浅析煤岩破裂产生的震动及探测技术

基于煤岩体脆性变形破坏特征,建立煤岩冲击破坏的弹塑脆性模型,分析了煤岩材料受载变形的稳定破坏和冲击破坏、冲击矿压发生的突发性和延时性,阐释煤岩产生破裂震动原理及现行的地音法、电磁辐射法探测技术的原理及其特征.     

煤矿智能化开采煤岩识别技术综述

加快煤炭产业链的智能化发展是当前环境下保证煤炭稳定供给的重心,而煤岩识别是实现煤矿智能化建设,提高煤层探测、智能开采、快速分选精度和效率的关键技术,因此,开展了煤岩高效识别技术方法的综述研究。首先根据使用工况不同,将煤岩识别统筹为接触式识别与非接触式识别,根据技术类别将现有识别技术归类为过程信号监测、红外热成像、图像特征、反射光谱、超声波探测、电磁波探测,从识别机理和技术原理方面进行了详细的介绍,并列举了典型特征下的煤岩差异。其次综合阐述了各种识别技术的研究现状,总结出工程实际中的煤岩识别技术应用现状;从理论技术研究、工况环境影响、煤岩特征3方面建立了不同识别技术的局限度评价表,超声波、电磁波探测技术局限度最低,红外成像识别技术局限度最高,其中工况环境对红外成像识别局限最明显,煤岩特征对反射光谱识别和过程信号监测识别局限最明显。基于上述局限度,对未来煤岩识别的研究重点提出4点建议：煤岩特征信息的深层挖掘,复杂多变环境的影响机理研究,物理属性相近的煤岩识别新方法,综合地质条件的煤岩识别方法适用性研究,为我国煤岩识别技术发展、煤矿智能化建设提供理论指导。     

煤岩电磁辐射技术研究及其应用

电磁辐射是煤岩体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新的平衡的结果。综述煤岩的电磁辐射技术的研究及其应用,包括煤岩受载产生的电磁辐射与应力和变形破裂程度的关系、电磁辐射的原理等研究,以及电磁辐射技术在煤岩冲击地压灾害预测方面的研究和应用。     

采动煤岩不同破裂模式下的能量辐射与应力降特征

理论比较分析煤岩在剪切、拉伸等破裂模式下的应力降、应变能释放及震动能量辐射特征,揭示采动煤岩不同破裂模式下的冲击危险差异.研究表明,煤岩破裂失稳释放的应变能随其破裂尺度的增大而增大,且在相同破裂尺度下,煤岩剪切破裂释放的能量和产生的应力降远大于在拉伸破裂下的能量释放和应力降大小.在能量释放相同时,震源破裂尺度随其单轴抗...     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

不同应力速率下含水煤岩声发射信号特性

对不同应力速率下含水煤岩声发射频谱特性进行了实验和分析.结果表明,在煤岩的受载变形破裂过程中声发射是阵发性的,其声发射的频率特性较为单一.煤岩含水量的不同,对其声发射特性有一定影响.具体表现为对声发射强度的影响.含水量较大的煤岩较之含水量小的在声发射强度上略低.应力速率大时,声发射主要集中在煤岩破裂前的一段时间内;应力速率小时,煤岩破裂前的声发射较应力速率大时变少.在应力速率提高后,声发射在频次和幅度上有很明显的增加.     

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究

通过分析煤岩破坏过程电位响应特征，并根据电位与变形破坏之间的关系，建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明：煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期，煤岩损伤变形较少，微破裂发育较为缓慢，产生的电位信号较少，较为稳定。受载后期，煤岩损伤破坏不断加剧，电位信号不断增加。当载荷突变时，煤岩破坏显著，电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈，电位突变越显著。基于统计损伤理论，建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系，推导出不同损伤阶段基于电位累积量的“应力-应变”的理论曲线，并对计算应力与实测应力进行相关性分析，得到平均相关系数为0.623 7，呈显著相关，与实测值具有很好的对应性，且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程，为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。     

煤储层水力压裂破裂压力影响因素数值模拟研究

为提高煤层气井的压裂效率,通过利用ANSYS有限元软件,模拟了煤层气井压裂过程中的降低煤层破裂压力的各种途径和方法,研究建立了套管射孔完井的应力计算模型,并计算了模拟煤岩破裂压力,分析了射孔长度、孔径、煤岩的泊松比与杨氏模量、地层深度等对煤岩破裂压力的影响。模拟结果表明,当射孔长度和射孔孔径分别控制在1 m左右和15 mm左右的情况下,有利于降低煤岩的破裂压力;较低的煤岩泊松比在一定程度上有利于减小破裂压力;煤岩杨氏模量对破裂压力的影响不大;而煤层的深度越大,其破裂压力受水平主应力差的影响越小。     

