FLAC在煤岩变形破裂力电耦合规律研究中的应用

运用FLAC软件对加载煤岩进行了三维FLAC分析与应力场数值模拟计算，结合基于脆性材料损伤特性和强度统计理论以及实验室测定结果得到的煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力之间的耦合关系式，对单轴压缩与矿山巷道掘进煤岩变形破裂过程中应力与产生的电磁辐射信号进行了耦合研究，耦合计算结果与实验测定结果吻合，表明选取的应力场数值模拟软件FLAC可以很好地模拟煤岩受载时内部应力变化规律．     

电磁辐射监测冲击矿压灾害危险

岩石冲击破裂过程中 ,裂缝的形成和颗粒的摩擦会产生电磁辐射。煤岩体的电磁辐射是由于非均质煤岩体在应力作用下非均匀变速变形及裂纹形成与扩展过程中 ,内部电荷的迁移而产生。实验室研究了强冲击煤样破坏前后的电磁辐射规律 ,得到煤体应力越大 ,变形破裂越强烈 ,电磁辐射信号也越强 ;确定了煤样冲击破坏的电磁辐射预警值 ;提出了临界指标法、偏差法等监测冲击矿压危险的电磁辐射方法。采用KBD5矿用本安型冲击矿压电磁辐射监测仪对某矿具有严重冲击危险的四层煤工作面进行了矿震和冲击矿压危险监测 ,有效地预测了多次冲击危险 ,取得了良好的效果。     

降低台阶爆破大块率的数值模拟研究与应用

利用有限元软件LS-DYNA对两种装药结构的岩石爆破过程进行了数值模拟,揭露了宜春钽铌矿原矿山台阶爆破装药结构的不合理性。在总装药量不变的情况下,优化装药结构能提高装药重心,使得岩体受力合理,能有效降低大块率。通过力学对比分析,解释了优化装药结构降低台阶爆破大块率的原因,为爆破理论的研究提供理论依据。现场工程实践表明,通过优化装药结构明显降低了大块率,为矿山生产解决了实际问题,对类似矿山具有借鉴意义。     

复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照1∶1∶1比例制备复合煤岩试样,采用0.1,0.3,1.0 mm/min三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在0.8以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短,信号特征为阵发性的,当以0.1 mm/min速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm/min速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了SCT(stress-charge-thermal)耦合模型。针对12组试样进行试验,数据拟合结果表明:SCT模型参数n,b′的数据拟合精度较SET耦合模型m,b稍高,复相关系数基本均在0.9以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用SCT耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。     

巷道两帮煤岩体电磁辐射信号差异分析

根据平煤集团十一矿己二采区煤层具有弱冲击倾向性和属于中等冲击危险采区这一事实,采用电磁辐射预测预报冲击矿压技术,对该采区掘进巷道进行了冲击危险性预测预报,通过对监测到的电磁辐射信号进行分析,得出沿煤层走向掘进巷道的两帮电磁辐射信号存在较大差异这一结论．通过对巷道两帮电磁辐射信号来源、发生机理以及巷道两帮煤体受力情况进行分析,找出了巷道两帮电磁辐射信号有较大差异的原因和影响因素,根据该项技术分析以及所得出的结论,可通过分析冲击矿压危险巷道的地质条件提前对巷道两帮的冲击危险性作出初步对比判断,从而节约冲击矿压防治成本,促进煤矿安全高效生产．     

基于光纤光栅加速度传感器的平面震动定位试验

岩石等介质在外力作用下发生变形或开裂破坏过程中,释放弹性能产生微震事件。基于光纤传感技术的微震监测系统采用光纤光栅加速度传感器,在信号传输过程中不受光强影响,传输距离远,本质安全,抗电磁干扰,克服了传统电子类微震传感器的缺点。为验证系统性能,进行了平面震动监测试验,利用最小二乘法实现震源平面定位。试验采集信号波形清晰,高信噪比,高阻尼,传感器布置在震源周围时,定位精度大大提高,震源定位误差并不随采样频率提高而降低。试验结果对光纤传感微震监测系统应用于煤矿井下冲击地压监测具有重要的借鉴意义。     

冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用

试验研究表明，煤岩在冲击破裂过程中，裂缝的形成和颗粒的摩擦会产生电磁辐射；煤岩体所受的应力越高、变形破裂越强烈，电磁辐射信号越强；现场观测的微震和冲击矿压发生前，电磁辐射也有较大幅度的增加．为此，提出了非接触式电磁辐射预测冲击矿压危险的临界指标和偏差技术．     

煤岩电磁辐射响应信号的相空间分析

为了研究煤岩电磁辐射响应信号的复杂性及其动力学特征,通过对华丰矿实测煤岩电磁辐射信号的相空间分析,计算并分析重构相空间中的煤岩电磁辐射信号的关联维及最大李雅谱诺夫指数随嵌入维增加而发生变化的情况,发现其关联维趋于一稳定值,此外它还具有正的最大李雅谱诺夫指数,为进一步对煤岩电磁辐射响应信号进行混沌分析打下基础。     

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。     

岩体中电磁辐射信号的产生与传播

从压电效应机制出发,研究岩体在应力波作用下电磁辐射的传播规律.研究结果表明,岩体中电磁辐射随岩体的初始损伤增大而减小,随传播距离发生衰减,在应力波源处信号最强;随压电系数以及岩体的波阻抗增大而增大;随电阻率增大而增大,相对其它4个参数而言,其影响幅值较小.研究结果与现有的室内实验及现场观测结果相吻合.     

电磁辐射法在岩爆监测中的应用

简述了电磁辐射法预测岩爆的原理,实测给出了有岩爆危险时电磁辐射强度和脉冲数的临界值和有岩爆危险时电磁辐射的变化规律。结果表明,采用电磁辐射法预测岩爆是可行的,并且实施需要时间短,准确率高,能够监测到工作面前方的岩体活动情况,是一种很有发展前途的岩爆危险性预测预报方法。     

含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息试验研究

针对含瓦斯煤体加载破坏前兆信息难以识别、提取的研究现状,自行研制了含瓦斯煤体加载声-电监测装置,对含瓦斯煤体加载全过程进行实时监测以获取声-电前兆信息。试验结果表明：声-电监测系统能够捕捉到含瓦斯煤体产生的电荷与声发射信号,加载过程中部分电荷信号先于声发射信号变化,声-电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关;煤体内部自由电荷与声发射信号的产生具有本质上的区别,前者是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生,而后者是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程;通过划分含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息异常区域,确定了声-电监测技术应用于矿山动力灾害预警的可行性。     

用电磁辐射法监测预报矿山采空区顶板稳定性

对坚硬煤岩层的电磁辐射特性进行了实验研究,对煤矿回采过程中煤岩体电磁辐射变化规律进行了监测分析,在此基础上提出了电磁辐射监测预报顶板稳定性的技术方法,并在煤矿进行了试验应用.研究结果表明：在矿山采掘过程中,伴随顶板活动会产生明显的电磁辐射信号,顶板垮落前电磁辐射有异常反映,表现为异常增大或呈现增长趋势,用电磁辐射法监测预报顶板垮落是可行的, 且具有快捷、方便、准确率高的优点.     

受载煤岩体电磁辐射动态多重分形特征

采用多重分形理论、物理试验相结合的方法研究了试件单轴压缩破坏过程中电磁辐射信号的多重分形谱宽度ΔDq的变化规律。研究结果表明：试件单轴压缩破坏过程中产生的电磁辐射信号具有多重分形特征;多重分形谱宽度ΔDq与试件所受的应力水平有密切关系。加载初期,分形谱宽度ΔDq随着应力的增加而起伏增强;临近主破裂时,多重分形谱宽度ΔDq达到最大值0.27,进入残余变形阶段后,ΔDq下降至0.20~0.22。因此多重分形谱宽度ΔDq的动态变化与试件受载变形破裂过程具有良好的对应关系,临近主破裂时ΔDq急剧增大且达到最大临界值可以作为试件冲击破坏的判定依据,对试件冲击破坏进行提前预警。     

