煤体冲击破坏超低频/极低频电磁异常特征分析

为确定煤体冲击破坏过程中是否产生超低频/极低频电磁信号,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统和ZDKT-1型瞬变磁振测试系统,研究不同冲击速度下煤体破裂电磁信号变化规律。通过分析电磁异常信号的Hilbert时频谱特征,确定煤体冲击破坏下的超低频/极低频电磁效应,研究不同冲击速度下电磁信号能量和冲击耗散能之间的关系。结果表明:煤材料在冲击破坏过程中能产生超低频/极低频电磁信号,信号主频在0~30 Hz;电磁信号幅值和冲击速度呈现正线性相关,电磁信号能量和冲击速度为二次多项式关系,冲击耗散能和电磁能增长趋势基本相同,超低频/极低频电磁信号强度可间接反映煤体内部损伤的程度。     

煤冲击破坏过程中动态破坏时间研究

为研究煤的冲击破坏过程中的动态破坏时间,对试件进行了力控制的单轴压缩实验,得出煤的力学性质和裂隙发育程度为动态破坏时间的两个影响因素,分析出动态破坏时间越短,用于煤样破坏的弹性能越少,释放的弹性能越多,释放的弹性能转化为动能的效率越高,认为煤的动态破坏时间表示煤的脆性程度,是煤样强度和刚度的一个综合反映。     

超深井厚煤层下山孤立煤体冲击机理研究

为研究巷道切割形成孤立煤体冲击失稳机理,以古城煤矿32采区下山区域冲击地压事故为工程背景,通过现场调研、理论分析和数值模拟等方法,研究了巷道卸压后孤立煤体的应力演化规律,建立了巷道卸压后孤立煤体承载能力估算模型和支承压力分布简化模型,揭示了超深井下山孤立煤体整体失稳冲击机理:巷道卸压后孤立煤体弹性承载区应力集中,当该集中应力与采掘活动等其他应力叠加后的孤立煤体平均支承压力超过发生冲击临界值时,易诱发冲击。在此基础上提出了孤立煤体整体失稳冲击力学判据,事故案例及数值模拟计算验证了理论计算的正确性。在此基础上提出了降低孤立煤体平均支承压力和增强巷道围岩综合抗压强度的具体防治措施。     

尺寸效应对煤体冲击倾向性的影响研究

不同尺度煤体冲击倾向性研究对于厘清煤炭地下开采过程中冲击地压尺寸效应形成机制起着关键作用。为探明煤体冲击倾向性尺寸效应,对不同尺寸煤试件进行单轴压缩及变上限循环加卸载试验。试验结果表明：与标准(φ50 mm×100 mm)煤试件相比,小尺寸(φ25 mm×50 mm)煤试件的平均单轴抗压强度增加了8.02%,弹性模量增加了23.16%;大尺寸(φ75 mm×150 mm)煤试件的平均单轴抗压强度降低了11.03%,弹性模量降低了7.37%。随着煤试件尺寸的增加,声发射累积事件总数不断降低,临近破坏时煤试件表面位移场趋于无序变化。经CT扫描煤体试件内部微裂隙分形维数随其尺寸扩大不断增加,表明较大尺寸煤试件内部裂纹数量增多且空间分布更加复杂,这直接导致煤体呈现出尺寸效应特征。煤体试件尺寸从φ25 mm×50 mm增加至φ75 mm×150 mm,其剩余弹性能指数CEF由26.53 kJ/m3降低为21.36 kJ/m3,这表明尺寸效应将直接影响煤体的冲击倾向性,同种煤体的尺寸越大,其冲击倾向性越小。     

冲击地压源的岩石破坏机理

冲击地压源岩石“瞬时爆炸性”破坏机理是冲击地压方面尚未解决的问题之一。一般认为,冲击地压是巷道影响地带岩体极限应力部位破坏的结果,这种破坏是在该部位岩体的应力变化速度超过其松弛速度时发生的。这样,就把岩体的脆性系数N>1的条件看成是产生冲击地压的原因。大家知道,岩石,其中包括煤的松弛时间并非以秒计,而是以年、月来计量的。因此,即使T_(min)相似文献   

不同冲击倾向煤体失稳破坏声发射先兆信息分析

掌握煤体冲击破坏前兆信息是科学预测预报煤岩介质冲击地压的科学瓶颈问题,应力加载下不同冲击倾向性煤体失稳破坏声发射前兆信息研究是解决这一问题的重要手段。采用声发射探测手段对不同冲击倾向性煤体失稳破坏进行实验研究,通过分析发现不同冲击倾向煤体失稳破坏过程中振铃计数、AE能量、频谱及b值变化存在差异。伴随煤体冲击倾向性增强,加载过程煤体振铃计数、AE能量趋向于高应力区域集中,煤体弹性阶段所占比例增加,塑性破坏阶段所占比例减少;主频带宽变动较小,有集中的趋势,主频强度在弹性阶段、塑性破坏阶段、临破断阶段均不同程度增加,煤体冲击倾向性越强,主频强度增幅越大;b值降低时应力值增加,更靠近煤样破坏强度。     

含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律

为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数减少,单位时间电荷事件数降低,电荷信号向煤体峰值强度后转移;瓦斯作用下,随着瓦斯压力升高,煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现"矩形波"特征,信号主频在200 Hz以下,随着瓦斯压力升高,主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运动产生自由电荷角度,提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理,一方面,煤体裂纹面附近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒,导致不同属性带电粒子向不同方向移动,解释了应力突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象;另一方面,煤岩内部孔隙贯通,瓦斯气体因压力差而流动,Stern-Gouy双电层结构产生流动电荷,流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量,解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似"矩形波"特...     

