应用到深部空间工程领域有所启示.按照地球物理学的惯例，本文也选择自然电位这一参量来表征岩体损伤过程中自然电场的基本特征，但需要交代的是，为与出现在固液耦合界面上的自然电位有所区分，数十年来，这一类自然电位在现有汉语文献中都被称为“自电位”，而其英文名称仍旧为“Self-potential”，在本文中依然沿袭这种做法.1 岩石破坏过程中自然电场异常产生机理1.1 岩石破坏过程中自然电场异常产生的微观机制与类型现有研究认为，在岩石受载至破坏时，自然电场异常的产生包括两种基本过程：一是岩石变形时，应力突变会导致自然电场异常；二是岩石破裂时，伴随裂隙产生而出现自然电场异常(Enomoto and Hashimot，1990；郝锦绮等，2003；Freund et. al，2006)，且此过程往往同时伴有电磁辐射.初步认为，在微观层面，这两种过程可分别基于位错机制和裂隙尖端放电机制给出解释，具体地：(1) 在岩石弹性形变阶段，应力变化速率的增大与变小，引起微观上带电位错与电荷云之间的距离增大与减小，进而造成介质在宏观上表现出极化与去极化的过程，由此，岩石表面的极化电荷(束缚电荷)的面密度发生变化，形成极化电流，导致外电路中自由电荷的移动(郝锦绮等，2004)，出现了电位测量结果中的自电位脉冲. (2) 在岩石破裂阶段，主破裂引起破裂面尖端电荷分离，电子被发射，大批带负电荷的自由电子的瞬间离开使得破裂面尖端正电荷瞬间集中显现，相当于静电荷局部积累，由此发生了类似充电的现象，形成了库仑场；而积累的电荷会沿着岩石中的电通道流动，又以缓慢放电形式得以释放，直到岩石达到新的电性平衡(郭自强等，1989；郝锦绮等，2003).这种充电与放电过程，导致自然电场的异常，实测中也以自电位脉冲的形式出现.现有实验成果表明，这种自然电场异常在空间展布范围上首先在近破裂源处出现，继而随裂纹的发展而改变(朱元清等，1991；郝锦绮等，2004)，岩石破裂的裂隙同正电荷出现的最大概率区域的位置基本一致(龙海丽和郝锦绮，2005)，证实了自电位对岩体破裂的空间特征有指示作用.一般地，在岩石破裂损伤中由裂隙尖端放电引起的自然电场异常规模远远大于岩石变形，故下文着重讨论由裂隙尖端放电而造成的自然电场异常规律.1.2 岩石破坏过程中裂隙尖端放电机制详解岩体中的微裂隙，因其具有“真空”和“低电位”特征而布满因各种原因游离出来的大量正负离子和自由电子，可看成是一种特殊形态的“带电导体”，其中的正负离子呈“等离子态”，而自由电子则集中于裂隙空间的尖端(董泰，2009).由静电学基本理论容易理解，这些尖端内电子密度往往最大，尖端邻近处的岩石介质中场强往往最强.下面结合图1来分析岩体损伤过程中裂隙尖端放电机制的基本过程，该过程往往伴随大裂隙的形成而发生.如图1a所示，在地下深部岩体中存在着大量原生或次生的微裂隙群.随着地应力增长，岩体损伤程度加剧，岩体中微裂隙群发生数量增加、单体扩大、互相沟通、体积压缩以至完全闭合的过程，原来的微裂隙群发展为较大的裂隙，与此同时，旧有的自由电荷和新产生的自由电荷都在新的大裂隙中富集，增加了裂隙中自由电子的密度和总量(董泰，2009).图1a中的微裂隙群在地应力作用下发展为图1b中的形态时，于图1b中x、y两处裂隙尖端发生自由电荷的富集，导致极高的电荷密度.接着，随着地应力的继续增加，当x、y两处微裂隙尖端的电位和尖端外的场强增加到足以放电的水平时便发生了图1c所示的过程，即微裂隙尖端内的电荷开始向尖端外的区域剧烈而短暂、带有雪崩式地放电，由此造成鲜明的自然电场异常.裂隙尖端释放未成键电子的同时，裂隙自身也发生瞬间扩展并形成新的裂隙面，而新裂隙面形成时，又将产生大量新的自由电子，这些电子与裂隙尖端原本富集的自由电子一起被发射出去，导致新裂隙面瞬间表现出正电特征.当裂隙尖端附近存在导电通道时，瞬间集聚的正电荷也会沿导电通道流动、扩散，导致正电荷的释放，故而在实际测试中出现自电位脉冲状陡升后的相对缓慢降低的过程.值得注意的是，固体表面物理化学的研究认为，在固体表面形成的过程中，需要消耗能量切断原固体内部的化学键，这种破坏过程促使了固体表面悬挂键的产生及固体表面能的增加.新形成的固体表面不稳定，需要通过表面原子的相互作用和对周围粒子的吸附作用来降低其表面能，以达到新的能量平衡状态.故容易理解，在裂隙尖端放电并形成新的裂隙面后，新裂隙面上随即发生表面原子的相互作用过程和对周围粒子的吸附过程，直至达到新的电性平衡状态，这也可能成为导致正电荷缓慢放电的另一机制.由上述分析可见，岩体中微裂隙群发展、贯通的过程是自由电子局部增多并逐步富集的过程，导致负电荷富集和自电位下降；而大破裂产生的过程，是自由电子高度富集并瞬间发射的过程，造成电性的瞬间突变，自电位测试信号出现脉冲状，之后随放电过程的发生而降低.由此不难推测，当岩体处于连续损伤状态时，微裂隙的发展、贯通与大破裂的发生交替并存，自电位测试信号极可能是含有脉冲的整体下降形态.事实是否真的如此呢？图1 深部岩体中裂隙尖端放电现象发生过程Fig.1 Electric point discharge of micro fractures in deep rock现有室内实验研究已表明，花岗岩样品在发生主破裂时能够观测到自电位呈脉冲状，且其变化幅度要远远高于岩石形变阶段的自电位变化幅度(郝锦绮等，2004)，而最新研究也发现，砂岩样品在受载破裂时也可观测到类似的自电位脉冲，且其波动幅度也远远高于形变阶段的自电位变化幅度.如图2所示的是利用伺服控制单轴加载系统开展的完整砂岩岩心(直径37 mm、高度50 mm)破裂实验中所检测到的自电位数据而得到的曲线图，该实验中的岩石破裂过程也由同步测试的声发射数据和视电阻率图像同时进行了佐证(杨彩，2017).结合前文，就该实验中自电位异常的产生机制分析如下：如图2，在岩样发生宏观破裂前的形变阶段和微破裂阶段，自电位出现前兆性的微弱波动和缓慢下降，但相对幅度较低，达几个mV；宏观裂纹显现后，出现明显的下降，幅度在50 mV左右，可解释为：在该阶段，微裂隙群发生数量增加、单体扩大、互相沟通、体积压缩以至完全闭合的过程，原来的微裂隙群发展为较大的裂隙，与此同时，旧有的自由电荷和新产生的自由电荷都在新的大裂隙中富集，带负电荷的自由电子局部增多与逐步富集，导致自电位稳步下降.而岩样发生宏观破裂时，观测到强烈的脉冲状自电位波动，波动幅度高于100 mV，可解释为：岩样发生宏观破裂时，有大批自由电子被发射出去，进而出现类似充电现象，造成自电位的脉冲状波动.图2 砂岩样品破裂自电位特征Fig.2 SP characteristics in the process of sandstone sample fracture下文从理论推导和原位测试两种角度对此问题继续进行论述.2 深部岩体破坏过程中自电位的宏观响应规律探析由于大尺度岩体的连续破坏是局部岩石破坏在时、空域上不断积累的结果，故笔者认为可以对大尺度岩体破坏过程中自然电场的异常规律进行如下思路的探析.