煤岩变形破裂的电磁辐射规律及其应用研究

对受载煤体变形破裂电磁辐射规律进行了研究及分析 ,并对煤岩电磁辐射技术应用于预测预报煤与瓦斯突出进行了试验研究。研究结果表明 ,电磁辐射与煤岩体的载荷、加载速率及变形破裂过程呈正相关。煤岩电磁辐射技术在预测预报煤与瓦斯突出等方面有着非常广阔的应用前景。     

基于均生函数模型的冲击矿压电磁辐射预测研究及其应用

通过实验研究煤岩变形破裂过程电磁辐射信号的变化规律,表明非接触电磁辐射法能动态预测冲击矿压等煤岩动力灾害现象;在非接触电磁辐射法动态预测冲击矿压的实验研究基础上,提出一种新的动态时间序列预测模型——均生函数模型,利用电磁辐射监测仪测定的现场工作面电磁辐射信号时间数据序列,通过逐步回归筛选时间序列构造一个均生函数方程;利用该方程预测预报未来电磁辐射信号的发展,并与现场测定的实际值进行对比分析,以此来验证该预测模型的正确性。误差分析和实践结果表明:均生函数模型的预测值与实际测定值的相对误差最大为6.71%左右,且距平趋势正确率均达到了60%,证明该模型与电磁辐射预测方法的有机结合能有效地预测冲击矿压以及提高预测的准确性,为冲击矿压电磁辐射预测技术的研究提供了一种新的研究思路和方法。     

Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications to mine pressure

Strata pressures are common potential troubles during coal mining, serious ones can cause great catastrophe. This paper presents a new comprehensive electromagnetic radiation (EMR) monitoring technique to monitor and predict these disasters. In this paper, we studied the relationship of EMR emitted by various, uniaxially loaded, coal rock samples (coal, rock, roof-coal-floor composite) in their whole deformation and failure processes to the applied loads, and found that EMR signal is linearly related to the applied loads, while the number of EMR pulses is a third power function of the applied loads. Therefore, EMR signal is capable of reflecting the stress (load) state, deformation and fracture strength, and internal stress state of coal rock mass. Based on the above, we proposed three methods for measuring rock pressure distribution, periodic pressure, and internal stress distribution of coal rock mass on working faces, and conducted field measurements and verifications. The results showed that (i) EMR has a certain correspondence to support resistance of working faces, and can reflect more accurately the face pressure distribution; (ii) in the mining impacted area located within 100 m in the front of working face, the stress distribution has unimodal and bimodal forms; (iii) EMR signal changes periodically with periodic pressure, and can be used to qualitatively observe and evaluate periodic pressure; (iv) tested with antenna in the borehole into coal rock mass, EMR signal can effectively reflect the internal stress distribution and shifting, which was verified by using traditional drilling cuttings method. In addition, EMR can also be used to check the effect of destress blasting as one of the emergency measures. In conclusion, the results are of practical significance for using EMR to monitor rock pressure and guiding safe underground mining.     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程，单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况，通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征，并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高，煤样破坏时强度越大，脆性破坏特征越明显，瓦斯流量急剧增加幅度越大，煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多，且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量，并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

Relationship between EMR and dissipated energy of coal rock mass during cyclic loading process

Dynamic collapses of deeply mined coal rocks are severe threats to miners. In order to predict the collapses more accurately using electromagnetic radiation (EMR), this paper researched the energy conversion mechanism in the damage process of coal rock mass, analysed its EMR and dissipated energy, and a relationship between which was established using the voltage amplitude of EMR signal and hysteresis loop generated in the loading and unloading cycles as a bridge; then a series of cyclic loading experiments using coal samples of Junde and Xinlu coal mines from Heilongjiang province were carried out, and EMR signal released during these cycles were collected. Results show that during a whole damage process of a sample, the cumulative values of EMR energy and corresponding dissipated energy (hysteresis loop area) well subject to the form of y=aln(x)+b, whose correlation coefficients are above 0.90, and EMR signals received by different frequency antenna seldom impacted on this relationship; the total EMR energy released from the whole failure process of the samples obtained from adjacent sampling point in same mining area are different to some extent, so are the dissipated energy; compared with cyclic loading for coal rock mass orderly with the peak loads of 5 kN and 10 kN previously, the dissipated energy of direct using that of 15 kN increase 17.8%, and EMR signal is more abundant; EMR energy received in each cycle increase steadily with the improvement of load level, and in a single loading and unloading cycle, sometimes it is very rich in the unloading phase, even more than the loading one.     

