基于电荷监测技术预测矿山动力灾害试验研究

为提高矿山动力灾害预测准确率,应用自主研制的电荷传感器,将标准煤样置于三轴压力室内进行应力-电荷试验。分析围压对煤样压缩破坏过程中电荷信号的影响。结合现场测试,揭示工作面开挖过程中煤体应力与煤壁表面感应电荷的时间和空间变化规律。试验结果表明,煤体压缩过程中电荷信号的变化与煤体所处的应力水平关系密切,处于应力集中区域和应力松弛区域的煤体有明显脉冲状电荷信号,原始应力区电荷信号平稳,电荷信号的变化超前于煤体应力的变化,围压对电荷信号有延缓、强化的作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

矿井底板突水过程电荷感应规律试验研究

为研究复杂水文地质条件下矿井底板突水导水通道形成及破坏情况的判断问题,基于电荷感应监测技术,通过水压致裂试验对比不同壁厚电荷信号规律,研究导水通道距离采掘空间不同深度下电荷特征,探究电荷前兆信息与底板突水通道形成过程的联系。结果表明:电荷信号和声发射信号均在起裂压力前出现较大脉冲,这2种信号出现的顺序随机,这与岩体的结构以及组成有关;壁越厚,起裂压力越大,释放的电荷量越大,电荷释放与试样变形破坏所需的力存在必然联系;不同壁厚试样电荷感应信号在衰减时间与电荷累积量等方面有差异,通过电荷感应信号探测导水通道形成深度是可行的。     

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。     

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。     

构造煤分层对煤单轴压缩力学特性影响的颗粒流模拟

为了研究构造煤分层对煤的力学特性影响程度,采用颗粒流数值模拟方法研究不同赋存参数的构造煤分层对煤的单轴压缩力学特性的影响规律,从受荷后的裂纹分布和试样破坏形式2个方面分析试样压缩过程中细观力学响应机制。研究结果表明:构造煤分层厚度和倾角是影响煤的单轴压缩力学特性的重要参数,其中倾角主要影响内部裂纹的类型和分布,构造煤厚度主要影响煤的单轴抗压强度;单轴压缩下煤的破坏类型主要包括沿交界面的层裂破坏、拉伸破坏和复合破坏3种类型,构造煤分层倾角较小时,更容易由于构造煤挤出效应导致的失去承载能力,随倾角增大,挤出效应减弱,单轴抗压强度有增大趋势。     

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.     

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。     

单轴应力对煤自燃特性参数和导热系数的影响研究

为探究单轴应力作用下煤氧化和传热特性,利用自制荷载加压煤自燃特性参数测定装置对炉体内长焰煤煤样进行程序升温。结合程序升温过程中煤临界温度Tc和Tg,对其进行阶段划分:阶段1为30℃~Tc;阶段2为Tc~Tg。计算了不同单轴应力下2个阶段煤表观活化能和平均耗氧速率。根据能量守恒得出程序升温过程煤导热系数随温度的变化,进一步分析煤导热系数与单轴应力的关系。结果表明:阶段1单轴应力为4 MPa时为临界轴压,煤表观活化能最大,平均耗氧速率最小;阶段2煤表观活化能和平均耗氧速率随单轴应力增大均呈抛物线变化,单轴应力为2.7 MPa时为临界轴压,煤表观活化能最大,平均耗氧速率最小;阶段1和2煤导热系数随温度升高均先减小后增大,并且煤导热系数随单轴应力增大呈三次函数变化。     

不同瓦斯压力和孔隙率的原煤电阻率和渗透率变化规律研究

为了解不同瓦斯压力和孔隙率下原煤的电阻率和渗透率变化及电阻率和渗透率的响应规律,以淮南矿区谢一矿51采区C15煤层煤体为研究对象,研究不同瓦斯压力和孔隙率下煤样三轴压缩全过程的电阻率与渗透率的变化规律。研究结果表明:孔隙率相同时,最小电阻率和最小渗透率随着瓦斯压力的增大先增加后减小,瓦斯压力在4 MPa时,最小渗透率基本为0;瓦斯压力相同时,最小电阻率和最小渗透率随着孔隙率的增大而增大;全应力应变过程电阻率和渗透率满足随应变的增大先减小后增大的规律,不同加载阶段电阻率变化和渗透率变化规律保持一致,渗透率变化幅度比-应变曲线拐点滞后于电阻率变化幅度比-应变曲线;可利用电阻率变化规律反映应力变化以及渗透率变化情况。