含瓦斯煤冲击破坏特性及其瞬变电磁特征实验研究

发布时间：2018-04-11 10:45

本文选题：含瓦斯煤 + 强度弱化　；参考：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：在深部煤炭资源开采过程中,煤层大多处于富含瓦斯的状态,煤层瓦斯不仅是各类瓦斯灾害事故的根源,还是井下煤岩系统的重要组成属性。瓦斯和煤层及其围岩共同组成的含瓦斯煤岩系统的性质状态变化和运动过程均极为复杂,极易于引发大型的灾害事故。当前,以煤与瓦斯突出、冲击地压等为代表的含瓦斯煤岩动力灾害就因其致害形式多样、发生频次高、事故伤亡及损失后果严重而成为煤矿安全生产的重大威胁。煤岩破坏电磁辐射监测技术由于同时具备非接触、不间断监测和对采煤作业影响小等诸多优点,成为含瓦斯煤岩动力灾害事故预防中的重要研究分支。当前,国内外学者在受载煤体电磁辐射效应及其应用方面进行了大量的研究,取得了丰硕的成果,然而,由于多方面的原因仍存有一定的不足:如,瓦斯在动力灾害和煤体破坏电磁辐射信号产生中的参与和影响作用,在实验室测试和机理分析中均不够清晰和统一;先前研究较多集中于低应变率的静态或准静态的缓慢加载方式,而对较高应变率冲击载荷下煤岩破坏的瞬变电磁辐射效应关注较少。然而,诸多的生产实践表明,矿井生产过程中的放炮爆破、风镐掘进、巷道顶板垮落、断层滑动等过程均能使得煤层遭受强烈的动载荷作用,且这些过程往往是在富含瓦斯的状态下发生的。因此,分析认为:有必要对含瓦斯煤的动态冲击破坏特性及其瞬变电磁特征展开针对性的研究,以填补先前研究的空白,为电磁辐射监测技术的普遍应用提供理论指导和技术支撑。基于以上的考虑,本文采用理论分析、实验探究、数值模拟和现场测试相结合的方法对“含瓦斯煤的冲击破坏特性”和“冲击破坏瞬变电磁”三个要素展开研究。理论方面,对瓦斯气体对煤体的影响作用进行尝试性的量化分析;实验方面,通过自行设计和搭建配套的实验系统,开展了含瓦斯煤体的冲击瞬变电磁特征实验并同步采集样品破坏过程中的电磁辐射信号,分析了冲击加载条件对瞬变电磁信号的波形特征参数的影响规律;数值模拟方面,采用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析程序,模拟了不同冲击加载条件下含瓦斯煤的破坏过程;现场方面,获取了瓦斯原始赋存煤层震动放炮过程中的电磁信号和瓦斯参数数据,研究了瓦斯参数对电磁辐射信号特征的影响。论文的主要研究内容和成果如下:(1)含瓦斯煤冲击破坏瞬变电磁信号特征规律实验研究在传统落锤冲击加载方法的基础上,自行设计和搭建了一套含瓦斯煤冲击破坏及其瞬变电磁效应测试的实验系统。利用所搭建的实验系统,开展不同落锤高度(1m、1.5m和2m)、不同落锤质量(6kg和9kg)、不同气体介质(N_2、CH_4、CO_2)、不同压力梯度(0MPa~1.5MPa)和不同煤岩样品(原煤和型煤)等影响因素下的冲击破坏测试。此外,对于型煤样品,在压制过程中还设定了不同的成型压力(50MPa~400MPa)和粉煤颗粒粒度(0.25mm以下、0.25mm~0.5mm、0.5mm~1mm和1mm~1.25mm),以分析这些因素对含瓦斯煤冲击破坏特性和电磁信号的影响。实验完成后,通过设计无限脉冲响应带阻滤波器并联合应用整体经验模态分解和小波包变换方法(IIR-EEMD-WPT),对有效电磁辐射信号进行了分离和提取;对不同测试工况下电磁信号的波动幅度、累积能量、脉冲数、持续时间等参数的变化特征及信号的频谱演化规律进行分析,并结合实验方案探讨了冲击速度、充气压力、充气介质、煤岩类型等影响因素与电磁信号特征变化的关联性;在数据分析的基础上,探讨了瓦斯对煤体力学特性及冲击瞬变电磁特征的影响机理。研究结果表明:在传统落锤冲击加载方法的基础上,自行设计和搭建了含瓦斯煤冲击破坏及其瞬变电磁测试实验系统。利用所搭建的实验系统,开展不同加载条件和影响因素下的冲击破坏测试,同步采集煤体破坏过程中产生的电磁辐射信号。通过设计无限脉冲响应带阻滤波器并联合应用小波包变换和整体经验模态分解方法(IIR-EEMDWPT),对有效电磁辐射信号进行了分离和提取;对不同测试工况下电磁信号的波动幅度、累积能量、脉冲数、持续时间等参数的变化特征及信号的频谱演化规律进行分析。结果表明:(1)煤样在落锤冲击荷载作用下产生的瞬变电磁信号具有较高的离散性:信号的幅值范围大约为10mV~600mV,有效持续时间约在3ms~1500ms之间,信号的能量依样品和测试工况变动范围为0.1μJ~1000μJ,单次冲击电磁信号脉冲数在1个~20个之间。原煤破坏产生电磁信号的最大幅值、持续时间和信号能量均高于型煤,分别为型煤均值数据的2.10倍、1.70倍和5.01倍,但两者的脉冲计数基本持平。