煤体破坏过程感应电荷再认识与井下应用实践

为发展和完善煤岩动力破坏感应电荷监测技术及理论,以单轴压缩试验为基础,再认识了煤体破坏过程感应电荷变化规律与主控因素,提出了带电煤屑弹射过程的感应电荷产生机理;分析了感应电荷及其干扰信号的频域特征与影响要素,研究了感应电荷与煤体应力、应变能与变形破坏之间的定性关系,建立了受载煤体与感应电荷信号的损伤统计关系,分析了感应电荷与煤体能量的演化特征,进而提出了煤体应力与感应电荷的量化关系;研发了适用于井下复杂条件下煤岩电荷监测装备,在辽宁红阳三矿与河南平顶山十一矿开展了应用实践,分析了感应电荷与煤岩动力破坏、超前支承压力及巷道变形的相关性。结果表明：高幅值感应电荷信号产生的主因不是煤体的压电效应,而是煤体裂纹扩展、破裂面滑移摩擦与带电煤屑弹射的综合作用,特别是带电煤屑弹射到传感器时,感应电荷信号幅值将会突增;感应电荷信号以低频为主,干扰信号主频与外部供电网络谐波频率一致,但不同煤体的感应电荷信号主频分布范围存在差异;感应电荷强度与应力大小关系非直接相关,与应力非线性变化程度直接相关,特别是与应力降幅度呈正相关关系;感应电荷强度可直接反映煤体破坏程度,也可通过分析外载环境以及感应电荷信号和煤体...     

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。     

煤体非稳定破裂-峰后破坏过程 感应电荷信号演变特征

本文开展了煤体单轴压缩感应电荷演变规律实验研究,基于傅里叶变换对电荷噪声信号进行了频域分析,采用低通滤波器去除了高频噪声信号,在此基础上重点研究了煤体非稳定破裂与峰后破坏阶段的感应电荷有效信号时域演变特征。研究表明:降噪后的感应电荷信号与应力-应变曲线呈现出更高的相关性;加载速度越低,试件破裂就越充分,高幅值感应电荷信号在各个力学阶段分布越均匀;加载速度越大,高幅值感应电荷信号越集中在峰后;稳定破裂阶段的感应电荷突变信号丛集程度较低,在非稳定破裂阶段感应电荷幅值起伏突变程度与次数增高,丛集程度也相应增高;峰后破坏阶段高幅值突变信号连续出现,丛集程度出现了质的变化,高幅值信号突变程度最为剧烈,该阶段的感应电荷变异系数甚至超过了非稳定破裂阶段的一个量级。高幅值感应电荷信号的变化特征可有效评价煤岩体的稳定性。     

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。     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

煤岩变形破坏电荷感应规律试验研究及现场应用

准确掌握岩体受载破坏过程电荷感应规律,对于冲击地压等动力灾害预测具有重要意义。在电荷监测仪采集精准度优化提升基础上,对砂岩试样单轴压缩受载破坏电荷感应规律进行了实验室监测试验,并进行井下监测试验,详细分析了不同加载速率下砂岩电荷感应与应力降以及裂纹扩展的关系和超前工作面支承压力影响区电荷感应特征。结果表明：岩样受载破坏过程中裂纹的多次形成、发育与扩展均伴随着电荷感应信号,前兆电荷信号的产生早于岩样受载破裂出现的应力降;在0.005、0.015、0.020 mm/s 3种加载速率条件下,岩样破坏过程的电荷信号规律随加载速率的变化显现出差异性,主要表现为加载速率越大,电荷信号越丰富,超前应力突变前兆电荷信号越发提前出现;现场各测点平均感应电荷量最大值均位于超前支承压力影响区内,且平均感应电荷量大小与工作面超前支承压力分布趋势一致。     

