突水过程煤岩破裂声发射实验系统的研究

为了监测煤矿突水,在不同应力速率下,针对不同含水量煤岩破裂声发射频谱存在差异的特性,基于数量化理论,采用可编程逻辑器件FPGA和低功耗微处理器MSP430研究设计了一套监测实验系统,本系统可以实现对矿井突水进行实时在线监测的目的.为了解决煤岩破裂声发射信号中含有各种干扰噪声和信号处理方面存在的问题,根据煤岩破裂声发射信号的特点,利用小波包变换对声发射信号进行了分解、去噪和重构,结果表明处理后的声发射信号更为清晰地反映了煤岩在不同含水量和不同应力速率下破裂时的变化特征,研究方法通过模拟样本实验取得了较好的效果.     

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。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。     

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。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

基于颗粒流理论的加载速率对煤岩损伤演化特性的影响分析

基于颗粒离散元程序PFC,利用黏结颗粒模型BPM设计了不同位移加载速率的单轴压缩试验,对加载过程中煤岩裂纹扩展情况及破坏形态进行了记录,研究分析了加载速率对煤岩损伤演化规律及声发射特性的影响。结果表明,随着加载速率的增大,煤岩单轴抗压强度及破坏程度增大;加载速率越大,煤岩破坏时的端面效应越大,破坏形态由单一的剪切破坏向多面剪切破坏转变;加载速率对煤岩声发射活动的影响主要集中在应力峰值附近,加载速率越大,煤岩峰值破坏时的声发射活动越剧烈。试验结果可为煤矿及岩体工程的损伤劣化监测提供一定的参考,并且对煤矿安全开采具有重要的指导意义。     

静动组合三轴加载煤岩强度劣化试验研究

基于煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射检测,对彬长矿区某矿煤岩进行高应力下不同频率动载试验,研究煤岩动载诱发后破坏机理与强度劣化规律。结果表明:煤岩动载扰动后强度劣化明显,峰值强度、应变与动载频率呈负相关;动载扰动后煤岩内部裂隙进一步发育,提前进入屈服变形;煤岩破坏首先从内部开始,逐渐延伸至表面,破坏形式由剪切破坏变为横向拉伸破坏。声发射定位点由中心向外部扩展,大量分布在煤岩表面,与煤岩裂隙发育区域及主要破坏方向基本保持一致;声发射能量事件主要发生在动载加载初期阶段及峰值阶段且峰值阶段达到最大,能量与煤岩应力水平呈正相关,破坏后能量迅速回落。煤岩动载结束后继续静载加载到其动载最大应力阶段前无声发射能量事件产生,发生明显凯泽现象;临近峰值破坏阶段声发射能量迅速回落,此特性可作为预测煤岩破坏的前兆。     

平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

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。     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强;含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著;声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。     

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。     

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．     

煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学参数进行了不同围压下煤岩试验。分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律,并从煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感,高围压范围围压对其影响减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段,指出围压对各个阶段的影响异同。     

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。     

水分对煤岩体声波波速影响实验研究

水分对煤岩体声波传播波速有重要的影响,而煤样微观孔裂隙结构及所含胶结物又直接影响煤岩体的含水率。为此,利用SEM扫描电镜对煤样进行扫描,分析其微观孔裂隙结构及所含胶结物和吸水能力,然后通过对煤样在常温常压下吸水,测定不同吸水率条件下的声波波速,探寻煤岩体波速随水分不同的变化规律。研究结果表明:官地煤样有少量的微孔隙,并有微量的胶结物碎屑存在;马兰8#煤样表面特征无明显的孔隙、裂隙结构特征,却可以看到较多胶结物碎屑。马兰8#煤样的吸水率为2.49%,而官地煤样的吸水率仅为1.31%。随着吸水率的增大,煤样内纵横波波速有增大趋势。波速变化的机理主要受煤样含水量和煤样弹性模量变化两种作用的相互影响。     