图3 观测区域中放电的裂隙尖端分布Fig.3 Discharging fracture points distribution of the observing area如图3所示，假设在岩石发生破裂的过程中，观测区域被任一闭合曲面S所包围，在此曲面内部先后出现放电的裂隙尖端单元为n个，且第i个裂隙尖端的放电时刻为ti，qi为第i个裂隙尖端放电后积累的正电荷量，fi(t)为第i个裂隙尖端放电后显现的正电荷的缓慢释放函数，且结合图2岩石破裂过程中的自电位典型曲线，认为fi(t)满足：(1)则可进行如下分析：1) 第i个裂隙尖端放电的全过程中，曲面S内的电荷量变化规律可表示为：Qi(t)=qi·δ(t-ti)·fi(t),(2)其中，δ(t)为阶跃函数，其表达式为(3)2) 显然，曲面S内，根据电场叠加原理，n次放电过程中的电荷总量应当为：(4)有公式(2)与(4)可有：(5)可见，在岩石破裂前后，此区域内的电荷量变化规律比较复杂，总体呈现脉冲陡升、缓慢下降不断交替的波动状态.3)当闭合曲面S所圈定的区域相对于测量尺度而言足够小时，可将S区域内全部电荷当做一个整体点电荷，则由电势叠加原理，对S区域外足够远的一个测点P，其电势UP满足(6)式中，ε 0为真空介电常数且ε 0=8.85×10-12C 2/(N·m2)，rP为P点距闭合曲面的距离.结合公式(5)可认为：(7)可见，对大尺度岩体的连续破裂损伤过程来说，自然电场中的电势在时间域中都是非连续的，电位曲线可能呈现脉冲陡升、缓慢下降不断交替的过程.由于岩体的大尺度破坏是局部小尺度破坏累积的结果，故基于上述推导，可认为随着研究目标空间尺度的增大(比如从mm级别扩展到m级别)，在实际测试工作中可以将时间尺度随之扩展，使自电位采样时间间隔相应增大到某种程度(比如由s级别扩展到d级别)而不影响测试数据对自电位特征的描述效果.在此前提下，笔者开展了大量原位实测试验，继续对前文的理论分析与数理推导结论进行检验.3 深部岩体破坏自然电场原位测试现有矿山岩体力学已经揭示了矿山开采过程中顶底板的基本破坏规律，这为研究大尺度岩体破坏过程中的自电响应规律提供了理想的原位测试模型和力学理论基础.由此，笔者以矿山采动条件下破坏过程中的煤层上覆岩层作为测试模型开展了自电原位动态测试工作，以对前文推论进行检验.3.1 试验背景与观测系统过去几年，笔者与研究团队选择了不同矿区的不同煤层顶板作为研究对象，开展了大量原位实测研究工作.在此过程中发现，虽然不同矿区不同工作面的地层、岩性、构造及生产条件不同，但采动条件下煤层上覆岩层破坏过程中的自电位响应规律却具有显著的共性.本文选择具有代表性的一则实测案例——安徽宿州某煤矿7131工作面顶板覆岩破坏自电特征原位测试进行论述.位于安徽宿州境内某煤矿的7131工作面，顶板为复合型顶板，主要由砂岩、泥岩组成.直接顶板为泥岩，平均厚1.6m.在实际施工中，采用钻探技术向煤层顶板覆岩内打入观测仰孔，在孔中置入电极、电缆，而后注浆封堵.如图4所示，观测仰孔方位角86°，与巷道夹角15°，仰角26°，自孔底开始向孔口方向依次埋设32个铜质电极，极距2 m，1#电极在孔底，参考极N布设在钻场，以减少工业电流干扰.采用网络并行电法采集技术进行地电场数据的动态测试，仪器与电源安装在井下，借助井下光缆系统将仪器接入地面监控站，进而在地面完成远程测试与数据存储.图4 7131工作面监测钻孔平面位置示意图Fig.4 The planimetric map of monitoring boreholes′ position of 7131 workface自2012年7月29日工作面距监测孔口177 m开始，至9月10日工作面距孔口50 m止，连续测试44天.整个测试期间未发生顶板出水现象，可认为自然电场基本不受地下水渗流场的干扰.考虑到大地电场与工业电场的干扰，选择每天上午9点采集的数据进行分析，此时矿方的施工状态一致.在利用本观测系统开展自然电场监测的同时，也进行了高密度电法的监测，成果如后文所述.3.2 原位测试成果与分析由图5所示的自电位曲线图可见，在试验的前十天左右，工作面由距监测钻场177 m推进到147.1 m的期间，所有测点的自电位u0呈现缓慢降低的形态，降幅在100 mV左右；而随着工作面的推进，即在工作面与监测钻场的距离D逐步缩小的过程中，岩体破坏区域亦逐步向监测钻场方向扩展，自电位呈现出在波动中下降的总体趋势，且波动幅度较大，以陡升陡降为主，绝大部分波动幅度在400 mV以上，个别可达1000 mV.与7月29日背景值相比，9月10日工作面距孔口50 m时，绝大部分测点的自电位总体下降幅度在700 mV以上.相对于单次的岩样破裂而言，原位岩体的破裂可视为一系列单次局部破裂的时、空域叠加，而对比图5和图2的曲线形态可见室内实验结果和原位测试结果具有共性，即，在室内岩样和原位岩体损伤破坏的过程中，自电位都在破坏前期出现了缓慢下降现象，在破坏过程中都出现了脉冲状的自电位特征，随着破坏程度的加剧，自电位整体呈现波动中下降的形态.显然，这与前文的理论推导结论也是一致的. 该试验中的覆岩破坏过程可由同步测试的视电阻率剖面图进行佐证，该方法在矿山覆岩破坏监测方面已经是成熟的技术.如图6所示，在8月1日当工作面未回采至预警监测孔下方时，监测系统控制范围内的岩体相对完整，视电阻率值相对较低；之后，随着工作面向监控区域不断靠近，在8月19日时视局部区域的电阻率值发生微弱上升；当工作面回采至预警监测孔下方后，顶板裂隙逐步发育，在8月31日和9月3日，监控区域的视电阻率值已经大范围明显升高；至9月9日，尤其是在9月12日，煤层顶板“两带”的形态已经非常清晰，垮落带的发育在63煤以下的泥岩与砂质泥岩之间，大致高度在15～18 m左右.对比图5和图6可见，自电位对煤层顶板覆岩破坏过程的响应时间比视电阻率要超前：在图5中，自电位于8月13日前后就已经出现大幅波动，而在图6中，直至8月19日，视电阻率也仅在局部小区域产生明显的直观的变化.这种现象如何理解呢？基于前文的分析，自然电场响应于受载岩土体的变形、破裂过程，而人工直流地电场响应于测试区域内岩体的导电性变化过程，但值得注意的是，岩体发生变形、破坏必须达到一定的规模才会导致其导电性的改变，此二者并不必然在时间上同步；尤其是在岩体变形破坏的初期，其内部发生微观至小范围的变形、破裂，而未产生大幅度和大范围的开裂、破断，对外表现出的宏观导电性可能仍然相对稳定，但在此过程中出现的电荷集散、流动规模却极可能引发明显的自然电场异常，在本试验中便是如此.由此可见，在与岩体损伤相关的动力灾害的超前预报方面，自然电场法较直流电阻率法存在着明显的时域上的优势.