型煤受载破坏表面电荷和微震响应特征及相关性分析

利用自制的煤体表面瞬变电荷与微震信号测试实验系统,对型煤试样在单轴压缩破坏过 程中的应力变化、瞬变电荷、微震信号进行了监测和分析。 实验结果表明:在单轴压缩破坏过程 中型煤试样表面会产生瞬变电荷,电荷信号呈瞬时、单脉冲变化,持续时间较长,为5~12s;微震 信号则呈现出较为明显的阵发性,持续时间较短,为0.2~0.4s。 表面瞬变电荷和微震信号与应 力变化关联性较强,其总体变化趋势在时间尺度上具有较高的同步性,两者峰值时间差为0.08~ 0.5s。 试样破坏过程中存在一个能量释放临界点,对应于应力突变时刻,利用表面瞬变电荷和微 震信号时间尺度上的一致性及能量释放临界点特征,可对煤岩体失稳破裂过程进行更准确的预 测和分析。     

煤体破坏过程感应电荷再认识与井下应用实践

为发展和完善煤岩动力破坏感应电荷监测技术及理论,以单轴压缩试验为基础,再认识了煤体破坏过程感应电荷变化规律与主控因素,提出了带电煤屑弹射过程的感应电荷产生机理;分析了感应电荷及其干扰信号的频域特征与影响要素,研究了感应电荷与煤体应力、应变能与变形破坏之间的定性关系,建立了受载煤体与感应电荷信号的损伤统计关系,分析了感应电荷与煤体能量的演化特征,进而提出了煤体应力与感应电荷的量化关系;研发了适用于井下复杂条件下煤岩电荷监测装备,在辽宁红阳三矿与河南平顶山十一矿开展了应用实践,分析了感应电荷与煤岩动力破坏、超前支承压力及巷道变形的相关性。结果表明：高幅值感应电荷信号产生的主因不是煤体的压电效应,而是煤体裂纹扩展、破裂面滑移摩擦与带电煤屑弹射的综合作用,特别是带电煤屑弹射到传感器时,感应电荷信号幅值将会突增;感应电荷信号以低频为主,干扰信号主频与外部供电网络谐波频率一致,但不同煤体的感应电荷信号主频分布范围存在差异;感应电荷强度与应力大小关系非直接相关,与应力非线性变化程度直接相关,特别是与应力降幅度呈正相关关系;感应电荷强度可直接反映煤体破坏程度,也可通过分析外载环境以及感应电荷信号和煤体...     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息试验研究

针对含瓦斯煤体加载破坏前兆信息难以识别、提取的研究现状,自行研制了含瓦斯煤体加载声-电监测装置,对含瓦斯煤体加载全过程进行实时监测以获取声-电前兆信息。试验结果表明：声-电监测系统能够捕捉到含瓦斯煤体产生的电荷与声发射信号,加载过程中部分电荷信号先于声发射信号变化,声-电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关;煤体内部自由电荷与声发射信号的产生具有本质上的区别,前者是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生,而后者是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程;通过划分含瓦斯煤体加载破坏声-电前兆信息异常区域,确定了声-电监测技术应用于矿山动力灾害预警的可行性。     

煤系岩样单轴压缩表面电位实验研究

实验研究了煤系岩样在单轴压缩条件下表面电位特征,并分析了表面电位的变化规律与产生原因。研究表明:煤系岩样在单轴压缩的破坏过程中有表面电位产生;载荷发生突变时,表面电位也发生突变;总体上,表面电位与载荷变化趋势一致,呈显著相关甚至是高度相关;表面电位的产生主要来源于破坏过程中试样内部的应力集中发射电子、裂纹扩展导致电荷分离等过程所产生的自由电荷在试样表面积聚的结果;试样含有石英等成分所产生的压电效应也对电位的产生有重要作用。可以通过检测表面电位的变化规律来反映煤系岩样的受载破坏情况,为矿山岩体稳定性的监测提供新的思路。     