煤与砂岩复合岩声发射统计效应的试验与最大似然理论

岩石类材料破裂损伤的声发射统计效应近年来在理论、试验和模拟方面已开展了大量研究,并且近年来以声发射为实验基础,采用统计物理学的方式分析声发射信号,继而关于材料内部损伤机制的相关研究也得到了发展,但是针对不同材料声发射统计效应及其相互作用与临界行为研究还较为缺乏。为此在实验室条件下采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对由分别取自内蒙古和重庆地区的煤与砂岩组成的复合岩开展了单轴压缩试验,利用DISP系列全数字声发射工作站采集压缩条件下试样中煤与砂岩层位的声发射信号,对信号进行了概率密度分布分析,并建立了考虑叠加效应的幂律指数最大似然估计方法。研究发现:复合岩在单轴压缩条件下煤层和砂岩层的声发射信号与纯煤和纯砂岩表现出了不同的统计性质,其整体声发射能量概率密度分布受煤层影响较大,砂岩层整体服从单幂律分布,而煤层则服从双幂律分布;叠加效应的幂律指数最大似然估计方程由上下限幂律指数α,β,与声发射数量比例x三参数控制,方程预测结果与试验中拥有较低幂律指数层位的分析结果一致,且随着声发射能量的增加逐渐趋近于下限幂律指数值;随着声发射能量级的增加,复合岩中煤层对整体统计结果的影响程度逐渐增加,而砂岩层的影响程度变化不明显。     

Uniaxial compression CT and acoustic emission test on the coal crack propagation destruction process

Acoustic emission test and CT scanning are important techniques in the study of coal crack propagation. A uniaxial compression test was performed on coal samples by integrating CT and acoustic emission. The test comparison analyzes the acoustic emission load and CT images for an effective observation on the entire process, from crack propagation to the samples’ destruction. The box dimension of the coal samples’ acoustic emission series and the CT images were obtained through calculations by using the authors’ own program. The results show that the fractal dimension of both the acoustic emission energy and CT image increase rapidly, indicating coal and rock mass has entered a dangerous condition. Hence, measures should be taken to unload the pressure of the coal and rock mass. The test results provide intuitive observation data for the coal meso-damage model. The test contributes to in-depth studies of coal or rock crack propagation mechanisms and provides a theoretical basis for rock burst mechanism.     

波导器中声发射信号传播规律研究

声发射信号在波导器中的传播规律是声发射预测煤岩动力灾害技术的一个重要因素。根据声发射传播的相关理论,采用标准激震源法,考察了不同尺寸波导器中声发射响应情况,采用DEWE3010虚拟仪器系统分析了声发射信号时域波谱及频域谱变化规律等,在此基础上统计分析了波导器尺寸、波导器与煤岩块接触程度,以及波导器弯曲程度对声发射信号的事件数、事件及振幅变化率的影响。试验结果可为声发射预测煤岩动力灾害提供技术指导。     

含水率对泥质粉砂岩强度损伤及声发射特征影响的研究

煤系沉积岩体原生及采动裂隙为水-岩作用提供了渗流通道,且受其组分和胶结类型等因素的影响,水作用下煤系沉积岩体力学性质改变显著。采用X射线衍射仪、无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试系统,分析了泥质粉砂岩矿物组分,测试了其含水率随时间变化规律,并探讨了含水率影响下泥质粉砂岩强度损伤演化特征。研究结果表明:泥质粉砂岩中高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物占矿物成分的62%;根据岩样含水率随浸水时间的变化趋势,将其划分为快速增长(0~25 h)、缓慢增长(25~85 h)及恒定(85 h~)3个阶段;由干燥到饱和,岩样的单轴抗压强度降低了47.72%,弹性模量降低了18.36%;随着含水率的增加,岩样破坏形式由剪切破坏逐渐向拉张破坏转化;应力、累计AE计数与时间变化关系曲线能阐明裂隙扩展的各个阶段,其中,裂隙不稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活跃;除含水率1.6%的岩样外,声发射定位结果与岩样实际破坏迹线大致相符;加载初期,岩样内部在中心位置产生剪切裂隙并扩展,裂隙和能量逐渐向外围扩散,后期产生拉剪复合裂隙。研究成果对于煤矿地下水库坝体设计、富水巷道顶板岩层控制等工程中涉及的水岩作用问题研究提供了有益参考。