图5 7131工作面开采过程中自电位曲线Fig.5 SP curve of 7131 workface inthe process of mining对比室内岩样破坏实验和深部岩体破坏原位测试实验发现，随着研究目标的空间尺度由mm级别扩展到m的级别，自电位波动的幅值也从数十个mV扩展到数百甚至上千mV，可见在利用自电位波动规律来预测岩体破坏状态时，必须受研究对象空间尺度的约束.4 结论与探讨4.1 结论(1) 在岩体损伤过程中，岩体中微裂隙群发展、贯通的过程是自由电子局部增多并逐步富集的过程，导致岩体变形损伤初期，负电荷短暂富集和自电位下降；而岩体中大破裂产生的过程，是自由电子被瞬间发射的过程，裂隙尖端和新裂隙面表现出正电特征，发生电荷密度和电性的瞬间突变，导致自电位测试信号呈现脉冲状；而这些瞬间显现的正电荷则沿导电通道会缓慢释放，故而在实际测试中出现自电位脉冲状陡升后的相对缓慢降低的过程.(2) 室内实验结果和原位测试结果证实，不同尺度的岩石、岩体破坏过程中自电位响应规律具有共性，即，在室内岩样和原位岩体损伤破坏的过程中，自电位都在破坏前期出现了缓慢下降现象，在破坏过程中都出现了脉冲状的自电位特征，随着破坏程度的加剧，自电位整体呈现波动中下降的形态.这与理论推导结论也是一致的.(3) 对比室内岩样破坏实验和深部岩体破坏原位试验发现，随着研究目标的空间尺度由mm级别扩展到m级别，自电位波动的幅值也从数个至数十个mV上升到数百甚至上千mV，故认为利用自电位波动规律来预测岩体破坏状态时，必须受研究对象空间尺度的约束.(4) 在原位测试中发现，自电位对岩体损伤过程的响应较直流电阻率而言具有时域上的超前优势，这是因为自然电场响应于受载岩土体的变形、破裂，而人工直流地电场响应于测试区域内岩土体的导电性变化，但这两种过程并不必然在时间上同步.4.2 探讨(1) 当裂隙尖端附近存在导电通道时，裂隙尖端放电后显现的正电荷会沿导电通道流动、扩散，导致放电现象的发生.另一方面，在形成新的新裂隙面上随即发生表面原子的相互作用和对周围粒子的吸附，直至达到新的电性平衡状态，这也可能成为正电荷缓慢释放的另一机制.这两种放电机制的关系还尚需探讨，尤其是在深部地下空间相对封闭的条件下，被释放到损伤岩体周边环境中的电子会不会又在电场作用下反向回流到破坏区域中呢？这是一个颇为有趣的问题尚待探析.(2) 当研究时空尺度扩大以后，利用较大的采样时间间隔(原位测试扩展到了day 的级别)也可以观测到自电位的整体特征，但其局部细节的把握则仍需更高的采样频率才能得以实现，这是后续的研究工作需要突破的地方.致谢作者感谢江苏省自然科学基金项目(BK20170274)和国家重点研发计划项目(2016YFC0600900)的联合资助；感谢安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司魏帮俊工程师等在工程施工、数据采集与处理方面给予的大力支持；特别感谢中国矿业大学岳建华教授给予的意见和建议.ReferencesCorwin R F, Morrison H F. 1997. 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基于数值模拟的栓塞修复过程中AE信号分析
果 ［ 。贾 秀 领等 反 复 验 证 了一 日内水 势 回升 期 １ ］ 卜
小麦叶片上可测到相当数量 的 Ａ Ｅ信号 ， 且信号发 生量 和 叶 片水 势 回 升有 正 相关 趋 势 Ｊ 可 以看 出 。 水势恢 复期 Ａ Ｅ信号的发生并非偶然现象， 长期 以 来 研究 者 们 一 直关 注 的是 空 穴 化 过 程 中 的 Ａ Ｅ信
植物 体 内的 运 输 ， 物 木 质 部 导 水 率 可 下 降 ２ ％ ， 植 ０ 干旱诱 发 的栓 塞可使 植物 根 系水导 率 和气孔 导度分 别 损失 ８ ％ 和 ４ ％ Ｊ甚 至会 造成 植 物死亡 。但 只 ０ ５ ， 要 栓塞 化程 度在 一定 限度 内无论 木本 植 物或草 本植 物 ， 水 势 升 高 时 栓 塞 化 的 导 管 或 管 饱 都 能 够 当
快速进 展 。近 年来 ， 者 们 关 于 空 穴化 过 程 中植 物 学
１ 空 泡 运 动 方 程 的建 立
Ｚｍ ｒ ａｎ提 出 的 “ 气 接 种 学 说 ” ａ ｅ— ｉｍｅｍ ｎ 空 （ｉ ｓｅ ｒ ｄｎ） ｉｇ 认为 ， 质部管 道栓塞 是 由来 自外 界 大气 空 间 木 或者在 已栓 塞化 的木质 部 管 道 内 的空 气 ， 由管 道 经 间纹孑 膜 上 的微 孔 充 散 至 充 水 管 道 内所 形 成 。 Ｌ
第４ ０卷 第 ４期 ２１ ０ ２年 ４月
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基 于数 值 模 拟 的栓 塞 修 复 过 程 中 Ａ Ｅ信 号 分 析
基于受压裂隙开裂准则的损伤模型
第50卷第3期中南大学学报(自然科学版) V ol.50No.3 2019年3月Journal of Central South University (Science and Technology)Mar. 2019 DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.023基于受压裂隙开裂准则的损伤模型马秋峰，田静，周天白(中国矿业大学(北京) 资源与安全学院，北京，100083)摘要：为了反映岩石内部裂隙对岩石本构关系的影响，建立受裂隙分布及裂隙面摩擦因数共同影响的损伤模型。
类比弹簧束模型，定义与开裂裂隙长度有关的损伤模型。
基于受压裂隙的开裂准则，对不同应力状态下的开裂裂隙长度范围进行求解，通过概率统计的方法计算开裂裂隙长度的数学期望，将其代入建立的损伤模型中得到损伤变量。
利用模型对岩石应力−应变曲线进行计算。
研究结果表明：建立的损伤模型能够反映裂隙面摩擦因数与裂隙角度对岩石强度的影响。
当摩擦因数为0时，裂隙角度45º对应的岩石强度最小，随着裂隙摩擦因数增大，最小峰值强度对应的裂隙倾角逐渐减小；当裂隙角度一定时，摩擦因数越大，峰值强度越大；数值计算结果与实验结果一致。
该模型还能够反映裂隙长度分布对岩石强度的影响。
当长裂隙数占比较大时，岩石强度较小；反之，岩石强度较大。
计算结果能够反映岩石在塑性阶段的变形特征，该损伤模型具有合理性。
