不同组合比例煤岩的电荷感应与微震规律试验研究

针对煤岩在屈服破坏过程中有微震和电荷信号产生这一特征,利用自行设计的微震和电荷感应信号监测试验系统,分析不同组合比例煤岩在变形破裂过程中微震和电荷信号的变化规律。研究结果表明:微震和电荷信号是低频信号,信号频谱集中分布在0~80 Hz,应力突变与微震信号和电荷信号的产生及变化有较好的一致性;随着“煤-岩”高度比的增加,试样的单轴抗压强度减小,试样屈服破裂时微震和电荷信号幅值增大,同步性增强,试件破坏的突发性增强;试件破坏过程中电荷比微震信号数更多,初次明显的电荷信号也早于初次明显的微震信号。     

岩石变形破裂状态与电荷感应信号相关性试验分析

在基于电检测的岩体动力灾害预测预报技术中,分析岩石的变形破裂状态与电信号的相关性是关键环节。采用自行研制的岩石电荷感应试验系统,对花岗岩和煤岩试样进行单轴加载条件下的电荷感应检测,分析了岩石峰前阶段变形破坏状态与电荷感应的相关性。结果表明,电荷感应信号在不同的变形破坏阶段呈现出明显特征,电荷感应信号可反映岩石内部结构的变化,变形破坏过程与电荷感应规律有良好的相关性。对花岗岩试样而言,压密段电荷感应信号的幅值较小且分布最零散,弹性段没有明显的电荷感应现象,稳定变形段电荷感应信号的幅值中等且分布密集,加速变形段部分电荷感应信号的幅值最大且再次呈现出密集分布的状态。对煤岩试样来说,加速变形阶段的电荷感应信号与花岗岩存在较大差异,电荷感应信号的幅值明显增大,正电荷的数量明显增多且信号更为集中,二次加载阶段的变形过程一直伴随感应电荷产生,信号幅值集中在±500 mV的范围内,不但幅值大大减小,正电荷出现的次数也明显增多。结合岩石单轴压缩内部裂纹形成机制和变形阶段划分的研究成果,采用电荷感应信号可分析和评判岩石所处的变形破坏状态。     

受载复合煤岩破裂表面红外辐射温度变化规律

为实现对煤岩动力灾害的非接触式预测预报,采用红外热成像仪,研究由煤和顶底板岩组成的复合煤岩与泥岩受载变形直至破裂过程中表面红外辐射温度的演化特征。建立煤、顶底板岩、泥岩温度与应力、应变之间的拟合方程。研究结果表明,复合煤岩和泥岩试样加载产生红外辐射的物理机制一致,均存在热弹效应和摩擦热效应。煤岩破裂失稳红外辐射前兆表现为阶跃式、台阶式上升趋势;加载速率增大,温度变化更加明显,与应力、应变成较强线性正相关关系,其中,煤样红外辐射温度变化最大,顶底板岩的红外辐射温度变化相对较小;泥岩红外辐射温度有阶跃式、突增型上升趋势,温度变化较煤岩明显,其与应力、应变的相关性稍高于煤样和顶底板岩。     

不同类型煤体失稳破坏电荷感应试验研究

为得到不同类型煤体在压缩破坏过程中应力和电荷的变化规律,利用自主研制的电荷感应测试系统进行室内试验。试验分别对冲击型原煤试样、突出型原煤试样及型煤试样压缩破坏过程进行实时电荷监测。结果表明,不同类型的煤样在压缩过程中产生的应力变化曲线有明显的区别,冲击型煤样在加载过程中的应力-应变曲线在达到峰值应力前表现为较好的线性关系,峰后区的应力-应变曲线一般主要表现为近似竖直的直线。突出型煤样在加载过程中峰前区的应力曲线出现了多个峰值,在峰后区应力-应变曲线一般表现为上凹形的曲线。型煤试样的应力曲线峰前区有更为明显的压密阶段、线弹性阶段及弹塑性阶段,峰后区的应力-应变曲线一般表现为上凸的曲线。3种不同类型煤体压缩破裂时电荷感应信号峰值出现的位置及电荷感应信号的集中或分散程度也不同。冲击型煤样的电荷感应信号出现的位置相对比较集中,主要出现在峰值应力前后和试样完全失稳破坏阶段。突出型煤试样的电荷感应信号则比较分散,一般出现在应力出现峰值前后或应力急剧增加阶段。型煤试样的电荷感应信号一般出现在应力软化阶段,在峰值应力前阶段并没有收集到电荷感应信号。利用不同类型煤体在压缩破坏时的电荷感应信号不同,可以为矿山灾害的发生提供预报信息。     