煤体应力状态电磁辐射测试研究

煤体应力状态的准确测试是工程实践中的一项重要工作,受栽煤体变形及破裂时能够产生电磁辐射,煤体中应力越高,变形破裂过程越强烈,电磁辐射信号越强,可以利用煤体变形及破裂时产生的电磁辐射信号间接确定煤体应力状态的变化特征．用电磁辐射法测试了煤体应力状态,并进行了工程实践验证．结果表明：电磁辐射信号的变化与煤体的应力状态的分布有较好的对应关系．电磁辐射技术可以确定煤体曼承压力的分布,是测试煤体应力状态的一种新方法．     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

受载煤体全应力-应变过程电阻率响应规律

为了研究煤体变形破坏过程电阻率变化特征,利用自建的受载煤体电阻率实时测试系统,对单轴压缩过程煤体应力、应变及电阻率进行了测试,分析了全应力-应变不同阶段煤体电阻率响应规律及变化机制。研究结果表明:煤体全应力-应变过程中,扩容现象发生时电阻率变化趋势出现突变,由下降转为上升,呈不规则"V"字形变化;在扩容发生前的压密阶段和弹性阶段,电阻率的变化由孔隙裂隙的闭合及应力作用决定,扩容的发生使得煤体在塑性阶段电阻率总是呈上升趋势,煤体进入破坏阶段后电阻率进一步上升。通过对煤体电阻率进行连续实时监测,可将电阻率变化规律作为前兆信息,以反映煤体失稳破坏前的扩容突变现象。     

煤体冲击破坏过程中的近磁场突变效应及其机理研究

利用 SHPB 实验系统进行煤体冲击破坏试验,同时运用 ZDKT-1型瞬变磁振测试系统测试了煤体近距离瞬变磁场变化并分析了其产生机理。试验表明,煤体在受到高速冲击破坏时其近距离磁场会发生瞬间突变。采用红外光谱技术对冲击破坏煤体进行对比分析,研究表明受冲击破坏前后煤体中的羟基氢键的状态发生了变化,认为大量的氢键断裂发生电荷的分离和转移是煤体近距离磁场瞬间突变的重要原因。     

含瓦斯煤体单轴压缩电阻率变化规律实验研究

建立了含瓦斯煤体单轴压缩电阻率实时测试系统,测试并对比分析了含瓦斯煤体和不含瓦斯煤体在单轴压缩过程中的电阻率变化,并对瓦斯对电阻率变化的影响机制进行了探讨。研究结果表明:2种实验条件下煤体电阻率均呈现先减小后增大的变化规律;电阻率减小阶段,游离态瓦斯对电阻率的减小有延缓阻碍作用,即电阻率随加载应力的增大呈持续平缓减小趋势,未出现不含瓦斯煤体实验中出现的突降现象;电阻率增大阶段,游离态瓦斯对电阻率的增大有促进作用,即电阻率"拐点"处所对应的加载应力水平较之不含瓦斯煤体更小;煤体发生破裂之后,电阻率增长幅度普遍小于不含瓦斯煤体。     

煤岩变形破坏电荷感应规律试验研究及现场应用

准确掌握岩体受载破坏过程电荷感应规律,对于冲击地压等动力灾害预测具有重要意义。在电荷监测仪采集精准度优化提升基础上,对砂岩试样单轴压缩受载破坏电荷感应规律进行了实验室监测试验,并进行井下监测试验,详细分析了不同加载速率下砂岩电荷感应与应力降以及裂纹扩展的关系和超前工作面支承压力影响区电荷感应特征。结果表明：岩样受载破坏过程中裂纹的多次形成、发育与扩展均伴随着电荷感应信号,前兆电荷信号的产生早于岩样受载破裂出现的应力降;在0.005、0.015、0.020 mm/s 3种加载速率条件下,岩样破坏过程的电荷信号规律随加载速率的变化显现出差异性,主要表现为加载速率越大,电荷信号越丰富,超前应力突变前兆电荷信号越发提前出现;现场各测点平均感应电荷量最大值均位于超前支承压力影响区内,且平均感应电荷量大小与工作面超前支承压力分布趋势一致。     

