不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发射特征研究

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,研究了其变形破坏过程中的声发射能量计数、振铃计数、定位事件的动态演化规律。实验结果表明:强冲击倾向性煤样声发射统计参量曲线均可以表征煤岩体失稳破坏过程,可将煤样失稳破坏过程划分为4个阶段,与应力应变曲线的压密、弹性、塑形、破坏阶段基本对应;表征煤岩失稳破坏的前兆特征包括:能量计数及振铃计数破坏前的大幅度增加,能量计数、振铃计数以及定位事件计数破坏前的声发射平静期,单位应力增量内声发射定位事件的大幅增加;试样尺寸的变化,对声发射统计参量曲线前期影响较大,对于失稳破坏的前兆特征无明显影响,尺寸效应不明显。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

单轴压缩条件下岩石试样声发射特征研究

借助加载控制系统和声发射检测系统,对某矿煤层顶底板砂岩试样进行单轴加载,同时利用声发射检测设备同步进行监测,从而获得砂岩试样在单轴加载条件下的声发射振铃总计数、振铃计数率、各通道幅值、能量、能量率、幅值等声发射特性参数。结果表明:试验砂岩结构组成单一,强度高且表现为脆性;试样的AE能率与声发射事件率吻合,AE能率在岩石破坏前的声发射相对平静期更加明显;相对平静期的特征点可作为岩石破坏的前兆特征点,岩样相对平静期特征点的应力强度百分比为90%~98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。     

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。     

不同粒度弱胶结砂岩单轴加载下声发射特性试验研究

对不同粒度的弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究。根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了加载全过程中的应力、AE振铃计数、AE幅值以及AE绝对能量随时间的变化规律。研究表明:弱胶结砂岩随着颗粒粒度的减小,峰值强度增加。在单轴加载过程中,弱胶结砂岩AE振铃计数和AE绝对能量以数量级增加。不同粒度的弱胶结砂岩在初期压密阶段,AE振幅均较低;随着应力的增加,AE振幅不断增加。AE幅值在小于40dB的区间内,占比最高;在40～50dB区间内,占比次之,而这2个区间的AE幅值占比之和达到90%左右。说明不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩破坏过程中,以小尺度裂纹扩展为主;最后裂纹贯通,完全破坏。     

单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究

利用岩石力学试验机和PAC声发射信号采集系统对冲击倾向性煤样进行了单轴压缩声发射测试,研究了其变形破坏过程中的声发射能率及b值的动态变化特征。试验结果表明,冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样的声发射能率活跃点分别为峰值应力的90%和50%,声发射能率特征体现了冲击倾向性的本质,煤样破坏前声发射b值可以作为冲击倾向性煤样失稳破坏的前兆信息。     

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性,对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验,分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明:强冲击倾向性煤体在受载前期和中期,声发射能率与总能量数均很低,临近峰值强度时开始急剧增长;弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃,尤其在受载的中后期,呈阶梯式逐步增长趋势;不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息,随着冲击倾向性的增强,声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况,其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域;随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大,声发射定位事件数量逐步增加,临近峰值强度时,声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系,从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究

通过RMT-150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明:当加载速率增大时,强度为148.89～202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52～94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究#br#

通过RMT 150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验，测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明：当加载速率增大时，强度为148.89~202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减，而振铃计数频率先减后增；强度为77.52~94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小，振铃计数极值先减后增，低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃，振铃计数频率高且分布均匀，高速率时振铃计数易突增，振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

高温三轴应力下煤体弹性模量的演化规律

利用自主研制的“600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”研究了500 m原岩应力状态下室温至600 ℃升温过程中大尺寸（200 mm×400 mm）晋城无烟煤和兴隆庄气煤弹性模量随温度的演化规律,对比分析了无烟煤和气煤弹性模量变化规律的异同,讨论了弹性模量突变临界温度和热解产气对煤体弹性模量的影响。结果表明：煤的弹性模量随温度升高变化过程可以分为3个阶段,即中低温平稳降低阶段、中高温剧烈降低阶段和高温缓慢降低阶段;煤体热解产气对弹性模量变化产生重要影响,随着温度升高,无烟煤弹性模量与热解产气速率呈明显的负指数关系;围压、温度和热解共同影响煤体弹性模量,在围压保持不变的条件下,温度和热解产气是影响弹性模量的主要因素弹性模量在不同温度阶段呈现出不同的变化特征;煤的弹性模量随温度的变化规律较砂岩复杂,但同样存在弹性模量突变临界温度点,只是不同煤阶的煤体临界温度出现较大差异。     

掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理猜想

借鉴巷道蝶型冲击地压理论及非线性动力系统理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理的猜想,认为掘进巷道煤与瓦斯突出的力学本质是巷道掘进工作面前方极短时间内出现一定程度的蝶形塑性区增量,引发围岩内弹性能与瓦斯能的叠加并迅速释放,进而发生煤与瓦斯突出。从蝶型冲击地压与蝶型煤与瓦斯突出在塑性区变化规律上的一致性及突出能量源的大小等方面对猜想的合理性进行了论证,构建了煤与瓦斯突出危险性的评估指标体系,提出了发生煤与瓦斯突出的强度、应力、角度和触发事件等4个必要条件,确定了发生煤与瓦斯突出的充分条件;首次对煤与瓦斯突出现象、发生条件与过程进行了定量分析与定量(非定性)解释。研究成果为煤层巷道煤与瓦斯突出的预测、预报和防治提供了全新的思路。     

基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究

为研究岩石岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的关联,建立了不同岩爆倾向岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系,并对3种不同岩爆倾向性岩石单轴加载下的声发射特征进行了实验室试验,验证了其正确性。当岩石岩爆倾向性较强时,随着应变量的增加,主破裂之前只有零星的声发射出现,并且能量非常小,主破裂之后的声发射几乎没有,而主破裂时的声发射数目和能量都非常显著。当岩石岩爆倾向性较弱时,加载不久就有少量声发射出现,在时间上呈现无规则型、没有声发射率显著变化的阶段出现。     

砂岩岩爆声发射特征及b值动态特性试验研究

在单轴加载条件下,对砂岩进行全程加载声发射试验,得到砂岩岩爆破坏过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间关系曲线。根据需要选择声发射累计数、震级-频度关系中的b值变化规律,研究了砂岩岩爆的前兆信息。研究表明,在砂岩弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,声发射累计数快速增加,b值持续下降;在砂岩发生岩爆前,b值下降到最低值。对声发射累计数和b值进行联合分析,能更加准确地预知岩爆的发生。     

采动影响下突出煤体温度与声发射特性

利用自主研发的大型煤与瓦斯突出模拟试验装置和16 CHs SAMOS System声发射测试系统,探讨采煤工作面前方卸压带应力水平对煤与瓦斯突出的孕育与发生发展过程中煤体温度及其声发射特性的影响。试验结果表明：在煤体充瓦斯阶段,煤体温度升高,且随着卸压带应力的增大,煤体温度的增量有减少的趋势;在突出发生阶段,煤体温度经历一个陡降突变的过程,但卸压带应力水平的变化对煤体温度陡降突变的影响并不明显;在煤体充瓦斯阶段,随着卸压带应力的增大,Hit率峰值减小,产生的声发射特性不明显,而在突出发生阶段,随着卸压带应力的增大,Hit率峰值增加,产生的声发射特性越加明显。对煤与瓦斯突出全过程中煤体内声发射特性与其温度变化规律分析,发现二者有着密切的内在联系,说明煤与瓦斯突出过程中煤体破裂与能量变化有直接关系。     