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置，采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后，瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大，在弹性压密到强化阶段，瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段，瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大，瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点；在瓦斯压力较低的情况下，煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著，破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍，含水饱和度增大后，煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同，虽然增大了煤岩孔隙压力，但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。     

基于ANN的煤岩破坏电磁辐射预测研究

以自适应神经网络的基本原理和实现步骤为基础，研究了煤岩变形破裂过程电磁辐射自适应神经网络预测的原理及特点，将电磁辐射自适应神经网络模型应用于煤岩变形破裂过程声发射和电磁辐射序列的预测。研究结果表明，采用神经网络可以有效预测电磁辐射和声发射信号，为判定煤岩变形破裂状态提供依据。     

峰局五矿岩石力学及微结构特征的研究

在研究煤矿岩石力学基本特征的基础上，结合显微镜下岩石微结构的基本特征，通过量测岩石在加载过程中声波波速和幅值的变化，确定岩石破坏过程中的几个阶段，实验对岩石破裂前兆的预测。同时，用岩石断裂力学的基本观点对煤矿底鼓水的机理进行了探索性研究。     

关于煤与瓦斯突出的数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,建立了煤岩破裂过程气固耦合作用的RF-PA2D-GasFlow模型,应用该模型对煤与瓦斯突出进行数值模拟,再现含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下煤岩损伤破裂并诱致突出的全过程,这为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征

急倾斜煤层的赋存环境及水平分段综放的开采方式加剧了综放工作面采场结构与应力演化的复杂性,增加了综放工作面稳定性评估的难度,为此采用多手段联动的方法对煤岩体结构与巷道围岩破裂特征进行综合探测。通过急倾斜煤层综放工作面覆岩结构与应力分析巷道围岩产生分区破裂的力源条件;基于钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等监测方法,获得了巷道围岩质量与离层区分布位置,钻孔内壁裂隙发育程度、裂隙数量与长度以及动态破裂演化特征。综合分析表明：急倾斜特厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征,顶板与两帮裂隙呈现不规则的分区演化特征,裂隙区与完整区交替出现,煤体侧巷道帮的裂隙分布区域大于岩体侧。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

王家岭矿综放沿空掘巷合理煤柱宽度与控制技术研究

针对高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度留设问题,以王家岭煤矿为工程背景,通过钻孔窥视勘探基本顶断裂线位置阐明了巷道围岩的非对称破坏特征;建立了综放工作面侧向基本顶破断结构模型,推导出了沿空侧巷道顶板范围内弯矩表达式;采用FLAC3D数值模拟软件分析了不同煤柱宽度下巷道围岩应力与屈服区演化特征,确定了合理煤柱宽度为8 m;基于N2103回风平巷留设8 m护巷煤柱时顶板弯矩变化规律,提出了巷道围岩的非对称控制技术,并进行现场应用。结果表明：顶板、煤柱帮和实体煤帮位移量在工作面回采期间分别为216 mm、198mm和121 mm,巷道控制效果明显。     

地面钻井剪切变形破坏模型及其空间规律分析

抽采煤层瓦斯是解决煤矿井下瓦斯超限难题的根本措施.但受煤层回采的影响,当回采工作面推过地面瓦斯抽采钻井位置后钻井套管迅速发生破坏,无法充分发挥其抽采采空区瓦斯的效应.因此,基于采场上覆岩层层面剪切滑移效应建立了地面钻井剪切变形破坏模型,并对套管随回采工作面推进在采场倾向方向上的位移变化规律进行了研究,指出:钻井剪切滑移...     

煤体破裂声发射的频谱特征研究

对受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了测试及研究分析，结果表明，煤体受载破裂时，其声发射信号的频谱不是一层不变的，而是随载荷及变形破裂过程而发生变化，基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强，声发射信号增强，主频带增高．煤体声发射的频谱特征变化与煤体变形破裂过程密切相关．     

采动覆岩裂隙发育变化规律研究

为了研究采动覆岩裂隙发育变化规律,建立了基本顶初次来压的力学模型,分析了岩体的变形场方程、岩体损伤演变方程,然后采用RFPA^2D数值模拟软件,研究了覆岩破断裂隙发育变化规律、煤层开采采场应力变化以及煤采空区垂直压应力变化规律。研究得出,随着煤层不断的开采,顶板裂隙带的位置不断向上发育,采场上部的卸压区为拱形,工作面前方的支撑压力峰值逐渐增加。研究为矿井后期开采设计提供了借鉴。