煤岩破裂次声波在煤岩层中传播规律研究

发布时间：2020-06-08 09:21

【摘要】：近些年,随着煤炭资源转入深部开采,加之我国煤层地质条件复杂,煤层地应力和瓦斯压力增大,以煤与瓦斯突出为主的煤岩动力灾害现象显现频繁。研究结果表明,受载煤岩破裂过程能够产生明显的次声信号,次声波技术可能成为矿井煤岩动力灾害最有前途的监测预警的新方法之一。次声波在煤矿井下的传播介质主要是煤岩层,煤岩层的复杂性致使次声波在传播过程中发生衰减,降低次声波监测应用的精度,而且次声波传播的有效距离还有待验证。因此,开展煤岩破裂次声波在煤岩层中传播规律研究是十分必要的。本论文采取实验室实验和数值模拟相结合的研究方法对煤岩破裂次声波传播规律进行研究。通过对煤样进行单轴压缩试验,采用次声信号监测系统对煤样在变形破裂过程中产生的信号进行实时采集。借助小波包变换信号分析方法分析信号的能量分布特征,分析煤样破裂次声信号的频率分布范围,确定数值模拟的波源主频。借助基于应力-应变法的低频岩石测试系统,对煤样在不同频率条件下的次声波波速及衰减参数进行测量,确定实际煤岩层的理论模型参数。考虑煤的粘弹性,推导粘弹介质波动方程,采用交错网格有限差分法编写其MATLAB程序,数值模拟煤岩破裂次声波在实际煤岩层中的传播,分析衰减规律。主要研究成果如下:(1)煤样破裂过程能够产生明显的次声波信号,并且与应力在时间上有很好的对应关系。小波包变换可将信号精细分割成各个频带,可起到滤波的作用。煤样破裂次声波信号频率在0~20Hz均有分布,但主要分布在3.125Hz~12.5Hz与18.75Hz~21.875Hz。(2)煤样的纵波波速、横波波速和衰减1/Q不具有频率相关性。其中,杨氏模量约为9.7GPa;泊松比约为0.28;纵波波速约为2882m/s;横波波速约为1576m/s;衰减1/Q约为0.05。(3)PML边界能够很好的吸收到达边界波的能量,避免了人为边界导致的反射。弹性波波动方程只存在球面衰减,相较粘弹性波波动方程还存在粘弹衰减,更加符合实际煤岩层。(4)次声波在煤层中的衰减主要分为球面波衰减和粘弹衰减,并与传播距离呈幂函数的关系。次声波在煤岩层中的衰减除球面波衰减和粘弹衰减外,还包括煤层和岩层分层的界面衰减。次声波技术可以应用于煤矿井下和地面的长距离同时监测。
【图文】：

技术路线图,煤岩,数值模拟,粘弹性介质

号处理方法分析煤岩破裂次声波拟提供波源主频。-应变法的低频岩石测试系统测量确定煤岩的理论模型参数。介质理论，推导粘弹性介质波动方介质波动方程数值模拟的 MATLA供的参数，数值模拟煤岩破裂次声减规律。-1。

岩芯取样

相关研究证实，受载煤岩破裂过程中能够产生明显的次声信号，，并提出次技术可成为预警监测矿井煤岩动力灾害的新方法。基于此，本文进行煤岩破声波的传播规律研究。次声波传播研究的关键参数就是频率，不同频率的次在煤岩体中传播规律不同。因此，确定煤岩破裂产生的次声波信号的频率特要。本章通过对煤样进行单轴压缩实验，采用次声信号监测系统对煤样在变裂过程中产生的信号进行实时采集。借助小波包变换信号分析方法分析信号量分布特征，确定其频率特征。.1 试样制备与实验系统.1.1 试样制备根据前期的实验研究和论文实验要求，选取焦煤集团赵固二矿的具有代表无烟煤为实验对象。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD326

【参考文献】