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。     

含水煤体冲击倾向及声-电荷时频特征试验

为准确预测冲击地压,采用加载系统及信号监测系统对烘干24 h、自然含水和饱水的取自阜新某矿的3种煤样进行试验研究,探究含水煤体冲击倾向性变化规律及其与破裂过程声-电荷信号时频域特征的对应关系。结果表明:随着煤样含水率降低,冲击倾向性增强,煤体加载破坏过程声-电荷信号变化具有规律性;时域方面,煤样冲击越强,强化及峰后阶段声发射(AE)波形、电荷信号更加连续密集且幅值更高;频域方面,煤样冲击增强,强化及峰后阶段声、电荷频谱图频率向低频方向移动,且冲击越强低频段信号幅值越高。     

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。     

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。     

单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征研究*

为研究单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征,运用伺服压力机、声发射系统对砂岩试样进行单轴压缩试验,结合声发射特征参数与应力时间关系,对砂岩试样变形失稳破坏过程进行分析,并在相同加载方式下分析不同裂纹角度对砂岩试样变形破坏特征的影响。结果表明:砂岩试样破坏过程按力学性质可分为压密、弹性变化、塑性变化及峰后残余4个阶段,预制裂纹对试样的峰值应力有显著降低作用;声发射信号可分为平静期、上升期、波动期3个阶段,信号与砂岩试样破坏过程存在良好对应关系,不同角度预制裂纹对应的声发射信号特征不同,平静期45°裂纹试样声发射事件相对较活跃,振铃累积率相对最高,0°裂纹试样最早进入声发射波动期;在相同加载方式下,声发射信号参数RA值受裂纹角度影响较大,可以利用声发射信号RA值的演化判断岩石材料中裂纹方向与荷载方向的关系。     

压力容器安全技术基础知识讲座(十二) 第十二讲 压力容器的声发射检测

一、原理声发射检测是接收构件受载时内部缺陷由于屈服,开裂、裂纹扩展等而产生的应力波,并对应力波信号(即声发信号)进行分析处理,从而获得产生声发射信号的缺陷情况。描述声发射信号特征的参数主要有幅度、能量、上升时间,持续时间,振铃计数等,其意义见附图。其中能量参数是反映声发射信号的幅度和持续时间的综合值。     

早强充填体与矿柱相互作用的声发射特征试验研究

为了更好厘清充填体与矿柱相互作用机理,提出使用石蜡作为胶结剂,通过尾砂加石蜡拌合模拟充填体,建立充填体与矿柱相互作用的复合体模型。基于充填体与矿柱侧边存在临空面这一实际情况,采用自制的双轴加载装置模拟井下早强充填体与矿柱共同受载情况。借助声发射仪监测充填体与矿柱在加载作用下的AE振铃计数及AE点发生位置。试验结果表明:尾砂+石蜡模拟充填体加载破坏后存在残余应力;充填体与矿柱复合体试样在加载过程中的内部破坏主要发生在充填体内和充填体与矿柱接触带区域。     

早强充填体与矿柱相互作用的声发射特征试验研究北大核心CSCD

为了更好厘清充填体与矿柱相互作用机理,提出使用石蜡作为胶结剂,通过尾砂加石蜡拌合模拟充填体,建立充填体与矿柱相互作用的复合体模型。基于充填体与矿柱侧边存在临空面这一实际情况,采用自制的双轴加载装置模拟井下早强充填体与矿柱共同受载情况。借助声发射仪监测充填体与矿柱在加载作用下的AE振铃计数及AE点发生位置。试验结果表明:尾砂+石蜡模拟充填体加载破坏后存在残余应力;充填体与矿柱复合体试样在加载过程中的内部破坏主要发生在充填体内和充填体与矿柱接触带区域。     

加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征

为了探究真三轴复杂应力变化条件下岩石强度及破坏模式,通过真三轴卸荷扰动测试系统对砂岩试件进行不同第二主应力加卸荷试验,讨论在加卸荷过程中岩石的力学特性及声发射特征。试验结果表明:第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果;不同第二主应力加卸荷声发射能量及累计振铃计数变化趋势大体一致,耗散能量比在载荷达到岩石损伤强度时突增;声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落,声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆;在低载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育,在达到岩石损伤强度后岩石中的活动主要是裂纹贯通形成破裂面,砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合。     

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。     

基于BP神经网络的岩石损伤声发射事件源定位研究*

工程岩体一般包含大量的节理、裂隙等各类缺陷,利用AE技术可以对缺陷进行定位,但仍然有很大误差。为进一步减小AE定位误差,确定缺陷位置,做好安全预警工作,研究提高岩石声发射定位精度的优化方法。利用断铅实验模拟产生声发射信号,将声发射信号特征参数中的幅值、能量、振铃计数以及到达时差作为输入,断铅点真实坐标作为输出,构建BP神经网络模型,并通过实验确定最优隐含层数等参数,最后通过交叉学习训练交叉预测得出断铅点坐标,并与基于到达时差的传统定位法以及考虑材料各向异性条件下的波速优化算法进行对比。结果表明:BP神经网络算法与传统方法相比,板状岩石声发射定位的误差显著减小,定位精度提高;岩石试件定位误差的误差波动更为平稳,有效改善了声发射源位置对定位效果的影响。本方法为岩石缺陷的精确定位提供了1种较好的技术手段。     

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。     

深井硬岩矿山岩爆灾害预测研究

岩爆是深井硬岩矿山常见的地质灾害之一.岩爆倾向性指标主要有弹性能量指数、线弹性能、冲击能量指标、脆性系数、Russenses判据等.根据国内外矿山和地下工程岩爆实例的统计分析,Russenses判据是明显有规律性的岩爆倾向性指标.冬瓜山铜矿是典型的深井硬岩矿山,依据其地质特点,采用Russenses判据预测了该矿发生岩爆的可能性.     

