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。研究结果表明：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% 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250 Hz。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%) 时开始产生,信号具有间隔突发性,主频为150 Hz。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%) 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0 Hz。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。     

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。     

组合煤岩冲击倾向电荷判据试验研究

针对深部煤层冲击倾向指标评价冲击危险出现的差异现象,开展了煤、岩石和组合试样冲击倾向指标试验研究,对组合煤岩试样破裂过程的电荷信号进行监测。试验结果表明:顶、底板岩石对煤体的冲击倾向有显著影响,岩石厚度越大,冲击倾向指标越高;组合试样破裂过程的力-电荷变化具有一致性,冲击倾向性强的组合试样,其应力强化直至破坏阶段的电荷信号幅值相差显著。由此提出了组合煤岩峰后电荷变化率冲击倾向判据。回采面的电荷监测表明,冲击危险发生过程获得的电荷变异系数迅速升高和衰减以及试验获取的峰后电荷变化率的量化分析结果相一致,从而验证了峰后电荷变化率作为冲击倾向判据的正确性,为形成深部开采条件下组合煤岩冲击危险及发生几率的电荷预测方法提供了试验指导,为煤岩体失稳破坏预测、矿井动力显现预警提供了试验依据。     

力 -电 -热多参量监测深井动力灾害的试验分析

采掘活动引起工作面前方煤体应力场重新分布、煤体破裂、瓦斯运移等活动,煤体内部内能,势能等能量不断发生转换,并向外辐射电荷、电磁等能量,致使煤体应力,煤体温度发生变化。使用煤体应力、煤体电荷和煤体温度多参量监测技术,对工作面前方煤体压力、煤体电荷和煤体温度进行持续监测,可判断煤体应力变化、瓦斯运移及煤体破裂状况等,从而确定煤层动力灾害危险程度。通过现场试验研究表明：含瓦斯煤层煤体应力突变时,煤体辐射电荷量增加、煤体温度降低,应力平稳变化阶段,煤体温度、煤体电荷信号基本稳定不变。因此,可利用对煤体应力、煤体温度和煤体电荷的监测结果,判断煤层动力灾害危险性,并且煤体应力、煤体温度、煤体电荷监测技术可相互补充验证,增加动力灾害预测可靠度。力-电-热多参量预测技术可提高煤矿动力灾害预测准确性,为煤矿安全生产提供可靠保障。     

孤岛综放面冲击地压前兆信息识别及多参数预警研究

孤岛综放工作面强烈的动压显现使得其发生冲击地压的可能性大大增加,通过运用微地震和电磁辐射综合监测手段分析孤岛综放工作面两次强动压显现事件,获得了工作面煤体发生冲击地压前后能量积聚与释放规律及相应微震和电磁辐射监测数据变化规律,认为工作面煤体发生冲击地压前一般存在一个短暂的能量积聚期,在能量积聚期内微震系统监测到的微震事件的次数和总能量均较少,同时能量积聚期内煤体电磁辐射强度值和脉冲数均持续升高。将工作面微震事件的沉默期以及煤体电磁辐射强度值、脉冲数的持续升高期作为冲击地压的综合前兆信息,并将其转换为量化的预警参数和指标,建立了工作面冲击地压多参数预警方法。现场实践表明,危险识别与灾害预警效果良好。     

冲击荷载下含瓦斯煤能量耗散及损伤破坏规律

为探究冲击荷载下含瓦斯煤体动态响应差异,利用可视化含瓦斯煤分离式霍普金森压杆试验系统,对不同初始瓦斯压力下的煤体进行动态冲击试验,分析了不同瓦斯赋存状态下煤体能量耗散规律,并借助超高速摄像机和数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术阐述冲击过程含瓦斯煤表面裂纹演化特征,结合分形理论获得了瓦斯压力对破碎煤体分形特征的影响,揭示了瓦斯赋存状态与破碎煤体特征尺寸的内在联系。结果表明：冲击荷载下,含瓦斯煤体应力-应变曲线基于能量耗散规律大致可分为4个阶段,瓦斯对煤体劣化作用显著,破碎耗能与破碎耗能密度随初始瓦斯压力增加均呈指数函数减小;受瓦斯气楔效应影响,冲击荷载下含瓦斯煤体应变场演化更为复杂,煤体破坏逐步从横向层裂破坏演变为横向层裂-纵向劈裂的复合型破坏;瓦斯压力作用下,煤体内部损伤加剧,破坏失稳后,破碎煤体平均粒径及破碎块度尺寸随初始瓦斯压力增加而逐渐减小,但分形维数呈指数函数增加,煤体破碎程度更加剧烈;构建了基于煤体破碎过程中能量消耗守恒的多维动态含瓦斯煤破碎模型,结合试验数据验证了模型的合理性,可较好地描述受瓦斯影响下的破碎煤样特征尺寸。研究成...     

