基于声发射能量值的煤岩试样损伤分析

试样内部微裂纹在压力作用下的萌生、分叉、扩展及贯通,最终导致了试样的破坏。声发射检测系统能实时检测获得试样在变形破坏过程中声发射信号,获得的声发射特征参数也因此包含了煤岩试样变形破坏过程中大量的损伤信息。通过利用试验获得的声发射特征参数对岩石变形破坏过程的损伤进行分析研究,得出岩石的声发射现象与岩石的损伤有密切关系。     

滚刀破碎煤岩机理的声发射研究

应用声发射测试方法研究滚刀破岩机理，试验中采用了先进的声发射测试系统（ＡＥＴ－５５００），介绍了试验、测试方法，并对试验结果进行了分析。     

基于颗粒离散元模型的煤岩损伤演化及声发射特性分析

借助于颗粒离散元程序PFC对单轴压缩作用下的煤岩数值模型进行了声发射及损伤演化特性分析,并基于声发射累积次数建立了损伤演化关系模型。研究结果表明,通过对不同阶段的声发射规律进行监测分析,能够为煤岩内部细观裂纹的萌生、扩展及贯通过程的预测提供参考;煤岩的损伤过程大致可分为未损伤、损伤稳定发展和损伤迅速发展3个阶段,并且与煤岩的宏观变形破坏过程存在较密切的对应关系。     

煤岩受热及损伤过程的声发射特性研究

物质燃烧产生的声波特性可进行煤自燃监测预警,利用声发射仪和煤岩受载破坏系统对煤在接收频率为1 kHz和2 kHz时的声发射信号演化规律和能量分析,发现煤在受热升温的过程中会产生声信号,且随着接收频率的增大,频率高的声发射信号与温度的相关性更弱一些。对岩石在不同温度下的应力-应变特性进行分析,结果表明,随着温度的升高,岩样的峰值强度逐渐降低,且施加相同的应力发生的应变程度增大。煤岩升温过程中的声发射特性及变化规律,为利用声信号预警预报矿井火灾提供研究方向。     

饱和含水煤岩单轴压缩条件下的声发射特征

为了模拟研究煤储层的压裂特征,进行了饱和含水煤岩单轴压缩破裂实验以及声发射测试。结果表明：饱和含水煤岩在单轴压缩条件下首先产生变形,然后出现裂隙,直到最后破坏。根据声发射和应力－应变曲线特征将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型三大类。煤岩压裂过程受试件取样方向影响,当试件轴向平行面割理时,破裂过程出现迸裂型、破裂型,而无稳定型;当试件轴向垂直面割理时,破裂过程出现破裂型、稳定型,而无迸裂型。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

含水煤岩损伤破坏过程中声发射特征的研究

岩土工程在施工及运营期间,经常会遇到地下水和施工及运行载荷的共同作用,岩体在地下水和各载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。在收集国内外相关资料的基础上,对含水煤岩在单轴压缩、周期载荷作用、三轴压缩、剪切及拉伸等应力作用下的力学特性及声发射特征等方面进行了综述,对国内外的研究现状进行了回顾与分析,进而总结了含水煤岩力学特性及声发射特征的部分规律。指出随声发射技术在工程岩体稳定性监测领域的广泛应用及试验手段和试验方法的进一步发展,含水煤岩声发射有向真三轴、多场耦合方向发展的趋势,同时随着数值模拟软件及并行技术的快速发展,数值模拟试验将为含水煤岩声发射特征的研究开辟新的途径。     

煤岩试验的声发射全波形自动拾取方法研究

根据煤岩试验中声发射信号特征,提出了一种声发射波形自动拾取方法,以实现加载全过程中声发射波形自动拾取。结果表明：煤岩试验中声发射波形在不同加载阶段表现出不同特点,峰前声发射波形上升时间和持续时间较短,峰后声发射波形上升时间和持续时间略长;峰前弹性阶段声发射波形上升方向多为负方向,峰前塑性阶段和峰后阶段波形上升方向多为负方向。该自动拾取方法基本可以实现声发射全波形自动拾取,且拾取效果较好。     

