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...     

含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息试验研究

针对含瓦斯煤体加载破坏前兆信息难以识别、提取的研究现状,自行研制了含瓦斯煤体加载声-电监测装置,对含瓦斯煤体加载全过程进行实时监测以获取声-电前兆信息。试验结果表明：声-电监测系统能够捕捉到含瓦斯煤体产生的电荷与声发射信号,加载过程中部分电荷信号先于声发射信号变化,声-电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关;煤体内部自由电荷与声发射信号的产生具有本质上的区别,前者是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生,而后者是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程;通过划分含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息异常区域,确定了声-电监测技术应用于矿山动力灾害预警的可行性。     

含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律

为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数减少,单位时间电荷事件数降低,电荷信号向煤体峰值强度后转移;瓦斯作用下,随着瓦斯压力升高,煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现"矩形波"特征,信号主频在200 Hz以下,随着瓦斯压力升高,主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运动产生自由电荷角度,提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理,一方面,煤体裂纹面附近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒,导致不同属性带电粒子向不同方向移动,解释了应力突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象;另一方面,煤岩内部孔隙贯通,瓦斯气体因压力差而流动,Stern-Gouy双电层结构产生流动电荷,流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量,解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似"矩形波"特...     

加载速率影响下裂隙细砂岩裂纹扩展试验及数值模拟研究

为研究裂隙倾角和加载速率对岩石裂纹扩展及破坏模式的影响,采用中心钻孔法在50 mm×50 mm×100 mm的细砂岩试样上预制宽度范围为0°～90°的贯通裂隙,并对其进行声发射及摄影监测下单轴压缩试验和PFC数值模拟研究,综合分析其裂纹演化规律及变形破坏特征。结果表明:裂隙砂岩试样的破坏模式包含拉伸破坏、剪切破坏和拉伸/剪切混合破坏3种,根据裂纹起裂机理及发展轨迹可将其细化分为T1～4(拉伸)型、S1～3(剪切)型、M1～2(混合)型等9种类型,裂纹萌生亦可分为翼形裂纹、反抗拉裂纹、共面/非共面次级裂纹、横向裂纹等5种类型,且均与岩样加载破坏过程密切相关。岩样裂纹扩展及破坏模式受控于裂隙倾角α,随着α的增加,裂纹起裂应力升高,起裂位置由预制裂隙中央向尖端转移,裂纹前期萌生数量降低,岩样破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡。加载速率亦对岩样裂纹扩展及破坏模式产生影响,随着加载速率的增加,裂纹萌生类型由翼形裂纹变为反抗拉裂纹,且不再向其他裂纹类型转化,裂纹起裂时间缩短,破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡,岩样表面宏观裂纹数目降低。岩样的破坏过程与其声发射特征密切相关,声发射定位信息准确地反应了岩...     

煤与瓦斯复合体受载变形破坏特征及微震-电荷感应规律

针对冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害预测手段欠缺、前兆信息监测方法不完善这一工程现状,利用自主研发的高频微震全波形实时监测系统和电荷感应监测系统开展了煤与瓦斯复合体受载变形破坏试验,分析了不同瓦斯压力下煤与瓦斯复合体变形破坏特征及微震信号和电荷感应信号显现规律的关系,以及瓦斯压力对3者的影响。结果表明:煤与瓦斯复合体变形破坏可分为3个阶段,即弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段,随着瓦斯压力的增大,煤与瓦斯复合体的抗压强度、弹性模量和软化模量减小,冲击倾向性降低,弹性和屈服强化阶段持续时间缩短;煤与瓦斯复合体变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生,且两种信号的峰值振幅均出现在煤与瓦斯复合体的破坏阶段;随着瓦斯压力的增大,微震信号和电荷感应信号数量增加且越来越分散,振幅增大,峰值振幅对应的应力降速率增大,同时,微震信号峰值振幅所在波形的起始振幅增大,峰值振幅前移,且越来越接近起始振幅。煤与瓦斯复合体中瓦斯压力越大,越容易发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害,通过微震信号和电荷感应信号的监测能够在一定程度上判断复合体所处的变形破坏阶段,结合瓦斯压力大小可预判复合动力灾害的类型和危险性。     

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。     

瓦斯压力对砂岩渐进破坏特征的影响研究

借助多场多相耦合下多孔介质压裂—渗流试验系统，基于不同瓦斯压力下的常规三轴加载试验，通过分析砂岩的力学特性和渐进破坏规律，研究砂岩在不同瓦斯压力下开采的渐进破坏演化过程。研究结果表明，随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合应力会呈现增加趋势，而损伤应力以及峰值应力呈现减少趋势；瓦斯压力对砂岩的峰值强度起到了弱化作用，且随着瓦斯压力增加，弱化程度随之增加；不同瓦斯压力下的砂岩在受载破坏过程中都呈现相同的变化趋势，总体分为裂纹闭合阶段、弹性阶段、微小裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段；随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合阶段在峰前的占比呈现增加趋势，而弹性阶段和微小裂纹扩展阶段在峰前的占比呈现减少趋势。该研究对地下深部巷道的开挖和稳定性有重要指导意义。     