关键词：开裂准则；裂隙长度；裂隙角度；概率统计；损伤模型中图分类号：TU452 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2019)03−0687−07Damage model based on fracture cracking criteriaMA Qiufeng, TIAN Jing, ZHOU Tianbai(College of Resources and Safety Engineer, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)Abstract: In order to reflect the influence of rock internal fracture on rock constitutive relation, a damage model affected by fracture distribution and friction coefficient of fracture surface was established. Analogous to the spring beam model, a damage model related to the length of cracked fissure was defined. Based on the cracking criterion of the compression fracture, the length range of crack fracture in different stress states was solved, the mathematical expectation of crack length was calculated by probability statistics, and the damage variable was obtained in the damage model. The stress−strain curve of rock was calculated by this model. The results show that the model can reflect the influence of fracture surface friction coefficient and angle on rock strength. When the friction coefficient is 0, the corresponding angle of minimum strength of rock is 45º. With the increase of the friction coefficient, the crack angle corresponding to the minimum peak strength decreases gradually. When the angle is constant, the greater the friction coefficient is, the larger the peak strength is. The calculated results are in agreement with the experimental results. The model can also reflect the effect of crack length distribution on rock strength. When the long crack occupies a larger proportion of the crack, the strength of rock is smaller. When the long crack occupies a smaller proportion, the strength of rock is larger. The calculated results reflect he deformation characteristics of rock at plastic stage, which shows the reliability of the model.Key words: crack criterion; crack length; crack angle; probability statistics; damage model收稿日期：2018−04−23；修回日期：2018−06−04基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50904071，51274207) (Projects(50904071, 51274207) supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：马秋峰，博士研究生，从事煤岩动力研究；E-mail：*********************中南大学学报(自然科学版) 第50卷688岩石内部存在大量的微裂隙，在加载过程中，微裂隙开裂扩展导致应力−应变曲线呈现出非线性特征。
基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取
基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取刘源;庞宝君;迟润强;曹武雄;张志远【摘要】为了通过超高速撞击声发射信号识别蜂窝结构受空间碎片撞击后的损伤状态,提出一种基于小波的损伤特征提取方法.采用超高速撞击声发射技术,以铝合金蜂窝板为研究对象,通过超高速撞击实验获取实验信号.分析超高速撞击声发射信号的时频特征及板波模态等特征,采用Daubechies小波变换将信号中模态分离,根据小波系数计算各尺度小波能量分数及小波能量熵特征,分析各特征参数与损伤间的关系,并通过Kruskal-Wallis检验方法验证各特征值对损伤识别的贡献.结果表明:小波能量分数和小波能量熵具有一定的损伤模式分类能力;250 kHz以上的小波能量分数具有良好的损伤模式分类能力;非超声部分的低频信号对损伤识别存在干扰.%In this work,a hypervelocity impact acoustic emission signal feature extraction method was proposed to detect damages experienced by the honeycomb core sandwich structure impacted by space debris by using hypervelocity impact acoustic emission signals.Varieties of hypervelocity impact acoustic emission signals were obtained through experiments based on the hypervelocity impact acoustic emission on the aluminum honeycomb core sandwich,their time-frequencies and