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。     

突出煤体变形破坏过程声发射演化特征综合分析

对阳煤新元矿3号突出煤层的原煤和型煤进行载荷控制方式下的变形破坏试验,研究不同类型煤样变形破坏过程中声发射特征及其差异。研究结果表明,煤体破裂过程经历了3个阶段：非裂纹发展阶段、裂纹的稳定发展阶段和非稳定发展阶段。原煤在裂纹的稳定发展阶段及其以后,体应变速率的增大伴随着声发射指标的增大,且体应变的突降伴随着声发射指标的激增。原煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力之前,表现出峰后的脆性变形特征,声发射指标峰值也出现在峰值应力之前;而型煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力以后,表现出峰后塑性流动的延性变形,声发射指标峰值也出现在峰值应力以后。原煤破裂过程中呈现出两种体应变-时间曲线形态,既有较为平滑的曲线形态,也有在裂纹的稳定发展阶段就开始出现短时突降的体应变-时间曲线形态;而型煤仅呈现出平滑的曲线形态。原煤的声发射参数与应力之间总体上呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段或者稳定发展阶段的中期以后,声发射参数具有较高的数值;而型煤声发射参数的演化分为两个阶段,峰前的平静期和峰后的爆发期,由峰前较为稳定的低值跃升到峰后较高水平的最大值,其破坏的声发射参数具有突增性。原煤声发射强度包括平均强度和峰值强度均远大于型煤的声发射强度,这主要是原煤强度较高容易积聚较高的弹性潜能且内部结构相对破碎所致。     

循环载荷作用下煤的力学性质及声发射特征演化规律

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,可以通过研究煤的声发射规律掌握其损伤和裂隙的演化规律。借助三轴液电伺服加载系统和声发射测试系统,针对原煤试样,进行了循环加载实验,揭示了循环载荷作用下的煤力学性质和声发射演化特征。研究结果表明:多级加载疲劳试验中,循环载荷幅度相同的条件下,随着加载频率的减小,弹性模量降低30%～40%、不可逆塑性变形增加,说明煤样损伤及裂纹发展有时间效应;循环加卸载频率对于煤样内部原有的或新生的微裂纹扩展规律具有较大的影响;验证了声发射试验中的Kaiser效应和Felicity效应,发现煤的应力记忆特征、应变记忆特征具有Felicity效应,而且相对于应变记忆特征,应力记忆特征变化更加明显,说明煤的物性参数(应变)记忆能力相对好于状态参数(应力),更能准确地描述损伤。     

高深矿井冲击矿压综合防治技术

为分析孙村矿深部2号和4号煤层及其顶板岩层的冲击倾向性,采用了冲击倾向试验和岩体浸水力学试验,对煤岩样的各冲击倾向性指数及其浸水后的强度变化进行了试验研究。结果表明：煤岩均具有中等冲击倾向性,且浸水7 d后强度降低明显。为了确保安全开采该煤层,提出了防治、预测预报、解危和防护等综合方法来防治冲击地压,在2423工作面回采过程中,2423回风巷煤岩钻孔0～7 m深内的煤粉量在0.7～7.3 kg/m变化且均小于危险指标,4422运输巷钻孔煤粉量在距孔口3 m范围内变化不大,且都处于危险值以下,实现了安全掘进和回采。     

基于塑性应变梯度理论的材料失稳型冲击地压触发判据

为研究材料失稳型冲击地压失稳的发生判据,开展了摄像实时观测情况下,煤体受端部位移约束的冲击倾向性煤体压缩破坏实验。首先,探索了实验室尺度下冲击煤体的破裂特征,然后采用有限元数值分析的方法对比分析了工程尺度下煤体发生冲击地压前的破裂趋势。最终基于实验和数值分析结果,建立了塑性应变梯度理论下的材料失稳型冲击地压的触发判据。冲击煤体压缩破坏实验结果表明:端部约束煤体发生破坏时,煤体呈现冲击破坏的特点,并分阶段发展,每个阶段都伴随着不同程度的声音信号与相关的特征信息。当应力达到强度的60%时,有少量煤体喷射;达到78%以上时,较多的煤体发生冲击,具有明显的喷射特点;接近峰值强度时,有大量煤体臌出,但无喷射特点。煤体破裂形式整体上表现为拉剪混合破裂,形成的破裂面呈内凹三角形状,与冲击地压现场煤体破裂面类似,表明实验结果具有一定的参考意义。不同高径比的煤体破坏的峰值强度略有不同,小高径比煤样的抗压强度稍大、破裂面内凹深度减小。采用有限元数值分析方法显示,巷道侧壁围岩容易在巷道变形过程中形成内凹三角形状的塑性变形集中带,从而在冲击地压发生中形成三角状的破裂面。基于内凹破裂面形态和塑性应变梯度理论,采用应变软化本构,从静力平衡和能量平衡角度,建立了煤体发生破坏前材料冲击失稳的判定准则。