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。     

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。     

基于声发射特征参数的阀门内漏神经网络识别

为解决阀门内漏在线快速检测问题,基于声发射检测技术,采集了DN150闸阀在上下游压差0.8 MPa典型工况下的声发射信号,提取振幅、振铃计数、能量、平均信号电平、信号均方根值5个特征参数作为输入矢量,内漏结果作为输出矢量,建立了3层BP神经网络识别阀门内漏的模型,利用实验数据样本对该模型进行了验证。结果表明,阀门内漏识别准确率超过90%,有利于提高阀门安全运行在线监测水平。     

冷冲击条件下饱水煤样结构损伤规律研究*

为探究煤体在冷冲击影响下强度损伤特征及细观结构演化规律,通过自制低温冲击系统,利用声发射、金相显微镜宏观与细观手段结合的方法,基于ImageJ图像分析软件分别对干燥煤样、饱水煤样冷冲击前后细观结构演化进行量化表征,并通过测试渗透率验证煤体结构变化带来的增透效果,研究结果表明:在煤体中超声波波速随冷冲击温度降低而下降;相同时间内,冷冲击温度越低,声发射振铃计数表现越活跃,煤体释放能量愈大,致裂效果越显著;经冷冲击后的饱水煤样相对于干燥煤样会产生更多的斜向新生裂隙,新萌生裂隙与原生裂隙交汇贯通形成絮状网格,其渗透效果显著提升;随冲击温度的降低,抗压强度、弹性模量均增大。研究结果可为低温改善煤层透气性,增产煤层气及矿井瓦斯灾害防治技术提供理论依据。     

千秋煤矿2号煤层冲击倾向性判别指标研究

在对现行冲击倾向性指标分析的基础上,综合考虑煤样变形破坏过程中冲击能量效应和时间效应,提出有效冲击能量速度指数这一新的冲击倾向性判定指标。建立了煤样的单轴压缩峰值前塑性变形消耗能量的计算模型,得出了有效冲击能量速度指数的计算方法和判定准则。通过试验、分析和计算,论证了单轴抗压强度和有效冲击能量速度指数作为煤层冲击倾向性判定指标的可行性和可靠性。研究结果表明:以冲击能量指数、弹性能量指数、动态破坏时间、单轴抗压强度和有效冲击能量速度指数五个指标作为千秋煤矿2号煤层冲击倾向性判别指标,可以增强判定结果的可靠性和准确性。     

瓦斯环境中煤体破裂AE信号频带能量特征研究

为分析瓦斯环境对煤体受载破裂过程中的声发射(AE)频带能量的影响,以构造煤体为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤体试验装置进行单轴压缩试验,采用快速傅里叶变换(FFT)与小波包分析的信号处理方法,得到不同瓦斯压力下的煤体破裂AE频带能量特征。结果表明:瓦斯压力越大,煤体破裂产生的AE信号主频越大,频带越窄,频谱逐渐由复杂多峰形态转变为单峰形态;瓦斯环境下,随着受载应力的增加,频带逐渐丰富,频谱逐渐左移;当瓦斯压力变化时,2. 92～4. 38、4. 38～5. 84、7. 3～8. 76 kHz等3个频带的能量变化趋势较为明显;处于2. 92～4. 38 kHz频带内能量的变化量与4. 38～5. 84、7. 3～8. 76 kHz能量的变化量之和基本相等,且呈现相反的变化趋势;当构造煤体所受应力增加时,4. 38～5. 84与7. 3～8. 76 kHz分别为能量增加与减少幅度最大的频带;可以将2. 92～4. 38、4. 38～5. 84 k Hz作为研究构造煤体在瓦斯环境中受载破坏的特征频带。     

尾矿砂介质渗流过程诱发声发射信号特征试验研究*

为了对渗流状态进行预测预报,从而预防渗透破坏事故的发生,基于地下水位上升、不同尾矿砂粒径以及渗流速度诱发的弹性波信号,采用声发射技术对尾矿砂介质的渗流状态进行监测。由800,1 100,1 400 mm 3种不同水头高度（流速）下的水流分别渗入0.1~0.25,0.25~0.5,0.5~1 mm以及混合粒径的尾矿砂介质中,模拟尾矿坝渗流,监测渗流过程的AE信号,分析液面上升、不同粒径尾矿砂颗粒以及不同流速下的渗流AE信号特征。结果表明:在试验所选用的几组粒径中,流速相同时,粒径较大的尾矿砂渗流产生的AE事件数量多、幅值大,即粒径越大,尾矿砂渗流过程的AE信号越强;同一粒径下,流速越小,渗流产生的AE信号幅值越小,AE事件数越少,即流速越小,尾矿砂渗流过程的AE信号越弱;液面上升过程中,在液面位置处产生的AE信号最强,且AE信号随液面位置与传感器距离而变化,越接近传感器AE信号越强,这表明AE技术能够较为准确地监测渗流过程中液面上升。研究结果可为尾矿坝渗流监测提供理论与技术支持。