截齿截割煤体变形破坏过程模拟试验

在自制的截割试验台上进行截齿截割煤体的模拟试验,对截割过程三向力进行在线监测,并对截割过程进行高速摄影,测量了截割物的粒度组成,并对能耗进行测试.试验结果表明：相同截深时锥形截齿截割力比扁型截齿截割力大;截齿截入煤体,在扁型截齿凸脊及锥形截齿齿尖与煤体接触处出现裂纹,随截齿截割前行,裂纹迅速扩展,裂纹扩展方向与煤体的层理、节理有关.     

千米深井大巷孤立煤体整体失稳 冲击机理及防治研究

为研究深井大巷切割形成孤立煤体整体失稳诱发冲击地压机理,以梁宝寺矿35000采区为工程背景,采用现场调研、理论分析和数值模拟等方法,研究了不同大巷间距的煤体支承压力分布状态,建立了大巷围岩卸压后整体失稳冲击力学模型,揭示了深井大巷孤立煤体整体失稳冲击机理:大巷孤立煤体在大采深自重应力、地质构造应力和条带开采形成的集中应力等因素叠加作用下,形成"高应力孤立煤体",孤立煤体采取卸压措施后导致其承载范围减小,应力集中程度进一步加大,当孤立煤体平均应力超过煤体综合抗压强度时,易诱发整体失稳冲击。据此提出合理留设巷道间距、合理布置巷道层位和加强监测预警等防治措施。研究结果为深井孤立煤体整体失稳冲击提供理论基础,为深部冲击地压矿井的开采设计和孤立煤体冲击防治提供了技术途径。     

瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理

对瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理进行分析研究表明，吸附过程除与输入压力、温度和吸附气体种类有关外，还受煤体的渗透率、外载荷、湿度等因素的影响。是吸附、扩散－渗透和解吸并存的动态过程，直到吸附平衡为止。     

基于逾渗机理的含瓦斯煤体变形破坏机制及试验研究

针对含瓦斯煤岩在高应力环境下易发生松散破坏的问题,考虑煤体的多孔介质特征,研究了含瓦斯煤岩受应力扰动影响下的变形破坏规律。首先,基于逾渗理论提出了含瓦斯煤体的逾渗破坏概念,它的实质是含瓦斯煤岩发生逾渗行为后导致瓦斯突出使煤体失稳破坏过程中发生的一种动力破坏现象。然后通过理论分析了逾渗破坏分布区域并给出了逾渗破坏概率P_∞的计算公式,推导出了含瓦斯煤体的Biot型本构方程,表明含瓦斯煤体孔隙率与渗透系数和有效应力密切相关。结合含瓦斯煤体本构方程并在逾渗破坏区进行了应用,得到了逾渗破坏区半径R_p的计算公式。最后,对拟制备的含气类岩石试件进行了三轴压缩试验,试验结果表明:随着试件孔隙、裂隙增多,弹性模量和脆-延性破坏临界拐点应力值随之减小;同时,黏聚力和内摩擦角值随试件内部气体孔隙增加均不同程度的降低,导致逾渗破坏区半径增大,并且其影响程度会随内摩擦角和黏聚力的减小而增强。随着应力增加,试件内部孔隙、裂隙逐渐贯通,最终呈松散破坏即逾渗破坏。     

华北型煤田水文地质电法勘探的深度问题

直流电阻率、瞬变电磁场和可控源音频大地电磁测深是煤田水文地质勘探常用的方法。针对华北型煤田地层电性特点,通过电磁探测原理分析与勘察实例,说明了在此类地区需要更大的极距、更长的观测时间和更低的频率才能达到预期的探测深度。为在华北型煤田水文地质勘探中取得更好的探测效果,采用综合电磁探测方法是必要的。     

不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场演化特征

采用实验手段,研究单轴压缩过程中,冲击倾向性和非冲击倾向性煤样表面变形场和温度场演化特征。运用白光散斑分析方法,对样品表面变形局部化带演化进行数据分析,发现非冲击倾向性煤样局部化出现在加载的弹性阶段,而冲击倾向性煤样出现在塑性阶段,冲击煤样的变形场演化要较非冲击煤样剧烈;冲击煤样与非冲击煤样的变形局部化内部区域温度整体较外部区域高,且变化规律基本相同,而局部化内外温差变化与其相反;冲击煤样的绝对温度变化较非冲击样品变化大;冲击煤样的温度场对应的变形局部化演化较非冲击煤样简单;基于不同煤样的全岩矿物分析及黏土矿物成分分析,对比了冲击煤样与非冲击煤样内部晶体、非晶体及黏土矿物的含量,从而探讨内部组分对宏观温度场和变形场的影响。     

