型煤受载破坏表面电荷和微震响应特征及相关性分析

利用自制的煤体表面瞬变电荷与微震信号测试实验系统,对型煤试样在单轴压缩破坏过 程中的应力变化、瞬变电荷、微震信号进行了监测和分析。 实验结果表明:在单轴压缩破坏过程 中型煤试样表面会产生瞬变电荷,电荷信号呈瞬时、单脉冲变化,持续时间较长,为5~12s;微震 信号则呈现出较为明显的阵发性,持续时间较短,为0.2~0.4s。 表面瞬变电荷和微震信号与应 力变化关联性较强,其总体变化趋势在时间尺度上具有较高的同步性,两者峰值时间差为0.08~ 0.5s。 试样破坏过程中存在一个能量释放临界点,对应于应力突变时刻,利用表面瞬变电荷和微 震信号时间尺度上的一致性及能量释放临界点特征,可对煤岩体失稳破裂过程进行更准确的预 测和分析。     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

受载组合煤岩声发射效应研究

利用岩石试验系统,对单轴受压的不同煤岩组合试样进行声发射试验,得到不同组合试样在受载破坏过程中的声发射效应。研究表明煤岩体在采动过程中的冲击破坏倾向性可由其声发射效应反映。煤岩强度越大、直接顶厚度与采高的比值越大煤岩冲击破坏时的声发射计数率就越强。因此,采取弱化煤岩体中顶板及煤层的强度和局部区域降低采高等措施能有效控制采场及巷道围岩动力灾害现象。     

煤岩组合体力学模型及细观损伤过程的颗粒流分析

为了研究煤岩组合体变形破坏的问题,在工程体与地质体两体力学模型的基础上,总结分析了煤岩两体接触面的力学特性及煤岩两体力学模型的变形破坏过程;利用颗粒离散元程序PFC建立了煤岩组合体平行黏结数值模型,对单轴压缩过程中,组合体内部细观裂纹的生成和扩展过程进行了分析探讨。结果表明:由于煤岩交界面对煤体变形破坏的抑制作用,煤岩体的变形破坏过程是煤体先损伤破坏,岩体再损伤破裂,直至整体失稳破坏的渐进式破坏过程。     

煤岩单轴压缩条件下声发射与破坏特征差异性研究

为了揭示单轴压缩条件下煤岩的声发射能量与破坏特征,对神东布尔台煤矿12上煤及其基本顶进行了单轴压缩试验,试验过程中采用DS-2声发射采集设备对煤岩样在单轴压缩条件下破坏时的声发射信号参数进行采集分析,获得了煤岩样在单轴压缩过程中破坏与声发射撞击曲线和能量曲线的差异性。研究发现,中粒砂岩和煤在单轴压缩条件下最后表现出的破坏形式存在明显不同,基本顶中粒砂岩破坏过程平缓,煤样破坏过程剧烈|中粒砂岩和煤样撞击次数的峰值基本均出现在应力曲线的峰值之前,且中粒砂岩试件的声发射事件数要远小于煤体试件的声发射事件数,验证了煤样破坏要较中粒砂岩剧烈,也为井下煤岩动力灾害的预警提供了思路。     

不同尺寸冲击倾向性煤样声发射b值特征研究

利用岩石力学试验机和AMSY-6发射信号采集系统对不同尺寸强冲击倾向性煤样进行了单轴压缩的声发射测试,借助地震学中的G-R关系探讨了其变形破坏过程中的声发射振幅随时间的动态演化规律。试验结果表明:采用累计频次和微分频次所计算的b值均能得到相似的规律,对于数据量小时可优先采用累计频次,数据量较大时可优先采用微分频次;声发射b值可以表征煤岩体失稳破坏过程,可分为3个阶段:初始波动下降、非稳定过渡、直线下降,可归结为"递减-波动-下降"模式,3个阶段分别与应力应变曲线的各阶段相对应;不同尺寸煤岩声发射变化趋势不同,随着试件尺寸的增大,b值前期变化趋于不稳定,进入塑性阶段后表现出较高的一致性,失稳破坏前兆特征的尺寸效应并不明显;声发射b值在煤岩失稳破坏前均降至最低点,b值下降的突变点位于0.80～0.85倍峰值应力范围内,因此可以把塑性阶段b值的持续下降阶段作为煤岩失稳破坏的一个前兆特征。     

支持向量机在岩石破裂失稳声发射定位实验中的应用

声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段，对开采扰动下采空区煤岩破裂失稳的机制和前兆预测具有重要意义。基于声发射定位实验，利用支持向量机方法，对煤岩单轴抗压破裂与失稳过程中的声发射信号进行分析与预测，为采空区煤岩破裂定量化预测提供科学依据。     