煤岩体振动破坏试验及微震信号特征

通过所搭建的大型振动试验装置和微震监测系统,探究不同激励加速度和频率条件下整体煤岩试件的振动破坏特性。利用希尔伯特-黄变换(HHT)对煤岩体受迫振动过程中的监测信号进行了模态分离和信号重构,并结合振动力学知识着重阐释了共振放大效应产生的机理。研究结果表明：微震传感器监测信号具有明显的载波特征;当激励加速度峰值达到一定水平(0.5g)时,煤岩试件出现有效微震信号,首次破裂发生在煤层中,信号随传播距离的增大而衰减;随着裂隙的产生和扩展,煤岩试件自振频率降低,当激励频率等于煤体自振频率时,试件会产生共振放大效应,微震信号明显增强;激励加速度和激励频率对微震信号均有影响,激励加速度峰值越大、激励频率越接近自振频率,则微震信号越密集、幅值越大,且出现了优势频段向低频转移的趋势;理论分析解释了上述现象产生的原因。     

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。     

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。     

煤岩微弱电磁信号的噪声源识别及去噪方法

煤岩破坏可以产生电磁信号,分析其信号特征对于准确预测煤岩动力灾害有着重要作用,然而当破裂信号较为微弱时,外界干扰因素会对结果分析产生极大影响。为此,在分析实验条件下煤岩受载电磁信号的噪声来源及其各自特征的基础上,提出了循环带阻滤波、基于白噪声统计特征及经验模态分解(EMD)的均值滤波、基于模态分量自相关函数频谱的准周期特征识别及带阻滤波等方法,对不同源头的噪声进行了自动识别及去噪,同时,在信号源未知的情况下提出了评估去噪效果的噪噪比(NNR)方法。结果表明:基于分源去噪方法而得出的型煤电磁信号噪噪比仅为0.136 6,明显优于单一的小波及EMD去噪方法,表明分源去噪方法在煤岩受载微弱电磁信号去噪中有着良好的应用效果。     

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。     

高应力区微震监测信号特征分析

如何识别不同微震信号，尤其是快速识别冲击危险信号，以便及时采取解危措施，是微震监测中亟待解决的问题.以三河尖矿9202采面过上覆煤柱高应力区为背景，通过微震信号的时-频分析技术，总结提炼了不同微震信号的重要波形特征.研究表明：不同微震信号在频率特征、信号持续时间、释放能量等多方面都存在区别，冲击矿压波形有震幅大、衰减快、尾波较发育、频带分布较窄等重要特征.通过对微震信号的特征分析，有助于深入揭示微震监测的震源机理，进一步推动冲击矿压的预测预报工作.     

Removal of noises from electromagnetic radiation of coal or rock with EEMD-adaptive morphological filter

The electromagnetic radiation (EMR) signal collected by monitoring system during coal or rock dynamic disaster may be interferred easily by electromagnetic noises in mines. The noises have a direct influence on the recognition and analysis of the EMR signal features during the disaster. With the aim of removing these noises, an ensemble empirical mode decomposition (EEMD) adaptive morphological filter was proposed. From the result of the simulation and the experiment, it is shown that the method can restrain the random noise and white Gaussian noise mixed with EMR signal effectively. The filter is highly useful for improving the robustness of the coal or rock dynamic disaster monitoring system.     

向斜构造区内动压巷道围岩水射流防冲技术研究

针对砚北矿区向斜构造区内2502采区内巷道围岩动压显现频发难题,通过现场调研、实验室测试和理论分析的方法对动压巷道围岩冲击机理进行了研究,基于此,阐释了水射流防冲机理并进行了现场工业性试验。研究结果表明：煤样经过饱和水软化处理后,冲击倾向性由强冲击转变为弱冲击|采动引起的动载荷和巷道围岩内积聚的静载荷叠加作用是导致围岩诱发冲击的根本原因,且可划分为动载荷主导型和静载荷主导型2种类别|水射流防冲技术能够在巷道两帮内形成弱结构区,有效地转移和释放两帮内原有高集中静载荷,进而实现对于巷道两帮和底板的冲击防治目的。现场实施水射流防冲技术后电磁辐射信号平均值由49.7mV减小至15.6mV,同时巷道两帮和顶底板移近量均控制在5%以内,有效保证了巷道围岩的应力环境和支护控制效果。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

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．