the modes of the waves on the honeycomb plate were analyzed,the modes of the signals were differentiated,and the wavelet energy fraction and entropy were calculated,both by using the Daubechies wavelet decomposition,with the relationship between these parameters and the damage delineated and the contribution of each parameter gauged by the Kruskal-Wallis test.The results show that,to a certain degree,the wavelet energy fraction and theentropy of information are able to identify the damagepatterns.Specifically,the energy fraction with a frequency above 250 kHz exhibits a better identifying capability,while signals of a lower frequency out of the ultrasonic range exert disturbance on the damage identification.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2017(037)005【总页数】8页(P785-792)【关键词】超高速撞击;声发射;小波变换;蜂窝板;损伤模式;Kruskal-Wallis检验【作者】刘源;庞宝君;迟润强;曹武雄;张志远【作者单位】哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】O384空间碎片对大型航天器长期在轨安全运行构成严重威胁[1]，其中毫米级别的空间碎片威胁最大，因为其体积小难以通过观测手段获知其准确运行轨道并进行规避。
动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究
动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究路世伟;孙金山;周传波;卢文波【摘要】为了探明节理岩体中的巷道爆破开挖后的卸载机理，为实际工程提供理论依据，本文基于离散元数值模拟方法，分析了考虑爆破荷载深埋矩形巷道节理围岩的损伤过程。
结果表明：高地应力条件下，爆破开挖会在节理围岩中诱发显著的松动效应，导致洞壁附近形成远大于静态塑性区的动态松动损伤区，使得最终屈服区以外的节理面强度和渗透性等力学参数发生劣化；受爆破荷载的影响，岩体的回弹将产生较大的振动速度，达到m/s量级，是洞壁附近节理面损伤的主要来源；节理的组合方式也会对节理松动产生较大的影响，当节理夹角接近60°时，围岩最容易破坏。
%In order to explore the unloading mechanism of jointed surrounding rock masses after blasting excava-tion and to provide the theoretical basis for actual projects,the damage process of jointed surrounding rock mass caused by dynamic unloading in blasting excavation was analyzed based on the distinct element method. It waspro-posed that the loosing effect was very remarkable,such that a loosing zone was formed in jointed surrounding rock mass,which was probably much larger than in the static plastic zone. As a result,the mechanical parameters of joints in the loosing zone,such as the strength and permeability decreased greatly;a large vibration velocity with a magni-tude of m/s was produced by the rebounding of rock in blasting excavation which was an important damage resource of joints near the wall interference;the statement of joints sets had a great influence on theloosing of joints,and jointed surrounding rock mass was most likely damaged when the intersection angle was 60°.【期刊名称】《爆破》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P1-5,51)【关键词】爆破开挖;动态卸荷;深埋巷道;节理岩体;围岩损伤;离散元【作者】路世伟;孙金山;周传波;卢文波【作者单位】中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074; 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072;中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074; 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072;中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072【正文语种】中文【中图分类】O383当前岩体卸荷研究多是在静力学范畴下进行的。
深部高应力巷道围岩松动圈数值模拟研究
深部高应力巷道围岩松动圈数值模拟研究
曹露晨;曹洋
【期刊名称】《煤炭科技》
