煤岩电磁辐射多重分形特征研究

摘要

煤炭作为我国重要的战略资源，在经济发展过程中起着至关重要的作用。安全、有效的煤矿生产具有重大的社会和经济意义。煤矿开采过程中的煤矿动力灾害是制约煤矿安全生产的重要因素之一。煤矿动力灾害准确、有效的预测在煤矿安全生产的过程中显得至关重要。分形理论是由美国学者提出的一种定量描述不规则自然现象的几何工具。由于对非线性复杂现象的准确描述，该理论一经提出就在学界引起了巨大的反响。多重分形能够准确描述的分形事物复杂非线性特征。固定质量法具有：不存在起点效应、尺寸效应、收敛性好的优点。本文首先使用固定质量法对单轴压缩过程中纯煤样、不同比例的组合煤样的电磁辐射信号进行了分析。得到了整个加载过程中电磁辐射信号的多重分形维数和多重分形谱宽度随时间的变化规律。分析了多重分形谱宽度与组合煤样顶板比例、单轴抗压强度、弹性模量、弹性能指数、冲击能指数、剩余能量之间的关系。
　　本研究主要内容包括：①煤岩材料受载的过程中，会向外部空间发射低频电磁辐射信号。②单轴压缩过程中，试样处于压密阶段时，电磁辐射脉冲数基本保持较大幅度的增加；进入弹性阶段后，电磁辐射脉冲数信号开始减少，并保持一段时间的稳定状态；当应力增加至应力极限时，电磁辐射脉冲数信号突然增加并保持在一个较高的峰值；试样进入残余变形阶段后，又逐步下降至峰前水平。③煤岩材料受到外部的荷载时，材料向外发射的电磁辐射信号是一种不连续的信号，具有阵发性特点。④电磁辐射信号值与组合煤样顶板所占整个试样的比例呈正指数关系。当组合煤样中顶板所占比例增加，单轴压缩过程中产生的电磁辐射信号以正指数的比例随之增加。⑤使用分形理论对煤岩体向外发射的电磁辐射信号进行处理后发现，该电磁辐射信号具有分形特征。⑥多重分形维数随着统计距的阶q的增大而逐渐减小，当q值增加到一定程度时，多重分形维数趋近于稳定状态，继续增大q值分形维数将保持不变。⑦把试件整个受载过程，按照时间平均分成20等分，使用固定质量法计算多重分形维数发现：在相同的时间段内，统计矩q值越大，所对应的多重分形维数值就越小。试件整个加载过程中，多重分形维数会随应力的变化而变化，试件受载破裂前，多重分形维数表现为不规则的震荡特征，试件受载破裂后，多重分形维数先下降后快速增加。⑧定义多重分型谱。将整个受载过程分为：压密、弹性、塑性、主破裂、残余变形五个阶段。分别计算每个阶段的多重分形谱宽度。在单轴压缩过程中试件由压密阶段进入弹性阶段，多重分形谱宽度小幅度减小。随着应力的的增加，试件由弹性阶段进入塑性阶段，多重分形谱宽度开始增大。临近主破裂阶段，多重分形谱宽度继续增大，并达到最大值。进入残余变形阶段后，出现了小幅度的降低。根据以上分析，我们可以得出结论，当多重分形谱宽度急剧增加时，试件将发生冲击破坏。⑨对于组合煤样，单轴压缩过程中多重分形谱宽度与顶板所占比例、试件单轴抗压强度、弹性模量、弹性能指数、冲击能指数、剩余能量均成正相关关系。

目录

1 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 研究现状

1.3 电磁辐射预测冲击地压研究现状

1.4 研究的内容及方法

1.5 研究路线

2 分形理论

2.1 分形理论

2.2 分形维数的类型及概念

2.3 多重分形及其计算方法

2.4 本章小结

3 煤岩冲击破坏电磁辐射实验研究

3.1 试验方案

3.2 试验设备

3.3 试样的采集与制备

3.4 试验结果及初步分析

3.5 本章小结

4 煤岩破坏电磁辐射信号多重分形规律

4.1 煤岩电磁辐射信号分形特征的验证和无标度区的确定

4.2 纯煤样受载过程中的电磁辐射信号多重分形特征

4.3组合煤岩受载过程中电磁辐射信号多重分形特征

4.4 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 参与的科研项目