单轴加载煤体破坏特征与电荷规律研究及应用

为了完善电荷感应方法用于冲击地压的预测预报,利用自主研制的电荷监测系统开展了室内单轴压缩条件下煤样破裂电荷监测试验。重点分析了煤样的破坏类型,力学特性以及不同破坏类型下电荷时-频域信号规律,并对试验结果进行了工程验证。研结果表明:煤样变形破坏特征可分为单剪型、共轭剪切型和破碎型;单剪型煤样电荷时域信号仅在峰后破坏初期,应力跌落至97%cσ左右时产生,前兆信息难以捕捉,信号具有孤立性,幅值较高,电荷频率分布离散,主频为250Hz。此特征电荷信号预示着相应工程煤体可能发生局部化破坏,将集聚的能量瞬间释放,冲击危害程度较大;共轭剪切型煤样电荷时域信号在强化损伤后期,应力达到85～100%σ_c时开始产生,信号具有间隔突发性,主频为150Hz。预示着煤体可能发生分区化破裂,能量间断释放,冲击危害程度次之;破碎型煤样电荷时域信号在强化损伤初期,应力达到70～85%σ_c时就开始产生,前兆信息易于捕捉,信号具有群发性,幅值较低,主频为0Hz。预示着煤体可能发生均匀型破碎,能量缓慢释放,冲击危害程度较小;现场监测结果表明,在工作面煤体破碎区和发生煤炮时监测到的电荷信号特征,与试验室煤样发生均匀型破碎和单剪型破裂而产生的电荷信号特征具有高度相似性,验证了试验室结果的可靠性。     

单轴加载煤体破坏特征与电荷规律研究及应用

为了完善电荷感应方法用于冲击地压的预测预报,利用自主研制的电荷监测系统开展了室内单轴压缩条件下煤样破裂电荷监测试验。重点分析了煤样的破坏类型,力学特性以及不同破坏类型下电荷时-频域信号规律,并对试验结果进行了工程验证。研结果表明:煤样变形破坏特征可分为单剪型、共轭剪切型和破碎型;单剪型煤样电荷时域信号仅在峰后破坏初期,应力跌落至97%cσ左右时产生,前兆信息难以捕捉,信号具有孤立性,幅值较高,电荷频率分布离散,主频为250Hz。此特征电荷信号预示着相应工程煤体可能发生局部化破坏,将集聚的能量瞬间释放,冲击危害程度较大;共轭剪切型煤样电荷时域信号在强化损伤后期,应力达到85～100%σ_c时开始产生,信号具有间隔突发性,主频为150Hz。预示着煤体可能发生分区化破裂,能量间断释放,冲击危害程度次之;破碎型煤样电荷时域信号在强化损伤初期,应力达到70～85%σ_c时就开始产生,前兆信息易于捕捉,信号具有群发性,幅值较低,主频为0Hz。预示着煤体可能发生均匀型破碎,能量缓慢释放,冲击危害程度较小;现场监测结果表明,在工作面煤体破碎区和发生煤炮时监测到的电荷信号特征,与试验室煤样发生均匀型破碎和单剪型破裂而产生的电荷信号特征具有高度相似性,验证了试验室结果的可靠性。     

加载速率影响的煤体破裂过程声-电荷试验研究

为建立加载速率影响下煤体不同失稳形式的声发射-电荷判据,以阜新五龙矿某工作面为研究对象,采用物理试验研究方法,开展了不同加载速率下煤体破裂过程声-电荷监测试验,深入研究了加载速率影响的煤体力学性质、破裂规律和煤体破裂过程能量耗散与声发射-电荷信号的对应关系。研究结果表明:加载速率越高,应力调整越提前,煤样单轴抗压强度增加,累积变形能耗散加剧,煤体失稳形式由静载失稳过渡到类动载扰动失稳,煤体失稳破坏的动力特征明显,压缩型冲击地压动力灾害发生几率增大;不同加载速率下煤岩破裂过程产生的声-电荷信号变化与煤岩受载的应力突变具有较好的一致性;对所用煤样的声发射-电荷信号进行量化分析,初步提出了判定煤体失稳形式的声-电荷复合判定依据,在不同矿区、不同工作面上,可依据监测获得的声-电荷现场数据辅以采动应力场的变化情况,对采动过速诱发的煤体压缩型冲击地压的发生几率进行预测和预警。     

