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。     

组合煤岩破裂声发射特性和冲击倾向性试验研究

为完善冲击地压灾害预测判据,通过试验研究煤、岩石和组合煤岩3类试样的声发射(AE)特性及冲击倾向性规律。结果表明:组合结构中的岩体对煤体的力学性质和冲击倾向性有显著影响。试样的载荷-冲击倾向-声信号变化具有一致性,随着冲击倾向从弱至强变化,AE信号分布呈密集连续-脉冲连续-瞬时脉冲的特征。分析大量不同冲击倾向性试样的AE量化数据发现,试样冲击倾向性越强,其峰后AE振铃计数和能量变化率越高,由此可将峰后AE振铃计数和能量变化率作为冲击倾向性判据。     

冲击倾向性煤体力-电感应规律试验研究

为提高冲击地压预测的准确性,应用自行研发的多通道电荷感应监测系统,对单轴压缩条件下冲击倾向性煤体变形破坏过程中力-电感应规律进行了试验研究。结果表明:冲击倾向性煤体的单轴抗压强度大,破坏失稳时间短,煤体失稳具有显著的突发性特点;冲击倾向性煤体的电荷波动幅值大于无冲击倾向性煤体的电荷波动幅值;冲击倾向性煤体的单位时间电荷量大于无冲击倾向性煤体的单位时间电荷量;冲击倾向性煤体表面累积的自由电荷总量和单位时间内从煤体表面逃逸出来的自由电荷数多于无冲击倾向性煤体的表面累积的自由电荷总量和单位时间内从煤体表面逃逸出来的自由电荷数;冲击倾向性煤体力-电感应规律曲线中存在一个冲击失稳的超前预警时间区域,该区域可为预测煤体发生冲击失稳做好预报准备。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

热冲击煤细观损伤与能量响应的相关性研究

为研究热冲击煤细观损伤和能量响应机制的相关性，以平煤十矿24130工作面的煤作为研究对象，借助4K科研相机研究了不同热冲击煤的细观结构特征和热冲击对煤的损伤致裂效应。采用HC-U7非金属超声波探测仪、电热鼓风干燥箱、伺服万能试验机等仪器，开展了不同温度热冲击煤样加载试验，研究了热冲击对煤体单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、动态破坏时间、冲击能量指数的影响规律，分析了热冲击煤细观结构、宏观破坏状态、煤物理参数与力学参数及能量指数之间的变化关系，并阐述了热冲击煤受力加载过程中煤能量响应机制。结果表明，煤体细观结构与煤能量响应机制具有较好的正相关性。热冲击煤能量响应特征的差异是由煤初始损伤造成的，煤损伤的存在削弱了煤储存弹性应变能并发生破坏的能力。热冲击温度越高，煤样孔隙越发育，孔隙周围更容易形成高应力区相互叠加，更大程度降低力学性能。损伤发育程度越高，能量积聚和耗散能量越低，峰值前能量积聚和峰值后能量释放越稳定，破坏前能量耗散行为的主导作用越明显。     

冲击载荷作用下煤岩孔隙演化特征试验研究

为研究冲击载荷作用下煤岩的孔隙与裂隙演化特征,以贵州马场矿的突出煤岩为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统、核磁共振(NMR)试验系统和扫描电镜(SEM)试验系统对不同冲击载荷作用下的煤岩孔隙与裂隙的演化特征进行试验研究,分析煤岩在冲击载荷的作用下的孔隙、裂隙的演化规律与煤岩冲击对煤与瓦斯突出的影响。研究表明:随着冲击气压的增加,煤岩的微小孔峰值信号量与孔径占比先增大后减小,孔隙与裂隙的连通性增强,中大孔峰值孔径占比先减小后增大;马场矿煤样微小孔的孔喉分布占总孔喉的38. 85%～56. 14%,中大孔的孔喉分布占总孔喉的43. 86%～61. 15%;在冲击载荷作用下,煤体中孔隙与裂隙演化是以孔隙扩展、裂隙扩张与延伸和次生裂隙的产生等形式进行的,冲击载荷增强了孔隙与裂隙的连通性,瓦斯的吸附/解吸平衡被打破,瓦斯压力升高,煤体中产生了应力集中和能量积聚,使得煤与瓦斯突出发生的可能大大增加。     

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。     

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.     