加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响分析

借助细观颗粒流PFC2D软件平台建立煤岩单轴压缩模型,模拟了不同加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响。分析结果表明:加载速度对煤岩损伤破裂声发射特征规律的影响不大,但伴随加载速度的增大,产生明显声发射的时间将提前;加载速率的提高对煤岩初始发射起裂应变没有影响,但使产生强烈声发射的应变范围增加;加载速度越大,煤岩破坏前积聚的变形能越多,煤岩破坏损伤程度越高,产生的声发射总数越多。     

中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

为了研究煤矿因开挖而引起的安全问题,通过自主研发的地声过程模拟试验系统开展不同中间主应力条件下煤岩的真三轴加、卸载试验,并利用声发射探测系统记录煤岩在加、卸载过程中的损伤演化规律。结果表明:在真三轴卸载试验中,随着中间主应力增大,煤岩的破坏状态由剪切破坏转为局部剪切的张拉破坏再到整体屈服破坏;应力-应变曲线中,随着中间主应力的增大,中间主应力方向的应变由压缩逐渐变为扩张,体积应变由收缩转为扩容;Mogi-coulomb强度准则能较好反映煤岩在卸载时的强度破坏特征;应力差-声发射曲线图中,中间主应力增大使煤岩在加载阶段内部裂隙呈非稳定指数型增长且使煤岩在卸载完成阶段不再具备承载能力。     

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．     

The study of acoustic emission （AE） forecasting coal and rock disaster technique

Introduced the coal and rock AE propagation rule, wave guide fixing technics on AE sensors, and AE forecasting coal and rock disaster on the scene and so on. The coal and rock AE propagation rule that follows the exponent attenuation function on different AE frequencies, different quality factors and different propagation distances were analyzed and deduced by theory, numerical simulation, and by actual experiment. Consequently, it was deduced that the coal and rock AE propagation rule follows the exponent attenuation function. Based on the correlative theory of wave dynamics and AE sensor, the AE wave guide propagation mechanical model on the sensor fixing manner is found, and the relations of displacement and speed and acceleration between the AE signal source and the AE signal receiving terminal are presented. The effect of the AE sensor fixing manners on coal and rock surfaces, coal and rock bottoms and wave guides were studied by actual experiment. For the results, the effect of the AE sensor fixing manner on wave guides is better than on coal and rock surfaces, and was equivalent to the fixing manner on coal and rock bottoms. Based on the above study results, actual coal and rock dynamistic disasters were successfully forecasted. Supported by the Project of National Basic Research Program of China (973 Program) (2005CB221505); the Significant Project of National Natural Science Fund (50534080/E041503); the Project of Coal Mine Gas and Fire Hazard Prevention Major Lab in Henan Province (HKLGF200508)     

冲击地压事件AE与压力耦合前兆特征分析

以华亭矿区砚北煤矿为背景,对开采过程中冲击地压事件的声发射（AE）与压力前兆特征进行了分析。分析结果表明：在冲击地压发生前,冲击地压“源”处的岩体内部声发射和压力呈现出一定的相关变化规律,即表现出明显的前兆特征和相互耦合模式：“升压平静-降压活跃”模式,即压力变化整体趋势为上升时,声发射进入平静期,当压力变化整体趋势为下降时,声发射表现活跃;“升压降压平静”模式,即当压力上升和下降期间,声发射均处于平静期。这种特征和模式可以作为冲击地压事件预测的判别依据。     

颗粒煤岩破裂过程声发射与电荷感应试验

考虑颗粒间摩擦和黏结力作用,建立了基于颗粒物质力链失稳的煤岩体破裂判据。分析颗粒煤岩单轴压缩试验结果,得到了颗粒煤岩抗压强度、弹性模量随颗粒煤岩粒径增加而降低的变化规律,从细观尺度证明了煤岩单轴压缩张拉破坏的根源为剪切破坏。分级和循环2种加载试验研究结果表明：颗粒煤岩破裂过程中的声、电荷信号与力链中颗粒摩擦及粘结情况密切相关,声、电荷信号的产生机理存在本质上的差别。从破裂类型看,微裂隙的张拉破坏和颗粒摩擦错动均可导致声发射出现,而煤岩颗粒间的摩擦和微破裂面的相互错动是产生大量自由电荷、发生电荷感应现象的主要原因。可以利用声信号高-低-高的周期变化次数预测采动煤岩体经历的分级和循环加卸载次数;电荷信号首次突变-平稳-突变的出现时间是采动岩体应力阶段的划分标准。声、电荷信号幅值突变的剧烈程度是采动煤岩体失稳的重要前兆物理信息,可由此预测煤岩体稳定性,以便及时做出预警和相应的防护措施。     

