突出煤体受载变形破坏声发射行为演化特征

采用TAW-2000三轴伺服试验机和Vallen AMSY-6声发射信号采集系统,对寺家庄煤矿15号煤的碎裂煤原煤单体试件、糜棱煤型煤单体试件和原煤-型煤组合试件进行单轴载荷作用下变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:原煤试件表现为弹塑性材料特性,以弱面剪切破坏为主,其失稳破坏的前兆信息表现为弹塑性阶段出现"应力跌落"和"应力回升"现象,振铃计数出现峰值,累计能量曲线出现"台阶式"上升;型煤试件表现为理想塑性材料特性,呈现渐进变形破坏特征,以剪切粉化破坏为主,其峰前变形破坏过程中声发射始终保持在相对稳定且较低的水平,累计能量增幅不大,失稳破坏的声发射前兆信息特征并不明显;原煤-型煤组合试件的应力-应变曲线兼具了原煤试件和型煤试件的特征,其峰值应力介于单体原煤和型煤试件之间,失稳破坏的声发射前兆信息与原煤单体试件类似,但受型煤影响,高幅值振铃数和事件数与原煤单体试件相比明显减少,累计能量曲线呈现"缓台阶式"上升特征。     

煤体力学性质对其破坏过程声发射特征的影响研究

采用试验研究的方法,对具有不同力学性质的突出软煤、强冲击性煤和弱冲击性煤在受载破坏过程中的声发射事件频度、能量等时序特征参数及分形特征进行研究,探索煤体力学性质对其声发射特征的影响。研究结果表明,煤体的声发射特征参数变化与其破坏阶段相对应,煤体的力学性质对受载煤体的声发射时序特征具有重要影响。在峰后变形阶段,突出软煤的声发射呈现渐进下降的趋势,强冲击性煤的声发射呈现短暂的脉冲式增大,弱冲击性煤的声发射呈现"脉冲—降低"交替下降模式。不同力学性质的煤体破裂过程的声发射分形维的演化过程具有一致性,分形维演化都表现为"先上升、后下降"的过程,反映了煤体受载破坏是一个从弥散、无序的损伤破裂逐步向局部、有序的裂纹扩展过程。利用声发射时序特征与分形维变化相结合的综合前兆信息,可提高煤体失稳灾害判识模型的有效性和准确性。     

钻孔数目对岩体强度及声发射特征的影响分析

考虑不同的钻孔数目,借助颗粒流程序PFC2D中的平行黏结模型,系统的研究了不同钻孔数目条件下煤岩体的力学特征和声发射演化规律。研究结果表明:随着钻孔数目的增多,煤岩体的峰值强度、峰值应变、弹性模量以及到达峰值时刻所需时间逐渐降低,且降低程度逐渐变缓;随着钻孔的出现,煤岩体声发射特征出现以下变化:在弹性阶段,声发射特征不再平稳,出现或大或小的波动;在塑性流动阶段,声发射特征呈现多个峰值特征;在损伤残余阶段,声发射呈现非稳定降低的特征;不同钻孔数目条件下,煤岩体的损伤破坏模式钻孔的变形特征不同。     

塑性煤与脆性煤破坏过程的声发射演化特征试验研究

在单轴压缩条件下,进行了塑性煤与脆性煤试件破坏过程声发射监测试验,研究两类煤破坏过程的声发射演化特征。试验结果表明:煤体破坏失稳过程中的声发射与煤体中的裂纹萌生、扩展、贯通等活动相对应,煤体的声发射演化特征与其破坏特征密切相关。塑性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值—下降"的演化规律;声发射事件率出现急速增大之后的稳步下降是煤体主破裂面即将贯通、煤体破坏失稳的前兆。脆性煤破坏过程的声发射事件率呈现"上升—峰值"的演化规律,声发射"下降"段不明显。研究结果可为煤体稳定性监测的声发射参数演化的解译、灾变判识准则的建立提供理论基础。     

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。     

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。     

煤岩动力灾害声发射预警判识方法的研究现状及趋势

煤岩动力灾害是矿山煤岩体在地应力和瓦斯作用下发生的一种具有动力效应和灾害后果的快速失稳现象,在灾害演化过程的孕育、激发、发展等阶段煤岩体产生破裂,会释放出声发射。通过对煤岩体破坏过程释放出的声发射信息进行监测分析,可以实现煤岩动力灾害的提前预警。基于岩石声发射技术在矿山工程应用的研究成果,系统总结了煤岩动力灾害预警的声发射判识方法的研究现状,指出了当前声发射技术在矿山应用中存在的主要问题,并对该技术的发展趋势进行了展望。     

