含水承载煤岩的破坏前兆及声—热效应

发布时间：2020-03-25 12:08

【摘要】：煤岩破坏失稳是引起矿山突水、边坡滑移、隧道坍塌等地质灾害的根本原因。准确有效地对煤岩破坏失稳过程进行监测预警,可为矿山、隧道等工程实践中煤岩体破坏提供可靠前兆信息。本文主要对四种不同含水率煤岩进行单轴加载下的红外辐射和声发射监测实验,对比分析了含水煤岩红外辐射指标(平均红外温度和逐差红外辐射方差,VSMIT)和声发射指标(基于分形理论的振铃计数关联维数),在加载过程中的变化规律。在此基础上,研究了含水煤岩破坏的声-热前兆信息和声-热效应,并尝试探讨了含水煤岩破坏的产生机制。研究结果表明:(1)不同含水率煤岩在加载过程中VSMIT都发生突变,具有普遍性。饱和岩样(2.5%含水率)的VSMIT突变时的增幅最大,增幅为468.46%,自然岩样(0.5%含水率)的VSMIT突变时的增幅最小,增幅为81.55%。1%含水率煤样VSMIT突变时的增幅最大,增幅为57.12%,干燥煤样的VSMIT突变时的增幅最小,增幅为42.61%。根据拉依达准则,以VSMIT的三倍标准偏差作为控制线对数据进行筛选,把峰值应力前超出控制线的突变点作为煤岩破坏的前兆点。(2)不同含水率煤岩在加载过程中关联维数D都发生突降,具有普遍性。自然岩样(0.5%含水率)的关联维数突降时的减幅最大,减幅为58.26%,饱和岩样的关联维数突降时的减幅最小,减幅为45.63%。干燥煤样的关联维数突降时的减幅最大,减幅为44.19%,饱和煤样(1.5%含水率)的关联维数突降时的减幅最小,减幅为37.63%。该突降点可视为基于分形理论的煤岩破坏声发射前兆。(3)含水煤岩在破裂过程中具有“时空”声-热效应。时间上的声热效应表现在,72.50%的煤岩样红外辐射临界前兆和声发射临界前兆的时间差值在5s之内。空间上的声热效应表现在,热像图中出现温度异常区域的位置和声发射三维定位图中出现事件(煤岩裂隙)的位置有较好的对应关系。(4)尝试探讨了声-热前兆产生的机制。当微破裂聚集、贯通形成大裂纹时,大尺度裂纹所占比例增加并出现群集现象,甚至会产生破裂面,裂隙的空间分布由无序向有序的方向发展,同时由于热弹效应和矿物颗粒(或晶粒)摩擦热效应的存在,使得红外辐射温度场出现分异现象,导致红外辐射温度场离散程度增大。
【图文】：

技术路线图,煤岩,红外辐射,含水

3.1 研究内容本文主要研究单轴加载下的不同含水率煤岩破坏失稳过程的红外辐射与声特征，了解红外辐射与声发射特征随含水率的变化趋势，，发现煤岩破坏失稳兆规律，为煤岩破坏失稳的预报、预警提供一种新的方法。（1）分析了承载含水煤岩红外辐射指标（平均红外温度、逐差红外辐射方，在加载过程中的变化规律，在研究红外辐射特征的基础上研究了含水煤岩的红外辐射前兆特征。（2）分析了承载含水煤岩声发射指标（基于分形理论的振铃计数关联维数），载过程中的变化规律，在此基础上研究了含水煤岩破坏的声发射前兆特征（3）对比分析了承载含水煤岩红外辐射和声发射指标在加载过程中的变化，并研究了含水煤岩破坏的前兆信息和声-热效应。3.2 技术路线本文研究主要采用实验室试验的方法，研究承载含水煤岩破坏红外辐射和声特征及前兆特征，具体技术路线如图 1-1 所示。

岩样,实物,岩石试件

图 2-2 岩样实物图Figure 2-2 Physical map of rock specimens含水率岩样制备方法如下[75]：干燥岩样：将试样在烘烤箱中烘烤 24h，称其干燥时的重量，然封装，实验开始前取出。自然岩样：将加工好后的岩样放置于实验室的环境中，实验开始1.5%含水率岩样：把试样放在烘烤箱中烘烤 24 小时，称其干燥时把岩石放在水中浸泡。岩样放入水槽先注水至试件高度的 1/4 处，别注水至岩样高的 1/2 和 3/4 处后，6h 全部浸没岩样。每隔 0.5 小量，计算其含水率，当含水率达到 1.5%时取出并用干毛巾擦干，将岩石试件包裹，实验开始前取出使用。饱和岩样：把岩石试件放在烘烤箱中烘烤 24 小时，称量其干燥时国际岩石力学标准，将干燥岩石试件在水中浸泡一个月即可制成饱浸泡一个月后取出岩石试件，用毛巾擦干并称量其重量，然后用塑
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD315

【参考文献】