基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究

为探究含水煤样冲击倾向指标与其声发射时频特征的关联性。采用物理试验和信号处理分析方法,以河南耿村煤矿7609工作面煤样为研究对象,考虑饱水、自然含水和烘干24 h三种含水条件,深入研究不同含水煤样冲击倾向的变化规律;建立不同含水率煤样冲击倾向与其声发射时频信号的对应关系。结果表明:煤样加载破坏过程监测获得的声发射时频信号分布特征能够反演其受载阶段,声发射幅频信号的变化不仅能够判定煤体结构的破坏尺度,而且可利用不同频率范围声发射能量分布推断其冲击倾向强弱和发生动力破坏的可能性。定义了煤体结构冲击倾向的声发射反演能量比值Kae和频率幅值相对值比值Kaf;以河南耿村矿7609工作面煤样为例,验证了声发射信号时频特征和关键参数反演煤体结构冲击倾向的可行性。     

基于能量原理的岩石声发射伪Kaiser点修正

通过岩石声发射试验,得到试验Kaiser点,但此点可能并不是真实的Kaiser点。根据岩石声发射真实Kaiser点能量分布与非Kaiser点能量分布存在很大差别的特征,经过理论推导得到能量E与声发射振铃计数、应力状态的函数关系,证明能量E随着频带振幅、声发射振铃计数增大而增大;随着阈值电压增大而减小。以此为基础,将伪Kaiser点应力与地应力理论值对比,根据漂移应力比值计算电压阈值,压力曲线逆向寻点,重新获取Kaiser点等步骤对试验中的伪Kaiser点进行能量修正,找到真实Kaiser点,并通过能谱分析和RFPA仿真验证能量修正方法的有效性。     

岩石压裂过程中的声发射信号研究

当岩石受力变形和断裂时,会产生声发射现象（弹性波）,对其声发射事件的分析,可用来研究岩石裂纹形成机制和断裂过程。本文利用MEMS传感器对花岗岩单轴压裂过程的声发射事件进行研究,发现岩石试样破裂失稳可划分为四个过程。在整个应力加载过程中,声发射事件次数随岩石应变先呈增长趋势,后在岩石发生宏观断裂前呈减少趋势;声发射能量一直呈增长趋势,在岩石宏观断裂时达到最大;其声发射信号的频率一般为200～700Hz,随断裂的发生有降低的趋势。研究同时也表明,可通过对事件本身的定位（微震源定位）来研究岩石断裂位置。因此,MEMS传感器可应用于煤矿、水库和油田压裂等微地震的监测。     

矿井煤岩动力灾害声发射监测传感器孔底安装方法研究

声发射传感器安装是确保有效监测声发射信号的重要环节。通过不同安装方式的对比分析,指出煤矿井下进行煤岩动力灾害声发射监测时应优先选择传感器孔底安装方式。设计了一种快速便捷的声发射传感器孔底安装叉式固定方法,并进行了现场考察。结果表明,该方法简化了安装工艺,解决了上向孔内传感器和煤岩体注浆耦合不紧密导致监测信号残缺的问题,提高了传感器与煤岩体耦合的时效性、稳定性,确保了声发射信号的持续有效接收。根据现场安装钻孔角度,形成了声发射传感器孔底安装水泥注浆固定法和叉式固定法2种安装方法。在大角度上向孔和水平孔内安装时,宜选择声发射传感器孔底安装叉式固定法;在下向孔内安装时,宜采用孔底安装水泥注浆固定法。     

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。