煤气体膨胀动态拉伸破坏特征参数变化及电磁辐射特征

发布时间：2020-06-25 23:48

【摘要】：煤与瓦斯突出、冲击地压是煤矿井下严重的动力灾害,一旦发生,不但能够直接造成人员伤亡和经济损失,甚至还会诱发瓦斯爆炸等灾害事故。如果能够实现及时、准确预测,则可以提前采取有效措施,避免该类事故的发生。现场监测表明,矿井动力灾害发生前夕,煤体应力往往突然增大,造成短时、快速、集中的微破裂,出现异常的电磁信号。因此,实时监测矿井生产过程中的电磁信号,并根据预警指标,及时发现险情,将有助于降低事故损失。为了揭示煤体受载电磁辐射机理、提高电磁辐射法预测精度,研究人员从理论分析、实验研究和现场试验方面做了大量工作,取得了丰硕的成果。但是,总结前人研究发现,煤岩受载电磁辐射研究主要集中在对各类岩石静态加载、动态压缩破裂过程中电磁信号的定性分析上,缺少动态拉伸破裂电磁辐射实验研究,并且在机理分析、理论模型以及定量指标等方面也存在诸多问题。因此,本文研究煤动态拉伸破裂电磁信号特征及“力-电耦合”模型,对煤岩受载电磁辐射研究具有一定的理论意义和现实意义。基于上述分析,本文围绕煤体动态拉伸破裂电磁辐射特征及产生机理,开展了理论分析、实验测试和数值模拟研究。在理论研究方面,在前人煤岩受载电磁辐射研究基础上,通过归纳、总结和对比分析提出了煤体动态拉伸破坏电磁辐射机理,阐明了电荷来源以及电荷运动方式,为本文研究奠定了基石;结合气体动力学、渗流力学理论,推导了气体泄压过程中气体压差的动态变化规律,解决了气体泄压过程中煤粒破裂的动力来源问题;根据动态断裂力学和静态断裂力学之间的联系,推导了气体压差作用下的煤体裂纹动态应力强度因子,为煤粒破碎提供了力学基础;按照电磁学理论,将煤体破裂电磁辐射简化为电偶极子震荡,推导了电磁辐射的空间分布模型,为电磁辐射提供了磁学基础;以新生裂纹面积为纽带,建立了煤体动态拉伸破裂电磁辐射强度与应力之间的关系。在实验研究方面,根据实验要求,自行设计了非金属承压腔体和泄压启动装置,并搭建了实验平台;测试了不同压力二氧化碳、氮气和甲烷作用下煤粒破碎及电磁信号;分析了泄压后各个筛分粒径煤样的质量和表面积的分布特征,并讨论了气体压力、气体吸附能力对煤样破碎质量、破碎面积的影响;利用信号处理理论对原始信号进行了降噪处理,获得了有效信号;分析了有效信号的波形、频率、峰值和能量特征,并分别进行了讨论分析,做到理论和实验相互验证。在数值模拟方面,利用FLUENT软件模拟了承压腔体泄压过程;根据渗流模型,利用MATLAB软件对煤粒瓦斯渗流过程进行了数值计算;根据近场动力学理论,利用Fortran语言编程模拟了气体压差作用下裂纹动态扩展,验证了煤粒新生裂纹面积与瓦斯压力的关系。论文主要研究内容及重要成果详述如下。(1)气体膨胀动态拉伸煤破裂机制及其电磁辐射机理研究煤岩受载电磁辐射机理包括电荷来源和电荷运动方式两方面。在动态拉伸载荷作用下,煤体裂纹尖端形成应力集中,内部原子或者分子的静电平衡状态被打破,发生电荷分离;在裂纹扩展过程中,裂纹尖端应力集中、释放交替出现,形成弹性波,导致裂纹壁面震荡,携带电荷相对运动,向外辐射电磁波。煤是一种双重孔隙结构材料,孔隙表面吸附甲烷、二氧化碳和氮气之后会产生膨胀变形,造成煤体强度下降。从损伤角度出发,根据煤体强度与有效承载面积、变形量之间的关系,推导了含瓦斯煤体强度损伤因子,结果表明损伤因子随孔隙率和吸附变形量增大而增大。将煤粉喷出过程简化为均相流动,利用气体动力学理论推导了壅塞流情况下气体压力衰减规律,结果表明承压腔体内气体压力随时间呈幂函数衰减。假设煤粒为球体,且均质、各向同性,在不考虑气体解吸、扩散以及热量交换情况下,根据渗流力学理论建立了渗流模型,并利用数学物理方法获得解析解。结合承压腔体、煤粒孔隙压力衰减规律,得到了煤粒内、外气体压力差的动态变化规律,数值计算结果表明气体压差在极短时间内上升到峰值,与气体初始压力近似相等。假设裂纹为椭圆片状,根据弹性力学和断裂力学理论,获得了气体压差作用下的Ⅰ型裂纹动态应力强度因子,结果表明应力强度因子与气体压力正相关。根据动态断裂准则,推导了煤粒新生裂纹面积与气体压力的关系,表明气体压力越大,则新生裂纹面积越大。假设煤体破裂电荷量与新生裂纹面积呈正比,并将裂纹壁面相对运动视为电偶极子震荡,根据电磁学理论推导了煤体破裂电磁辐射场与气体压力之间的关系,表明电磁辐射强度与气体压力正相关,而且受到场点距离、场点方位以及震动频率的综合影响。