采动支承压力引起应变型冲击地压能量判据研究

采动支承压力引起的能量积聚及其突发释放是导致应变型冲击地压发生的根源之一。在将工作面前方煤体划分为阻力区、驱动区和无明显影响区的基础上,把应变型冲击地压从孕育到发生全过程分为能量稳定积聚、能量平衡和能量非稳定释放3个阶段,并研究其发生的基本条件;建立了采动支承压力引起应变型冲击地压的能量判据,即认为力学平衡状态破坏时驱动区煤体释放的弹性应变能与阻力区煤体完全破坏消耗能量的比值大于1。从冲击地压防治角度出发,提出了阻力区临界宽度的概念,建立了以阻力区宽度为指标的应变型冲击地压发生判据。现场实测表明,本文所建立的能量判据和指标与实测结果相吻合。其研究成果可为采动支承压力引起应变型冲击地压的预测预报和防冲、减冲工作的实施提供依据。     

瞬时应变型岩爆模拟试验中花岗岩主频特征演化规律分析

利用深部岩爆模拟试验系统对花岗岩进行室内瞬时岩爆模拟试验,同时利用声发射系统采集试验过程中声发射信号,得到试验全过程应力和声发射波形信息时域图。结合声发射累计能量曲线特征,找到5个关键拐点,即花岗岩初始加载能量激增后产生的第一个拐点A、岩爆发生前两次明显的上升台阶处拐点B和C、岩爆发生时的能量突跃点D、最终峰值点E。将关键点处波形信号从全时域波形中提取出来并进行快速傅里叶变换,得到各关键点二维功率谱图,结果表明：花岗岩声发射主频值在加载初期时为106 kHz,随着荷载的增加,频率由低频向高频过渡,频带变宽且由单峰向多峰转化,频率成分复杂预示多种破裂模式的发生。岩爆前和最终岩爆时刻频带又变窄并恢复单峰,主频值降低至与初始加载时一致,约为106 kHz,预示着岩爆时刻花岗岩岩石高能量的释放。     

岩桥直剪试验声发射频谱特征及主破裂前兆分析

岩桥破坏的声发射研究一般只针对计数、能量等参数来分析。为探究岩桥直剪试验的声发射频谱特征,对岩桥进行声发射测试,利用时频分析方法对声发射波形信息进行研究,分析了其频谱特征。结果表明,直剪试验中幅值比计数率变化明显,且发生激烈响应的时间较早;主频基本呈高低频带状分布;主频带向中频分散和低频高幅值的声发射特征可作为试验主破裂的前兆信息,且前者出现较早;与单轴压缩试验相比,幅值在主破裂阶段区别明显,且此时出现中频值;声发射幅值由颗粒所受应力决定,频率与颗粒力链的最终位移有关;岩桥宽度增加主频带整体升高,法向应力增加平均主频值减小。本研究可为节理边坡的稳定性研究提供参考依据。     

岩桥直剪试验声发射频谱特征及主破裂前兆分析

岩桥破坏的声发射研究一般只针对计数、能量等参数来分析。为探究岩桥直剪试验的声发射频谱特征,对岩桥进行声发射测试,利用时频分析方法对声发射波形信息进行研究,分析了其频谱特征。结果表明,直剪试验中幅值比计数率变化明显,且发生激烈响应的时间较早;主频基本呈高低频带状分布;主频带向中频分散和低频高幅值的声发射特征可作为试验主破裂的前兆信息,且前者出现较早;与单轴压缩试验相比,幅值在主破裂阶段区别明显,且此时出现中频值;声发射幅值由颗粒所受应力决定,频率与颗粒力链的最终位移有关;岩桥宽度增加,主频带整体升高;法向应力增加,平均主频值减小。研究可为节理边坡的稳定性分析提供参考依据。     

