煤岩破裂过程声发射与电荷信号特性试验研究

摘要

煤岩体突然失稳而引发的煤体冲击地压事故是一种突发性、随机性和不可预知性的工程灾害，利用煤岩体失稳产生的物理信息对灾变及时预警并施以有效的防治措施可降低事故危害。声-电荷前兆信息能够从多参量角度反映煤岩体应力变化，增强了监测系统信息捕捉能力，大幅提高预测预警的准确性。本文以物理试验为主要研究方法，建立了煤岩破裂过程声-电荷信号监测系统，开展了持续、分级和循环载荷作用下煤岩力学行为及声-电荷信号特性试验研究，研究结果表明:不同加载路径导致能量释放方式差异引起煤岩力学行为变化，围压升高煤岩强度提高，残余承载能力增强，瓦斯使煤岩有效应力减小、承载能力降低。煤岩受载破坏过程声-电荷信号具有不同时性，信号产生、幅值变化与受载大小、阶段呈良好的一致性;首次高值信号在弹性阶段出现且声发射总先于电荷信号产生，强化阶段高幅值信号连续产生，峰值时刻产生声-电荷高值脉冲信号，受围压影响声发射滞后出现;围压使煤岩受载破坏过程整体振铃计数升高、声发射能量和电荷信号幅值降低，峰后声-电荷信号变化率随峰前应变能增加而升高。基于煤岩破裂过程中声-电荷信号变化特性，提出了声-电荷信号实时监测煤岩失稳灾变预测综合判定方法，对某矿具有冲击倾向性煤层设计了现场实测监测点布置方案。研究结果为声-电荷信号现场监测应用提供了试验、理论基础和工程应用指导。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 煤岩力学性质及破裂过程物理信息国内外研究现状

1．2．1 煤岩力学性质研究现状

1．2．2 煤岩破裂物理信号监测方法研究现状

1．3 本文的研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法与技术路线

2 煤岩破裂过程声发射与微电荷产生机制及监测设备研制

2．1 煤岩破裂过程声发射产生机制

2．2 煤岩破裂过程微电产生机制

2．2．1 微裂纹界面势垒形成机制

2．2．2 位错产生空位过程分析

2．2．3 裂纹滑移摩擦生电理论模型

2．2．4 煤岩体微电突变机制

2．2．5 煤岩体微电衰减机制

2．3 煤岩破裂声-电监测系统研制

2．4 本章小结

3 不同加载路径下煤岩力学行为研究

3．1 煤岩破裂机制

3．2 煤岩单轴压缩破坏过程力学性质研究

3．3 煤岩分级加载与循环加载力学性质变化规律研究

3．4 煤岩三轴压缩破坏过程力学性质研究

3．5 含瓦斯煤岩三轴压缩破坏过程力学性质研究

3．6 本章小结

4 煤岩破裂过程声发射与电荷信号变化规律及预警机制

4．1 试验系统

4．2 试验方案及步骤

4．2．1 试样及制备方法

4．2．2 试验方案

4．3 煤岩破坏过程声-电荷信号变化规律

4．3．1 煤岩单轴压缩破坏过程声-电荷信号变化规律

4．3．2 煤岩单轴分级加载破坏过程声-电荷信号变化规律

4．3．3 煤岩单轴循环加载破坏过程声-电荷信号变化规律

4．3．4 煤岩三轴压缩破坏过程声-电荷信号变化规律

4．3．5 煤岩破坏过程声-电荷信号变化规律

4．4 声发射与电荷复合信号预警机制

4．5 矿井声-电荷实时监测设计

4．6 本章小结

5 结论与展望

参考文献

作者简历

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