冲击倾向性煤体失稳破坏电荷感应问题试验研究

为了探究煤样冲击倾向性与煤样破裂电荷感应关系,利用自主研发的多通道电荷感应监测系统,开展单轴压缩条件下不同冲击倾向性煤样电荷信号规律的试验研究,对不同冲击倾向性煤样破坏全程电荷信号分布趋势以及电荷相关参量分别进行定性和定量分析。结果表明:煤样破裂过程的应力-电荷变化具有一致性,加载初始阶段电荷信号稳定,应力突降阶段电荷信号变化显著;不同冲击倾向性煤样,电荷信号变化规律有所不同;强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的临近峰值应力阶段,弱冲击倾向煤样电荷信号在应力峰前和峰后均有,无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的软化阶段;煤体冲击倾向性越强,应力峰后累积电荷量越小,单位时间电荷量越大;因此,可以通过电荷信号的分布以及电荷相关参量的量化分析,初步判断煤体冲击倾向,为冲击地压动力灾害的预测提供理论依据。     

单轴压缩煤岩破裂电荷尺寸效应试验研究

为研究不同尺寸煤岩裂隙发生发展差异性,在单轴压缩条件下,采用电荷感应技术研究煤岩破裂电荷信号和煤岩尺寸的关系,得出单轴压缩煤岩破裂电荷尺寸效应。结果表明:单轴压缩条件下,单位体积电荷量随体积以幂函数关系增长;单位面积电荷量随面积以幂函数关系增长;单轴压缩煤岩破裂电荷的尺寸效应源于煤岩的非均匀性;大体积或大面积煤岩含有原生裂隙和大裂隙的数量越多,煤岩就越不均匀,原生裂隙的扩展和新生裂隙的产生、扩展概率也就越大,因而产生静电荷量越大。     

含水煤体失稳破坏电荷感应规律试验研究

为研究含水煤体失稳破坏过程中电荷感应规律,探寻应用电荷感应法监测煤矿突水灾害可行性,利用自主研制的电荷传感器对含水煤体单轴压缩过程进行电荷信号监测,分析煤体压缩过程中应力及电荷信号变化规律。试验结果表明:烘干煤体和含水煤体单轴加载过程中均有自由电荷产生,电荷信号呈脉冲状波动,通过分析含水煤体电荷信号变化规律同时统计煤体峰值强度前电荷脉冲数及脉冲宽度,从水通过削弱煤体强度进而影响电荷信号;Stern双电层中形成流动电荷,增强了煤体电荷信号;水的存在增加了煤体破裂面自由电荷存留时间三个方面总结了水对煤体电荷的影响机理。     

煤体电荷感应信号评价冲击危险性试验研究

为完善冲击地压矿井的冲击危险性评价方法,提高冲击危险性预测的准确率,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,选择典型冲击地压矿井的煤样,开展了煤体单轴压缩冲击危险性测试与电荷感应监测试验研究。基于冲击地压扰动响应失稳理论,将应变软化阶段产生的电荷信号变化作为预测冲击地压发生的前兆信息,得到了煤体冲击危险性指标的临界软化系数Kρ、临界应力系数Kp及其冲击危险的等级分类标准,分析了煤体电荷感应信号的电荷事件数CSJ和电荷事件的平均幅值CFZ参量与冲击危险性指标Kρ和Kp之间的量化关系。结果表明:煤样破裂应力峰后,冲击倾向性K与电荷事件数CSJ呈指数递减关系,与CFZ呈指数递增关系;随着Kρ或Kp的增大,煤样应力峰后CSJ呈幂函数关系递增,应力峰后电荷平均幅值CFZ呈一次函数关系递减,以此可预测煤体的冲击危险程度,最后得到了河南某矿煤层冲击危险性的应力峰后冲击危险等级的CSJ和CFZ判据与划分标准。煤体冲击危险性电荷感应信号评价方法为冲击地压矿井冲击危险性评价提供了一种新的方向,对现场煤层冲击危险性评价具有指导作用,但也还需要开展大量现场试验对其进行不断修正和完善。     