岩石三轴压缩声发射信息时序特征

岩石三轴压缩变形破坏演化过程可划分为压密闭合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段、破裂发展阶段及残余塑性阶段等5个阶段,声发射特征能够较好地反映出岩样损伤破坏的演化过程。不同类型岩石因其内部组分、结构、均质度不同,其压缩破坏过程的声发射时序特征也不尽相同。研究结果表明:1内部裂隙较多的煤岩声发射时间序列较分散,时序特征呈群震型;2结构均匀致密灰岩的声发射事件数在破坏前集中出现,时序特征呈孤震型;3均质度介于两者之间的砂岩声发射时间时序特征呈主震型。     

不同加载速率下煤岩声发射与红外辐射特征研究

为了研究煤岩受载破坏过程中不同加载速率下的声发射和红外辐射特征以及破坏前兆信息,进行煤岩在不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明:在煤岩试样变形破坏的4个典型阶段,每个阶段的煤岩具有不同的声发射和红外辐射特征,不同加载速率下的声发射和红外辐射规律各基本一致。线弹性阶段红外辐射温度的下降趋势较初始压密阶段略有减缓,在塑性阶段煤岩试样持续升温,温度最低点在线弹性阶段。随着加载速率的增加,平均AE计数和平均AE能量均增大,峰值点附近的声发射活动更为剧烈,峰值处释放的能量的最大值呈递增趋势;红外辐射温度呈现典型的降转升型,温度由降转升点提前;煤岩发生破坏时,温度发生突变,最高红外辐射温度的最大值随加载速率的增大而增大。红外辐射温度与声发射计数呈较高的正相关关系,相关系数达0.79～0.99。不同加载速率下声发射测试结果反映出的试样损伤临界前兆点的波动率为71.3%～95.6%,红外临界前兆点的标准差为0.75～0.92。     

砂岩单轴破坏损伤时空演化规律及前兆特征声发射试验研究

研究岩体损伤时空演化规律及破坏前兆特征对围岩灾害识别预警与防治具有重要意义,通过声发射试验,研究单轴加载下砂岩损伤时空演进过程。研究发现:砂岩损伤在时间-空间域有连续演进的行为特征,损伤发育速度在关键时刻有突变,主裂隙由"成核"区域发生并向四周扩散,最终贯通试件轴向与径向;高能声发射事件,空间上多分布在砂岩内部损伤集中的区域,时间上多发生于损伤快速扩展的时期,可作为损伤传导和加剧的重要参照;高频率出现的高能声发射信号可以作为砂岩破坏失稳时间域的前兆信息,高能声发射信号的空间密度可作为判断砂岩破坏起始区域的判定信息。     

三轴循环加卸载下单结构面煤岩长度效应试验研究

针对裂隙煤岩体的结构面效应,通过在煤岩试样表面预制特定角度和深度、不同长度的单结构面,以三轴循环加卸载试验为手段,利用CRIMS-DDL600电子万能试验机和SAEU2S多通道声发射检测系统,研究了单结构面煤岩体的强度、变形特性、破坏形式和声发射特征受结构面长度变化的影响。试验结果表明:随着循环加卸载次数的增多,试样的不可逆变形呈非线性增大的趋势;结构面角度一定,试样的抗压强度随着结构面长度的增大而减小;结构面长度越大,结构面效应对试样自身的材料破坏影响越明显,具体体现为试样沿结构面的滑移破坏和穿切结构面的破坏;随着循环加卸载的进行,声发射信息经历了加载初的少量随机期、加卸载时的规律波动期、破坏前的密集活跃期、主破坏发生后的峰值和峰后衰减期,声发射信息可以较好地反映试样的破坏过程,破坏前的声发射密集活跃期可以作为判定试样破坏的前兆。     

不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究

为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生的机理,从细观角度对三交河煤矿、屯留煤矿、平煤十矿煤样原生孔隙和裂隙等参量进行分析,选取平煤十矿煤样作为力学试验研究对象,采用自主研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,利用DS-5型全信息声发射信号分析仪,分析其在不同瓦斯压力条件下力学性质和声发射特征,并对声发射的计数、累计计数、能量、累计能量等在不同瓦斯压力下的演化规律进行了对比分析。结果表明:随着瓦斯压力的增大(0~2 MPa),煤样的峰值强度和弹性模量呈降低趋势,泊松比呈升高趋势,其抗压强度下降22.61%,弹性模量下降23.97%,泊松比增加33.67%;不同瓦斯压力下煤样受载破坏过程中的声发射都经历了平静期、活跃期、提速运动期、残余运动期4个阶段,且煤样的声发射累计计数和累计能量随着瓦斯压力的增加而降低,其声发射累计计数减小了32%,累计能量降低了25.32%。研究成果有利于发现煤岩体破坏的细观机理,为找到煤岩体破坏失稳预测预报方法和指标提供了依据。     