(2)气体泄压过程中煤粒破碎特征研制了非金属承压腔体和泄压启动装置,测试结果表明实验装置能够满足0~2MPa气体密封和快速泄放;利用实验系统测试了0.60、0.75、0.90、1.05、1.20、1.35、1.50、1.65和1.80 MPa甲烷、二氧化碳和氮气条件下6目~10 mm煤样泄压喷出过程中的动态破裂实验,结果表明气体泄压过程中煤样发生了破碎;分析了泄压后原始粒径(3.36~10 mm)和新生粒径(2.35~3.36 mm、1.18~2.35 mm、1mm~1.18 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm和0~0.25 mm)煤样的质量分布,结果表明粒径越大,对应煤样质量越大,两者具有良好的线性关系;分析了气体压力对泄压后原始粒径和新生粒径煤样质量的影响,结果表明原始粒径煤样质量与压力负相关,两者具有良好的线性关系,新生粒径煤样质量与压力正相关,两者具有良好的线性关系;分析了气体压力对泄压后新生粒径煤样表面积的影响,结果表明气体压力越大,新生径煤样表面积和煤样新增表面积均呈线性增大;对比分析了氮气、甲烷和二氧化碳同等实验条件下新生粒径煤样表面积和煤样新增表面积,结果表明3种气体泄压后,随着气体压力增大,新生粒径煤样表面积增长速率为氮气组甲烷组二氧化碳组,煤样新增表面积为氮气组甲烷组二氧化碳组;对比分析了气体膨胀动态拉伸煤破裂理论与实验结果,表明不同气体压力作用下的煤破裂面积实验结果与理论吻合。(3)气体膨胀动态拉伸煤破裂电磁信号特征利用实验系统测试了0.60、0.75、0.90、1.05、1.20、1.35、1.50、1.65和1.80MPa甲烷、二氧化碳和氮气条件下6目~10 mm煤样泄压喷出过程中的电磁信号,结果显示煤粒破碎过程中出现了异常电磁信号;对比含有效信号段和噪声信号段电磁信号的时域、频域特征,发现含有效信号段时域上幅值显著增大,而噪声信号段频率主要为50 Hz及其倍次谐频,因而根据时域特征截取有效信号段,再根据频域特征采用有限冲激响应(FIR)和无限冲激响应(IIR)联合降噪方法滤除噪声,结果表明该方法可以有效降低噪声、保留有效信号;从整体上看,有效信号波形表现为类似谐波、单峰脉冲和双峰脉冲三种形式,从局部观察,有效信号由几个至几十个幅值不等的高频脉冲组合而成;统计了有效信号脉冲数量,发现脉冲数量随瓦斯压力增大而增大,两路天线脉冲数量虽不相同,但呈正比关系;有效信号主要频率为0~200 Hz,属于超低频和极低频信号,与气体压力未表现出显著的关系,两路天线频率近似相等;有效信号峰值在0.05~1.32 mv之间,与气体压力呈正相关关系,两路天线峰值不同,但呈正比关系;采用有效信号幅值平方和作为有效信号能量,统计结果表明有效信号能量随气体压力和煤样新增表面积增大而增大,两路天线有效信号能量呈正比关系;根据煤体动态拉伸破裂电磁辐射机理合理解释了有效信号特征,并用实验结果验证了“力-电耦合”模型的正确性。对比分析了气体膨胀动态拉伸破坏与冲击破坏电磁信号的差异,发现与冲击破坏相比,气体膨胀动态拉伸破坏电磁信号脉冲数量较少,频率较低,但能量较大。(4)气体膨胀动态拉伸煤破裂数值模拟研究采用FLUENT软件模拟了0.60、0.90、1.20、150和1.80 MPa初始压力条件下腔体泄压过程中气体压力衰减规律,结果表明腔体压力在短时间内迅速降低到最低值,并且距离泄压口越近,气体压力衰减速度越快。根据渗流模型,采用有限差分法建立了有限差分方程,并利用MATLAB软件编程计算了0.60、0.90、1.20、150和1.80 MPa初始压力条件下煤粒瓦斯渗流过程中孔隙压力衰减规律,结果表明随着时间增大,孔隙压力由外向内不断衰减,初始压力越大,孔隙压力衰减越快。结合腔体压力数值模拟结果和煤粒孔隙压力数值计算结果,得到了泄压过程中煤粒内外气体压差的动态变化规律,结果表明随着时间增大,气体压差是一个先快速增大再缓慢衰减的动态过程,压差峰值近似等于初始压力,并且距离中心越近,气体压力衰减越慢;根据近场动力学基本原理,采用Fortran语言编程模拟了气体压差作用下裂纹动态扩展过程,结果表明随着加载时间增大,裂纹沿x轴、y轴方向扩展;模拟了不同尺寸裂纹条件下煤粒破坏单元数量与气体压力的关系,结果表明气体压力越大,煤粒破坏单元数量增多;对比分析了模拟结果与实验结果,表明近场动力学数值模拟结果与煤粒破碎及电磁信号实验结果相符。
【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】：2018
【分类号】：TD324
【图文】：

