受载煤体超声波动力学特征研究

摘要

超声波测试技术是近40年来发展起来的一项新技术，是了解煤岩体物理特征与结构特征的一种重要的研究手段。
　　本文采用理论分析和实验室实验相结合的研究手段对煤样的超声波动力学特性进行了较为系统地研究。首先，分别在常温常压条件下和受载（单轴压缩和劈裂拉伸）条件下，测试原煤煤样的超声波首波幅值和波速。接着，理论分析超声波在煤体中传播的衰减规律，将实验结果与理论推导进行对比验证。最后，结合求出的频谱图，分析了常温常压下和受载两种条件下超声波主频值的变化规律。
　　通过对原煤煤样进行超声波动力学特性的实验室测试和理论分析，取得了以下主要结论：
　　（1）在常温常压下，分析了同一种不同长度煤样的超声波衰减规律，并从理论和实验的角度提出了超声波扩散衰减公式；不同变质程度煤样超声波衰减的差别主要体现在粘滞吸收衰减方面；不同发射频率下煤样超声波衰减研究表明，在50KHz、100KHz及500KHz三种发射频率下超声波的衰减以吸收衰减为主，在800KHz和1000KHz两种发射频率下超声波的衰减以散射衰减为主。
　　（2）在单轴压缩及劈裂拉伸的整个阶段，煤样超声波衰减系数随着载荷的增加呈先减少后增加的变化规律，且相比于整个阶段超声波波速的变化，衰减系数的变化更为明显；分阶段建立了超声波衰减系数与煤样载荷之间的关系方程式，理论分析了受载条件下超声波在煤体中的衰减规律。
　　（3）在常温常压下，煤样主频值随着首波幅值减少、衰减系数的增加而下降；随着换能器发射频率的增加，煤样超声波主频值相对于换能器发射频率值的变化程度而增加。在受载条件下，在衰减系数变化速率发生变化的时间点，超声波主频值都发生了明显的变化，衰减系数最低处，其主频值为最大值，煤样破裂后，衰减系数急剧增加，其主频值也降低到最低值；煤样超声波频域最大振幅值都是呈现先增加而后减少的变化规律，与所对应的加载过程中衰减系数的变化规律相一致，都是在衰减系数最小时，对应的频域最大振幅值最大；煤样破裂后，其频谱曲线产生畸变出现两个峰值点，即双峰状。
　　综上所述，本文通过对受载煤体超声波动力学特性进行研究，为利用地球物理方法非接触式预测煤岩动力灾害的发生提供一定的理论基础和技术支撑。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 存在的问题

1.4 本文主要研究工作

1.5 本章小结

2 超声波的传播与衰减理论

2.1 超声波的产生与传播

2.2 超声波在煤样中的波动方程

2.3 超声波在煤样中的衰减

2.4 本章小结

3 煤体超声波参数测试实验

3.1 超声波测试系统

3.2 煤样的制备与选取

3.3 实验原理

3.4 超声波测试实验内容及操作步骤

3.5 本章小结

4 常温常压下超声波的衰减规律研究

4.1 不同长度下煤样超声波的衰减规律研究

4.2不同变质程度煤样超声波的衰减规律研究

4.3 不同发射频率下煤样超声波的衰减规律研究

4.4 本章小结

5 受载条件下超声波的衰减规律研究

5.1 单轴压缩下煤样超声波衰减规律

5.2 劈裂拉伸下煤样超声波衰减规律

5.3 本章小结

6 煤样超声波主频值变化规律的研究

6.1 傅里叶变换

6.2 煤样超声波的主频值处理结果

6.3煤样超声波的主频值处理结果理论分析

6.4 本章小结

7 研究结论与建议

7.1 主要研究结论

7.2 建议

参考文献

作者简历

学位论文数据集