岩桥直剪试验声发射频谱特征及主破裂前兆分析

岩桥破坏的声发射研究一般只针对计数、能量等参数来分析。为探究岩桥直剪试验的声发射频谱特征,对岩桥进行声发射测试,利用时频分析方法对声发射波形信息进行研究,分析了其频谱特征。结果表明,直剪试验中幅值比计数率变化明显,且发生激烈响应的时间较早;主频基本呈高低频带状分布;主频带向中频分散和低频高幅值的声发射特征可作为试验主破裂的前兆信息,且前者出现较早;与单轴压缩试验相比,幅值在主破裂阶段区别明显,且此时出现中频值;声发射幅值由颗粒所受应力决定,频率与颗粒力链的最终位移有关;岩桥宽度增加主频带整体升高,法向应力增加平均主频值减小。本研究可为节理边坡的稳定性研究提供参考依据。     

单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究

通过开展饱水花岗岩单轴压缩声发射试验,采用快速傅里叶变换提取声发射信号主频及次主频,进一步提出了综合表征声发射信号频谱特征的参数:主频比F ,即主频与次主频的比值,研究岩石破裂过程声发射频谱特征。研究结果表明:饱水花岗岩破裂过程声发射主频、次主频频带数量呈现“3→6→3”先增大后减小的规律,与主频分布特征相比,次主频低频区间占比减小,中、高频区间占比增大,次主频总体平均值比主频高约5 kHz。声发射主频比尸分布区间在弹性阶段达到最大:0 < F < 8 ,且F≠1,根据主频比与1 的关系,可将声发射信号划分为2 类:A 类信号(0 < F < 1 ),其主频小于次主频;B 类信号(1 < F < 8 ),其主频大于次主频。总体来看,饱水花岗岩破裂过程声发射A 类与B 类信号的数量关系约为3:2, A 类信号数量相对较多,特别是塑性阶段A 类信号占绝对优势,其数量为B 类信号的3.0?3.5倍。饱水花岗岩破裂过程声发射A 、B类信号事件率近似同步变化,二者均出现明显的平静期前兆特征,在实际应用时,可以对岩石破裂过程数量庞大且计算繁琐的声发射信号进行甄别,选择A、B 两类信号中的一种,进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别。     

煤体静载破坏微震、电磁辐射及裂纹扩展特征研究

为研究型煤在单轴压缩破裂过程中产生的微震、电磁辐射信号与裂纹演化特征的对应关系,利用自主设计的低噪声静态加载试验系统,对0～0.25、0.25～0.5、0.5～1.0、1～2 mm共4种不同粒度的型煤进行了单轴压缩破坏试验,同步采集了煤样破坏过程中的微震、电磁辐射信号及破坏视频图像,提出了一种煤体裂纹快速提取方法并计算了型煤裂纹面积的变化规律。研究结果表明：型煤在单轴压缩过程中产生的微震、电磁辐射信号及裂纹面积在时域上具有良好的同步性。型煤破坏过程中裂纹面积随时间变化曲线可分为4个阶段。第1阶段为压实阶段,煤样所受应力值较小,其表面的裂纹面积以极为缓慢的速率增加。第2阶段为初始破裂阶段,随着应力的增加和内部弹性势能的积聚,型煤表面裂纹面积的增加速率较压实阶段有明显提高,伴随产生许多细小裂纹。第3阶段为加速破裂阶段,随着应力继续增加以及材料内部积聚弹性能的释放,试样变形过程加速,导致裂纹面积增速进一步增大。第4阶段为卸压阶段,试样的裂纹面积达到最大值,承载能力急剧降低,发生失稳破坏。     

断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25 MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明：（1）侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56o断层,45o断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。（2）声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量（能量、分形维数、频谱幅值）均呈现明显的“突增”特性。（3）声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元...     

