含瓦斯煤损伤破坏电位响应时空演化规律研究
发布时间：2021-12-31 03:45
煤炭在未来很长一段时期内仍将是我国的主体能源,同时也是我国能源安全的保障。随着浅部资源不断减少,煤炭开采深度及强度逐步增加,地应力、瓦斯压力和瓦斯含量也不断增高,煤与瓦斯突出等动力灾害日趋严峻及复杂,监测预警难度增大,严重威胁着煤矿安全高效生产。对煤与瓦斯突出前兆特征及精准监测方法的研究是亟需解决的科学难题。前期研究表明,电位信号具有对煤岩体应力及破裂过程敏感性强、抗干扰能力好的优势。本文针对采掘现场煤与瓦斯突出监测预警的应用需求,紧密围绕含瓦斯煤损伤破坏电位响应时空演化规律的关键科学问题,采用实验研究、理论分析、现场应用等方法,对含瓦斯煤受载破坏过程电位时空响应规律、电位响应机制、损伤演化电位本构模型、掘进工作面电位分布演化规律及突出危险电位精细判识方法等进行研究。主要结果如下:建立了含瓦斯煤受载及电位测试实验系统,研究了应力与瓦斯耦合作用下煤体损伤破坏电位时序响应特征与空间分布规律。结果表明:（1）电位信号与试样载荷及损伤状态呈正相关;试样局部剧烈损伤时,电位强度发生“阶跃式”突变,并在试样失稳破坏时最为显著。随着瓦斯压力的增加,电位强度峰值及变异性系数呈增大趋势,电位响应增强。（...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
含瓦斯煤受载及电位测试实验系统
2含瓦斯煤受载破坏电位响应实验测试与分析15（1）可视化密封缸体子系统实验系统中的可视化密封缸体子系统如图2-2所示。该缸体能够承受最大瓦斯压力为5MPa。缸体正面加工可视窗口，布置钢化玻璃，摄像机可通过该窗口实时拍摄试样裂纹扩展实物图像；缸体上盖可打开，便于放入试样；加载轴贯穿缸体壁，可移动，压机通过加载轴对缸体内试样施加载荷；缸体与压机压头与底座间均放置绝缘垫，防止设备带电对测试结果的干扰。缸体密封性能良好，在充入瓦斯气体后能够长时间保持瓦斯压力的稳定（8小时内误差不超过50kPa）。（a）缸体实物图（b）缸体剖面示意图1-压机上压头；2-缸体上盖；3-加载轴；4-试样；7-缸体壁；9-波导杆；14-压机底座；19-可视窗口；24-绝缘垫；25-耦合剂图2-2可视化密封缸体子系统Figure2-2Visiblesealedcylindersubsystem（2）载荷加载子系统（a）伺服微机控制平台（b）压力机加载平台图2-3载荷加载子系统实物图Figure2-3Physicalphotographofloadingsubsystem
博士学位论文16载荷加载子系统如图2-3所示。该子系统由加载平台、控制主机、控制平台组成。压力机为YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机。该试验机最大载荷为3000kN，能够实现力控、位移控等加载方式，实时记录“载荷/应力/应变-时间”曲线。压力机置于屏蔽室内，伺服微机置于屏蔽室外，以减少加载设备的运行对试验过程产生的电磁信号的干扰。（3）电位采集子系统如图2-4所示，采用COBWEB-DAU型多通道数据采集系统监测电位信号。仪器采样频率为16bit，基线噪声不大于20dB，单通道采样频率最高为100kHz。采用直流耦合、多通道并行采集方式，输入阻抗为1MΩ，采样频率为195Hz以上可调。采用铜制电极接收电位信号，电极与试样表面通过导电膏耦合，以增强导电性。电位信号经“模/数”转换器处理后，由主机记录、存储并实时显示。图2-4电位监测子系统实物图Figure2-4PhysicalphotographofPhysicalphotographmeasruingsubsystem电极与煤体之间通过高灵敏度导电膏进行耦合，连接电极的导线穿过缸体与外界电位主机连接。在缸体壁开一圆形孔，穿过螺栓；螺栓内部中空，可穿过细漆包线，漆包线作为导线传递电位信号；漆包线与螺栓中空内壁之间、螺栓外壁与缸体圆孔内壁之间均灌入双组分胶粘剂，以充填孔隙，保障该缸体系统的密封性。该采集仪同时能够采集微应变信号。采用型号为BX120-3AA型电阻式应变传感器（应变片），测试试样表面局部位置（3mm×3mm）的微应变量（如图2-4所示）。与电极类似，微应变贴附与试样表面，利用漆包线穿过缸体，与缸体外的应变采集仪相连。（4）声发射采集子系统如图2-5所示，采用美国物理声学公司PCI-Express总线结构多通道声发射数据采集子系统进行实验。该系统能够实时采集声发射信号，并同步分析信号的