不同温度下岩石电荷感应试验

利用建立的温度对岩体电荷感应影响试验系统,研究了不同温度下花岗岩、砂岩电荷感应变化特征和规律。从试验中观察到,花岗岩、砂岩温度达到30 ℃左右,开始有微弱电荷感应信号产生。随温度升高,电荷感应信号逐渐增强,花岗岩温度达到100 ℃,砂岩温度达到150 ℃后,电荷感应信号随温度的升高增幅较快。结果表明：随温度变化,岩体存在热电荷阈值。通过岩石电荷感应的研究,对进一步深入研究煤岩破裂电荷的产生机理具有一定的作用。     

Monitoring dynamic rock pressure events using improved EME recording instrumentation

The article reports electromagnetic emission (EME) measurements in rocks using REMI-2 equipment and recording–diagnosing system RDS REMI-3 developed jointly at the Institute of Mining and Novosibirsk State Technical University. REMI-2 measures EME signal strength and displays the results digitally. RDS REMI-3 is advantageous over earlier designed equipment as it downloads measurement data in the embedded memory. The EME records are displayed as oscillograms to enable detecting initial stage of rock failure based on analysis of change in structure, parameters and spectrum-and-time behavior of EME signals.     

电荷感应法粉尘浓度检测技术

为了避免目前粉尘浓度传感器管路易堵塞、维护较频繁的问题,根据煤矿粉尘的电荷性提出电荷感应法粉尘浓度检测技术。建立了棒状电极与粉尘颗粒间的电荷感应数学模型,推导了棒状电极电荷感应空间灵敏度,并分析了其感应空间灵敏度的分布特性;通过对单一粉尘颗粒和粉尘云感应信号的研究,证明了动态的带电颗粒可感应出交变信号,带电颗粒距电极越近感应信号的波动性越大,且电极周围的粉尘浓度与感应所得信号的波动性呈正相关关系。通过实验分析波动信号各个特征值与粉尘浓度间的关系,确定了波动信号的标准偏差与粉尘浓度整体具有较好的线性度。最后通过实验证明电荷感应法粉尘浓度检测技术具有较好的重复性,且检测误差低于10%。     

Geomechanical Estimation of Deformation Intensity above the Flooded Potash Mine

In focus of the article is minimization of aftereffects of the large-scale accident connected with the flooding of Berezniki Potash Mine in the Perm Krai. The authors construct a synthesized geomechanical model of the flooded mine to show the mining conditions, the process of salt rock dissolution and the elastoplastic behavior of deformation and failure of undermined rock mass in time. Approaches to analyzing intensity of degeneration of load-bearing elements of the open stoping system as a consequence of salt rock dissolving are proposed. The obtained estimates are the parametric framework for prediction of the ground surface deformation using 3D mathematical modeling. The geomechanical calculation results are used in the managerial decision-making on safety of the industrial and civil infrastructure within the hazardous territory.     

电磁辐射法评定冲击矿压危险等级及应用

通过对基于电磁辐射的煤岩体损伤参量的分析,阐述了电磁辐射法预测煤矿冲击矿压危险的原理和冲击破坏预测准则,深化了对其的认识.提出了冲击破坏预测准则中电磁辐射临界值的确定方法,并对煤矿冲击矿压危险等级依电磁辐射法进行了划分,提出了相应的防治措施.通过实例介绍了电磁辐射法评定煤矿冲击矿压危险等级的应用情况.     

偏心不耦合装药爆破对岩石损伤的试验研究

针对张坝沟石灰石矿露天边坡倾斜孔光面爆破,在爆孔旁侧钻眼测试声波以测试岩石的损伤程度,结果表明爆破影响达1.5m左右。文中还通过水泥砂浆模型实验得出了孔壁应力、应变和压力分布,结果表明炸药紧贴孔壁的压力远大于其余方向的压力,为改变装药结构提供依据。