颗粒煤岩破裂过程声发射与电荷感应试验

考虑颗粒间摩擦和黏结力作用,建立了基于颗粒物质力链失稳的煤岩体破裂判据。分析颗粒煤岩单轴压缩试验结果,得到了颗粒煤岩抗压强度、弹性模量随颗粒煤岩粒径增加而降低的变化规律,从细观尺度证明了煤岩单轴压缩张拉破坏的根源为剪切破坏。分级和循环2种加载试验研究结果表明：颗粒煤岩破裂过程中的声、电荷信号与力链中颗粒摩擦及粘结情况密切相关,声、电荷信号的产生机理存在本质上的差别。从破裂类型看,微裂隙的张拉破坏和颗粒摩擦错动均可导致声发射出现,而煤岩颗粒间的摩擦和微破裂面的相互错动是产生大量自由电荷、发生电荷感应现象的主要原因。可以利用声信号高-低-高的周期变化次数预测采动煤岩体经历的分级和循环加卸载次数;电荷信号首次突变-平稳-突变的出现时间是采动岩体应力阶段的划分标准。声、电荷信号幅值突变的剧烈程度是采动煤岩体失稳的重要前兆物理信息,可由此预测煤岩体稳定性,以便及时做出预警和相应的防护措施。     

跃进矿23130工作面煤体应力状态的地球物理响应规律

受载煤体变形及破裂时能够产生微震、声发射和电磁辐射信号,可以根据微震、声发射和电磁辐射信号的变化规律来评价回采工作面煤体应力状态。针对回采工作面煤体应力状态的地球物理响应,对跃进矿23130工作面进行了现场测试,结果表明微震、声发射和电磁辐射信号在应力集中区较强,在松弛区和原始应力区较弱,信号的变化与煤体的应力状态的分布有较好的对应关系。     

煤体单轴压缩感应电荷时频演化规律与失稳破坏电荷评价指标

为了有效预测预报煤岩破坏所引起的动力灾害,介绍了受载煤体变形破坏电荷产生机理与感应电荷监测原理,开展了煤体单轴压缩过程感应电荷监测实验,采用基于假设原理的Lilliefors检验方法研究了有效电荷产生的初始时刻,获得了煤体破坏演化过程的应力与感应电荷的时序共性特征;研究了加载前期与破坏后期电荷信号的频域特征,设计了基于FIR方法的低通滤波器,得到了滤波后的有效电荷信号;基于煤体破坏演化过程的电荷时频特征,构建了失稳破坏电荷评价指标;开展了井下有、无动力显现的电荷监测试验,使用研发的本质安全型电荷监测仪验证了监测动力破坏现象的有效性。综上研究结果表明:Lilliefors检验方法能够判识煤体加载初期所产生的有效电荷信号,得到了压密阶段基本为白噪声信号,弹性阶段会产生不易识别的、少量的、且与白噪声混合的低幅值有效电荷信号,弹塑性过渡阶段会产生易于辨识、幅值相对增大且连续性较差的电荷信号,塑性阶段与破坏阶段的有效电荷信号随应力降次数增多而增多,随应力降幅度增大而增大,两阶段的电荷信号波动幅度较为剧烈,高幅值电荷信号连续性较强;通过时频变换,得到电荷信号白噪声主频不小于50 Hz,煤体破裂所产生的电荷信号主频不超过15 Hz,设计的FIR低通滤波器可有效降低噪声信号,能保留高幅值与高波动性的电荷信号;建立的电荷累积量、平均电荷强度、电荷变异系数3种评价指标,它们均能良好地反映出煤体的破裂状态,平均电荷强度还可反映出煤岩体的应力水平,变异系数能更加准确地识别煤体进入加速破坏阶段的前兆点;在采动影响下现场各测点的电荷变异系数与平均电荷强度明显比无采动影响的数值更大,电荷变异系数随着远离工作面而逐渐减小,平均电荷强度在超前工作面支承压力峰值影响范围内达到最大值,说明电荷法能够有效监测巷道的动力破坏情况,可为煤矿动力灾害预警提供一种新的监测手段。     

