基于次声监测的煤与瓦斯突出动力学特征解析：从机制探索到强度量化

这篇研究通过三轴应力模拟与次声监测（infrasound）技术结合，揭示了不同气体（非吸附性He与吸附性CO2）在5-10 MPa围压和0.5-1.0 MPa气压下的煤与瓦斯突出（coal and gas outburst）动态机制。研究发现He导致弹性-脆性破裂（压力衰减率~1.73 MPa/s，8-12 Hz声信号），而CO2引发渐进式裂隙扩展（衰减率~1.12 MPa/s，5-16 Hz宽频谱）。通过三角传感器阵列定位算法，实现了低强度（~2.1 kg）事件1.42±0.12 m和高强度（~6.2 kg）事件0.92±0.08 m的定位误差，并建立了次声能量与突出强度的对数关系（平均相关系数0.86），为矿井安全预警提供了新方法。

　　

亮点

本研究通过创新的三轴实验系统与次声监测技术，首次在可控条件下解析了吸附性气体（CO₂）与非吸附性气体（He）驱动的煤与瓦斯突出（coal and gas outburst）动态差异。实验捕捉到He引发的“爆炸式”弹性破裂（压力骤降1.73 MPa/s）与CO₂导致的“缓释型”裂隙扩展（压力衰减1.12 MPa/s），并通过高频声谱（8-12 Hz vs 5-16 Hz）揭示了气体-煤体相互作用的指纹特征。

结果与分析

在5-10 MPa围压下，He组煤体呈现典型的V型破碎腔，而CO₂组形成多级阶梯状破坏结构。定位算法将2.1 kg事件的误差控制在1.42±0.12 m，6.2 kg事件精度提升至0.92±0.08 m。次声能量（E_infra）与突出质量（M）的对数关系（logE_infra∝1.86logM）证实了声学信号定量表征能量释放的可行性。

讨论

CO₂的吸附-解吸过程延长了破坏时间尺度，其宽频声谱（5-16 Hz）反映了煤基质渐进式损伤；而He的快速压力释放产生高频窄带信号（8-12 Hz），印证了自由气体主导的脆性破坏机制。三角阵列定位技术克服了传统微震监测（microseismic）在低频段的局限性。

结论

次声监测为区分突出机制（压力驱动型vs解吸耦合型）提供了新范式，其能量-强度定量模型（R²=0.86）可服务于矿井实时风险评估。未来需在真实地质条件下验证该技术的工程适用性。