采动裂隙煤岩破裂能量耗散特性及机理

乌鲁木齐矿区主采水平已进入深部开采,高应力强卸荷下动力破坏现象频发。为建立裂隙煤岩耗散能与声发射能量参数的定量关系,更好地了解煤岩体受载破裂特征,揭示高应力下裂隙煤岩破裂能量耗散及其灾变机制,本文采用实验手段分析单轴压缩荷载作用下裂隙煤岩体损伤直至破裂的阶段性特征及其能量释放规律,结果表明:裂隙煤岩物性特征一致性较好,其力学参数离散性大,裂隙煤岩的力学响应特征为非线性本构关系,峰后的应变值应只考虑屈服弱化区域的塑性应变;煤岩样破裂过程可划分为4个阶段:初始受载阶段、弹性阶段、微破裂阶段与峰后破裂阶段;给出了基于声发射能量参数的裂隙煤岩破裂耗散能的理论计算模型,确定了裂隙煤岩破裂应变能与弹性应变能及E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)间的关系,研究结果表明裂隙煤岩破裂所耗散的能量随着E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)的增加而减少。     

煤体非稳定破裂-峰后破坏过程 感应电荷信号演变特征

本文开展了煤体单轴压缩感应电荷演变规律实验研究,基于傅里叶变换对电荷噪声信号进行了频域分析,采用低通滤波器去除了高频噪声信号,在此基础上重点研究了煤体非稳定破裂与峰后破坏阶段的感应电荷有效信号时域演变特征。研究表明:降噪后的感应电荷信号与应力-应变曲线呈现出更高的相关性;加载速度越低,试件破裂就越充分,高幅值感应电荷信号在各个力学阶段分布越均匀;加载速度越大,高幅值感应电荷信号越集中在峰后;稳定破裂阶段的感应电荷突变信号丛集程度较低,在非稳定破裂阶段感应电荷幅值起伏突变程度与次数增高,丛集程度也相应增高;峰后破坏阶段高幅值突变信号连续出现,丛集程度出现了质的变化,高幅值信号突变程度最为剧烈,该阶段的感应电荷变异系数甚至超过了非稳定破裂阶段的一个量级。高幅值感应电荷信号的变化特征可有效评价煤岩体的稳定性。     

单轴压缩下原煤表面瞬变电荷变化规律试验研究

基于原煤试样在单轴压缩作用下的失稳破坏试验,研究了原煤破裂过程中表面产生瞬变电荷的现象和变化规律,并分析了瞬变电荷与应力的对应关系。结果表明:原煤试样表面瞬变电荷是瞬时、脉冲信号,会在短时间内出现正负电荷交替变化现象,其变化强度与应力有较好的对应关系。试样发生主破裂过程中,瞬变电荷最大值出现在应力峰值之前,且随着应力的突降而出现急剧变化。在破坏前期,煤体内部摩擦作用是产生电荷变化的主要原因;在破坏中后期,大量裂纹形成、扩展并融合贯通是产生电荷变化的主要原因。根据煤体表面瞬变电荷的变化规律,可以反映煤体受载破坏的情况,对表面瞬变电荷的监测能够为煤岩动力灾害的预测预警提供重要参考。     

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。     

含水率对泥质粉砂岩强度损伤及声发射特征影响的研究

煤系沉积岩体原生及采动裂隙为水-岩作用提供了渗流通道,且受其组分和胶结类型等因素的影响,水作用下煤系沉积岩体力学性质改变显著。采用X射线衍射仪、无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试系统,分析了泥质粉砂岩矿物组分,测试了其含水率随时间变化规律,并探讨了含水率影响下泥质粉砂岩强度损伤演化特征。研究结果表明:泥质粉砂岩中高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物占矿物成分的62%;根据岩样含水率随浸水时间的变化趋势,将其划分为快速增长(0~25 h)、缓慢增长(25~85 h)及恒定(85 h~)3个阶段;由干燥到饱和,岩样的单轴抗压强度降低了47.72%,弹性模量降低了18.36%;随着含水率的增加,岩样破坏形式由剪切破坏逐渐向拉张破坏转化;应力、累计AE计数与时间变化关系曲线能阐明裂隙扩展的各个阶段,其中,裂隙不稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活跃;除含水率1.6%的岩样外,声发射定位结果与岩样实际破坏迹线大致相符;加载初期,岩样内部在中心位置产生剪切裂隙并扩展,裂隙和能量逐渐向外围扩散,后期产生拉剪复合裂隙。研究成果对于煤矿地下水库坝体设计、富水巷道顶板岩层控制等工程中涉及的水岩作用问题研究提供了有益参考。     

单轴压缩条件下岩石损伤过程的声发射实验研究

采用数字化声发射系统,开展了单轴压缩条件下不同岩石损伤过程声发射实验,研究了岩石在单轴压缩过程中声发射活动与时间、载荷的相关关系,微观损伤及其扩展的机理。实验结果表明,在岩石微裂隙压密、微观损伤产生、扩展和破坏4个不同阶段,声发射事件表现出不同的分布特征,岩石声发射活动特性与所受载荷有较好的相关关系。通过对声发射事件率、事件时空分布特征、声发射波形特征等参数的变化规律研究,能有效预测岩石的破坏,为现场岩体破坏提供可靠的预测预报依据。     