基于地音监测技术的多类型冲击地压前兆特征研究

针对煤矿多类型冲击地压地音监测预警问题,基于冲击地压启动理论和现场地音监测数据,分析了不同类型冲击地压的失稳启动机制,得出冲击地压发生前煤岩体应力变化主要分为持续加载型、动静加载型和循环加卸载型3种;结合实验室煤岩体全应力-应变曲线与声发射监测数据,对煤岩体试件破坏前发生3种类型应力变化的地音前兆特征进行了细化研究,并通过现场实测数据,对3种不同类型冲击地压失稳破坏前地音活动演化规律进行了分析。结果表明：现场冲击地压发生前地音活动演化规律与实验室煤岩体试件破坏前地音前兆特征具有一致性。因此,基于地音监测技术的多类型冲击地压前兆特征研究可以对相应类型冲击地压灾害的防控实现不同程度的指导作用,为煤矿现场防控冲击地压灾害提供一定的理论支撑。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系;混合岩岩样每出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值将发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性到延性的转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术

为提高煤岩冲击动力灾害的监测预警效果,采用系统的理论研究和集成创新,完善了弹塑脆性突变模型,揭示了煤岩体损伤及冲击动力破坏特征与声发射、微震、电磁辐射等前兆信息的耦合关系,提出了煤岩体冲击破坏前兆信息辨识准则与监测原理,建立了煤岩冲击动力灾害的连续监测预警技术体系,即煤岩冲击动力灾害时间上从早期综合分析预测到实时监测预警,空间上从区域监测预警到局部监测预警、点验证的时空连续监测预警,并按无、弱、中、强4级对煤岩冲击危险进行分级预测预报。应用结果表明:该技术体系可较为有效地判别和预警煤岩冲击动力灾害危险,应用矿井降低煤岩冲击动力灾害显现71%。     

弯载下砂岩声发射特征值时间效应

为探索开采速度对采空区顶板破断特征影响的力学机制,设定不同加载速率,开展砂岩3点弯曲和声发射试验,研究砂岩弯曲折断过程的力学行为及其受加载速度影响的时间效应和折断前兆特征。结果表明,加载速率越快,砂岩显著初始损伤声发射发生的应力条件越高,积累的应变能越高;岩石折断前,前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关,加载速度越快,前兆声发射时间越短,可预测性越差;加载速率与砂岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关,与砂岩折断声发射峰值计数呈指数负相关,加载速度越快,岩石折断所需的破坏荷载越大,峰值声发射计数越少,一次性释放的能量越高。上述岩石弯曲声发射特征值是加载速率的函数,存在时间效应。从机理上解释了煤矿开采速度越高,顶板岩体动力灾害危险性相对越高,可预测性越差的原因。     

软煤与硬煤加载过程中声发射差异性及峭度特征

探究软煤与硬煤声发射特征的差异性,对于准确进行地质灾害预测具有重要意义。在不同矿区有针对性的采集煤样以后,利用RMT-150B型岩石力学实验系统以及CDAE-1全数字化声发射监测与分析系统,对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测试与分析,对其峭度特征进行了评价。测试结果显示:在声发射特征方面,软煤与硬煤相比,其连续性声发射产生时间较早,声发射值较小,并且声发射峰值的突变性不明显;在峭度特征方面,软煤的声发射峭度值整体较大。并且在峰值破坏前,声发射峭度值存在1个相对稳定期的特征可以作为煤样破坏的前兆,可以为地质灾害的监测、预测提供指导。     

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。     

受载组合煤岩声发射效应研究

利用岩石试验系统,对单轴受压的不同煤岩组合试样进行声发射试验,得到不同组合试样在受载破坏过程中的声发射效应。研究表明煤岩体在采动过程中的冲击破坏倾向性可由其声发射效应反映。煤岩强度越大、直接顶厚度与采高的比值越大煤岩冲击破坏时的声发射计数率就越强。因此,采取弱化煤岩体中顶板及煤层的强度和局部区域降低采高等措施能有效控制采场及巷道围岩动力灾害现象。