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。     

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。     

复合煤岩循环加卸荷红外辐射及能量演化特征北大核心CSCD

为了深入分析循环加卸荷过程中复合煤岩能量演化特征,以平庄煤业集团风水沟矿为研究对象,利用三轴试验机和长波热像仪对复合煤岩在不同加卸荷速率下进行循环加卸荷试验并实现红外辐射监测,得到复合煤岩在加卸了过程中各部分表面平均红外温度变化,研究了不同加卸荷速率下弹性能密度、耗散能密度随温度及轴向载荷变化的规律,确定了总能量、弹性能和耗散能与轴向载荷和红外辐射温度之间的拟合关系。结果表明,煤岩红外辐射温度变化分为起始升温、温度平稳、温度骤降和快速升温4个阶段,其中快速升温阶段各能量增长速率最大。总能量、弹性能、耗散能与轴向载荷、煤体红外辐射温度高度相关,可以采用非线性曲线较好地拟合。研究成果为采用红外辐射温度变化法来分析循环加卸载过程中煤岩能量演化特征提供了依据。     

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。     

超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究

超声机械效应致裂煤岩过程中裂纹的萌生、扩展过程及增渗规律仅凭借物理实验无法得到,煤岩破裂能量变化、煤岩应力-应变关系及储层渗透特性变化缺乏深入的研究。结合CT观测及渗透率的气测实验对煤岩破裂声发射、有效声压及声波对煤岩体裂纹扩展规律进行了深入探讨;开展了超声机械效应致裂煤岩的数值试验研究。结果表明:煤岩破裂过程应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性;有效声压的增大有利于裂纹扩展和贯穿,使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络,从而提高了煤岩的渗透率。     

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。     

基于电磁辐射的矿井冲击地压区域监测预报研究

电磁辐射技术作为一种非接触式监测煤岩动力灾害的方法已得到广泛应用.为了提高监测数据的利用率,更加准确的预测冲击地压,从千秋煤矿的地质构造、煤层赋存等方面分析了其发生冲击地压的主要原因,在此基础上研究了基于电磁辐射技术的冲击地压区域监测预报方法.结果表明,区域性电磁辐射不仅能够在较大尺度上反映煤岩体内部应力分布及演化规律,同时能够在一定程度上避免单个测点数据异常的干扰,从而有效地提高了冲击地压监测预报的准确性.研究成果对千秋煤矿及相似条件矿井的冲击地压监测预报工作具有重要的现实意义及应用价值.     

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。     

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。     

煤岩动力灾害的氡监测技术初探

矿井开采深度和强度的逐年增加,致使深部煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害变得更为严重,迫切需要有既行之有效又安全可靠的方法来对其进行预测预报.煤岩体的破裂过程伴随能量耗散及放射性核素氡析出,因此,检测氡的变化可以作为一种对煤岩动力灾害的预测方法.先介绍了我国煤矿井下氡的水平,分析了破裂煤岩氡析出异常机理,研究了煤岩放射性核素赋存的影响因素,再利用自主设计的循环式破裂煤岩氡析出测定试验系统,初步研究了煤岩块试样破坏前后的氡析出变化.结果表明,煤岩块试样在破坏前后,氡浓度出现异常变化,破坏后较完整的煤样氡气放射增加50％以上,破坏后较完整的岩样氡气放射增加1倍以上.这表明氡检测技术在煤矿动力灾害探测中具有较好的应用前景.     

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。     

国家自然科学基金重点项目 “深部煤岩瓦斯复合动力灾害孕灾机制--演化规律及防控基础研究”(52130409)项目介绍

1研究背景和意义随着我国许多煤矿相继进入深部开采,深部高瓦斯压力、高地应力、低渗透性煤层及其围岩之间的耦合作用不断增强,煤岩瓦斯复合动力灾害日益加剧。迄今国内外学者对煤与瓦斯突出以及冲击地压机理的认识仍然处于半定量阶段,对于发生机理较为复杂的煤岩瓦斯复合动力灾害的认识更处于初步探讨阶段。     

大安山矿煤岩冲击破坏的电磁辐射监测及预警

煤岩冲击灾害严重影响大安山煤矿的安全开采,对其有效预防尤为重要。分析并确定了导致大安山矿轴7槽煤层煤岩冲击的主要因素为开采引起的围岩应力集中;根据电磁辐射与围岩应力的正相关性,并基于电磁辐射监测的时间和空间特征对煤岩冲击危险进行了预警。结果表明:1)电磁辐射监测结果反映了工作面围岩应力分布及变化的区域特征;2)进入采动应力集中影响范围时,工作面发生煤岩冲击的危险性增大,对应的电磁辐射监测表现出一定的前兆反应;3)煤岩冲击的电磁辐射前兆具有明显的时空特征,可根据其特征对工作面可能发生煤岩冲击的具体区域进行判定并预警。     

松散煤体表面温度与热源温度对应关系的热红外实验研究

煤层自燃火灾的自燃火源位置的精确探测是防灭火的关键,也是一项世界性难题。近年来,应用红外技术探测煤层隐蔽火源位置已成为一个热点,通过红外技术定性和定量研究松散煤体升温过程中红外辐射特征变化及影响因素,掌握松散煤体内部热量传递规律,对于利用红外成像技术探测井下煤层自燃隐蔽火源具有重要的参考价值。本文采用在松散煤体中加线状热源,保持热源位置不变,改变热源温度,当温度场达到稳定时用红外热像仪采集表面照片的方法,研究松散煤体表面温度与热源温度的对应关系。结果表明热源上方为高温区域,近似椭圆状,随着热源温度的升高,高温区域不断扩大,表面温度t与热源温度T、像素坐标χ满足关系式。     

含瓦斯煤岩突出过程数值模拟

含瓦斯煤岩突出是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害。根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论 ,考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性 ,建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型。利用该模型对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了初步的数值模拟 ,模拟结果再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程 ,揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质 ,包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化 ,为含瓦斯煤岩突出机理研究提供一套全新的数值试验分析工具。     

红外测温技术监测硫精矿堆自热状态的研究

矿仓中硫精矿自燃会引起一系列环境和安全问题.采用红外测温仪器,在实验室测定硫精矿堆的自热温度,分别在不同环境条件和测量方式下对硫精矿粉的表面温度进行测量,找出实验过程中影响红外测温仪精确度的外界环境条件、使用方法及人为因素.结果表明,环境条件中的温度、湿度对红外测温仪的测温效果有较大的影响,一般应选择在低温低湿的环境下进行测量; 同时,在测量过程中应尽量保持光束与测点垂直; 另外,红外测温仪的测量距离不宜超过1 m.将红外测温仪测得的硫精矿堆表面温度作为计算硫精矿堆内部温度分布的初始条件,应用数值分析软件可以模拟出硫精矿堆的自热温度场,以便及时预报硫精矿堆的自燃.