【参考文献】：
期刊论文
[1]2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 谢和平,吴立新,郑德志. 煤炭学报. 2019(07)
[2]Numerical analyses of pillar behavior with variation in yield criterion,dilatancy, rock heterogeneity and length to width ratio[J]. Sankhaneel Sinha,Gabriel Walton. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019(01)
[3]煤岩动力灾害声电协同监测技术及预警应用[J]. 王恩元,刘晓斐,何学秋,李忠辉. 中国矿业大学学报. 2018(05)
[4]煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展[J]. 袁亮,姜耀东,何学秋,窦林名,赵毅鑫,赵旭生,王凯,于庆,卢新明,李红臣. 煤炭学报. 2018(02)
[5]我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[J]. 袁亮. 中国矿业大学学报(社会科学版). 2018(01)
[6]基于裂隙尖端放电机制的深部岩体损伤自电特征分析[J]. 刘静,刘盛东,曹煜. 地球物理学报. 2018 (01)
[7]煤炭精准开采科学构想[J]. 袁亮. 煤炭学报. 2017(01)
[8]基于微震矩张量的矿山围岩破坏机制分析[J]. 唐礼忠,翦英骅,李地元,王春,邓丽凡,陈源. 岩土力学. 2017(05)
[9]不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究[J]. 谢和平,张泽天,高峰,张茹,高明忠,刘建锋. 煤炭学报. 2016(10)
[10]岩石受载破坏裂纹扩展带电特性[J]. 宋晓艳,李忠辉,王恩元. 煤炭学报. 2016(08)
博士论文
[1]煤巷工作面突出危险性预测模型构建及辨识体系研究[D]. 王超杰.中国矿业大学 2019
[2]煤巷突出危险性预测方法研究[D]. 杨丁丁.中国矿业大学 2018
[3]煤表面微结构特征与电磁辐射机理研究[D]. 柳先锋.中国矿业大学(北京) 2018
[4]煤的双重孔隙结构等效特征及对其力学和渗透特性的影响机制[D]. 郭海军.中国矿业大学 2017
[5]基于矩张量理论的脆性岩石破裂机理研究[D]. 柴金飞.北京科技大学 2017
[6]多尺度裂隙煤体气固耦合行为及机制研究[D]. 胡少斌.中国矿业大学 2015
[7]煤岩变形破裂电磁和微震信号关联响应机理及特征研究[D]. 杨威.中国矿业大学（北京） 2014
[8]瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出试验研究[D]. 李尧斌.安徽理工大学 2013
[9]含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究[D]. 孟磊.中国矿业大学（北京） 2013
[10]孔隙气体对煤岩的蚀损规律及煤岩电磁辐射效应研究[D]. 翟盛锐.中国矿业大学(北京) 2012
硕士论文
[1]掘进工作面煤与瓦斯突出声电瓦斯预警指标优化研究与应用[D]. 张酉年.中国矿业大学 2019
[2]基于PCA-AKH-BP神经网络的面域相结合的煤与瓦斯突出预测模型及其应用研究[D]. 王昱舒.太原理工大学 2017
[3]基于矩张量的岩石破裂微观机制声发射研究[D]. 何云松.成都理工大学 2017
[4]掘进工作面前方断层构造的声电响应规律研究[D]. 刘宝贝.中国矿业大学 2016