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。     

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明：真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。     

基于AHP-TOPSIS的冲击型煤与瓦斯突出倾向性预测

为了更加合理地评价冲击型煤与瓦斯突出,采用指标临界值及分级数方式,从地应力、煤层瓦斯、煤岩物理力学性能3方面,研究冲击型煤与瓦斯突出指标等级判据;建立基于层次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)冲击型煤与瓦斯突出倾向性等级评判模型,并用实际工程案例验证模型的合理性。研究表明:基于AHP-TOPSIS的冲击型煤与瓦斯突出预测结果为中等危险性,与实际案例评价相符;地应力条件为冲击型突出发生的主要原因,瓦斯因素次之,煤岩物理力学性能影响最小;煤岩结构、瓦斯压力、瓦斯动力现象、煤岩破坏类型及煤体坚固性系数对冲击型煤与瓦斯突出影响较大。     

考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型

矿井瓦斯是煤岩体赋存环境因素之一,同时也是影响煤岩力学性质的主要因素,研究基于煤岩损伤统计特征及Drucker-Prager破坏准则,分析得出了煤岩单轴压缩载荷作用下损伤演化本构模型,基于煤岩弹性波速相关理论建立了孔隙瓦斯对煤岩力学性能劣化损伤力学模型,并在此基础上得出了考虑孔隙瓦斯劣化作用的煤岩损伤本构模型;以原煤及型煤试样为研究对象,开展了不同孔隙瓦斯压力条件下煤岩单轴压缩破坏实验,基于实验研究结果对模型进行了验证。研究结果表明所建立的模型可以很好的反映孔隙瓦斯作用下煤岩单轴压缩载荷条件下的应力-应变关系。     

不同推进速度下煤岩体采动力学行为响应特征与控制

为获得不同推进速度下煤岩体的采动力学行为特征,通过轴压和围压分别模拟不同推进速度下垂直应力、水平应力,采用增轴压降围压的方式模拟煤岩体的采动力学行为,同时采用数值模拟和工程实践相结合的方法对不同推进速度下煤岩体的采动力学行为进行研究。结果表明:在围压卸载速率相同的条件下,随着轴压加载速率（推进速度）的增加,煤体的峰值强度、轴向应变和横向应变呈增大趋势,在峰值阶段产生了较大的轴向应变和横向应变,呈现出一定的延性,破坏形式具有塑性特征;在轴向加载和围压卸载的综合作用下,煤体体积一直处于膨胀变形状态,围压的卸载加速了煤体损伤破坏的进程,煤体破坏时的峰值应力和体积扩容受控于围压卸载的程度,控制轴压加载速率和围压卸载程度可控制煤体破坏时的峰值应力和体积变形。生产实践中,应结合煤岩体的采动力学行为特征,确定合理的推进速度并加以控制,以保证回采巷道与采场围岩的稳定性。     

厚度效应对含瓦斯复合煤岩体力学特性及破坏形式的影响

为了解厚度效应对复合煤岩体的影响,考虑了瓦斯及顶底部砂岩的作用,通过改变原煤与顶底部砂岩的厚度配比,运用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,研究了厚度效应对复合煤岩体的力学特性及破坏形式的影响。结果表明,复合煤岩体的三轴应力应变曲线与全煤样有很好的一致性,其三轴抗压强度较原煤有一定程度的增强;顶部砂岩与原煤厚度比落入1.00~1.20极值区间的复合煤岩体,易出现三轴抗压强度极值,且远离极值厚度比的三轴抗压强度均有不同程度下降;当厚度比接近1.00时,易出现峰值体积应变。当体积应变接近时,厚度比落入极值区间内的煤岩体强度较大。复合煤岩体的破坏以单斜面剪切破坏为主,且大部分为非完全破坏;中部原煤会产生多种形式的破坏,厚度比落入极值区间内的复合煤岩体,其煤体破坏以单斜面裂隙或垂直裂隙形式破坏,且三轴抗压强度要高于其他裂隙形式破坏。