原煤卸围压过程微震信号响应特征*

为了研究煤体采动卸荷失稳破坏的微震动态响应规律,基于热流固耦合三轴试验机进行含瓦斯原煤卸围压试验采集试验过程中的微震信号,进行连续小波变换及4层小波包变换,识别煤样破裂信号,提出煤样破裂干扰信号的时频特征及相应的微震事件分布与破坏演变的特征。研究结果表明:加载初期甚至整个轴压增加过程中,煤样内部裂隙被压密,无新裂隙产生,基本无微震事件,开始卸围压时煤样破裂数量迅速增加;内部裂纹扩展信号主频为700 Hz,前期煤样内部裂纹扩展缓慢,事件产生频次低;煤样破坏信号主频为800 Hz,其频率跳变异常,信号频率成分无明显分带;煤样破坏时微震信号能量最大,破坏过程中伴随不同部位间相对位移,产生摩擦、揉搓,破坏频率成分复杂;煤样破坏时微震事件频数最大LH-2事件总数为176,破坏时每分钟事件数为76,破坏后事件数为92,分别占总事件比例43%,52%;LH-3破坏事件数及破坏后事件数分别占比36%,62%。     

考虑岩石抗拉强度受围压影响的地层破裂压模型

预测地层破裂压力是地下流体注入工程中的关键问题,关系到工程的稳定性和安全性。根据地测资料,岩石的抗拉强度会随着围压产生变化,然而目前常见的地层破裂压预测模型均未考虑该因素。基于厚壁圆筒法,针对2种砂岩开展不同围压条件下的砂岩致裂试验,根据试验数据,计算各组试验中试样的抗拉强度,并拟合围压与岩石抗拉强度的关系函数。研究岩石抗拉强度随围压变化的规律,提出能在实际地层中表征该规律的参数,基于该参数对现有的地层破裂压模型进行修正,并结合实测数据验证修正模型的可靠性。研究结果表明:岩石的抗拉强度随着围压的增加呈现明显的线性正相关关系,低围压下,新模型的预测结果与实测数据较为接近。随着围压增加,二者的差异逐渐增大,说明选取的特征参数在低围压下能较好地描述抗拉强度受围压的影响效应,而高围压下参数的取值需进一步研究。     

冷冻取芯过程煤样温度变化特性研究

为探究冷冻取芯过程煤样温度变化特性,基于模拟试验的相似性,自主设计冷冻取芯模拟测试试验装置,选取榆家梁矿、首山一矿、六龙煤矿、九里山矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定瓦斯吸附平衡压力为0、1.0、2.0、3.0 MPa下冷冻取芯过程煤样的温度实时变化数据,并统计分析各条件下的数据。研究结果表明:冷冻取芯技术的冷冻效果与煤变质程度及瓦斯吸附平衡压力呈正相关关系;冷冻取芯对含瓦斯煤冷冻效果优于不含瓦斯煤;冷冻取芯对高变质煤冷冻效果优于低变质煤;冷冻取芯过程中,煤样温度随时间变化曲线符合指数函数关系。     

自然及强制饱和煤样的力学特征试验研究

为探讨不同饱水状态下煤的力学变化特征,利用RMT-150B岩石力学系统并自行设计及研制煤样饱和试验装置,对自然饱和与强制饱和的煤样进行单轴、三轴压缩静载试验。结果表明:煤样强制饱和前后波速变化明显,强制吸水后波速增加51.75%;强制饱和煤样单轴抗压强度比自然饱和煤样平均降低了7.61MPa,降幅54.83%;三轴压缩时不同围压下强制饱和煤样峰值强度平均降低了19.5MPa,降幅31.18%;强制饱和煤样吸水量较自然饱和煤样大,K值降低。基于Mohr-Coulomb准则及有效应力原理,推导出孔隙水压与黏聚力、抗压强度呈负相关,表明强制饱和煤样的黏聚力与抗压强度均低于自然饱和煤样,并与试验结果对比验证。     

管道泄漏次声波信号特征及衰减规律的数值模拟研究

为了更加精确地对输送管道泄漏进行检测,采用COMSOL软件对管道次声波检测泄漏信号的频谱、声压级及衰减规律进行数值计算研究。结果表明：管道泄漏信号的声压级峰值频率出现2个范围,即0.01～2Hz和10～12Hz;随着管道压力和泄漏孔径增大,泄漏点所产生的次声波信号幅度呈增大趋势,泄漏产生的声压级与平面波总功耗也同样增加。研究成果可为城市埋地输送管道泄漏的次声波检测定位方法提供理论依据。     

含瓦斯构造煤卸围压作用渗透性变化特征试验研究

针对含瓦斯煤轴压恒定卸围压渗透性演化规律,以新登煤业二1煤原煤样为研究 对象,利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴应力蠕变渗流试验装置,开展不同围压下轴向应 力恒定卸围压渗流测试试验。基于实验结果表明:构造煤在应力加载阶段渗透率降低, 且轴压围压同时加载,渗透率变化与轴向应变符合线性变化,轴压加载阶段,渗透率与 轴向应变符合负指数函数变化规律;围压卸载阶段,渗透率在卸围压过程中一直减小, 随着轴向应变的增加,渗透率出现反弹,但未出现突变现象,渗透率增加阶段与时间变 化符合退化的负指数函数关系;构造煤渗透率卸围压失稳后,渗透率没有出现突变原因 认为煤样中没有形成较大的有效渗流通道,且在一定的有效应力作用下瓦斯渗流的有效 通道出现自愈合现象。     

