基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统与方法

技术领域

本发明涉及深部采矿工程领域矿震等自发性的动力现象模型试验技术领域，特别涉及复杂条件下深部煤层回采导致高位厚硬覆岩自发性破断并诱发大能量矿震的大型真三维模型试验系统与分析方法。

背景技术

煤炭开采已向深部进军，开采深度的增加导致地质赋存环境更加复杂，工程扰动响应更加剧烈，矿震活动更加强烈，这使得矿震问题正由资源安全开采问题演化为社会公共安全问题。因此，深入揭示煤矿矿震孕育演化机理已成为亟待解决的重大科技问题。现场监测方法条件受限、成本巨大、风险性高，数值模拟方法难以模拟真实灾变过程，理论分析方法难以突破复杂地质环境的影响。而地质力学模型试验在发现新现象、探索新规律、揭示新机理方面相较于前述方法具有独特的优越性，因此有必要开展复杂条件下大能量矿震孕育演化机制模型试验。要开展矿震模型试验，就必须拥有监测震动信号的模型试验系统及试验方法，目前相关研究现状如下：

在专利CN116448569A中，公开了一种塌陷型矿震井监测物理模拟装置及方法，其只考虑了声发射监测且将声发射传感器埋设于相似材料模型体内部，此方法不便于声发射传感器的检修和更换、监测岩层震动信号有限，不适用于大型真三维矿震模型试验。

《岩石力学与工程学报》2021年第40卷第3期介绍了一种大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模型试验系统，主要由静力加载系统、模型浇注装置、模型运送装置、爆破动载施加系统及数据监测系统等组成，该系统无法模拟矿震等自发性动力现象，无法监测岩层破断产生的震动信号。

在专利CN116337628A中，公开了一种三维应力下活动断裂粘滑发震模拟方法和装置，该方法指出在模型四周布设微震传感器监测试验过程中岩体裂隙萌生扩展演化过程以及地震波峰值加速度、振幅、频率中的至少一项的变化规律，但是未给出具体的实施方法。

总的来看，目前国内外相关现有模型试验方法普遍存在如下问题：

(1)现有模型试验系统无法模拟自发性覆岩破断诱发的大能量矿震现象且无法自动采集模型体内部岩层破断产生的震动信号；

(2)现有真三维加载模型试验系统不能灵活适应不同高度煤层的回采模型试验。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供了一种能够监测覆岩因煤层回采自发性破断而产生的震动信号、能够实现裂隙扩展及岩层破断可视化观测、能够适应不同模型煤层位置及厚度等工况并能够提供真三维地应力场的基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验与分析方法。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统，包括组合式可视化反力组合台架装置，所述的组合式可视化反力组合台架装置内壁设置液压千斤顶，其作用于加载板对模型体施加载荷，还包括导波杆，所述的导波杆嵌固端插入至模型体内，露出端延伸至加载板外侧，露出端端头连接全光纤微震传感器，且在露出的导波杆外侧壁平面内还黏贴有声发射传感器；所述的全光纤微震传感器与全光纤微震监测系统相连，所述的声发射传感器与声发射系统相连；在模型体内还设置有应力、应变、位移监测元件，所述的应力、应变、位移监测元件与测试系统相连。

作为进一步的技术方案，所述的加载板包括分片式钢制加载板、分块式钢制加载板和整体式钢制加载板。

作为进一步的技术方案，所述的整体式钢制加载板位于模型体的底部，所述的分片式钢制加载板位于模型体的左、右、后侧面，所述的分块式钢制加载板位于模型体的顶面。

作为进一步的技术方案，所述全光纤微震传感器和声发射传感器在空间中的位置不能共面，布设位置无要求，但要尽可能全方位覆盖研究对象。

作为进一步的技术方案，在钢制加载板的内壁设置有隔震减摩板，用于隔绝模型体和钢制加载板中震动波的相互干扰。

作为进一步的技术方案，所述的钢制加载板上钻取有圆孔，钢制加载板外表面设置与圆孔同心的可拆卸式限位圆环并由限位螺栓固定，所述的导波杆依次插入限位圆环、加载板圆孔至模型体内部指定深度。

作为进一步的技术方案，所述的导波杆为正棱柱体且单个外侧面宽度大于所述声发射传感器的直径，所述正棱柱体导波杆的露出端被加工成与所述的全光纤微震传感器相匹配的螺纹。

作为进一步的技术方案，所述的组合式可视化反力组合台架装置的其中一个侧面设置拼接在一起的可视亚克力板和挡煤亚克力板，所述的亚克力板与模型体表面密贴。

作为进一步的技术方案，所述的组合式可视化反力装置的前墙，包括通过螺栓连接的分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁、抽拉式反力台架前墙和亚克力板，所述的格构式钢梁用于自由组合以适应不同相似比尺下的煤层回采模型试验；在钢梁内部设置抽拉式反力台架前墙，抽拉式反力台架前墙为所述模型体提供被动约束并且为煤层回采预留出操作空间；在钢梁凹槽内设置亚克力板，用于为所述模型体提供被动约束并实现覆岩破断的可视化观测。

