煤岩变形破坏过程微震信号的实验研究

采用实验室实验,测试了煤岩变形破坏的微震信号,对比分析了煤岩变形破坏微震信号的规律及特征,初步探讨其机理。结果表明,煤样和岩样在主破裂发生前呈现出很弱的微震信号,即破坏发生前主频带变宽,应力达到最大值,信号频率最复杂,煤样在该阶段已经进入危险状态,必须立刻采取相应的措施。因此,可以利用煤岩变形破坏发出的微震信号变化特征,预测预报煤岩动力灾害发生。     

坚硬顶板易冲击煤层电磁辐射规律及其预测应用

姚桥矿组合煤岩样压缩破坏的电磁辐射实验表明,煤岩样电磁辐射信号随载荷增加而增强,电磁辐射信号与冲击能指数成线性正比关系,电磁辐射信号与顶板比例成正指数关系.实验确定的煤岩样主破裂时电磁辐射临界值已应用于7251工作面冲击矿压预测.     

预制大尺度单裂纹煤样破坏特征及电荷规律试验研究

为有效提取含有宏观构造煤体失稳破坏的前兆信息,采用试验方法开展了完整煤样和预制不同倾角大尺度单裂纹煤样单轴压缩过程破坏特征及电荷信号规律的研究。结果表明:随预制裂纹倾角(裂纹与轴线方向的夹角)减小,煤样的峰值应力逐渐降低,达到峰值应力时间逐渐缩短,煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变,同时新生翼裂纹由垂直预制裂纹面的翼裂纹向平行预制裂纹面的翼裂纹转变;预制裂纹煤样由于宏观裂纹的存在,更容易发生破裂,在应力峰前就有显著电荷信号产生,因此预制裂纹煤样破裂前兆信息比完整煤样更容易被捕捉;随预制裂纹倾角由60°→45°→30°减小,煤样破裂首次高值电荷信号出现的时间逐渐提前,分别为68.5%σ_c和65.5%T,60.5%σ_c和47.0%T,37.5%σc和30.0%T(T为煤样全程破坏时间),应力峰后破坏阶段电荷信号幅值逐渐减小,电荷累积量曲线突变点增多且首次突变点有所提前;预制裂纹的存在通过改变煤样的变形破裂过程及形式从而实现对煤样破裂产生电荷规律的影响;可根据预制裂纹煤样破裂电荷信号相关特征,对现场进行宏观地质构造探测、以及对煤岩体节理或断层的产状进行合理的推断。有望为预测预报煤岩动力灾害提供新的方法和途径。     

冲击煤样单轴压缩的声发射特征研究

为了研究冲击煤样破坏的前兆特征,利用煤岩声发射实验系统对冲击煤样进行了单轴压缩声发射实验,研究了煤样的破坏过程及声发射特征规律.结果表明:声发射活动与载荷及煤样变形破坏具有较好的相关性;冲击煤样的声发射通常在载荷达到最大,试样完全失稳破坏时才会密集出现,表现出产生明显的“群震”特征,峰后基本上无信号产生.分析发现,在临...     

煤岩受载变形破坏声电信号时域特征的实验

受载煤岩变形破坏会产生声发射和电磁辐射信号,利用声电信号前兆在时间上和空间上的变化特征可以预警由大范围煤岩失稳引起的煤岩动力灾害。如何将声电信号的时域特征与煤岩变形破坏过程联系起来,关系到煤岩动力灾害声电预警的效果。利用煤岩单轴压缩变形破坏声电效应实验系统,测试了单轴压缩条件下煤岩试样变形破坏过程的电磁辐射和声发射信号,统计并分析了不同加载阶段电磁辐射和声发射信号的能量、脉冲等参数的变化特征。研究结果表明,受载煤岩声发射和电磁辐射的脉冲数和能量值均具有良好的时域特征;煤样的声电信号随着加载时间的进行而增大,在破坏阶段达到最大值;岩样的声发射信号在破坏阶段达到峰值而电磁辐射信号在弹塑性阶段达到峰值。     

煤单轴破坏同步声电场响应规律试验研究

为研究煤岩破坏产生的声电信号时域特征及与应力间关系,进行了多种煤样的单轴压缩试验,采集了煤样受载破裂全程的声电信号,统计分析了2种信号的振铃计数和能量参数,研究了电磁辐射信号幅度与应力降之间的关系。结果表明:煤体受载破坏过程中会伴随明显的声发射和电磁辐射信号,电磁辐射相对较少较弱,声电信号的幅度、计数、能量在时域上有很好的一致性;煤岩加载破坏产生的电磁辐射与应力骤降现象有更好的对应性,电磁辐射信号幅度与应力降间呈显著的线性相关关系,更明显的应力下降现象对应产生更强的电磁辐射信号幅度。     

基于多重分形理论的冲击地压电磁辐射预测

煤岩破坏产生的电磁辐射信号具有多重分形特征,在正阶距区域,多重分形谱宽度趋于一个稳定值,该值能够表征煤岩的冲击破坏。为了提高电磁辐射预测预报煤矿冲击地压的水平,采用物理实验和多重分形理论相结合的方法,研究了煤样变形破坏过程中多重分形谱宽度与其冲击倾向、释放能量的内在关系,结果显示：当阶距q从2增加到7时,多重分形谱宽度趋于一个稳定值,临近主破裂时,达到最大值;煤样主破裂多重分形谱宽度ΔD_qc与其冲击能指数和剩余能量均呈正线性关系,与弹性指数呈正对数关系,在此基础上建立了电磁辐射预测冲击地压的量化分级指标体系。利用上述分级指标体系,成功地对7251工作面的冲击地压进行了准确的预测预报。     