（a）背面 （b）正面图 3.4 顶盖法兰Fig. 3.4 Flange cover栓1 所示，螺栓把所有法兰盘连接在一起，配合螺母、弹簧支承千斤顶的作用。螺栓材质、种类和尺寸繁多，实验采螺栓直径为 16 mm，长度 1000 mm，细牙螺纹 1.5 mm，图 3.5 所示。因此，当采用 4 根螺栓时，承压腔体轴向224ls lsairpr ls为螺栓抗拉强度，MPa；rls为螺栓直径，m。玻璃筒、螺栓尺寸及力学参数代入式（3.3），可得轴向最此，4 根螺栓即可完全满足实验需求。

千斤顶钢化玻璃盖板法兰支承法兰图 3.6 泄压装置Fig. 3.6 Device for pressure relief（1）盖板法兰与支承法兰盖板法兰、支承法兰基本尺寸与承压腔体底座法兰相同，如图 3.7 所示。其中，盖板法兰与承压腔体顶盖法兰相互配合，将钢化玻璃夹在中间起到密封气体、防止玻璃碎渣飞溅的作用。盖板法兰中间掏了 1 个直径 100 mm 的贯穿孔，与承压腔体顶盖法兰正好重合，作为气体泄压口。支承法兰为一个中空的管法兰，固定在千斤顶底部，起到支承千斤顶施加载荷的作用。

本文编号：2729504