用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的实验理论基础

用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出是突出研究的新技术手段。本文阐述了电磁辐射法预测突出的理论和实验基础，电磁辐射法预测突出能实现连续、非接触、准确可靠和自动化监测，是煤与瓦斯突出预测技术的发展方向。同时也指出了目前的未知领域和研究成果的缺陷，指明了以后的研究方向和课题。     

软煤样断裂韧性加载速率效应实验研究*

为探究加载速率对软煤样Ⅰ型断裂韧性的影响,对取自云南老厂的煤样开展压入硬度实验及不同加载速率条件下的断裂韧性实验,分析加载速率及割理角度对软煤样断裂特性的影响。结果表明:实验老厂煤岩压入硬度分布在51.84～125.03 MPa之间,按压入硬度划分属于软岩类别;实验岩样Ⅰ型断裂韧性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm^0.5之间,平均值为0.096 5 MPa·mm^0.5;在0.2～1.1 mm/min的位移加载速率范围内,实验软煤岩Ⅰ型断裂韧性值随加载速率的增大呈现先增大后降低的规律,割理角度对软煤岩Ⅰ型断裂韧性有较大影响,Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系呈现为负线性相关性。低加载速率条件下,软煤岩表现为韧性断裂,高加载速率条件下,软煤岩表现为脆性断裂,加载速率的变化导致软煤岩断裂类型的变化。     

基于电磁辐射峰谷比值法的煤与瓦斯突出预警

为了提高电磁辐射预警煤与瓦斯突出危险的准确性,减少误报现象,在分析大量电磁辐射现场数据基础上,基于电磁辐射预警煤与瓦斯突出危险原理,提出了电磁辐射峰谷比值法,利用正态分布统计特征计算每个班次的电磁辐射瞬时强度峰值均值和谷值均值,并将其比值作为煤与瓦斯突出危险性的预警值。最后,将该方法应用于义忠煤矿11112风巷掘进工作面,研究结果表明:与临界值系数和动态变化趋势系数法相比,峰谷比值法误报较低,预警准确性高,能够很大程度上减少误报对生产的影响。     

含水煤岩单轴压缩微震信号特征试验研究

为了对煤层底板突水进行预测,基于煤岩在压力作用下有微震信号产生,提出利用自行设计的微震全波形综合监测试验系统对干燥煤岩和含水煤岩变形破裂过程微震信号的变化规律进行研究。结果表明:煤岩变形破裂过程可分为压实阶段、线弹性变形阶段和破裂发展阶段,在破裂发展阶段微震信号事件数和信号强度迅速增加;随着加载速度的增大煤岩的峰值强度增大,煤体产生微震信号事件数增多,大振幅的微震信号事件也增多,出现应力下降即煤岩形成较大裂隙时产生强度较大的微震信号;但饱和含水煤岩的峰值强度和煤岩冲击倾向性比自然干燥煤岩都低,且微震信号事件数和信号强度都降低。上述结论对指导现场煤层底板突水的预警有重要意义。     