含水率对岩石电荷感应信号影响规律研究

水是诱发矿井灾害的主要因素之一,研究水?岩相互作用下的岩石破坏电荷信号,可丰富矿井水引起灾害的监测方法。为研究含水率对岩石破坏电荷感应信号的影响规律,基于损伤理论推导了岩石损伤破坏力?电耦合模型,得到了感应电荷量与岩石力损伤和水损伤的理论关系。利用自主研制的电荷感应信号数据采集系统,对不同含水率条件下的岩石试样进行了单轴压缩电荷感应信号监测试验,分析了水对岩石力学性质和岩石破坏过程中各阶段电荷感应信号的影响规律,并对含水率影响感应电荷产生的机制进行了讨论。结果表明：岩石变形破坏过程中的电荷感应信号与岩石的损伤程度有关,累积感应电荷量与感应电荷总量的比值可以表示岩石在水和力作用下的损伤量,且含水率越高,试样越易在较低的应力下产生大量的电荷感应信号。不同含水率岩石的宏观破坏特征明显不同,随着含水率升高,岩石的抗压强度降低,裂隙发育,岩石破坏形式由单剪式破坏向张拉和剪切混合破坏转变。电荷感应信号分布形态上,含水率的升高使得高幅值电荷簇数增加,并向弹性阶段发展,且高幅值电荷感应信号主要分布在弹性阶段后期和塑性阶段。感应电荷量上,随着含水率的升高,弹性阶段的感应电荷释放量占比逐渐增大,塑性阶段占比逐渐减小,两阶段的感应电荷量之和占试样变形破坏过程中产生感应电荷总量的90%以上。水通过弱化岩石颗粒和渗透压作用,使岩石在较低应力下产生或扩展裂隙,感应电荷信号更丰富。     

受载煤岩组合体破坏前能量分布规律

为研究引发冲击地压的能量在煤岩系统中的分布规律,理论分析了二元、三元组合模型峰前能量分布计算公式,并对自主构建的不同比例的二元、三元组合体开展了轴向加载试验。试验结果表明：随着煤岩高度比增大,组合体峰前总能量也逐渐增大,但增幅逐渐减小;相同煤岩高度比的组合体,岩石组分越硬,组合体峰前总能量越小;无论何种组合体,煤组分能量占比最大,均大于50%;随着煤岩高度比的增大,煤组分能量占比逐渐增大,岩石组分能量占比逐渐减小;煤岩高度比相同的组合体,岩石组分越硬,煤组分能量占比越大。组合体峰前能量主要分布在煤组分中,其次为粗砂岩,细砂岩积聚能量最少。由此表明：煤岩系统中的能量主要分布在软弱煤岩层中,岩层弹性模量越大,积聚能量越少。据此提出了直接释能和间接释能两种冲击地压防控理念,对现场冲击地压的防治具有指导意义。     

三轴条件下煤体受压破裂电荷感应信号试验研究

为研究煤体破裂程度与其释放电荷之间的联系以提高矿山动力灾害预测准确率,利用自主研制的电荷传感器对某矿原煤试件在三轴情况下进行电荷感应试验,分析相邻侧面不同破裂程度下煤体电荷感应信号的变化特征,将信号进行快速傅里叶变换处理,在频域内研究不同孔隙瓦斯压力条件下电荷感应信号的变化规律,在此基础上对电荷累积量与声发射振铃总计数、总能量进行了对比分析。试验结果表明:同一煤体相邻两表面破裂程度越严重,其电荷感应信号越丰富; 在围压不变情况下,随着孔隙压力的增大,煤体变形破裂过程中电荷感应信号频率的最大幅值波峰有逐渐向低频方向移动的趋势,煤体破裂电荷感应信号频率波动低于200Hz,幅值最大点频率在50Hz以内; 电荷累积量曲线在煤体应力达到峰值后,表现出跳跃式增长趋势,但电荷感应信号的量级相对较小。     

煤体静载破坏中低频磁场变化特征及产生机制研究

为了研究煤体静载破坏中低频磁场变化特征及其产生机制,进一步完善煤矿动力灾害监测预警技术,通过室内试验、现场试验研究了煤体静载破坏中低频磁场时、频谱特征,并结合微震信号提出了低频磁信号的产生机制。结果表明：煤体静载破坏中所产生低频磁场信号强度为19～156 nT,信号最大幅值、能量与试样强度、加载速度均呈正相关关系。垂直于裂纹扩展面磁场最强,平行于裂纹扩展面磁场最弱。并结果微震信号提出了低频磁场产生机制。低频磁场与微震信号具有时、频域同步性,带电裂纹面随微震信号同频振荡为低频磁场产生机制。现场放炮破煤低频磁信号由簇状脉冲信号及小幅震荡信号组成,其中簇状脉冲成分产生于炮后振动波带动带电壁面的同频振动,而小幅震荡成分是巷帮煤壁趋向新应力平衡状态时发生的横向拉伸破坏及带电煤碎屑运移、摩擦及转动的结果。     