基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性

为了研究在单轴压缩下不同强度煤样的声发射特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行实验研究。为了解决煤样在声发射实验中存在的各种信号干扰和信号处理方面的问题,运用小波包变换对煤样的声发射信号进行了分解、去噪和重构。研究结果表明:经过处理之后的声发射信号能够更清晰地反映硬煤、中硬煤和软煤煤样在单轴压缩下失稳破坏的变化特征。软煤、中硬煤和硬煤的声发射信号特征各不相同,随着煤样强度的增加,煤样失稳破坏时声发射累计能量和累计计数逐渐减小,煤样在受力过程中声发射能量和计数的峰值也逐渐减小,并且在峰值处释放的能量也逐渐减小。      

岩石破裂声发射关键特征信号优选方法

岩石破裂过程的声发射中大量的低能常规信号易将少量的高能关键信号特征规律淹没,不利于前兆特征分析和灾变预警。从岩石破裂失稳预警角度出发,以提取影响岩石结构稳定的关键破裂事件声发射信号为目标,提出了岩石破裂失稳关键特征信号的识别准则及其定义。构建了基于信号能量贡献率的岩石破裂关键事件声发射信号的优选方法,并针对花岗岩、大理岩、煤岩和粉砂岩进行了岩石破坏失稳的声发射监测试验验证。试验结果表明,新方法能有效提取岩石破裂过程中影响岩石整体稳定的关键声发射信号,具有一定的普适性。着重从声发射事件率突降、相对平静期和累计能量急升跃阶等前兆特征对优选后岩石破裂关键特征信号进行了一致性检验。检验结果表明,优选后的关键特征信号与上述前兆特征高度一致,并能够有效地提高后期声发射特征参数计算效率,方法有效可行。     

真三轴单面临空下煤岩组合体冲击破坏特征试验研究

煤岩复合承载结构所处的应力边界条件不同,冲击地压在巷道中的显现特征和前兆规律亦不相同。采用高频振动采集及孔内成像三轴动静载试验系统,开展了高静载和动静载耦合作用下煤岩组合体真三轴单面临空试验,分析了煤岩组合体界面处力学特征和强度条件,探究了不同应力边界下煤岩组合体的破坏形态、动力显现特征和声发射信号的演变规律。研究结果表明:(1)受煤岩变形相互制约的影响,交界面处砂岩强度被"弱化"。当界面处煤体裂隙尖端的应力大于"弱化"后砂岩强度时,裂隙将穿过煤岩界面发育至砂岩中,砂岩呈现出屈曲层裂、劈裂成板的破坏形态。(2)高静载作用下,煤岩组合体变形破坏特征和声发射信号具有明显的前兆规律,组合体发生承载失效前煤体局部颗粒弹射动能增大、弹射颗粒块度降低,声发射信号由"高频低能"向"高频高能"转变,组合体的破坏形态以剪切-张拉复合破坏为主。(3)受冲击动载影响,顶底板砂岩夹持作用减弱,煤体裂纹尖端应力得不到有效积聚,裂纹扩展到煤岩交界面时被阻隔,组合体以煤样的张拉破坏为主,声发射信号呈现出"高频高能"的特点,但大多集中在冲击破坏之后,导致组合体动力破坏难以预测。(4)与纯静载作用相比,虽然动静载耦合作...     

基于能量理论的煤岩体破坏电磁辐射规律研究

为了给电磁辐射预测矿井冲击地压灾害提供理论依据,采用电磁波和损伤力学理论初步分析了电磁辐射能和加载机械能的关系;采用试验和能量理论研究了单轴压缩条件下煤体变形破坏产生电磁辐射能与受载煤体能量积聚、耗散的耦合关系。研究结果表明：加载机械能与煤体变形破坏产生的电磁辐射能成系数为m正线性关系,m与煤体的弹性模量成0.107 4的比例关系;受载煤体峰值弹性应变能与电磁辐射能成正对数关系,煤体的弹性能指数与峰值累积电磁辐射能、总累积电磁辐射能均成正线性关系,电磁辐射信号反映了能量聚集和耗散的状态,表征了煤体冲击破坏的难易程度。因此,电磁辐射能够预测矿井冲击地压灾害的发生。