基于FLAC3D的复合煤岩受载破裂数值模拟及试验研究

采用FLAC~(3D)对复合煤岩模型的单轴压缩破裂进行数值模拟及试验,研究复合煤岩受载破裂应力与应变关系变化规律。针对煤样厚度、复合煤岩组合比、煤层参数、顶底板岩性等参数,对复合煤岩模型进行加载仿真研究,仿真及试验结果表明:单一煤样模型随着高度的减小,应力应变曲线整体阶段存在尺寸效应;改变煤岩组合比例时,其抗压强度基本不变,随煤样比例增大,复合煤岩的整体弹性模量减小,整体刚度减小;单一改变复合煤岩的煤样参数时,随煤样弹性模量增大,复合煤岩的弹性模量越强,应力应变曲线峰值点越高,对应应变越小;单一改变顶底板岩性,对复合煤岩模型的应力应变曲线影响不大。试验结果和仿真结果变化趋势一致,表明所建模型具有一定正确性和适用性。     

组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系研究

为探究组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系，选用新邱矿区煤样和砂岩制备组合煤岩试样，采用物理实验和数值实验相结合的方法，开展不同岩煤高度比的组合煤岩试样受载破坏声发射与电荷感应监测试验，得到了组合煤岩力学性质、声-电荷信号规律及其相互关系。结果表明:组合煤岩试样中的岩石高度提高会提升其整体强度，其破坏脆性特征显著，冲击倾向性增强，弹性阶段的声发射信号提前，声发射能量累积量增加，峰后声发射能量变化率及电荷变化率增大；组合煤岩峰后产生连续声发射信号和电荷信号，强冲击和中等冲击组合煤岩破坏时声发射能量变化率分别为0.336和0.047 J/s,电荷变化率分别为204.88和24.52 pC/s。声发射信号与电荷信号可以在一定程度上反应组合煤岩应力状态并预测失稳破坏，为通过信号监测煤体冲击地压灾害发生提供依据。     

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。     

煤岩动力灾害电磁辐射信号特征研究

为研究煤岩动力灾害发生前兆特征,即该过程中的电磁辐射信号产生规律,应用煤岩单轴加载破坏测试系统进行原煤及型煤煤样煤岩破裂过程电磁辐射测试试验。对原始电磁辐射信号进行集合经验模分解(EEMD),并在分解各个固有模态函数(IMF)分量波形的基础上,计算各IMF分量在原始辐射信号中的能量比例,确定原始信号的主要频段及优势频段。试验结果表明,煤岩破裂过程先后经过初始压缩阶段、弹性变形阶段以及加速破裂阶段。随着压力的不断增大,电磁辐射信号随着大量裂隙的形成而产生,且电磁辐射信号的强度与压力正相关。当压力增大至使煤体发生首次错动数值时,其电磁辐射信号强度达到极值,此后错动强度不断降低,电磁辐射信号强度也逐步下降。     

煤岩电信号影响因素分析

为研究煤岩电信号产生机理,以利用电信号预测煤岩动力灾害,选用煤、花岗岩、砂岩等不同性质煤岩体,利用建立的试验系统分析了煤岩温度、煤岩性质、煤岩摩擦、煤岩加载速度及煤岩载荷等因素对煤岩电信号的影响。结果表明:随温度升高过程中,煤岩电信号的变化规律可分为3个阶段;性质不同的煤岩体单轴压缩下产生的电信号幅值有明显差别;煤岩摩擦过程中能产生电信号;随加载速度增大,煤岩即将破裂时产生的电信号有增强趋势;电信号大小与载荷大小不成比例关系,但在即将破裂时产生的电信号最大。     

受载复合煤岩变形破裂电磁辐射中频信号规律试验研究

采用自主研制的电磁辐射采集系统,深入研究受载复合煤岩变形破裂电磁辐射中频信号特性。在前置部分的天线和电缆之间加入巴伦,把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断,减小信号的传输损耗,提取电磁辐射信号,分析其在加载各个阶段的分布规律和特征。结果表明:复合煤岩受载破裂释放的电磁辐射能量主要集中于500 kHz～1 MHz中频段,电磁辐射信号整体与应力相关性较高,相关系数大于0.8。     