煤粉细化过程静电放电起爆机理

基于水的电离和粉体动力学理论,对煤粉细化过程中静电场和煤粉爆炸的条件进行理论建模和数值计算,分析爆炸的可能性。数值结果表明：带电煤粉浓度分布随时间发生变化;不同时刻节点间电压差大部分在200 V以下,但是在个别位置,相邻节点间电压差可达上千伏,甚至上万伏,这种较高的电压差可能达到击穿电压的临界值,导致电火花的产生。在煤粉细化过程中,煤粉的粒度大部分在30~75μm,煤粉质量浓度在0.5~2.4 kg/m 3 ,某些时刻氧含量和有效点火能量分别大于15%和大于1 J,这些都在煤粉的爆炸范围之内。当这些因素同时满足煤粉爆炸的危险条件时,在煤粉细化过程中就可能产生爆炸。     

煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一,矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置,发射磁距小,其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此,提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术,对井上(地面)激发,井下巷道接收和井上下双磁源激发,井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时,瞬变电磁响应特征均有明显的差异,主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧,顶板存在含水体时曲线幅值相对较小,而在交叉点右侧幅值相对较大,表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测,探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时,井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致,交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值,而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时,2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致,实际探测结果与钻孔资料吻合良好,对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。     

煤岩破裂过程电荷信号时-频域特性及降噪研究

为了拓展电荷信号综合分析手段,进一步提高电荷感应方法的煤岩体冲击地压预测准确性,将室内物理试验和理论分析相结合开展煤岩受载破坏电荷信号监测试验,基于煤岩破裂电荷信号产生机制和傅里叶变换方法获得了不同受载阶段电荷信号时-频域特征及其变化规律,并设计数字滤波器进行电荷信号降噪处理。研究结果表明:电荷时-频域信号幅值与煤岩受载变化具有良好的一致性;非接触式感应电荷信号监测装置工频白噪信号组成频率较固定,白噪时-频域信号幅值随采样频率升高明显提高;煤岩受载过程中时域信号特点为弹性后期小幅值振发型,强化损伤阶段高幅值振发型,峰后破坏阶段高幅值连续型;频域变换得出电荷信号为主频率范围1~100 Hz的甚低频率信号,且该范围内的频域信号幅值随时域信号幅值升高而显著增加,此试验结果是区别电荷信号与高频率电磁辐射信号的主要标志,基于研究结果设计了数字低通滤波器,较好的剔除了工频白噪信号同时又不失真的保留了有益信号;基于电荷信号的时-频域特性可将工频干扰信号与有益信号区分有效提高信号监测准确性,达到预测预警冲击地压发生的目的。     

成庄矿煤岩破坏电磁辐射特性及其应用研究

利用电磁辐射信号采集试验系统,研究了晋煤集团成庄矿煤岩在单轴压缩、拉伸、剪切破坏条件下的电磁辐射和声发射特性。试验结果表明,煤岩变形破坏过程中有电磁辐射信号产生,受载煤岩产生的电磁辐射与变形破裂过程紧密相关,基本成正比关系;经过与同步测试的声发射信号相比,发现电磁辐射信号更丰富。现场利用煤岩破坏的电磁辐射监测技术可以定量研究工作面推进基本顶来压、顶板周期来压的动态变化规律。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础，提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法，针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题，在二维情况下，通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律．结果表明，在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下，随着裂隙数量、分形维数增加，连通团个数对应的孔隙率点由30％逐渐降低到20％左右；当孔隙率高于35％时，裂隙数量分形维数高于1．45以后，最大连通团孔隙比增加较快，低于此值时，所有连通团包含的孔隙数均极小，这就是煤体低渗透的本质．     

硬煤工作面煤壁破坏与防治机理

高强度、大采高开采条件下,硬煤煤壁破坏的频率及程度逐渐严重,为提高该类工作面煤壁稳定性,实现安全、高效开采,采用室内试验、理论分析及现场实测综合手段对硬煤煤壁破坏形式、发生机理及影响因素进行分析。软煤、硬煤在单轴压缩条件下分别表现为静态、动力破坏,泊松比不同是煤体出现不同破坏形态的内在原因,三轴抗压试验表明围压可有效改变硬煤破坏的静-动转化;将煤壁、顶板及支架组成的平衡系统抽象出2种边界条件,根据煤体弹模、泊松比及边界条件的不同提出压剪、拉剪及拉裂3种煤壁破坏形式,硬煤多发生后2种破坏形式;推导出拉剪、拉裂型破坏的发生判据,得到拉剪型破坏起裂角、拉裂型破坏深度的确定方法及影响因素;拉剪型破坏对各影响因素的敏感度依次为黏聚力、顶板压力、支架阻力、抗拉强度,采高、护帮板压力及护帮高度对煤壁稳定性的影响不明显,拉裂型破坏对各影响因素的敏感度依次为抗拉强度、采高、顶板压力、支架阻力和控顶距等。