不同瓦斯压力条件下煤样的爆碎特征研究

为验证煤与瓦斯突出过程中产生大量碎煤与含高压瓦斯煤在突然卸载时所发生的"爆碎"现象有关,分析碎煤的粒径分布规律,自主设计煤的爆碎特征测试实验装置,通过在不同煤矿取原煤样在不同瓦斯压力下进行爆碎特征实验,研究煤爆碎的基本规律。研究结果表明:在瓦斯压力作用下且瓦斯压力足够高时,所有含高压瓦斯煤在气压突然卸载后都能发生爆碎;不同煤样发生爆碎的瓦斯压力临界值不同,坚固性系数越大,煤样发生爆碎的最小瓦斯压力值越大,其爆碎后的碎煤粒径服从威布尔分布;同一煤样,瓦斯压力越大,碎煤在累积筛下率为63. 2%时的特征粒径值越小,粉煤所占比重越大,爆碎越严重。     

循环载荷下煤样变形及声发射特征试验研究

为预防煤岩动力灾害,有必要研究煤样在疲劳破坏过程中应力水平对裂隙演化的影响。采用岩石力学试验机与全信息声发射信号分析仪组成的试验系统,研究不同应力水平循环作用下煤样的变形和声发射特征,并探讨声发射参量与裂隙演化的关系。结果表明:在等幅循环载荷下,煤样的变形过程有减速、匀速和加速3个阶段,滞回曲线呈现疏-密-疏的变化规律,并且滞回环的疏密程度及疲劳寿命与上限应力水平正相关;循环过程中煤样的声发射特征也表现出明显的阶段性,可分为降低、稳定和升高阶段,且应力水平越高,各阶段的声发射活动越剧烈;与声发射活动呈现的阶段性特征相对应,煤样裂隙演化过程可分为初始损伤、微裂纹稳定发展、裂纹贯通破坏阶段,并且随应力水平的增高,单次循环中煤样裂纹的萌生和扩展发育越快。     

饱水煤样巴西劈裂强度和能量特征试验研究

针对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西劈裂试验,分析了饱水对煤体劈裂强度和能量特征的影响。试验结果表明:加载过程采用载荷控制时峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值后应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用位移控制时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征,但两种控制方式在试验破坏前没有本质区别;并得出两种状态下煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下抗拉强度为1.52MPa,峰值能率为881J/m2,但饱水后,煤样抗拉强度平均软化系数为0.65,平均峰值能率降幅为36.0%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明煤样抗拉强度越高,需要更多能量才能使煤样劈裂破坏。     

NMR成像技术测试煤样渗吸过程中水分变化规律研究

外加水在渗吸过程中可以促进煤体瓦斯解吸,减小煤层瓦斯含量,从而减少瓦斯事故的发生频率。为了研究含瓦斯煤水分分布规律,采用NMR（核磁共振成像）技术,针对不含瓦斯煤进行定量外加水渗吸实验。研究结果表明:型煤中的水分主要受毛细管力和重力作用的影响;在自下向上吸水和自上向下吸水渗吸过程中,毛细管力作用相同,径向方向上水分扩散速度相近,但在轴向方向上的扩散速度具有明显差异,由于重力作用的影响,分别产生抑制和促进作用;水分三向扩散半径与时间符合朗格缪尔函数关系。     

不同粒度型煤煤样瓦斯吸附-解吸变形特征实验研究

为了掌握煤岩材料在不同吸附-解吸瓦斯条件下的变形规律,基于实验系统开展了相关研究,研究结果表明:煤岩材料在吸附瓦斯后可产生膨胀变形,发生瓦斯解吸时会产生收缩变形,这一变形量与煤岩材料的孔裂隙结构和瓦斯压力有直接关系,实验采用的0.85 mm粒度的煤样在同等瓦斯压力条件下其吸附变形量最大,变形量受瓦斯压力变化比较明显,由吸附产生的最大变形为1 118με,实验采用的0.42 mm粒度煤样在相同瓦斯压力条件下变形量最小;煤岩瓦斯吸附产生膨胀变形,且煤岩瓦斯解吸后并不能完全恢复至初始状态,存在一定的残余变形量,数据分析得出残余变形量与瓦斯压力呈指数函数关系,并受煤岩孔隙结构和吸附特性影响。可为矿井瓦斯防治、瓦斯抽放及含瓦斯煤岩的力学性质的研究提供支撑。     

武汉市城市化过程中的空气质量响应研究

以武汉市2000-2013年的城市化水平和空气质量状况数据为基础,运用主成分分析法和目标比率模型构建综合评价体系,并用多元回归模型进行检验,探究城市化过程中的空气环境质量响应特征.结果表明:1)2000年以来,武汉城市化进入稳增长的快速抬升阶段,空气污染综合指数总体变化平稳,2013年有变坏的趋势;2)不同类型的污染物对城市化水平具有不同的响应规律和影响程度,SO2为倒“U”型,表明随着城市发展,SO2浓度得到控制并呈下降趋势;NO2为“U”型,近9年来NO2浓度不减反增,对空气环境污染严重;而PM10及空气质量综合水平表现为倒“N”型特征,表明现阶段空间环境呈现污染加重的趋势;3)城市化快速扩张过程中的基础设施建设、建筑扬尘,汽车尾气排放、工业烟尘等是影响武汉空间环境质量的主要因素,需有针对性地加强城市空气环境管理.     

