1 地球物理学简介 1
1.1 地球科学与地球物理学 1
1.2 地球物理场 4
1.2.1 地球的演化 4
1.2.2 地震 5
1.2.3 地磁场 15
1.2.4 密度重力场 20
1.2.5 温度场 24
1.3 采矿地球物理的任务及前景 28
1.3.1 矿山压力 28
1.3.2 地质探测 29
1.3.3 其他探测与评价 29
1.3.4 采矿地球物理的前景 29
2 煤岩体弹性动力学 30
2.1 应力 30
2.2 变形 34
2.3 应力应变之间的关系 35
2.4 动力学方程 36
2.5 岩体中的波动方程 37
2.6 平面和球面震动波 39
2.6.1 平面震动波 40
2.6.2 球面震动波 41
3 受载煤岩体冲击破坏机理 43
3.1 煤矿矿震冲击动力现象 43
3.2 冲击矿压的动静载叠加诱冲原理 46
3.2.1 动静载叠加诱冲原理 46
3.2.2 静载分析 47
3.2.3 动载分析 47
3.2.4 动静叠加破坏煤体机理 48
3.3 受载煤岩体动力破坏机理模型 49
3.4 煤岩冲击破坏危险的判别准则 53
3.4.1 煤岩体弹塑脆性体模型 53
3.4.2 弹脆性场分析 57
3.4.3 虎克分支的非线性弹脆性场 58
3.4.4 煤岩冲击破坏危险及判别准则 62
3.5 煤岩体动力破坏的监测预警技术 63
4 矿山开采诱发震动及其机理 65
4.1 矿山震动的特点 65
4.2 矿山震动对环境的影响 66
4.2.1 对井下巷道的影响 66
4.2.2 对矿工的影响 68
4.2.3 对地表建筑物的影响 71
4.3 煤岩体破断运动与矿震 74
4.3.1 矿震机理描述 74
4.3.2 煤岩介质中的传播方程 74
4.4 矿山震动位移场及其矿震类型 78
4.4.1 震动位移场分析 78
4.4.2 基于震动波场特征的煤岩震动分类 83
4.5 矿震震动波频谱特征 84
4.5.1 岩层破裂与矿震频率的关系 84
4.5.2 震动波频谱分析原理 84
4.5.3 震动波频谱分析示例 85
4.6 震动波波形图示例 93
5 矿震震动波传播衰减规律 97
5.1 震动试验测试系统 97
5.2 冲击震动波能量的衰减特征 97
5.3 震动波传播的衰减规律 99
5.3.1 实验室试验 99
5.3.2 震动传播的数值模拟 100
5.3.3 矿震震动波衰减的现场测试 102
5.3.4 爆炸震动波传播特性的原位试验 103
5.4 震动波传播速度与应力的关系 109
6 矿山开采诱发矿震的活动规律 111
6.1 采掘工作面的冲击矿震规律 111
6.1.1 冲击矿压及矿震显现分析 111
6.1.2 回风巷掘进期间的矿震活动规律 115
6.1.3 工作面回采期间的矿震活动规律 117
6.1.4 工作面“见方”效应及矿震规律 118
6.1.5 残留煤柱的影响 119
6.2 覆岩关键层破断及其诱发矿震规律 120
6.2.1 关键层板破断的形式 120
6.2.2 工作面覆岩关键层结构演化规律 122
6.2.3 主关键层破断运动诱发强矿震的微震监测 125
6.3 深孔断顶及周期来压与矿震规律 127
6.4 回采与掘进相互影响的矿震规律 128
6.5 矿震活动性与开采速度的关系 130
6.6 矿震活动性与开采作业的关系 131
6.7 断层附近微震活动规律 135
6.8 工作面过褶曲时微震活动规律 136
7 矿震与冲击的监测预警 140
7.1 矿山震动的监测 140
7.2 矿震震源位置的确定 142
7.2.1 纵波首次进入时间法——P法 142
7.2.2 纵横波首次进入时间差法——P-S法 144
7.2.3 方位角法 145
7.2.4 相对定位法 147
7.2.5 其他定位方法 147
7.3 震动能量的计算 148
7.3.1 Gutenberg-Richter法 148
7.3.2 能量密度法 149
7.3.3 震动持续时间法 149
7.3.4 地震图积分法 150
7.3.5 离散法 150
7.3.6 里氏震级法 150
7.4 微震监测台网的优化 150
7.4.1 台网布设的重要性 150
7.4.2 监测区域和台网候选点确定原则 151
7.4.3 台网布设方案的理论求解 153
7.4.4 台网布设方案评价 154
7.5 冲击矿压的微震前兆规律／信息 156
7.5.1 厚煤层综放面冲击矿震前兆规律 156
7.5.2 大断层活动诱发冲击矿震前兆信息 157
7.5.3 回风石门冲击矿震前兆信息 163
7.6 矿震冲击危险预警模型 167
7.6.1 扩展模型 167
7.6.2 滑移模型 168
7.7 冲击矿压的监测预警 169
7.7.1 监测预警的分区 169
7.7.2 矿震参量的选择 169
7.7.3 冲击危险界定及评价条件 170
7.7.4 微震趋势判别冲击危险 171
7.7.5 冲击危险的矿震监测预警 172
8 煤岩变形破裂的声发射 189
8.1 声发射的物理基础 189
8.2 岩石声发射的特点 190
8.2.1 岩石中的声发射源 190
8.2.2 岩石声发射信号的波形与频谱 190
8.3 岩石变形过程中的声发射 191
8.3.1 载荷的增长对岩石声发射的影响 191