钻屑温度测试煤体法向应力的试验研究

针对煤体法向应力测试问题,基于煤体法向应力的变化引起钻屑温度改变的实际,通过实验室实验,研究了钻屑温度与煤体法向应力的对应关系。实验研究结果表明:在一定范围内,煤体法向应力不同而其余实验条件相同的情况下钻屑温度随着煤体法向应力的增大而升高;钻头温度最大值、钻头温度上升速率、钻孔温度、煤屑温度与煤体法向应力基本呈线性关系。实验方法可用于测试煤体法向应力水平变化,为预测煤层冲击地压危险性提供新的思路。     

单轴压缩条件下不同含水率黑云母二长花岗岩破坏特征与机制

花岗岩在不同含水率条件下的变形破坏特征和机制对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义.开展不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验,分析破坏特征和应力-应变曲线特征,开展断口扫描电镜试验,分析微观形貌特征,研究破坏机制.试验结果表明:黑云母二长花岗岩具有明显的应变软化特征;随含水率增大,曲线上微裂隙压密阶段长度逐渐增加,稳...     

岩石失稳破坏的键弹簧模型研究

岩石的失稳破坏是岩石力学的一个重要课题。本文根据微观原子键作用的特征,揭示了固体材料宏观破坏本质必然是微观键的拉破坏,发明了键弹簧,用以表征岩石宏观力学性质。在综合分析岩石破坏的宏细观特征及声发射特性的基础上,建立了岩石破坏的键弹簧模型,推导出用以判别系统失稳的虚余能判据。利用虚余能判据,对各种加载状态下岩石的失稳破坏进行了综合分析,讨论了岩石在单轴拉伸、压缩、剪切、真三轴单面卸载等条件下的失稳条件,及岩石系统失稳破坏的尺度效应和围压效应。进一步提出了岩石系统失稳的统一判据公式,指出系统加载失稳由加载条件、应力状态、几何参数共同决定,区别于传统系统失稳的刚度理论。最后介绍了岩石键弹簧模型失稳判据在工程上的应用。     

煤岩体电荷检测在动力灾害预测中的应用

文章为煤岩动力灾害的预测提供新的方法,针对大安上煤矿用岩体电荷辐射测试仪进行现场实验测试,得出:(1)大安山矿电荷感应幅值在300Pc以下,煤岩体比较稳定;(2)电荷感应幅值呈现出与周期来压一致的周期性变化;(3)电荷感应幅值最大处一般均在工作面前方10～16m,这与采掘工作面前方煤岩层的集中应力向煤体深部传播一致;(4)在测期间一直处于稳定状态,而测得的电荷感应幅值也较小,说明和实际比较符合。还简要介绍安装工艺。得出岩体电荷检测能对动力现象作出预测。     

深部冲击倾向煤岩循环加卸载的纵波波速与应力关系试验研究

研究了单轴循环加卸载条件下深部冲击倾向煤岩样应力与纵波波速的耦合关系,基于煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓的特征建立了应力与纵波波速之间的试验关系模型,并对模型参数进行了分析。研究表明：①由于闭合的孔隙和裂隙又重新张开,颗粒之间的压实程度减弱,煤岩试样卸载过程中,随着应力的降低,波速也降低;②部分裂隙和孔隙在压密阶段发生永久闭合,造成应力降低后再无法张开,因此下一循环的开始纵波波速值要大于第一个循环开始时的波速值;③与实测值的相关系数计算结果表明,试验关系模型具有较高的拟合度,很好地体现了试样纵波波速变化对载荷的敏感程度。     

单轴压缩下花岗岩电磁信号的实验研究

利用自主研制的电荷感应仪对花岗岩样品在单轴压缩变形破裂过程中产生的电荷感应信号和磁信号进行了实验研究。实验结果表明,在岩石变形破裂达到峰值强度时比在峰值强度前有更强的电荷感应信号产生,电荷感应信号也受岩石应力的变化速率影响,在应力变化速率大时,有较强的电荷感应信号。在有变形破裂时,电荷感应信号就较强,变形破裂较小的面所对应的测点的电荷感应信号就较小,这表明电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。电信号比磁信号多,在岩石变形破裂时不断有电信号产生,且有明显的变化,而磁信号的变化不明显。电信号相比磁信号受外界的干扰小,幅值大,说明用电荷感应的方法监测岩石的变形破裂前兆更有优势。     