第二方面，基于所述的基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统的试验方法，如下：

选定坐标原点，建立空间直角坐标系；

以所述的空间直角坐标系为参考系，设计全光纤微震传感器和声发射传感器的空间布设方案并确定两种传感器的三维坐标；

基于所述全光纤微震传感器和声发射传感器的空间布设方案，在所述的加载板上钻取圆孔，在板外安装与圆孔同心的可拆卸式限位圆环并由限位螺栓固定；

采用分层压实风干法制作模型体至所述的圆孔高度时，将正棱柱体导波杆依次插入限位圆环、钢制加载板圆孔至模型体内部指定深度，并填料压实；

所述的声发射传感器粘贴在所述正棱柱体导波杆的外侧壁平面内指定位置，所述的全光纤微震传感器与所述正棱柱体导波杆通过螺纹连接；

基于所述的敲击定位试验，判断所述微震-声发射定位误差是否满足精度要求；

如果满足所述精度要求，则继续开展矿震模型试验，并实时监测采集微震、声发射事件，否则需要对全光纤微震监测系统和声发射系统及相应的传感器进行检修并重新开展敲击定位试验，直至定位精度达到要求。

本发明具有如下显著的技术优势：

(1)本发明通过设置导波杆可以真实模拟在煤层回采作用下高位厚硬覆岩自发性破断诱发的大能量矿震事件的孕育演化过程，同时，全光纤微震监测系统和声发射系统可以最大限度的捕捉覆岩破断产生的全部震动信号，且定位结果可以相互印证以确保试验结果真实可靠。此外，由于传感器安装在模型体外部，使得两种传感器的安装、拆卸和测试维修十分便利。

(2)本发明的组合式可视化反力装置的前墙，包括通过螺栓连接的分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁，可以用于自由组合以适应不同相似比尺下的煤层回采模型试验；钢梁内部设置抽拉式反力台架前墙，抽拉式反力台架前墙为所述模型体提供被动约束并且为煤层回采预留出操作空间，通过调整抽拉式反力台架前墙的位置，可以模拟不同高度位置的煤层回采；在钢梁凹槽内设置亚克力板，在保障模型体的水平位移约束的同时也可以直接观测模型裂隙扩展和岩层破断情况。

(3)本发明在水电、交通、能源、矿山和国防等深部岩土工程中岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等自发性动力型灾变物理模拟与孕灾机理研究方面也有广阔的推广应用价值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的全光纤微震传感器和声发射传感器布设方案图；

图2为本发明的全光纤微震传感器和声发射传感器安装实物图；

图3为本发明的组合式可视化反力台架主视图(前面)内部示意图；

图4为本发明的微震、声发射传感器安装示意图；

图5为本发明的组合式可视化反力台架前墙和可视亚克力板拆分状态下的俯视图；

图6为本发明的组合式可视化反力台架前墙和可视亚克力板拆分状态下的主视图；

图7为本发明的组合式可视化反力台架装置内部三维设计图；

图8为本发明的导向框结构设计图；

图9为本发明组合式可视化反力台架的三维设计图；

其中：1.全光纤微震监测系统，2.声发射系统，3.高精度测试系统，4.组合式可视化反力台架装置，5.液压伺服加载控制系统，6.正棱柱体导波杆，7.正棱柱体导波杆露出端端头螺丝，8.全光纤微震传感器，9.声发射传感器，10.限位圆环，11.液压千斤顶，12.台型推力器板，13.分片式钢制加载板，14.导向框，15.模型体，16.应力、应变、位移监测元件，17.连接件，18.组合式可视化反力台架前墙，19.抽拉式反力台架前墙，20.可视亚克力板，21.挡煤亚克力板，22.光缆线，23.电缆线，24.油路，25.限位螺栓，26.隔震减摩板，27.分块式钢制加载板，28.整体式钢制加载板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图3所示，本实施例提出的基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统，包括全光纤微震监测系统1、声发射系统2、高精度测试系统3、组合式可视化反力组合台架装置4和液压伺服加载控制系统5组成；模型试验系统可以容纳厚度与长度、宽度相近的大尺度模型体，并可以对其所有外侧面施加真三维非均匀荷载，真实模拟初始地应力场。