(2)随着瓦斯气体的充入电磁辐射信号在最大幅值、持续时间和脉冲数等参数方面均有所降低,且瓦斯压力越高、气体吸附性能越强(CO_2CH_4)降低趋势越明显;充入N_2对电磁信号特征无明显影响;瓦斯气体的充入,整体有降低煤体破坏电磁信号峰值强度的效果,但对电磁信号的均值强度影响并不明显,瓦斯的参与还有降低煤体电磁信号波动特性的作用。(3)煤样在冲击加载条件下发生破坏产生的电磁信号具有低频特性,信号优势频段在0Hz~40Hz,瓦斯对煤体破坏产生电磁信号的频率无明显影响。(4)型煤样品虽有较好的均质性和各向性,但仍对成型压力、粉煤粒度、胶结剂用量和压制时间等诸多因素较为敏感,测试信号离散度较高。强度较低的样品测试信号多为单发性脉冲,或者脉冲计数较少。原煤样品的信号也以单发性脉冲为主,部分样品也会产生多发性脉冲。(5)冲击能量越大,压制成型压力越大,粉煤粒度越小,电磁辐射效应越强。(6)两路电磁天线的测试结果多数情况下具有有限的同步性,多个样品破坏测试结果表明两路磁棒天线获取的电磁信号在磁场方向与煤体内部主破裂位置和样品与电磁天线相对方位有关。(2)含瓦斯煤物理力学特性及其冲击破坏电磁辐射机理研究在前人研究的基础上,以煤体的微观孔隙结构为切入点,分析了煤体内部瓦斯分布及存在形式与其微观结构的内在联系,在此基础上给出了含瓦斯煤的应力状态和有效应力定律;总结了瓦斯对煤体强度弱化的理论机制,细致划分了吸附态瓦斯和游离态瓦斯在削弱煤体强度中的内在机理,通过理论推导的方式对游离态瓦斯和吸附态的瓦斯煤体的强度的影响作用进行量化,提出通过“静态损伤”的概念区别含瓦斯煤和普通煤体,并使用“静态损伤变量”方法表征含瓦斯煤的力学特性。分析了含瓦斯煤体的宏观破坏形态、裂纹拓展机制和动态本构特性,在前述分析的基础上建立含瓦斯煤的HJC动态本构模型;总结了煤岩变形破坏产生自由电荷分离及电荷运动产生电磁辐射现象的多种机理,并给出电磁辐射波形特征参数的定义和分析方法。(3)含瓦斯煤冲击破坏特性及动态响应数值模拟研究利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析程序,基于改的含瓦斯煤HJC动态本构模型和失效准则方法,通过静态损伤参数,在普通煤力学参数的基础上通过强度弱化关系式确定含瓦斯煤的力学参数,对不同气体压力、不同冲击速度下的含瓦斯煤体动态破坏过程进行模拟分析,发现不同冲击速度和瓦斯压力下,煤体的变形过程也随之改变,煤体在冲击作用下发生的破坏以压缩破坏为主,但煤体内部部分单元同时又受反复压缩和拉伸的破坏作用。冲击速度越大、瓦斯压力越高,煤体受冲击的破碎程度越高。随冲击速度的增大,观测单元的失效时间越短,即从样品主体解散或剥离的时间越短,观测单元失效时带有的电荷量和初始速度相应增大,瞬变电磁效应也就越强。随着瓦斯压力的增大,观测单元的极限变形量也就越低,煤体的蓄能能力减小,观测单元失效时带有的电荷量和初始速度也相应减小,瞬变电磁效应也就越弱。(4)瓦斯原始赋存煤体采掘过程中瞬变电磁特征的验证在典型高瓦斯突出煤矿现场对采掘空间内煤岩破坏电磁辐射信号进行长期监测和采集,通过对现场测得的震动放炮电磁辐射特征参数进行分析,结合工作面瓦斯涌出量、瓦斯浓度等参数的变化规律,研究了震动冲击载荷作用下,煤岩电磁辐射信号的变化特征,以及瓦斯参数对电磁辐射信号的影响,结果表明:(1)现场测得的两个方向的电磁辐射信号具有很强的一致性,爆破冲击产生的电磁辐射信号呈现簇状脉冲特征,其能量通常维持在0.1mJ~2mJ之间,比实验室含瓦斯原煤冲击破坏电磁信号的能量高出约一个数量级。(2)放炮冲击过程中脉冲电磁信号的能量与爆破装药量呈现明显的正相关特征,且随脉冲个数及脉冲持续时间的增加均呈近线性的增大趋势;现场获取的放炮冲击电磁信号的脉冲部分主频平均在200Hz左右;垂直煤壁方向的电磁信号除了脉冲部分还包含部分小幅振荡,小幅振荡的幅值与能量离散性较大,其能量及主频均比脉冲部分小一个数量级。(3)以炮后30分钟内的瓦斯涌出量表征炮前的煤层瓦斯含量的,发现随着煤层瓦斯含量的增大,煤体强度降低,震动引发的煤体破裂电磁信号的幅值及能量呈现下降趋势,但震动放炮的脉冲电磁信号主频并没有出现明显变化。(5)瓦斯对煤体冲击破坏电磁辐射的影响机理瓦斯对煤体破裂产生电磁信号的影响主要来自两个方面:瓦斯会引起煤体强度的宏观弱化,在高强电场下由于气体分子放电而损伤煤体的微观孔隙结构,从而总体降低了煤体的蓄能能力,促使煤体破坏辐射电磁的强度降低;但是,含瓦斯煤中的孔隙气体在冲击过程中发生电离,又能产生更多的自由电子,而且含瓦斯煤的内部压力变化要稍滞后于外部气压,冲击瞬间为破碎碎屑提供一定的运动加速度,从而增强煤体破坏时的电磁效应。可见,这两方面的影响对煤体破坏产生电磁辐射具有相反影响作用,当不同的影响机制主导时,瓦斯对煤体破坏电磁特征的影响效果也会随之改变。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD712

【参考文献】