煤体吸附瓦斯过程表面电位特征实验研究

为了研究煤体吸附瓦斯过程表面电位特征规律,设计了煤体吸附瓦斯过程的表面电位实验系统,测试了不同压力下煤体吸附瓦斯的电位信号。实验结果表明,煤体在吸附瓦斯过程中能够产生表面电位信号,且随着吸附时间的增长表面电位信号逐渐增大。对于同一个煤样,不同瓦斯压力下吸附过程中煤体产生的表面电位信号对前一次吸附瓦斯压力下煤体产生的电位信号具有记忆效应,当吸附瓦斯压力超过前一次吸附瓦斯压力值时,煤体产生的表面电位信号较大。而当吸附瓦斯压力低于前一次吸附瓦斯压力值时,煤体产生的表面电位较小。煤体吸附瓦斯产生表面电位信号的主要原因是瓦斯气体在煤体孔隙内渗流时产生流动电势,以及瓦斯气体对煤体微裂纹、裂隙的破坏产生的自由电荷等。     

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究

通过分析煤岩破坏过程电位响应特征,并根据电位与变形破坏之间的关系,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明：煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期,煤岩损伤变形较少,微破裂发育较为缓慢,产生的电位信号较少,较为稳定。受载后期,煤岩损伤破坏不断加剧,电位信号不断增加。当载荷突变时,煤岩破坏显著,电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈,电位突变越显著。基于统计损伤理论,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系,推导出不同损伤阶段基于电位累积量的“应力-应变”的理论曲线,并对计算应力与实测应力进行相关性分析,得到平均相关系数为0.623 7,呈显著相关,与实测值具有很好的对应性,且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程,为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。     

煤岩破裂过程表面电位云图软件开发及应用

针对克里金插值法中理论变异函数拟合精度不稳定及缺乏专用电位云图软件问题,提出了计算理论变异函数模型参数的自动-人工拟合方法,并利用MATLAB开发了煤岩破裂过程表面电位云图软件。对预制45°裂纹岩样进行了单轴压缩实验,利用该软件绘制了岩样变形破裂过程中的表面电位云图,分析了表面电位分布与试样破裂状态的对应关系。研究表明:自动-人工拟合法计算过程稳定,有效提高了克里金插值法的精度;基于开发的电位云图软件绘制的电位云图能够真实反映煤岩体的表面电位分布及变化;岩样表面电位云图可以反映裂纹的扩展方向及岩样破裂状态;在岩样弹性变形阶段后期,表面电位云图反映了岩样裂纹扩展的前兆信息。     

单轴压力下煤样表面电位实验

建立了煤岩变形破裂过程表面电位测试实验系统,研究了不同试样单轴压力下变形破裂过程中的表面电位特征规律.结果表明,原煤、型煤和混凝土在受单轴压力变形破裂过程中都有表面电位产生,并且表面电位在整个变形破裂过程中始终存在.从总体上看,表面电位和载荷的变化趋势一致;载荷突变时,表面电位信号也出现突变,表面电位的突变幅度和载荷的突变幅度成正相关.     

预制裂纹煤样单轴压缩表面电位实验研究

实验研究了预制裂纹煤样单轴压缩条件下表面电位及其变化规律,初步探讨了预制裂纹对表面电位的影响机理。研究结果表明：预制裂纹试样承载强度以及表面电位幅值显著降低,在峰值应力处载荷卸载幅度加大,表面电位随之大幅升高;峰值应力过后,存在明显的残余电位。表面电位变化规律与载荷变化及预制裂纹密切相关,能够很好地反映含宏观缺陷煤样受压时内部破裂发展情况。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置,采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后,瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大,在弹性压密到强化阶段,瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段,瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大,瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点;在瓦斯压力较低的情况下,煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著,破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍,含水饱和度增大后,煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同,虽然增大了煤岩孔隙压力,但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。     

煤样破裂表面电位多重分形特征

为深入分析煤样受载破裂机制,试验研究了煤样单轴压缩下表面电位变化规律,应用多重分形统计理论分析表面电位信号,计算其多重分形谱,并分析多重分形谱特征参数随加载过程的变化规律。研究结果表明：煤样表面电位信号存在多重分形特征,在较大尺度内满足标度不变性;不同尺寸的试样,表面电位信号多重分形谱呈右钩状;多重分形谱特征参数Δα和Δf的变化规律与试样受载变形破裂过程具有良好的对应关系,Δα和Δf经过较长时间平稳升高后迅速下降的趋势改变可以作为破裂的前兆信息,对试样失稳进行提前预警。     

煤样破坏应变局部化与表面电位分布规律研究

为研究煤样表面电位分布与破坏局部化之间的关系,进行了煤样受载应变场及表面电位分布规律的测试,研究分析了表面电位场与煤样应变局部化和煤样破坏的对应关系。结果表明,煤样变形破坏过程中表现出明显的应变局部化特征,应变局部化集中区域是煤样损伤和破坏剧烈区域,应变局部化带往往是煤样出现破坏的位置。煤样变形破坏的表面电位场具有与应变场相似的分布特征,在损伤局部化区域表面电位场也具有集中化特征,煤样表面电位高、低电位点的连线反映了煤样的断裂面位置。     