组合式反力台架装置4的四个角部均安装有连接件17，连接件17用以提高反力台架的刚度，液压千斤顶11安装在组合式反力台架装置4的上、下、左、右、后内壁上，且每个液压千斤顶11与台型推力器板12相连接；在组合式反力台架装置4内设置导向框14，导向框14的底部设置整体式钢制加载板28，左、右、后侧面设置分片式钢制加载板13；顶部设置分块式钢制加载板27；前部搭接在组合式可视化反力台架前墙18上(具体参见图7、图8)；分片式钢制加载板13、分块式钢制加载板27和整体式钢制加载板28在导向框14围成的范围内运动以消除真三维加载的“边角效应”，从而实现加载板在模型体各面运动不互相干扰。液压加载控制系统5通过8个油路24对液压千斤顶11施加载荷，分片式钢制加载板13在模型体左、右、后面沿高度方向分成三片并施加梯度荷载以实现对模型体施加真三维梯度非均匀加载，顶部分块式钢制加载板27分块以实现模型顶面下沉的同时依然伺服加载顶部荷载。

进一步的，全光纤微震监测系统1通过光缆线22与安装在模型体15的全光纤微震传感器8连接，全光纤微震监测系统1可有效捕捉模型体15内部破裂的高能低频震动信号；声发射系统2通过电缆线23与安装在模型体15的声发射传感器连接，声发射系统2可有效捕捉模型体15内部破裂的低能高频震动信号。联合使用全光纤微震监测系统1和声发射系统2，可捕捉模型体15内部破裂的全部震动信号。高精度测试系统3通过光缆线与预埋在模型体15中的应力、应变、位移监测元件16相连接，在试验过程中实施捕捉并记录模型体15内部的多源监测信息。

如图4所示，分片式钢制加载板13、分块式钢制加载板27和整体式钢制加载板28内壁粘贴有隔震减摩板26，以隔绝模型体15和分片式钢制加载板13、分块式钢制加载板27和整体式钢制加载板28内震动信号的干扰。

分片式钢制加载板13、分块式钢制加载板27和整体式钢制加载板28上均可钻取圆孔，在加载板外安装与圆孔同心的限位圆环10并由限位螺栓25固定，正棱柱体导波杆6通过限位圆环10穿过加载板圆孔至模型体15内部一定深度，待模型体加载稳定后拆除限位圆环10，以实现正棱柱体导波杆6与分片式钢制加载板13、分块式钢制加载板27和整体式钢制加载板28在矿震模型试验全过程始终不接触，以隔绝正棱柱体导波杆6与分片式钢制加载板13、分块式钢制加载板27和整体式钢制加载板28内震动信号的干扰。

将全光纤微震传感器8与正棱柱体导波杆露出端端头7连接，将声发射传感器9粘贴在正棱柱体导波杆6的外侧壁平面内指定位置。接通传感器后开展敲击定位试验，若定位误差在允许范围内则正式开展矿震模型试验；反之，则需要检修全光纤微震监测系统1、全光纤微震传感器8以及声发射系统2、声发射传感器9，直至定位误差达到允许范围。

如图5、图6所示，组合式可视化反力台架装置4中的前墙18由分片的不同高度的中间镂空两端封闭的格构式钢梁拼接而成，通过高强螺栓安装在组合式可视化反力台架装置4上，其内壁开凹槽，使之可以容纳厚度为20mm的亚克力板。亚克力板由可视亚克力板20与挡煤亚克力板21拼接而成。亚克力板与模型体15表面密贴，约束模型体15的水平位移并为模型体15施加被动荷载，还可以透过组合式可视化反力台架前墙18和亚克力板实时观测试验过程中模型体15的裂隙发育情况和覆岩破断情况。组成组合式反力台架前墙18的分片的不同高度的中间镂空两端封闭的格构式钢梁与抽拉式反力台架前墙19在竖直方向可以自由调整顺序拼接，可以实现抽拉式反力台架前墙19在高度方向上位置的灵活调整；抽拉式反力台架前墙19与挡煤亚克力板21形状相同，正式开始煤层回采模拟前，先抽出抽拉式反力台架前墙19，进而取出挡煤亚克力板21，以实现为煤层回采提供操作空间。因此，本发明可以适用于不同高度煤层的回采试验工况。

可选地，上述分块式顶部钢制加载板的分块数越多越好，本申请中以6块为例；分块式顶部钢制加载板，用于独立伺服控制分块区域的初始竖向地应力场。分块式顶部钢制加载板的块与块之间在竖向移动无干扰，每一分块由与其连接的油缸独立控制。