基于HHT的煤岩破裂微震信号分析

微震信号处理是目前研究微震监测技术应用领域中的一个重要课题,应用ESG微震监测系统采集煤巷炮掘过程中产生的煤岩破裂微震信号,针对所采集微震信号具有明显的持续时间短、突变快等特点,选用希尔伯特黄变换(HHT)对其进行处理。HHT包括EMD分解和Hillert变换两部分,微震信号经过EMD自适应分解得出9个IMF分量和一个残余分量,对各IMF分量进行Hillert变换做出Hillert谱,从Hillert谱中得出煤岩破裂微震信号频率响应主要集中在500-800Hz,用边际能量谱加以验证得出Hillert谱在应用中的准确性,为进一步认识煤岩破裂的机理和预测煤岩动力灾害提供了有效的技术途径。     

综合物探技术在矿井工作面底板含水构造探测中的应用

为了查明汾源煤业文明矿5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况,并对其进行突水危险性区域划分及评价,采用瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法综合勘探,综合分析三种物探方法探查结果,并结合揭露情况和钻孔验证。结果表明:位于切眼往外(0~250)m范围内,工作面底板相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性强,导高大,且煤层内部较不均匀,存在多条5m以上落差含水断裂破碎带,此区域突水危险性最大;切眼往外(300~380)m范围内存在局部富水区域,导高较小,但不存在构造破碎带,突水可能性较小;工作面其他区域都较安全。综合物探比单一物探更具有准确性和可靠性,更符合工程实际情况,为采取针对性的治理措施从而实现安全回采提供了参考依据。     

深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究

为深入研究深部近距离煤层上行开采过程中岩层应力分布、断裂破坏及下沉变形特征,根据深部煤层开采的具体工程地质条件,建立了深部近距离煤层上行开采相似材料试验模型,对上行开采中围岩应力变化、覆岩运动及裂隙演化过程进行了模拟分析。获得了下煤层和上煤层开采过程中,围岩应力分布变化特点及分区特征、岩层裂隙富集区主要分布区域及其演化规律,煤层开采过程中切眼和煤壁附近岩层断裂角的变化特征,并得到了两煤层工作面相对位置不同情况下,岩层裂隙富集区演化特点、断裂角变化及下沉变形规律。研究成果为类似条件下煤层上行开采、瓦斯抽采提供参考。     

急倾斜水平分层综放开采矿压显现规律

水平分层综放开采技术能够实现急倾斜厚煤层的安全高效回采。急倾斜开采工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与缓倾斜煤层开采有显著区别。为了进一步研究急倾斜水平分层综放开采的矿压显现规律,本文以大台井-10水平3#、5#合并煤层放顶煤工作面为实验研究内容,提出-10水平石炭纪急倾斜近距离煤层联合开采的方案,应用相似试验和数值研究采用联合放顶煤开采条件下,3#、5#煤层在开采过程中的放煤规律、矿压显现情况、以及围岩等破坏的一般规律,揭示了第一分层和第二分时岩层垮落状态及应力分布特征,本文研究成果提高了煤炭的回采率,保证了安全条件下的高效开采,对指导合理支护参数的确定和现场工程实践具有一定的指导意义。     

Spectrum characteristics analysis of microseismic signals transmitting between coal bedding

This study was performed to investigate the propagation law of microseismic signals transmitting along the direction parallel and vertical to the bedding in the process of coal rock rupture under uniaxial compression. Microseismic signals during the whole process of coal-rock deformation fracture until burst failure was tested by using the coal rock rupture microseismic experimental system. The empirical mode decomposition graphic, Hilbert spectrum and time-frequency spectrum were obtained by using Hilbert-Huang Transform or HHT. Also the microseismic signals transmitting along the direction parallel and vertical to the bedding in the process of coal rock rupture were spectrum comparative analyzed with EMD analysis method. Results show that amplitude and velocity of microseismic signals changed very small along the parallel direction to bedding in the process of propagation, but microseismic signals delayed and amplitude weakened obviously along the vertical direction to bedding. Signal delay and signal attenuation were confirmed that bedding impact on microseismic wave transmitting.     