煤岩双剪摩擦滑动声电响应实验研究北大核心

井下开采过程中常伴有煤体摩擦现象。大尺度煤岩体摩擦滑动引发的煤岩动力灾害会带来巨大的经济损失和人员伤亡。以宽沟煤样为实验对象,利用摩擦装置进行了不同加载速率(0.1、0.2、0.3、0.4 mm/s)条件下的煤样摩擦实验,得出了试样在不同加载速率下声发射和电磁辐射的信号特征。研究表明:试样受载滑动过程中伴随有明显的声发射电磁辐射信号产生,且声电信号随加载呈周期变化,声电信号强度随载荷降出现而出现,随载荷降的幅值的增加而增大,两者之间在时序上具有一定的协同性;累计声电能量计数变化与试样摩擦破坏程度正相关,基于累计声电能量计数指标可实现试样摩擦启动和结束的判断预警。     

单轴循环加载煤岩电磁辐射规律实验研究

研究了循环加载条件下煤岩受载破坏过程的电磁辐射变化特征规律,并分析了其产生的机理。研究结果表明:煤岩单轴循环加载过程中,电磁辐射信号参量变化随着循环载荷的增加基本上呈线性增大;在加卸载过程中,电磁辐射信号参量随着加载载荷的增大而增大大,且随着卸载的进行而逐渐变小,产生此现象的原因是煤岩受载破坏过程中微裂纹的演化及煤岩基质之间的相互摩擦作用。     

煤层围岩破裂过程中的自然电位响应

煤层开采过程中,围岩破裂伴有电子逃逸现象,引起自然电场的变化。通过建立数值模型与设计岩层开采模拟实验,发现岩层裂隙发育部位自然电位降低,且裂隙发育越完全电位越低;岩层压缩区自然电位升高。煤矿开采过程实际监测发现：在煤层顶板“三带”中,垮落带自然电位低,且变化比较稳定;断裂带自然电位表现较为不稳定,变化频繁;弯曲下沉带表现为高电位,且极为稳定,变化较小。     

煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究

选取安徽淮南张集矿的煤样,对加工成的9个标准试件(50 mm×H100 mm)进行全应力-应变过程中的渗透测试及CT扫描试验。渗透试验结果表明：煤岩的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律,且渗透率表现出应变滞后性,表明瓦斯在煤岩中的流动特性与受载过程中煤岩内部产生的损伤演化密切相关;围压使煤岩内部的瓦斯通道发生压密闭合,导致渗透率随围压的增大而减小。在渗透试验前后对试件进行CT扫描,结果表明,渗透试验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在,渗透试验后有明显的贯通裂缝产生,导致试件的渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。     

煤岩损伤破坏ULF电磁感应实验研究

利用建立的煤岩声-电信号测试系统,对强度较低的煤岩试样进行了单轴压缩、剪切加载破坏实验,测试研究了ULF（1 kHz）、VLF（5 kHz）、LF（300 kHz）等频段电磁辐射及42.3 kHz声发射（AE）信号规律,并初步探讨了煤岩变形破坏ULF电磁信号的产生机理。结果表明：煤岩材料在单轴压缩和剪切变形破裂过程中能够产生ULF频段的电磁信号;与LF及VLF电磁信号相比,ULF信号与应力的相关性更好;同时,ULF信号与应力及AE相比存在一定程度的超前性,一般超前应力及AE信号5~10 s。实验室测得的煤岩变形破裂产生的ULF电磁信号,主要是由电荷运动产生的感应场变化引起的,煤岩材料中含有的少量金属矿物成分导致的压磁效应也是其来源之一。煤岩ULF电磁信号的研究不仅扩展了煤岩电磁辐射技术的研究范围,而且由于其在传播距离和抗干扰能力方面的优势,有望对远距离和较大尺度范围的煤岩动力灾害监测技术实现突破。     

水煤浆的黏度与煤粒表面动电电位关系的研究

通过3种石油磺酸盐对煤粒表面动电电位影响的测定及采用这些分散剂制成水煤浆的黏度测定，分析了水煤浆黏度与煤颗粒表面动电电位的关系。试验结果表明，水煤浆的黏度随煤粒表面动电电位绝对值的升高而降低，另外水煤浆黏度与分散剂的结构有关。     

杨庄煤矿煤岩波速特征及与其强度的关系研究

系统地测试了淮北煤田杨庄煤矿5,6煤层煤样的纵波速度、抗压强度、抗拉强度和变形参数,得出了煤波速的差异性及各向异性特征,分析了煤体结构是煤波速差异性的重要原因;对煤样波速与其力学指标进行了对比研究,得出了拟合公式,表明两者之间有很好的相关关系,为煤岩强度的确定提供了一种新的方法。