[5]裂隙岩体变形局部化及能量演化规律模拟试验研究[D]. 王延宁.成都理工大学 2014
[6]基于矩张量理论的岩石破裂声发射震源机制分析[D]. 黄文柏.东北大学 2013
[7]循环载荷作用下含瓦斯煤变形与渗流特性的试验研究[D]. 周婷.重庆大学 2012
[8]大宁煤矿煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法研究[D]. 田坤云.河南理工大学 2007
本文编号：3559559
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
含瓦斯煤受载及电位测试实验系统
2含瓦斯煤受载破坏电位响应实验测试与分析15（1）可视化密封缸体子系统实验系统中的可视化密封缸体子系统如图2-2所示。该缸体能够承受最大瓦斯压力为5MPa。缸体正面加工可视窗口，布置钢化玻璃，摄像机可通过该窗口实时拍摄试样裂纹扩展实物图像；缸体上盖可打开，便于放入试样；加载轴贯穿缸体壁，可移动，压机通过加载轴对缸体内试样施加载荷；缸体与压机压头与底座间均放置绝缘垫，防止设备带电对测试结果的干扰。缸体密封性能良好，在充入瓦斯气体后能够长时间保持瓦斯压力的稳定（8小时内误差不超过50kPa）。（a）缸体实物图（b）缸体剖面示意图1-压机上压头；2-缸体上盖；3-加载轴；4-试样；7-缸体壁；9-波导杆；14-压机底座；19-可视窗口；24-绝缘垫；25-耦合剂图2-2可视化密封缸体子系统Figure2-2Visiblesealedcylindersubsystem（2）载荷加载子系统（a）伺服微机控制平台（b）压力机加载平台图2-3载荷加载子系统实物图Figure2-3Physicalphotographofloadingsubsystem
博士学位论文16载荷加载子系统如图2-3所示。该子系统由加载平台、控制主机、控制平台组成。压力机为YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机。该试验机最大载荷为3000kN，能够实现力控、位移控等加载方式，实时记录“载荷/应力/应变-时间”曲线。压力机置于屏蔽室内，伺服微机置于屏蔽室外，以减少加载设备的运行对试验过程产生的电磁信号的干扰。（3）电位采集子系统如图2-4所示，采用COBWEB-DAU型多通道数据采集系统监测电位信号。仪器采样频率为16bit，基线噪声不大于20dB，单通道采样频率最高为100kHz。采用直流耦合、多通道并行采集方式，输入阻抗为1MΩ，采样频率为195Hz以上可调。采用铜制电极接收电位信号，电极与试样表面通过导电膏耦合，以增强导电性。电位信号经“模/数”转换器处理后，由主机记录、存储并实时显示。图2-4电位监测子系统实物图Figure2-4PhysicalphotographofPhysicalphotographmeasruingsubsystem电极与煤体之间通过高灵敏度导电膏进行耦合，连接电极的导线穿过缸体与外界电位主机连接。在缸体壁开一圆形孔，穿过螺栓；螺栓内部中空，可穿过细漆包线，漆包线作为导线传递电位信号；漆包线与螺栓中空内壁之间、螺栓外壁与缸体圆孔内壁之间均灌入双组分胶粘剂，以充填孔隙，保障该缸体系统的密封性。该采集仪同时能够采集微应变信号。采用型号为BX120-3AA型电阻式应变传感器（应变片），测试试样表面局部位置（3mm×3mm）的微应变量（如图2-4所示）。与电极类似，微应变贴附与试样表面，利用漆包线穿过缸体，与缸体外的应变采集仪相连。（4）声发射采集子系统如图2-5所示，采用美国物理声学公司PCI-Express总线结构多通道声发射数据采集子系统进行实验。该系统能够实时采集声发射信号，并同步分析信号的
【参考文献】：
期刊论文
[1]2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 谢和平,吴立新,郑德志. 煤炭学报. 2019(07)