8.3.2 稳定载荷下声发射频度的变化 194
8.3.3 循环载荷下声发射频度的变化 195
8.3.4 温度对声发射的影响 196
8.4 组合煤岩体变形破裂的声发射效应试验 197
8.4.1 组合煤岩样的加工实验系统 197
8.4.2 顶板强度对声发射效应的影响规律 198
8.4.3 试样的顶板尺寸比例与声发射效应的耦合规律 199
8.4.4 试样冲击倾向性与声发射的耦合规律 200
8.4.5 试样变形破裂的声发射效应规律 201
8.4.6 声发射信号的二阶段特性 202
8.5 声发射的观测方法 205
8.5.1 固定式连续声发射监测探头的布置 205
8.5.2 流动声发射监测探头的布置 206
8.6 冲击矿压动力危险的声发射预警 206
8.6.1 站式连续监测 206
8.6.2 危险性监测的基础 206
8.6.3 冲击矿压危险性评价指标的确定 208
8.6.4 冲击矿压危险状态的分类 208
8.6.5 冲击矿压危险状态的预测 209
8.6.6 固定连续声发射监测冲击危险 211
8.7 激发声发射法监测预警 221
8.8 声发射的其他应用 223
9 煤岩变形破裂的声波探测技术 224
9.1 声波探测的物理基础 224
9.1.1 矿山地质动力问题 224
9.1.2 岩体的物理力学参数 225
9.1.3 地质构造问题 226
9.2 声波探测方法与原理 226
9.2.1 巷道中的声波剖面法 226
9.2.2 巷道间的声波透视法 227
9.2.3 钻孔中的声波剖面法 227
9.2.4 钻孔之间的声波透视法 228
9.3 煤岩应力异常的声波探测模型 229
9.3.1 测量方法选择的原则 229
9.3.2 冲击矿压危险预测的标准 229
9.3.3 煤层内应力状态的确定 230
9.3.4 顶板震动危险的确定 230
9.3.5 开采卸压效果的确定 231
9.3.6 卸压爆破有效性的确定 231
9.3.7 煤层注水效果的确定 231
9.3.8 煤岩体冲击倾向性的确定 233
9.4 冲击危险的弹性波CT监测预警技术 234
9.4.1 理论基础 234
9.4.2 弹性波CT技术原理 235
9.4.3 震动波CT离散图像基本算法 236
9.4.4 弹性波CT的探测应用 241
10 煤岩变形破裂的电磁辐射 248
10.1 煤岩破坏的电磁辐射现象 248
10.1.1 煤样试验 248
10.1.2 泥岩和砂岩样试验 251
10.1.3 混凝土试样试验 253
10.1.4 受载煤体的Kaiser效应 254
10.1.5 试验结果分析 255
10.2 煤岩变形破裂的电磁辐射机理 255
10.2.1 受载煤岩材料的电磁辐射过程 255
10.2.2 岩体中带电粒子运动激发的电磁场 257
10.2.3 电磁辐射在煤岩介质中的传播 258
10.2.4 电磁辐射能量 260
11 煤岩力电耦合及动力灾害监测预警 261
11.1 煤岩破坏的力电耦合模型 261
11.1.1 煤岩变形破裂电磁辐射的产生机理 261
11.1.2 煤岩电磁辐射强度与加载应力的耦合关系 261
11.1.3 煤岩电磁辐射力电耦合模型 263
11.2 煤岩动力灾害的电磁辐射预警准则 265
11.2.1 煤岩动力灾害电磁辐射脉冲数预警准则 266
11.2.2 煤岩动力灾害电磁辐射强度预警准则 267
11.2.3 电磁辐射预警临界值的确定 268
11.2.4 煤岩动力灾害电磁辐射预警技术 268
11.3 冲击矿压灾害的电磁辐射预警技术 269
11.3.1 电磁辐射监测仪器 269
11.3.2 电磁辐射监测的现场应用 272
12 煤岩变形破裂的红外温度场 285
12.1 热红外遥感的物理基础 285
12.2 遥感岩石力学 287
12.3 煤岩受压的红外热像特征 288
12.3.1 单调升温、低温前兆型 289
12.3.2 缓慢升温、快速高温前兆型 289
12.3.3 先降后升、低温前兆型 291
12.3.4 应力转移与煤岩破裂前兆 291
12.4 煤岩受压的红外辐射温度特征 293
12.4.1 辐射低温前兆型 293
12.4.2 辐射高温前兆 294
12.4.3 持续辐射高温前兆型 295
12.4.4 循环加载过程的辐射温度特征 295
12.5 红外前兆的相关比较 296
12.5.1 红外前兆与声发射前兆的比较 296
12.5.2 红外前兆与电阻率前兆的比较 299
12.5.3 各类前兆信息的统计平均比较 301
12.6 基于熵和能量守恒原理的热红外辐射机理 301
13 煤岩变形破裂的地电变化 303
13.1 地电测量的物理基础 303
13.1.1 电阻法 303
13.1.2 地质雷达法 306
13.2 地电测量方法 306
13.3 地电测量参数 307
13.4 采矿应用实例 308
14 开采引起的重力场 311
14.1 物体间的引力 311
14.2 井下测量重力的递减法 311
14.3 多水平重力剖面 312
14.4 重力测量方法与观测仪器 313
14.5 冲击矿压的重力法监测预警 313
14.6 揭露老巷及其充填程度 315
14.7 揭露井筒周围岩层条件及变形 317
参考文献 319