阳泉矿区煤样不同应力状态下声发射特性分析

为探索原煤煤样的力学性能和不同应力状态下的声发射活动特性,对阳泉矿区新景矿、平舒矿主采煤层的煤样进行了单轴、三轴压缩和巴西劈裂的声发射试验,分析了2种煤样力学性能及不同加载过程的声发射活动规律。证明通过监测声发射(微震)活动分析煤样或煤岩体内部破坏状态是一种方便有效的手段。     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

采用SDAES型数字声发射仪和岩石参数动态测试系统,对云南大红山铜矿2组岩石进行了单轴压缩条件下的声发射实验,研究岩石在单轴加载过程中声发射活动随时间和应力、变形等内在规律,比较2组岩石声发射规律的异同,在此基础上分析了岩石的破坏机理。实验结果表明：2组岩石声发射活动规律大体相同。除加载初期外,岩石声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与试样体积变形的主要原因。岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率不完全一致,声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感,更适合用来预测岩石的破坏。     

煤体单轴压缩感应电荷时频演化规律与失稳破坏电荷评价指标

为了有效预测预报煤岩破坏所引起的动力灾害,介绍了受载煤体变形破坏电荷产生机理与感应电荷监测原理,开展了煤体单轴压缩过程感应电荷监测实验,采用基于假设原理的Lilliefors检验方法研究了有效电荷产生的初始时刻,获得了煤体破坏演化过程的应力与感应电荷的时序共性特征;研究了加载前期与破坏后期电荷信号的频域特征,设计了基于FIR方法的低通滤波器,得到了滤波后的有效电荷信号;基于煤体破坏演化过程的电荷时频特征,构建了失稳破坏电荷评价指标;开展了井下有、无动力显现的电荷监测试验,使用研发的本质安全型电荷监测仪验证了监测动力破坏现象的有效性。综上研究结果表明:Lilliefors检验方法能够判识煤体加载初期所产生的有效电荷信号,得到了压密阶段基本为白噪声信号,弹性阶段会产生不易识别的、少量的、且与白噪声混合的低幅值有效电荷信号,弹塑性过渡阶段会产生易于辨识、幅值相对增大且连续性较差的电荷信号,塑性阶段与破坏阶段的有效电荷信号随应力降次数增多而增多,随应力降幅度增大而增大,两阶段的电荷信号波动幅度较为剧烈,高幅值电荷信号连续性较强;通过时频变换,得到电荷信号白噪声主频不小于50 Hz,煤体破裂所产生的电荷信号主频不超过15 Hz,设计的FIR低通滤波器可有效降低噪声信号,能保留高幅值与高波动性的电荷信号;建立的电荷累积量、平均电荷强度、电荷变异系数3种评价指标,它们均能良好地反映出煤体的破裂状态,平均电荷强度还可反映出煤岩体的应力水平,变异系数能更加准确地识别煤体进入加速破坏阶段的前兆点;在采动影响下现场各测点的电荷变异系数与平均电荷强度明显比无采动影响的数值更大,电荷变异系数随着远离工作面而逐渐减小,平均电荷强度在超前工作面支承压力峰值影响范围内达到最大值,说明电荷法能够有效监测巷道的动力破坏情况,可为煤矿动力灾害预警提供一种新的监测手段。     

煤岩损伤破坏ULF电磁感应实验研究

利用建立的煤岩声-电信号测试系统,对强度较低的煤岩试样进行了单轴压缩、剪切加载破坏实验,测试研究了ULF（1 kHz）、VLF（5 kHz）、LF（300 kHz）等频段电磁辐射及42.3 kHz声发射（AE）信号规律,并初步探讨了煤岩变形破坏ULF电磁信号的产生机理。结果表明：煤岩材料在单轴压缩和剪切变形破裂过程中能够产生ULF频段的电磁信号;与LF及VLF电磁信号相比,ULF信号与应力的相关性更好;同时,ULF信号与应力及AE相比存在一定程度的超前性,一般超前应力及AE信号5~10 s。实验室测得的煤岩变形破裂产生的ULF电磁信号,主要是由电荷运动产生的感应场变化引起的,煤岩材料中含有的少量金属矿物成分导致的压磁效应也是其来源之一。煤岩ULF电磁信号的研究不仅扩展了煤岩电磁辐射技术的研究范围,而且由于其在传播距离和抗干扰能力方面的优势,有望对远距离和较大尺度范围的煤岩动力灾害监测技术实现突破。     

基于信息融合技术的岩石单轴压缩破坏特征

研究岩石破坏机理只就单一测试手段往往缺乏对比性,在进行煤岩和花岗岩的单轴压缩试验的同时,进行了红外摄像和声发射检测。根据单轴压缩试验,获得了应力-应变全过程曲线,对试验过程中的红外图像和声发射信号进行了分析。综合分析结果表明,岩石破坏过程是其能量的转化过程,不同阶段岩石破坏的机制不同;岩石在单轴压缩试验条件下其内部应力状态复杂,破坏过程的演化是从局部破坏到整体破坏的过程。     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强|含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著|声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。