[2]Numerical analyses of pillar behavior with variation in yield criterion,dilatancy, rock heterogeneity and length to width ratio[J]. Sankhaneel Sinha,Gabriel Walton. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019(01)
[3]煤岩动力灾害声电协同监测技术及预警应用[J]. 王恩元,刘晓斐,何学秋,李忠辉. 中国矿业大学学报. 2018(05)
[4]煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展[J]. 袁亮,姜耀东,何学秋,窦林名,赵毅鑫,赵旭生,王凯,于庆,卢新明,李红臣. 煤炭学报. 2018(02)
[5]我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[J]. 袁亮. 中国矿业大学学报(社会科学版). 2018(01)
[6]基于裂隙尖端放电机制的深部岩体损伤自电特征分析[J]. 刘静,刘盛东,曹煜. 地球物理学报. 2018 (01)
[7]煤炭精准开采科学构想[J]. 袁亮. 煤炭学报. 2017(01)
[8]基于微震矩张量的矿山围岩破坏机制分析[J]. 唐礼忠,翦英骅,李地元,王春,邓丽凡,陈源. 岩土力学. 2017(05)
[9]不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究[J]. 谢和平,张泽天,高峰,张茹,高明忠,刘建锋. 煤炭学报. 2016(10)
[10]岩石受载破坏裂纹扩展带电特性[J]. 宋晓艳,李忠辉,王恩元. 煤炭学报. 2016(08)
博士论文
[1]煤巷工作面突出危险性预测模型构建及辨识体系研究[D]. 王超杰.中国矿业大学 2019
[2]煤巷突出危险性预测方法研究[D]. 杨丁丁.中国矿业大学 2018
[3]煤表面微结构特征与电磁辐射机理研究[D]. 柳先锋.中国矿业大学(北京) 2018
[4]煤的双重孔隙结构等效特征及对其力学和渗透特性的影响机制[D]. 郭海军.中国矿业大学 2017
[5]基于矩张量理论的脆性岩石破裂机理研究[D]. 柴金飞.北京科技大学 2017
[6]多尺度裂隙煤体气固耦合行为及机制研究[D]. 胡少斌.中国矿业大学 2015
[7]煤岩变形破裂电磁和微震信号关联响应机理及特征研究[D]. 杨威.中国矿业大学（北京） 2014
[8]瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出试验研究[D]. 李尧斌.安徽理工大学 2013
[9]含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究[D]. 孟磊.中国矿业大学（北京） 2013
[10]孔隙气体对煤岩的蚀损规律及煤岩电磁辐射效应研究[D]. 翟盛锐.中国矿业大学(北京) 2012
硕士论文
[1]掘进工作面煤与瓦斯突出声电瓦斯预警指标优化研究与应用[D]. 张酉年.中国矿业大学 2019
[2]基于PCA-AKH-BP神经网络的面域相结合的煤与瓦斯突出预测模型及其应用研究[D]. 王昱舒.太原理工大学 2017
[3]基于矩张量的岩石破裂微观机制声发射研究[D]. 何云松.成都理工大学 2017
[4]掘进工作面前方断层构造的声电响应规律研究[D]. 刘宝贝.中国矿业大学 2016
[5]裂隙岩体变形局部化及能量演化规律模拟试验研究[D]. 王延宁.成都理工大学 2014
[6]基于矩张量理论的岩石破裂声发射震源机制分析[D]. 黄文柏.东北大学 2013
[7]循环载荷作用下含瓦斯煤变形与渗流特性的试验研究[D]. 周婷.重庆大学 2012
[8]大宁煤矿煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法研究[D]. 田坤云.河南理工大学 2007
本文编号：3559559
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