煤样单轴压缩时滞性变形破坏的试验研究

在深埋中等坚硬煤层采掘工作面煤壁片帮大多表现出明显时滞性,针对采掘工作面煤壁片帮发生时滞性应力特征,在RMT-150B岩石力学试验系统上进行煤样单轴压缩和分级加载对比试验,分析两种加载方式下煤样时滞性变形破坏特征,结果表明：两种加载方式在煤样峰值前应力-应变曲线宏观没有明显区别,单轴压缩峰值后出现分次应力跌落,而分级加载最后一级应力高于煤样屈服强度时没有明显峰值点,出现屈服平台,峰值后应力跌落迅速;单轴压缩得到的力学参数明显高于分级加载试验值,表现出煤样的力学参数具有时滞性;分级加载应力比低于70%时,煤样轴向和环向变形特征不明显,分级加载应力比高于70%时,尽管轴向应力保持恒定,随着时间延长煤样轴向和环向变形则不断增加,且环向应变远大于轴向应变,体积不断增加,在此期间,煤样继续吸收外界能量内部材料逐步损伤破坏,新生微裂纹不断演化、发展和汇聚,分级加载应力水平比越高,延时破坏越短,相反延时破坏则越长,分级加载时表现出明显时滞性特征;单轴压缩时煤样破坏相对简单,具有明显张剪性双重破裂面,而分级加载时煤样破碎充分,破坏形式复杂,环向膨胀特征明显,与采掘工作面煤壁延时片帮破坏特征极为相似。其研究结果对采掘工作面煤壁延时片帮治理具有一定的参考意义。     

孔隙压力作用下煤岩破裂及声发射特性的数值模拟

运用嵌入孔隙压力的岩石破裂过程分析RFPA2D系统,对孔隙压力作用下煤岩的变形强度特性进行了数值试验研究。数值试验结果表明,在孔隙压力一定时,随着围压的增加,煤岩的杨氏模量、抗压强度都随之增高;而当围压一定时,随着孔隙压力的增加,煤岩的杨氏模量、抗压强度则稍有降低,而且峰值强度后的应力-应变曲线有呈现脆性的趋势。此外数值模拟还研究了不同围压及孔隙压力作用下煤岩的声发射特性     

海下采煤首采工作面覆岩运动规律研究

海下采煤是煤炭工业发展的大事,标志着煤炭资源开发进入了一个向海域进军的历史新阶段,具有长远的战略意义。通过对首采工作面的预测研究和实测检验,揭示了“三软”煤层采用放顶煤开采条件下的覆岩运动规律,为实现煤矿海域下安全高效开采的目标奠定了基础。     

深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

为了研究采动破坏过程煤体电位信号的响应特征与规律,利用自主研发的矿用电位仪在河南薛湖煤矿25050综采工作面进行了现场测试。结果表明：煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号,电位响应特征能够揭示煤体应力状态的变化,随着回采工作面的推进,电位强度呈先增加后降低趋势,利用钻孔卸压后,煤体应力降低,电位信号随之下降;电位强度与钻屑量的空间分布规律基本一致,利用电位空间分布规律能够识别应力异常特征,出现“卡钻”现象时,煤体应力异常,电位强度出现峰值;当瓦斯指标超限或出现大能量煤炮事件时,电位信号呈超前增大趋势并伴随剧烈波动,利用电位信号能够识别煤岩动力灾害危险的前兆特征。研究成果表明利用电位手段可现场监测煤体采动破坏、预警煤岩动力灾害。     

大理岩单轴压缩时滞性破坏的试验研究

在深埋地下岩石工程开挖过程中,岩爆是多发的工程灾害,且大多表现出明显的时滞性,即大部分岩爆并不是随开挖而即时发生,而是会滞后开挖一段时间。针对深埋地下岩石工程围岩发生时滞性岩爆的实际应力特征,开展了锦屏二级水电站大理岩单轴压缩时滞性破坏试验研究。试验结果表明：在应力峰值前的长时间单轴压缩作用下,硬脆性大理岩的破坏表现出明显的时滞性;大理岩岩样在时滞性压缩破坏过程中会产生大量的竖向裂纹,破坏时会产生大量的片状破裂碎屑;岩样发生时滞性破坏时的环向应变不仅大于自身的轴向应变,而且也大于其常规单轴压缩破坏时的环向应变;当环向应变接近或超过轴向应变时,大理岩发生剧烈脆性破坏的可能性将明显提高。研究结论对于深入认识岩爆的时滞性机制以及建立时滞性岩爆的预测方法具有重要的意义和启示。     

不同卸围压速率下煤样卸荷破坏能量演化特征

岩体破坏实际上是在能量驱动下的一种状态失稳现象,其变形破坏过程中的能量演化规律能够反映岩体变形破坏的本质特征。为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了常规三轴及不同卸围压速率的三轴卸围压试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;煤样在较高的卸围压速率下,卸荷段经历时间较短,内部裂纹扩展及环向变形不充分,耗散能和克服围压做功耗能都较小,大量的能量在破裂时释放出来,破裂更加剧烈;同时,卸围压速率越快,煤样在破裂前后损伤量增加速率越快,损伤曲线急剧增高,因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,在岩体开挖施工速度较快时,极易引起大量积聚能量的突然释放,造成严重的灾害。