复合煤岩受载破裂电磁辐射和红外辐射相关性试验

利用煤岩电磁辐射采集系统和红外测温仪,试验研究由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩体受载破裂的电磁辐射信号及煤层内部的红外辐射温度。对复合煤岩体内部进行钻孔,利用红外测温仪研究试样内部红外辐射温度的演化特征,采用环形天线测量电磁辐射信号强度。结果表明:煤岩内部微观裂隙和宏观破裂均对电磁辐射及红外辐射信号产生明显影响,且其影响程度随载荷增强而逐渐增强;红外辐射主要来源于摩擦热效应与热弹效应,呈温阶跃式、突增型上升。两者呈现较强的相关性,决定系数均在0.8以上。     

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。     

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。     

受载复合煤岩变形破裂电荷感应变化规律

为有效提取煤岩动力灾害电荷感应前兆特征以提高其预测准确率,在0.1、0.3和1 mm/min等3种加载速率下对复合煤岩进行单轴加载破裂试验,采用自主研制的新型电荷传感器检测电荷感应信号,研究复合煤岩变形破裂过程中电荷感应信号变化规律及机制。试验结果表明:复合煤岩失稳破裂前有明显的阵发性、不连续的电荷感应脉冲前兆信号;电荷感应信号随着加载应力水平的增加逐渐增强,在临近峰值应力前达到最强;当0.1 mm/min加载速率时,复合煤岩产生的电荷感应信号最强;复合煤岩煤样部分的电荷感应信号变化较顶底板岩体明显;复合煤岩破裂产生的电荷感应信号与其内部破裂、摩擦、热效应等因素有关。     

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。     

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。     

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。     

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。     

煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究进展与展望

随着我国煤矿快速进入深部开采,煤岩瓦斯复合动力灾害日渐成为威胁深部煤炭安全高效开采的重大灾害,研究其发生机理成为煤矿安全领域新的重大科学问题。本文首先在调研统计的基础上,阐述我国煤岩瓦斯复合动力灾害的发生规律和主要破坏特征,从定性和初步定量研究角度对煤岩瓦斯复合动力灾害机理的研究现状进行综述分析,然后介绍笔者近年来在受载含瓦斯煤岩组合体耦合失稳诱发复合动力灾害机制方面的研究进展,最后展望煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究中亟待解决的问题及未来研究方向。     

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。     

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。     

基于自记忆模型的煤与瓦斯突出电磁辐射预测研究

利用实验测定的电磁辐射信号时间序列,用双向差分原理反导出一个非线性常微分方程;以其为微分动力核,运用动力系统数据机理自记忆模式构造自记忆方程并求出自记忆系数;利用该方程预测未来电磁辐射信号的变化,并与现场测定对比分析,用误差分析和距平分析法验证该模型正确性和预测准确率。实例表明:该自记忆模型预测与实测结果是一致的,相对误差均在6.7852%左右,距平符合率为90%;自记忆方法能有效应用于煤与瓦斯突出电磁辐射动态预测中;该模型与电磁辐射预测方法的有机结合能有效地提高预测准确性,从而为煤与瓦斯突出电磁辐射预测技术提供了一种新的研究途径。     

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.     

加卸载下含水率对含瓦斯煤岩损伤变形的影响分析

采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服控制渗流试验装置对不同含水状态煤样进行了加卸载下三轴变形与渗流特性的试验研究。研究结果表明:含水率越高,煤样的三轴强度越低,失去抵抗外部载荷所产生破坏的能力越快,且塑性变形增强,脆性破坏减弱,瓦斯流量增加越小;含水率的增加能够使得煤岩破坏时积聚的弹性能减少,并且释放速率更加缓慢,更多的消耗于塑性变形中,这有助于预防煤岩破坏时由于弹性能的突然释放而导致的大型煤与瓦斯突出事故的发生;基于Logistic方程和能量耗散理论,建立了煤岩损伤演化数学模型,通过对试验数据的拟合分析,两者吻合程度较高,能够为煤岩损伤破坏提供预测。研究结果对于具有煤与瓦斯突出危险性的煤层进行注水消突具有理论指导意义。     

多元可燃性气体爆炸压力与中间产物发射光谱特性的耦合研究

工业生产中爆炸事故往往是由多元可燃气体与空气混合后遇到明火而引起的，为研究乙烷（C₂H₆）、乙烯（C₂H₄）、一氧化碳（CO）、氢气（H₂）对甲烷爆炸特性的影响，选取多组分可燃气体甲烷爆炸压力特性和自由基发射光谱的影响进行研究，利用陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心重点实验室搭建的多功能球形气体/粉尘爆炸实验装置和单色仪进行爆炸实验测试，同步采集时间—压力曲线、中间产物（OH，CH₂O）的发射光谱信号，考察多组分可燃气体浓度对甲烷爆炸压力特性和中间产物的影响。结果表明:在富氧状态下，多组分可燃气体加剧了甲烷—空气混合体系的爆炸剧烈程度，随着体系中氧气含量的减少、由富氧状态变为贫氧状态、促进作用逐渐减弱转变为阻尼作用，爆炸压力特性与中间产物发射光谱参数的影响规律基本保持一致，均呈高度正相关；多元混合体系爆炸剧烈程度越大，自由基发射光谱达到峰值的速度越快，自由基更早、更快的积累是加剧爆炸程度的原因之一。     

真三轴加卸载煤样声发射长程相关性特征

为模拟井下应力条件，设计固定轴压卸围压试验，得到煤样破裂过程的声发射结果，并计算不同初始围压及不同卸载速率条件下声发射时间序列的长程相关性特征，以期对煤岩体的破裂做出预警。研究结果表明:不同初始围压及不同卸载速率下声发射实验结果类似，根据声发射累计计数可将声发射变化过程分为线性增长期、平静期以及指数增长期，可以很好地反应煤样的破裂过程；随初始围压和卸载速率的增大，声发射时间序列的Hurst指数随之增大，正相关性增强；Hurst指数与分形维数的动态变化与煤样的失稳破裂过程良好对应，且不同初始围压及卸载速率下，Hurst指数与分形维数的动态变化规律类似，说明其声发射时间序列的宏观产生机制具有内在统一性，可将接近破裂荷载时Hurst指数的增大与分形维数的减小作为煤样失稳破裂的前兆信息。     

大跨度钢结构人行悬索桥受力性能对比分析

为了提高大跨度钢结构人行悬索桥的安全性能,以某实际工程为依托,采用有限元软件Midas/Civil建立整体空间模型,分析单缆体系和双缆体系在人群荷载和风荷载作用下的受力特点以及自振频率特性。结果表明:人群荷载作用下,双缆体系的底缆承担更多荷载,主梁挠度相比单缆体系减小约15%;风荷载作用下,两种结构体系主梁弯矩和挠度的变化趋势比较相似,双缆体系的弯矩和挠度均小于单缆体系;双缆体系的侧弯频率、竖弯频率、竖振频率以及侧振频率相比单缆体系均有所增加。双缆体系具有更优的力学性能,提高了工程安全性,并为类似工程的桥型选择提供有力参考。