含孔试样渐进性破坏的表面变形特征

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙漏气是抽采失效的主要原因之一,孔周裂隙扩展在煤体破坏的过程中表现孕育、稳定扩展及迅速扩展3个阶段。为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征,开展含孔试样渐进性破坏过程中的孔周裂纹扩展规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定应力门槛值的方法,并将其用于含孔试样渐进性破坏过程的孔周变形精细化分析,利用该方法所确定的应力门槛值可将试样的破坏过程划分为5个阶段,通过提取与计算分析试样表面全场变形数据,得到在不同阶段内试样表面相对位移、以及孔周位移。结果表明:试样表面相对位移发展历经缓慢降低,加速降低以及迅速降低3个阶段,其中加速降低和迅速降低阶段与应力-应变曲线的裂纹稳定扩展和裂纹加速扩展对应;在压缩过程中,由于孔周对称移动造成孔周表面拉伸和压缩错动,最终在表面形成主拉伸裂纹和法向剪切裂纹。     

单轴压缩下煤体表面电流试验研究

试验研究了在单轴压缩条件下煤体受压产生电流的性质及变化规律,并对产生这种电流变化的原因进行了分析。实验表明,煤在受载破坏过程中,表面有微电流产生。在加载初期,电流产生不明显。当载荷δc≈0.75δmax时,电流开始出现较快增长,并且和载荷的相关系数达0.8~0.9以上,呈高度相关。载荷发生突变或卸压时有较强电流信号出现。根据电流和载荷的对应关系,可以用电流信号来反映煤体受载程度,从而为煤岩体稳定性监测提供一种新的思路。     

电磁辐射技术确定保护层采空区煤柱影响带

保护层采空区留有煤柱会引起应力集中,留有煤柱的宽度不适将会形成应力集中带,以致发生强度较大的煤与瓦斯突出。煤体在应力集中带作用下产生屈服变形的过程中会产生电磁辐射,产生的应力越高,煤体变形破裂越剧烈,向外辐射的电磁辐射信号就越强。根据煤体变形破裂过程中产生的电磁辐射信号特征变化,确定了保护层采空区煤柱产生的应力集中带,电磁辐射测定结果与现场勘测资料计算结果相吻合。结果表明:电磁辐射信号与应力集中带应力状态分布有较好的对应关系,可以电磁辐射监测技术确定保护层采空区煤柱产生的应力集中带,是确定煤柱影响带的一种新方法。     

煤单轴破坏同步声电场响应规律试验研究

为研究煤岩破坏产生的声电信号时域特征及与应力间关系,进行了多种煤样的单轴压缩试验,采集了煤样受载破裂全程的声电信号,统计分析了2种信号的振铃计数和能量参数,研究了电磁辐射信号幅度与应力降之间的关系。结果表明:煤体受载破坏过程中会伴随明显的声发射和电磁辐射信号,电磁辐射相对较少较弱,声电信号的幅度、计数、能量在时域上有很好的一致性;煤岩加载破坏产生的电磁辐射与应力骤降现象有更好的对应性,电磁辐射信号幅度与应力降间呈显著的线性相关关系,更明显的应力下降现象对应产生更强的电磁辐射信号幅度。     

电磁辐射对煤与瓦斯突出的影响研究

通过对煤与瓦斯突出现场数据分析超量瓦斯溢出的原因,和现场操作过程中震动作用引起煤与瓦斯突出的现象,分析煤与瓦斯突出的激发和发生过程存在"煤体在应力变化作用下产生微破裂、继而产生电磁辐射、继而产生煤的大分子结构破裂、继而产生瓦斯(CH4)。"     

高压电脉冲致裂试验及其在煤层气开采中的应用分析

为了分析高压电脉冲致裂作用特征及其对煤层气开发作用,以混凝土试样为试验对象,研究了无应力状态下试样裂隙分布特点及其扩展特征。结果表明,高压电脉冲对试样具有明显的致裂作用;经过高压电脉冲作用后,试样表面出现裂隙网络,其中主裂隙数目为2~4条,长度为25~32cm;试样裂隙从钻孔周围开始,其扩展过程可分为应力积累、缓慢发展、快速发展及破坏4个阶段。高压电脉冲通过液电效应产生的冲击波对试样进行破裂作用,同时冲击波引起的水楔效应等对煤体裂隙的生成也有促进作用。高压电脉冲能够改善瓦斯流动情况,从而提高煤层气产量。