矿井底板突水过程电荷感应规律试验研究

为研究复杂水文地质条件下矿井底板突水导水通道形成及破坏情况的判断问题,基于电荷感应监测技术,通过水压致裂试验对比不同壁厚电荷信号规律,研究导水通道距离采掘空间不同深度下电荷特征,探究电荷前兆信息与底板突水通道形成过程的联系。结果表明:电荷信号和声发射信号均在起裂压力前出现较大脉冲,这2种信号出现的顺序随机,这与岩体的结构以及组成有关;壁越厚,起裂压力越大,释放的电荷量越大,电荷释放与试样变形破坏所需的力存在必然联系;不同壁厚试样电荷感应信号在衰减时间与电荷累积量等方面有差异,通过电荷感应信号探测导水通道形成深度是可行的。     

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。     

瓦斯吸附作用下煤岩力学行为及声-电荷反演

为深入探究不同瓦斯吸附压作用下的煤岩力学行为及声-电荷反演规律,完善冲击-突出复合灾害的预测预警方法,以阜新孙家湾矿168工作面煤样为研究对象,利用载荷-声-电-应变复合监测系统对不同瓦斯吸附压力作用下的试样的力学特性、破坏特征、冲击-突出特征及声-电信号反演进行试验研究。结果表明:随瓦斯吸附压力增大,瓦斯煤岩冲击倾向指标均降低,应力峰前调整逐渐增多,煤岩峰值破坏时间延长,煤体内部损伤、软化程度及破碎程度升高,煤体动力灾害存在冲击向突出转化的可能;监测获得的声-电荷高幅值信号在时间序列上与煤体应力状态呈现较好对应关系,能够反演瓦斯煤岩的力学特征。     

煤体剪切破坏电荷感应规律试验研究

为研究煤体剪切破坏过程中的电荷感应规律,基于变角板法对某矿区煤体在不同剪切角度破坏下进行电荷监测,探究了煤体在剪切破坏过程中的力-电感应变化规律。结果表明:随剪切角增大,煤体发生剪切破坏的强度逐渐减弱,失稳破坏形式由压剪破坏向张拉破坏过渡;煤体剪切破坏过程中有显著电荷感应信号产生,电荷信号异常区域对应于剪应力突变阶段;随剪切角增大,煤体应力峰值前电荷信号逐渐减少并不断向剪应力峰值附近集中,剪应力峰值前累计的电荷量也逐渐减少;提出了煤体剪切破坏过程中产生电荷的机理主要为摩擦作用的观点;电荷感应信号峰值在剪应力达到极限强度之前出现,电荷信号峰值比剪应力峰值提前出现时间随剪切角度增加有减短趋势;在首次出现电荷峰值信号之后短时间内煤体将发生较大幅度的应力跌落过程;可以以电荷信号峰值的出现为基点来预测煤体将要发生变形破坏及通过电荷信号的整体分布特征来揭示煤体剪切破坏规律。     

基于电荷监测技术预测矿山动力灾害试验研究

为提高矿山动力灾害预测准确率,应用自主研制的电荷传感器,将标准煤样置于三轴压力室内进行应力-电荷试验。分析围压对煤样压缩破坏过程中电荷信号的影响。结合现场测试,揭示工作面开挖过程中煤体应力与煤壁表面感应电荷的时间和空间变化规律。试验结果表明,煤体压缩过程中电荷信号的变化与煤体所处的应力水平关系密切,处于应力集中区域和应力松弛区域的煤体有明显脉冲状电荷信号,原始应力区电荷信号平稳,电荷信号的变化超前于煤体应力的变化,围压对电荷信号有延缓、强化的作用。     

组合煤岩体冲击倾向性及破坏特征的电荷规律试验研究

为完善冲击地压灾害的预测判据,采用试验方法研究不同岩煤高度比条件下组合煤岩体冲击倾向性、破坏特征以及破坏过程中电荷感应规律。结果表明,随岩煤高度比的增大,组合煤岩试样的冲击倾向性由弱变强;破坏特征由煤体部分破坏型向煤岩整体破坏型和煤体-底板破坏型过渡;试样冲击倾向性越强,其峰后电荷脉冲数和电荷积累总量越小。可将应力峰后电荷脉冲数和电荷积累总量作为组合煤岩体冲击倾向性及破坏特征的初步判定依据。