【年(卷),期】2014(000)001
【摘要】针对深部高应力巷道围岩软弱破碎、巷道变形大、长期蠕变、支护损坏严重的特点，基于围岩松动圈理论，运用FLAC3D进行了巷道围岩松动圈数值模拟研究，得到了巷道埋深-围岩松动圈变化关系，巷道断面形状-围岩松动圈变化关系，岩体黏聚力-围岩松动圈变化关系及岩体摩擦角-围岩松动圈变化关系，分析了它们对巷道围岩松动圈形成及发展的影响规律。
【总页数】3页(P12-14)
【作者】曹露晨;曹洋
【作者单位】中国矿业大学艺术与设计学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116
【正文语种】中文
【中图分类】TD322
【相关文献】
1.深部高应力巷道围岩变形特征及控制技术
2.高应力深部巷道围岩变形特征与控制技术研究
3.矿山深部巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究
4.高应力深部巷道围岩变形特征与控制技术研究
5.深部高应力双巷掘进巷道围岩稳定性及控制
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并行电法探测煤层顶板“两带”发育高度
并行电法探测煤层顶板“两带”发育高度
曹始友;董方营;成文举;谢瑞斌;石鹏程
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2022(49)3
【摘要】在充分分析高庄煤矿地质资料的基础上,采用并行电法对煤层顶板岩层破裂过程进行现场监测,分析垮落带和导水断裂带的动态发育规律。
分别采用孔内视电阻率法、直流电法进行超前探测、电极电流比值法进行反演解译,并将反演结果与“三下”开采规范经验公式计算结果进行对比。
结果表明:高庄煤矿3;303工作面顶板垮落带发育高度为20 m,垮采比为3.7;导水断裂带高度为54 m,裂采比为10.2;采动应力超前影响距离最大为48.6 m;现场实测结果与计算结果基本一致,动态监测反演结果真实可靠。
将孔内视电阻率法和直流电法超前探测相结合,有效解决了松散层不易成孔的难题,为煤层顶板垮落带、导水断裂带发育高度监测提供了一种新方法。
【总页数】7页(P94-100)
【作者】曹始友;董方营;成文举;谢瑞斌;石鹏程
【作者单位】枣庄矿业(集团)有限责任公司;山东科技大学地球科学与工程学院山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室;枣庄矿业集团高庄煤业有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】P631.3
【相关文献】
1.基于网络并行电法的顶板“三带”发育研究
2.麻家梁矿煤层顶板“两带”高度发育特征研究
3.煤层顶板导水裂缝带发育高度探测研究--以黑龙江省双鸭山双阳煤矿为例
4.网络并行电法探测顶板"三带"技术研究
5.网络并行电法在工作面顶板“两带”高度探测中的应用
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各向异性地层中随钻地层测试压力响应数值模拟
各向异性地层中随钻地层测试压力响应数值模拟马天寿;曹刚;彭念;田薇;王强【期刊名称】《长江大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2024(21)1【摘要】在随钻地层测试器测试过程中,钻井液动态侵入和地层各向异性会导致不同的压力响应特征,并直接影响地层压力测试结果的解释精度。
为此,基于各向异性多孔介质渗流理论,建立了钻井液侵入条件下横观各向同性地层随钻地层测试压力响应数学模型,采用有限元方法对模型进行求解,通过与经典解析解对比进行了模型验证,并分析了渗透率各向异性、地层产状、抽吸间歇时间、抽吸探头半径对随钻地层测试压力响应的影响规律。
结果表明:在抽吸前阶段,地层各向异性和地层产状对钻井液侵入导致的井周增压影响较大;在压力恢复阶段,由于井周地层增压作用的影响,测试压力响应初始值会高于原始地层压力,且压力呈先升高后降低的演化趋势;渗透率各向异性程度越小、地层倾角和倾向越小,抽吸压降阶段的压力响应初始值越大、压降值越大、压力恢复速率越低;抽吸间隔时间和抽吸探头半径对压力响应也有一定影响,抽吸间隔时间越小,测试初始压力越大,探头半径越大,压力恢复速率越快。
揭示了渗透率各向异性对随钻地层测试压力响应的影响规律,研究结果可为随钻地层测试结果解释和地层参数反演提供理论依据。
【总页数】14页(P66-78)【作者】马天寿;曹刚;彭念;田薇;王强【作者单位】油气藏地质及开发工程全国重点实验室(西南石油大学);中国石油长庆油田分公司第十采油厂;四川航天烽火伺服控制技术有限公司【正文语种】中文【中图分类】TE21【相关文献】1.地层测试器在渗透率各向异性地层中响应的数值模拟2.层状非均质各向异性地层中多分量感应测井数值模拟与响应特征3.电缆地层测试器压力响应的数值模拟研究4.非均质各向异性地层中方位随钻电磁测井响应三维有限体积法数值模拟算法∗5.用矢量有限元方法模拟随钻测井仪在倾斜各向异性地层中的电磁响应因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
坚硬顶板岩层破断诱发微震的功率谱特征
坚硬顶板岩层破断诱发微震的功率谱特征刘彪;陆菜平;窦林名;郭晓强;吕长国;刘辉【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2011(38)2【摘要】利用Matlab信号分析软件,采用具有统计特性的功率谱估计方法,对大同忻州窑煤矿8929工作面顶板破断过程的微震信号进行处理和分析,结果表明:坚硬顶板破断前功率谱值降低,破断时功率谱值达到最大值,破断之后,信号主频向高频段移动,功率谱值降低;并非所有的确定出震源位置的台站,其监测到的微震数据都能准确地描述出顶板破断前后的功率谱特征,应选取顶板破断时功率谱值最大且离震源最近的台站作为顶板破断分析的主要台站.利用上述规律,可以对坚硬顶板破断的过程进行有效的评价和预测.【总页数】4页(P10-13)【作者】刘彪;陆菜平;窦林名;郭晓强;吕长国;刘辉【作者单位】中国矿业大学,矿业工程学院,江苏,徐州,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,矿业工程学院,江苏,徐州,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,矿业工程学院,江苏,徐州,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,矿业工程学院,江苏,徐州,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,矿业工程学院,江苏,徐州,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,矿业工程学院,江苏,徐州,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】TD326【相关文献】1.浅埋深薄基岩煤层顶板破断中的微震分布特征 [J], 欧阳振华;齐庆新;孔令海;赵善坤2.厚而坚硬顶板破断诱发冲击地压的机理及其防治方法 [J], 郭力3.坚硬顶板诱发煤体冲击破坏的微震效应 [J], 陆菜平;窦林名;王耀峰;杜涛涛4.特厚煤层坚硬顶板初次破断特征的力学分析 [J], 梁沙平;陆银龙;郭鹏;吴秉臻5.大采高综采面坚硬顶板破断特征相似模拟研究 [J], 魏磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制