有效围压对煤体破裂声发射信号影响研究

含瓦斯煤体受载破裂声发射信号监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。为了提高井下动力灾害预测准确性和及时性,在不同围压、不同孔隙压力条件,进行了煤体受载破裂声发射信号监测试验。结果表明:围压作用使声发射信号滞后且峰值增大,瓦斯压力使声发射信号首次高振铃计数提前;用围压和孔隙压力差值表示有效围压,通过引用有效围压,可以综合讨论围压和孔隙压力对声发射信号的影响,并且通过最小二乘法拟合发现有效围压与煤体破裂声发射信号峰值具有线性关系。利用有效围压与声发射信号的线性关系可以推导信号峰值,将信号峰值的30%设置为信号阀值,为煤与瓦斯突出等动力灾害预测提供一种新的方法。     

珠江九沙围河涌生态环境特征研究

珠江九沙围河涌河道内埋有二战时期日本遗弃在华化学武器,为了解水体及底泥污染状况,对河段水质、底泥、水生生物进行了采样监测,并采用水质单因子及生物多样性指数方法进行评价.结果表明,九沙围河涌及其附近珠江河段各监测断面水质均不能满足地表水IV类标准要求,以有机污染为主.底泥污染较为严重,超标最为严重的为镉、锌、铬和砷,水生生态调查结果表明,调查水体都在富营养水平以上,底泥中氰化物和砷超标,说明河涌底泥存在被日遗化武污染的可能.     

围压作用下自振空化射流脉动特性实验研究

就围压下自振空化射流动压力特性进行了实验研究,其实验结果表明：在围压作用下,自振空化射流脉动幅度存在最优喷距,并且最优喷距随围压的增大而增大;在压降一定情况下,脉动幅度随围压的增加而减小;在围压和压降一定时,自振空化射流的最大冲击压力明显高于普通连续射流;自振空化射流的脉动频率,基本不随围压、压降和喷距的变化而变化,在本实验条件下,基本保持在１．３８ＫＨｚ 左右     

卸围压条件下含瓦斯煤渗透性演化试验研究

为探究蠕变过程煤体应力卸载瓦斯可抽采程度,用河南工程学院自行研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴渗流试验装置对润东煤业3号煤层含瓦斯煤原煤样进行渗流测试,并进行渗透率模型的理论分析,对比试验数据与模型计算数据。结果表明:试验过程中轴压降起始于卸围压后,渗透率变化滞后于轴压降;渗透率在卸围压初期变化不大,随应变的增加,渗透率由慢慢减小到突然增加。卸围压过程中的渗透率与轴向应变变化具有一致性,且与时间符合指数函数关系。     

围压卸荷条件下砂岩损伤与动态破碎特性研究

为研究深部高应力岩体开挖卸荷对围岩的影响,运用自制的带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆(SHPB)设备,开展不同速度围压卸荷试验。结合围压卸荷过程砂岩试样声发射特性及动态加载后试样破碎块度分维特性,分析围压卸荷速率对试样损伤的影响。试验结果表明:当卸荷速率在0.5～10 MPa/s范围内变化时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数随围压卸荷速率增大而增大;但当卸荷速率增大到200 MPa/s时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数反而减小。在一定范围内提高围压卸荷速率,有助于提高砂岩试样裂隙发育及损伤程度。     

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。     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征,采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征,模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征,与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应;微震事件的分布在时间和空间上具有一致性;动载下顶板破坏程度大于底板及两帮;动载扩大了巷道围岩塑性区范围,改变了围岩的受力状态,增大了围岩的变形量与支护体的受力;通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化,现场监测数据表明,优化后支护方案保证了围岩的完整性,限制了围岩的变形,减小了锚杆受力,能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形,对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

地震作用下采空区群围岩动力响应特征研究

为探究地震对采空区围岩及矿柱的动力影响,利用FLAC3D软件模拟地震作用下采空区群围岩的动力响应过程,通过获取围岩在地震作用过程中每一时步的最大、最小主应力,分析地震作用前后采空区顶板、底板、矿柱及边墙的剪切屈服和张拉屈服应力值的变化特征。结果表明:地震过程中,空区中心区域应力稳定性最好,远离中心区域应力波动变大;地震后,空区顶板、底板的抗剪切能力稍有下降,抗拉能力显著下降,边墙的张拉破坏面积变大。