三轴压缩煤岩强度及变形特征的试验研究

在MTS815岩石伺服试验机上对鲍店煤矿3煤进行了常规三轴压缩试验,并对试验结果进行了分析.结果表明：煤岩由于含有大量的微孔隙裂隙,在围压作用下,孔隙裂隙被压密闭合,弹性模量随之增大,但并非呈线性关系.在常规三轴压缩条件下,煤样三轴压缩强度与围压之间呈线性关系（不包括单轴压缩情况）,在实验的围压范围内,煤岩破坏符合Coulomb强度准则,但由于煤样具有明显的非均质特性,其内部含有大量的随机裂隙等缺陷,且煤样黏聚力较低,煤样沿随机裂隙破裂偏离θ=45°+Φ/2的可能性很大.     

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。     

裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究

为了研究裂隙煤体受载破坏红外辐射变化特征规律,进行了单轴压缩条件下预制裂隙煤样红外辐射实验,对比分析了预制裂隙煤样与完整煤样受载破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图的变化特征。结果表明：相对于完整煤样,预制裂隙煤样受载破坏过程中最高红外辐射温度突增量相对较小,而平均红外辐射温度突增量相对较大,且在主破裂发生前,红外辐射温度曲线波动较小;红外热像云图的变化更加明显,主破裂发生前,白色和深蓝色低温区域逐渐缩小,可以作为预测煤体失稳破坏的前兆信息。     

含孔洞混凝土单轴压缩实验的声电信号特征

建立了含孔洞混凝土单轴压缩实验系统,通过分析含孔洞混凝土受载破裂过程的声电信号特征来揭示其破裂机理。实验发现含孔洞混凝土的破裂模式受骨料粒径和孔洞大小的影响,骨料越粗,声电信号发生突变的次数越多,孔洞越大,声电信号的峰值出现越早。材料声发射和电磁辐射水平与所受应力之间存在正相关耦合关系,但声发射与电磁辐射的变化并不完全同步。综合利用声发射和电磁辐射探测技术可以评价煤岩体的稳定性和预测预防岩爆的发生。     

Application of discrete wavelet operations in the detection of acoustic emission of coal and rock rupture

Through the 5-channel SWAES digital full waveform AE detector, the paper dealt with the fracture process of coal and rock samples under uniaxial compression. Using wavelet operations of multi-scale discrete analysis the pulses of a particular time period (points) and the space domain signal by numerical method were gotten, and the paper concluded that the signal singularity in load rupture had closely relations with fracture and uniaxial compression. The detected position and the actual breaking point only differed at one sample point, the relative error was 6.82%, and there was no accumulative error. Thus it provided an effective method to solve the problem of instability analysis of the signal singularity detection and coal-rock compression failure in the whole process.     

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。     

煤样压缩破坏过程的声发射试验

对煤样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,通过对能量计数率的最大Lyapunov指数计算,证明煤岩破裂过程并非呈现混沌,而是可以通过声发射信息预测的.对能量计数率进行小波系数分解,进一步计算得到各尺度的Lipschitz指数α.结果表明,可以用最先出现的α负值所对应的时间作为煤样破裂预测时间.     

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。     

成庄矿煤岩破坏电磁辐射特性及其应用研究

利用电磁辐射信号采集试验系统,研究了晋煤集团成庄矿煤岩在单轴压缩、拉伸、剪切破坏条件下的电磁辐射和声发射特性。试验结果表明,煤岩变形破坏过程中有电磁辐射信号产生,受载煤岩产生的电磁辐射与变形破裂过程紧密相关,基本成正比关系;经过与同步测试的声发射信号相比,发现电磁辐射信号更丰富。现场利用煤岩破坏的电磁辐射监测技术可以定量研究工作面推进基本顶来压、顶板周期来压的动态变化规律。     

煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究

为研究煤样受载破坏过程中有效前兆信息,开展了煤样单轴压缩加载试验,分析了在相同加载方式下煤样红外辐射温度变化特征,运用临界慢化理论对煤样最高红外辐射温度进行处理,比较了最高红外辐射温度的方差和自相关系数,分析了方差、最高红外辐射温度以及载荷在时间上的变化特征。结果表明:煤样在受载前期和中期最高和平均红外温度变化趋势基本保持一致,受载后期最高红外温度在煤样损伤点处呈上升趋势,主破裂发生时,最高红外辐射温度急剧上升,而平均红外温度在主破裂时并未表现出明显变化;方差和自相关系数均受窗口长度和滞后步长的影响,但方差曲线受窗口长度影响较大;对比红外降温前兆点和红外升温突增点,方差对煤样失稳破坏的预测更加的精准。     

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。     

煤岩蠕变破裂判定准则及应用

煤岩边坡的大变形不是瞬间发生的,而是长时间缓慢流变的结果,其中蠕变是流变的主要形式,当蠕变进入到了加速发展阶段即蠕变的第三阶段,发生蠕变破裂,会使煤岩体失去承载能力并损坏,甚至发生严重事故。因此,开展煤岩蠕变破裂判据研究尤为必要。应用最大拉应力理论以及最大拉应力单元追踪法,模拟流变变形过程中裂纹的萌生、扩展和汇聚,建立蠕变破裂判断准则;应用FEPG软件平台,编制蠕变破裂模块,从受法向力作用下的蠕变破裂,分析其各设定监测点随时间不同方向位移变化的规律;通过对层状边坡蠕变破裂模拟与海州煤矿监测数据对比可知,两者可以很好的吻合。