采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制姚邦华;李硕;杜锋;李振华;张勃阳;曹正正;王戈【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2024(49)5【摘要】随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。
基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。
研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。
②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。
③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。
【总页数】10页(P2212-2221)【作者】姚邦华;李硕;杜锋;李振华;张勃阳;曹正正;王戈【作者单位】河南理工大学安全科学与工程学院;河南理工大学能源科学与工程学院;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心【正文语种】中文【中图分类】TD745【相关文献】1.煤矿采动与地震联合作用下建筑物损伤演化致灾分析2.采动下断层岩体响应演化及顶板安全控制研究3.采动覆岩“突水离层带”岩体结构演化致灾机理及突水预报方法4.浅埋近距离房式煤柱下采动应力演化及致灾机制因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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第28卷增1岩石力学与工程学报V ol.28 Supp.1 2009年5月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009基于数值模拟的顶板围岩损伤过程动力响应信号的能量分析曹野1，宋波1，潘建仕1，汪宗文2(1. 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2. 招金矿业股份有限公司，山东烟台 265400)摘要：通过室内相似模型试验，模拟金属矿山巷道顶板从稳定状态到损伤发展直至顶板冒落的过程，利用封装应变传感器的光纤光栅锚杆监测振动信号，记录不同围压、不同冲击振动强度下裂隙顶板与完整顶板响应信号，利用小波变换提取信号的频带能量分布特征。
根据室内试验对光纤光栅用于顶板稳定性监测的研究成果，利用径向基函数神经网络对监测时间序列进行预测，并基于频带能量的观点，利用Matlab建立不同损伤条件下的瞬态冲击信号评估系统，并对一段连续信号进行分析。
损伤顶板振动响应信号的频带能量受到裂隙开展的影响，与完整顶板相比，出现明显的频带尖点，能量峰值从高频向低频移动。
基于小波频带能量的围岩顶板稳定分析方法，首先，利用小波分解各频带能量分布特征，并通过分解结果中应力波的能量衰减程度可判别出岩体中是否存在裂隙；其次，利用小波分解后各频带能量比和归一化能量比来确定损伤程度和裂隙开展状态，为金属矿山巷道顶板稳定性监测提供了一种较为可靠的方法。
关键词：采矿工程；爆破效应；光纤光栅；围岩损伤；小波分析；模型试验中图分类号：TD 76 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增1–3137–09ENERGY ANALYSIS OF DYNAMIC RESPONSE SIGNALS DURINGDAMAGE PROCESS OF ROOF SURROUNDING ROCK BASED ONNUMERICAL SIMULATIONCAO Ye1，SONG Bo1，PAN Jianshi1，WANG Zongwen2(1. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing100083，China；2. Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.，Yantai，Shandong265400，China)Abstract：The similarity model experiment is carried out to simulate the whole process of damage development of roof of metal mine laneway falling from stability. Fiber Bragg grating sensors installed in bolt are used to record the response signal of complete roof and damage roof under different confining pressures and different vibration intensities，and wavelet transform is utilized to extract vibration response signal of the band energy distribution characteristics. Finally，according to the result of the indoor experiment，the monitoring time series is predicted using radial basis function(RBF)；based on the view of