进一步的，所述的全光纤微震传感器和声发射传感器的空间位置分布无明确要求，但是不能共面，需要尽量全方位覆盖研究对象，如本例中的关键层。

进一步的，所述的侧边钢制加载板上钻取的圆孔与所述的限位圆环圆孔同心，且满足所述侧边钢制加载板上钻取的圆孔直径大于所述限位圆环内径，所述限位圆环内径大于所述的正棱柱体导波杆外径。此外，所述的限位圆环需要在模型体加载稳定后拆除，进而粘贴声发射传感器、安装全光纤微震传感器。目的是保证正棱柱体导波杆在矿震模型试验中始终与加载板保持不接触，以隔绝来自加载板内震动信号的干扰。

进一步的，所述的导波杆被设计为正棱柱体且单个外侧面宽度大于所述声发射传感器的直径，所述正棱柱体导波杆的露出端被加工成与所述的全光纤微震传感器相匹配的螺纹。将导波杆被设计为正棱柱体的目的为震动波传播提供均匀介质及表面，且便于粘贴声发射传感器。

进一步的，在所述的矿震模型试验正式开始之前，需要开展敲击定位试验验证定位精度达到要求。所述的模型试验系统钢制加载板内壁粘贴隔震减摩板，用于隔绝模型体与钢制加载板内震动波的相互干扰。

进一步的，所述的模型试验系统中的钢制加载板根据其所处空间位置的不同设计为不同的布置形式。所述的顶部钢制加载板设计为分块式，所述顶部钢制加载板在水平方向分为九块，每一分块可独立移动且每一分块由与其连接的液压千斤顶独立控制，且分块数越多物理模拟效果越好；所述的侧边钢制加载板设计为分片式，侧边钢制加载板在竖直方向上分为三片，每片对应三个所述的液压千斤顶，用于对所述的模型体进行梯度加载，且分片数越多物理模拟效果越好；所述的底部钢制加载板设计为整体式，其特征在于，底部6个所述的液压千斤顶共同作用于底部钢制加载版，用于对所述的模型体底部共同施加均匀的初始地应力。

进一步的，所述的组合式可视化反力前墙，包括通过螺栓连接的分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁、抽拉式反力台架前墙及挡煤亚克力板，所述中间镂空两端封闭的格构式钢梁可以自由组合以适应不同相似比尺下的煤层回采模型试验，所述抽拉式反力台架前墙与分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁通过螺栓连接，一方面为所述模型体提供被动约束，另一方面可以通过调整抽拉式反力台架前墙的位置，实现模型不同高度位置的回采，即抽拉式反力台架前墙抽出后，该位置作为模型的回采位置，所述挡煤亚克力板为所述模型体提供被动约束并实现覆岩破断的可视化观测。所述的分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁的高度均不同，通过在高度方向任意组合可满足不同试验方案的需要。所述的挡煤亚克力板与抽拉式反力台架前墙的重叠区域形状相同。所述的亚克力板宜厚不宜薄，可以根据试验的需要灵活设计亚克力板的厚度。

本实施例还提供了一种基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统的试验与分析方法，包括以下步骤：

选定坐标原点，建立空间直角坐标系；

以所述的空间直角坐标系为参考系，设计全光纤微震传感器和声发射传感器的空间布设方案并确定两种传感器的三维坐标；

基于所述全光纤微震传感器和声发射传感器的空间布设方案，在所述的加载板上钻取圆孔，在板外安装与圆孔同心的限位圆环并用限位螺栓固定；

采用分层压实风干法制作模型体至所述的圆孔高度时，将正棱柱体导波杆依次插入限位圆环、加载板圆孔至模型体内部指定深度，填料压实、继续制作模型体；

所述的声发射传感器粘贴在所述正棱柱体导波杆的外侧壁平面内指定位置，所述的全光纤微震传感器与所述正棱柱体导波杆露出端通过螺纹连接；

基于所述的敲击定位试验，判断所述微震-声发射定位误差是否满足精度要求；

如果满足所述精度要求，则继续开展矿震模型试验，并实时监测采集微震、声发射事件，否则需要对全光纤微震监测系统和声发射系统及相应的传感器进行检修并重新开展敲击定位试验，直至定位精度达到要求。

进一步的，所述的坐标原点以及空间直角坐标系选取以方便计算为原则。

本申请基于震动信号监测方法可以实现覆破断信号的监测。同时，微震和声发射的定位结果可以相互印证，保障了试验结果的可靠性。由于传感器安装在模型体外部，使得两种传感器的安装、拆卸和测试维修十分便利。

本申请组合式可视化反力台架前墙设计成了不同高度的中间镂空两端封闭的格构式钢架，可适用于不同模型以及同一模型不同煤层高度回采的多种工况的模型试验方案。同时，前墙配备亚克力板，在保障模型体的水平位移约束的同时也可以直接观测模型裂隙扩展和岩层破断情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，在本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或者变形仍在本发明的保护范围以内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。