预制大尺度单裂纹煤样破坏特征及电荷规律试验研究

为有效提取含有宏观构造煤体失稳破坏的前兆信息,采用试验方法开展了完整煤样和预制不同倾角大尺度单裂纹煤样单轴压缩过程破坏特征及电荷信号规律的研究。结果表明:随预制裂纹倾角(裂纹与轴线方向的夹角)减小,煤样的峰值应力逐渐降低,达到峰值应力时间逐渐缩短,煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变,同时新生翼裂纹由垂直预制裂纹面的翼裂纹向平行预制裂纹面的翼裂纹转变;预制裂纹煤样由于宏观裂纹的存在,更容易发生破裂,在应力峰前就有显著电荷信号产生,因此预制裂纹煤样破裂前兆信息比完整煤样更容易被捕捉;随预制裂纹倾角由60°→45°→30°减小,煤样破裂首次高值电荷信号出现的时间逐渐提前,分别为68.5%σ_c和65.5%T,60.5%σ_c和47.0%T,37.5%σc和30.0%T(T为煤样全程破坏时间),应力峰后破坏阶段电荷信号幅值逐渐减小,电荷累积量曲线突变点增多且首次突变点有所提前;预制裂纹的存在通过改变煤样的变形破裂过程及形式从而实现对煤样破裂产生电荷规律的影响;可根据预制裂纹煤样破裂电荷信号相关特征,对现场进行宏观地质构造探测、以及对煤岩体节理或断层的产状进行合理的推断。有望为预测预报煤岩动力灾害提供新的方法和途径。     

基于分形维数的三轴压缩下泥质粉砂岩力学特性研究

为研究不同应力环境下泥质巷道围岩的变形破坏特征，选取典型泥质粉砂岩岩样，开展了三轴剪切试验，获得了不同主应力加载速率和围压下泥质粉砂岩的应力应变曲线。并采用FLAC3D数值模拟软件对三轴剪切试验结果进行验证，发现增大试验机主应力加载速率以及围压均能提高岩石试件抗压强度。同时，通过收集岩样碎屑，采用“粒度-数量”分形维数研究方法，分析了岩样的破坏规律。发现主应力加载速率、围压越大，试件破坏程度越低，碎屑分形维数值就越小。以上结果表明，主应力加载速率和围压能够有效减缓岩石试件的裂纹扩展速度，减缓岩石试件损伤的发展，增强其抗压强度，同时降低试件破坏后所表现出的破碎性。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

大采高充填工作面巷道超前支护优化

为进行膏体充填开采工作面超前支护进行优化设计,对1331大采高膏体充填工作面巷道超前矿压规律进行研究,通过超前巷道围岩钻孔应力监测观测,研究得到了工作面超前支承压力影响范围及程度,了解了巷道受超前支承压力采动影响情况。结果表明:膏体充填开采工作面超前前方受支承压力扰动的距离约为30m,扰动剧烈的距离约为10m,工作面前方煤壁的破坏区为3.6m,工作面开采对前方巷道扰动程度相对采空区全部垮落法工作面较低。在此基础上确定了合理有效的巷道超前支护优化方案,达到了降低工人的劳动强度的目标。     

高瓦斯综放工作面超前支承压力与瓦斯涌出关系分析

工作面前方煤体内的瓦斯涌出量是整个工作面瓦斯涌出的重要组成部分。煤体内的瓦斯压力变化直接影响着瓦斯渗流速度,而工作面前方煤体的瓦斯压力变化又受煤体应力的影响,因此工作面超前支承压力与前方煤体瓦斯涌出存在着一定关系。对工作面前方煤体内瓦斯涌出与超前支承压力的关系进行了监测,通过监测结果进行分析并结合数值模拟,对超前支承压力与瓦斯涌出量的变化关系进行了分析。     

不同加载速率下粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量变化规律试验研究

为研究加载速率对粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量的影响,定量分析粉砂岩加载过程红外辐射能量变化规律;开展了不同加载速率下粉砂岩单轴压缩红外辐射实验。研究结果表明：峰值应力随加载速率的增加而减小,不同加载速率下,差值模式下红外辐射温度最大值ΔT_max与应力变化具有较好的对应性,更能反映试样的破坏情况,ΔT_max的最高温差突增范围为1.0～1.7℃;主破裂时,累计红外辐射能增量ΔQ随时间变化呈缓慢增长趋势,破裂时对应的累计红外辐射能增量随加载速率的增大逐渐减小;ΔQ与机械功之间呈幂函数关系,随着机械功的增加,累计红外辐射能量增量呈现出先增大后缓慢增长趋势;不同加载速率下试样损伤红外前兆比的范围为0.02～0.285,且随加载速率逐渐减小。     

不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

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。     

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。     

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。     

混凝土断裂表面带电异常研究

实验研究了混凝土试件断裂破坏过程的电位信号。结果表明,混凝土在破裂过程中有电位异常产生,电位信号与试件受载的应变及其声发射率（破裂行为）具有良好的对应性。在混凝土破裂过程中,电位信号呈连续增大趋势,在主破坏时声发射率和电位信号均有大幅度增加。电位信号与试件破裂过程密切相关,可以为破裂提供前兆信息。混凝土破坏是裂纹的扩展、联合、贯通的结果,电位的主导产生机制是裂纹扩展尖端电荷分离及压电效应。     

隧道砂岩破裂过程的电位信号研究

研究了砂岩破裂过程的电位信号规律及其破坏的电位前兆特征,结果表明,砂岩在破裂过程中有电位信号产生,电位信号与试样的变形破裂呈现良好的对应关系;电位信号对加载初期的变形破坏及裂纹的生成比较敏感,声发射在初期比较平淡,在加载后期电位幅值略有降低,而声发射信号大量增加;在试样的加速变形过程中在应变峰值的70％～97％范围内有强脉冲电位信号出现,电位信号的峰前突增可以作为砂岩破坏的前兆特征.通过研究煤岩体破裂过程的电位信号变化规律,可以加深对岩石破裂微观过程的认识,为将来利用电位技术监测隧道岩体稳定性及隧道施工安全提供了基础性研究结果.