energy band，the transient signal evaluation system under different damage conditions is established using software Matlab；and a serial of continuous signal are analyzed. The vibration response signal energy of damage roof is influenced by developed fracture. Compared with the complete roof，there is an obvious band cusp that the energy peak moves from high frequency to low frequency. Based on roof stability analysis method of wavelet frequency band energy，attenuation degree of wavelet decomposed frequency band energy is considered as the distinction that roof is stable or not. The frequency band收稿日期：2009–02–18；修回日期：2009–03–06作者简介：曹野(1988–)，男，2007年毕业于西安科技大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事结构与防灾减灾方面的研究工作。
E-mail：•3138 • 岩石力学与工程学报 2009年energy ratio and the normalized energy ratio are used to determine the degree of damage and fracture state，which provides a reliable method for stability monitoring of laneway roof in metal mine.Key words：mining engineering；blasting effect；fiber Bragg grating(FBG)；damage of surrounding rock；wavelet analysis；model experiment1 引言目前，随着国家能源开发的进行，金属矿山开采深度已经达到－1 000 m。
在地下采矿空间区域内，由于复杂环境和爆破动荷载等作用，裂隙和变形往往会在围岩内部某些地方不断积累，并最终导致冒顶和片帮等围岩稳定问题，因此开展围岩顶板损伤诊断研究对于保证矿山安全生产具有重要意义。
研究动荷载作用下的岩体响应，提出稳定性分析方法和控制手段是工程界迫切需要解决的问题，也一直是岩石动力学研究的主要内容之一[1，2]。
根据结构损伤的动力识别理论，可以利用结构动态特性的改变来对结构进行整体性的检测和评估，以确定结构是否有损伤存在，进而判别损伤的程度和位置，以及结构目前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势[3～5]。
对于岩体损伤与爆破信号关系的研究，闫长斌[6]利用声波测试技术，系统地研究了多次爆破作用下岩体损伤累积增长规律与岩体爆破累积损伤扩展模型；宋光明等[7]通过对不同岩层地质条件下产生的爆破振动进行小波分析，探讨了岩体基本质量指标BQ和完整性系数与爆破振动时频分布之间的关系，认为传播介质特性对小波包各细节信号特征有较大影响。
在小波分析及结构损伤监测方面，刁延松[8]研究了损伤结构的检测信号小波节点能量的变化量，以此作为概率神经网络的输入向量来确定损伤位置，提出了基于小波节点能量和神经网络的海洋平台结构损伤监测方法。
小波技术还被用于提取爆破振动信号不同频带的振动分量，以及各频带爆破振动分量的衰减规律与预测模型研究[9]。
在光纤光栅应用于损伤监测方面，E. Denarie 等[10]将光纤光栅传感器埋入混凝土，对混凝土断裂发展过程进行了测量；李悦等[11]开发了光纤光栅锚杆，用于金属矿山围岩振动信号的监测；邓年春等[12]将光纤光栅结构监测系统安装在几座桥梁的混凝土构件中，对其应变和车辆载重进行监测。
随着金属矿山开采深度的推进，针对围岩潮湿、局部高温、粉尘等等诸多不利影响因素，开展金属矿山安全检测的关键技术研究对于保障矿山安全开采具有重要的意义。
本文主要通过封装光纤光栅的锚杆监测模型试验中岩体的应变动力响应信号，并采用小波变换的方法分析不同围压、不同冲击振动强度下监测到的损伤顶板与完整顶板信号，进而利用动力响应信号的频带能量分布特征诊断围岩顶板损伤状态。
2 基于小波能量分析的爆破振动信号诊断基本原理当用一个含有丰富频率成份的信号作为输入对系统进行激励时，由于系统损伤对各频率成份的抑制和增强作用发生改变，通常它会明显地对某些频率成份起抑制作用，而对另外一些频率成份起增强作用。
因此，其输出与正常系统输出相比，相同频带内信号的能量会有很大差别，可能使某些频带内信号能量减小，而使另外一些频带内信号能量增大。
因此，在各频率成份信号的能量中，包含着丰富的损伤信息，某种或几种能量的改变代表了一种损伤情况。
小波变换对不同频率在时域上的取样步长是调节性的，即在低频时小波变换时间分辨率差，而频率分辨率高，在高频时小波变换的时间分辨率高，而频率分辨率低，这正符合低频信号变换缓慢而高频信号变换迅速的特点。
这样，采用多尺度小波可以很方便地把原始信号划分为多个频带[13，14]。
原始信号()f t在2()L R上的2–范数定义为2()dRf f t t=∫(1) 小波变换中，信号的2–范数的平方等价于原始信号在时域上的能量。
如果基本小波为()tϕ，则有222d d()R Ra b W f a b fϕ=∫∫，(2) 所以小波变换的能量与原始信号的能量之间存在等价关系，这样用小波能量来表示原始信号中的能量分布是可靠的。
第28卷 增1 曹 野，等. 基于数值模拟的顶板围岩损伤过程动力响应信号的能量分析 • 3139 •对于爆破振动这类能量有限信号，其能量为2|||||()|d RE f f t t ==∫。
令信号00()f t U ∈，则根据小波理论可得00101230122222U U U U U U U −−−−−−=+=+++=⋅⋅⋅=0121jj j j U U U −−−−++⋅⋅⋅+ (3)将被分析离散信号分解到第i 层，设第i 层分解信号j S 对应的能量为j E ，则有221()d nj j i j i E S t t x +∞−∞===∑∫， (4)式中：i j x ，为重构信号的离散点幅值。