基于力电耦合冲击矿压电磁辐射预测法的研究

笔者首先提出了煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力耦合的概念 ,然后在实验研究、理论分析和数值模拟的基础上从力电耦合的角度研究了煤岩冲击矿压预测的电磁辐射法 (EME)。研究结果表明 :FLAC3D方法能对矿山巷道掘进过程煤岩内部应力场进行有效的数值模拟 ;电磁辐射信号主要来源于应力集中区 ,在场点监测到的电磁辐射信号主要是应力集中区煤岩变形破裂过程产生的 ;EME信号呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律 ;利用力电耦合方法研究煤岩冲击矿压电磁辐射预测法是可行的。笔者最后还对未来煤岩冲击矿压电磁辐射预测法的研究进行了展望。     

岩石破坏失稳的声发射响应与损伤定量表征研究

为了探索在外载荷作用下岩石的损伤演化规律及声发射响应特征，实现损伤程度的定量表征，以标准岩石试件为研究对象，采用RMT-301岩石力学试验系统和DS5-8B全信息声发射仪，开展单轴加载条件下岩石破坏全过程的声发射(AE)试验研究，根据声发射参数、声发射源三维定位、声发射能量密度和岩石力学分析表征其破坏形态，再现岩石裂隙孕育、发展和贯通过程，揭示岩石破坏规律、能量密度分布特征、裂隙空间演化和AE时序参数；以时间为中间变量，建立声发射累计振铃计数和应力、应变及损伤变量的耦合关系；基于岩石损伤演化方程，进一步建立声发射累积能量和应力、应变的定量模型。研究结果对揭示岩石破坏机制、区分岩体强度具有指导意义，为矿山煤岩动力灾害的预测预警提供一定理论支撑。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

瓦斯煤尘爆炸特性及传播规律研究进展

概要介绍国内外的瓦斯爆炸和瓦斯煤尘混合物爆炸特性及传播规律研究进展,瓦斯爆炸研究主要集中在瓦斯爆炸压力、火焰、温度等特征参数、不同障碍物对瓦斯爆炸压力、火焰传播的影响以及分岔、拐弯等不同形状管道内的传播规律,而瓦斯煤尘混合物爆炸研究主要集中在瓦斯对煤尘爆炸的最小点火能、爆炸下限、最大爆炸压力等爆炸特性及传播规律的影响。对不同研究人员采用的主要研究指标、手段、方法和研究结论进行综合评述,同时也对爆炸事故人员伤害模型在国内外的研究状况进行讨论,最后指出目前存在的主要问题和下一步的研究方向。     

近距离煤层大断面切眼支护稳定周期分析

在近距离煤层群的下行开采中,上位煤层的回采直接影响到下位煤层开切眼围岩的应力分布、破坏规律以及围岩的运移规律,从而影响到切眼的支护方式。为了分析下位煤层工作面切眼锚杆支护的稳定周期,利用基于三维显式有限差分法的计算工具Flac3D,以矿井近距离煤层工作面10603的切眼支护为工程实例,对比分析了上位煤层开采后,切眼围岩在支护前和支护后的应力分布、破坏规律和运移规律。结果表明,切眼进行锚杆支护后,应力集中带及影响范围都减少了50%,围岩剪应力由支护前的2.5 MPa降低到支护后的0.6 MPa,围岩塑性区域比支护前减少了40%,有效地控制了围岩的破坏,且切眼顶底板稳定周期为26天,两帮稳定周期为28~30天。     

煤岩体导热系数试验及单因子方差分析

为研究温度和含水量对煤、岩体导热系数的影响,采用激光闪射法测得8种煤、岩样品的导热特性参数;利用单因子方差分析方法对不同温度条件下的煤岩体导热系数测定结果进行比较分析,结果表明:煤岩体的导热系数随温度升高线性降低,随含水量增大而增大;岩石的导热系数大于煤体的导热系数,岩石的导热系数为1~5W/(m·K),煤的导热系数为0.1~0.5 W/(m·K);拟合得到不同煤体导热系数和温度的关系式,其拟合函数相关度在0.93左右,最大相对误差为2.18%。因此,可利用拟合函数和测试结果预测测试矿井的煤岩体导热系数。