本文選題：含瓦斯煤 + 強度弱化��； 參考：《中國礦業(yè)大學(北京)》2017年博士論文

【摘要】：在深部煤炭資源開采過程中,煤層大多處于富含瓦斯的狀態(tài),煤層瓦斯不僅是各類瓦斯災害事故的根源,還是井下煤巖系統(tǒng)的重要組成屬性。瓦斯和煤層及其圍巖共同組成的含瓦斯煤巖系統(tǒng)的性質(zhì)狀態(tài)變化和運動過程均極為復雜,極易于引發(fā)大型的災害事故。當前,以煤與瓦斯突出、沖擊地壓等為代表的含瓦斯煤巖動力災害就因其致害形式多樣、發(fā)生頻次高、事故傷亡及損失后果嚴重而成為煤礦安全生產(chǎn)的重大威脅。煤巖破壞電磁輻射監(jiān)測技術由于同時具備非接觸、不間斷監(jiān)測和對采煤作業(yè)影響小等諸多優(yōu)點,成為含瓦斯煤巖動力災害事故預防中的重要研究分支。當前,國內(nèi)外學者在受載煤體電磁輻射效應及其應用方面進行了大量的研究,取得了豐碩的成果,然而,由于多方面的原因仍存有一定的不足:如,瓦斯在動力災害和煤體破壞電磁輻射信號產(chǎn)生中的參與和影響作用,在實驗室測試和機理分析中均不夠清晰和統(tǒng)一;先前研究較多集中于低應變率的靜態(tài)或準靜態(tài)的緩慢加載方式,而對較高應變率沖擊載荷下煤巖破壞的瞬變電磁輻射效應關注較少。然而,諸多的生產(chǎn)實踐表明,礦井生產(chǎn)過程中的放炮爆破、風鎬掘進、巷道頂板垮落、斷層滑動等過程均能使得煤層遭受強烈的動載荷作用,且這些過程往往是在富含瓦斯的狀態(tài)下發(fā)生的。因此,分析認為:有必要對含瓦斯煤的動態(tài)沖擊破壞特性及其瞬變電磁特征展開針對性的研究,以填補先前研究的空白,為電磁輻射監(jiān)測技術的普遍應用提供理論指導和技術支撐。基于以上的考慮,本文采用理論分析、實驗探究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結合的方法對“含瓦斯煤的沖擊破壞特性”和“沖擊破壞瞬變電磁”三個要素展開研究。理論方面,對瓦斯氣體對煤體的影響作用進行嘗試性的量化分析;實驗方面,通過自行設計和搭建配套的實驗系統(tǒng),開展了含瓦斯煤體的沖擊瞬變電磁特征實驗并同步采集樣品破壞過程中的電磁輻射信號,分析了沖擊加載條件對瞬變電磁信號的波形特征參數(shù)的影響規(guī)律;數(shù)值模擬方面,采用ANSYS/LS-DYNA顯式動力學分析程序,模擬了不同沖擊加載條件下含瓦斯煤的破壞過程;現(xiàn)場方面,獲取了瓦斯原始賦存煤層震動放炮過程中的電磁信號和瓦斯參數(shù)數(shù)據(jù),研究了瓦斯參數(shù)對電磁輻射信號特征的影響。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)含瓦斯煤沖擊破壞瞬變電磁信號特征規(guī)律實驗研究在傳統(tǒng)落錘沖擊加載方法的基礎上,自行設計和搭建了一套含瓦斯煤沖擊破壞及其瞬變電磁效應測試的實驗系統(tǒng)。利用所搭建的實驗系統(tǒng),開展不同落錘高度(1m、1.5m和2m)、不同落錘質(zhì)量(6kg和9kg)、不同氣體介質(zhì)(N_2、CH_4、CO_2)、不同壓力梯度(0MPa~1.5MPa)和不同煤巖樣品(原煤和型煤)等影響因素下的沖擊破壞測試。此外,對于型煤樣品,在壓制過程中還設定了不同的成型壓力(50MPa~400MPa)和粉煤顆粒粒度(0.25mm以下、0.25mm~0.5mm、0.5mm~1mm和1mm~1.25mm),以分析這些因素對含瓦斯煤沖擊破壞特性和電磁信號的影響。實驗完成后,通過設計無限脈沖響應帶阻濾波器并聯(lián)合應用整體經(jīng)驗模態(tài)分解和小波包變換方法(IIR-EEMD-WPT),對有效電磁輻射信號進行了分離和提取;對不同測試工況下電磁信號的波動幅度、累積能量、脈沖數(shù)、持續(xù)時間等參數(shù)的變化特征及信號的頻譜演化規(guī)律進行分析,并結合實驗方案探討了沖擊速度、充氣壓力、充氣介質(zhì)、煤巖類型等影響因素與電磁信號特征變化的關聯(lián)性;在數(shù)據(jù)分析的基礎上,探討了瓦斯對煤體力學特性及沖擊瞬變電磁特征的影響機理。研究結果表明:在傳統(tǒng)落錘沖擊加載方法的基礎上,自行設計和搭建了含瓦斯煤沖擊破壞及其瞬變電磁測試實驗系統(tǒng)。利用所搭建的實驗系統(tǒng),開展不同加載條件和影響因素下的沖擊破壞測試,同步采集煤體破壞過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號。通過設計無限脈沖響應帶阻濾波器并聯(lián)合應用小波包變換和整體經(jīng)驗模態(tài)分解方法(IIR-EEMDWPT),對有效電磁輻射信號進行了分離和提取;對不同測試工況下電磁信號的波動幅度、累積能量、脈沖數(shù)、持續(xù)時間等參數(shù)的變化特征及信號的頻譜演化規(guī)律進行分析。結果表明:(1)煤樣在落錘沖擊荷載作用下產(chǎn)生的瞬變電磁信號具有較高的離散性:信號的幅值范圍大約為10mV~600mV,有效持續(xù)時間約在3ms~1500ms之間,信號的能量依樣品和測試工況變動范圍為0.1μJ~1000μJ,單次沖擊電磁信號脈沖數(shù)在1個~20個之間。原煤破壞產(chǎn)生電磁信號的最大幅值、持續(xù)時間和信號能量均高于型煤,分別為型煤均值數(shù)據(jù)的2.10倍、1.70倍和5.01倍,但兩者的脈沖計數(shù)基本持平。(2)隨著瓦斯氣體的充入電磁輻射信號在最大幅值、持續(xù)時間和脈沖數(shù)等參數(shù)方面均有所降低,且瓦斯壓力越高、氣體吸附性能越強(CO_2CH_4)降低趨勢越明顯;充入N_2對電磁信號特征無明顯影響;瓦斯氣體的充入,整體有降低煤體破壞電磁信號峰值強度的效果,但對電磁信號的均值強度影響并不明顯,瓦斯的參與還有降低煤體電磁信號波動特性的作用。(3)煤樣在沖擊加載條件下發(fā)生破壞產(chǎn)生的電磁信號具有低頻特性,信號優(yōu)勢頻段在0Hz~40Hz,瓦斯對煤體破壞產(chǎn)生電磁信號的頻率無明顯影響。(4)型煤樣品雖有較好的均質(zhì)性和各向性,但仍對成型壓力、粉煤粒度、膠結劑用量和壓制時間等諸多因素較為敏感,測試信號離散度較高。強度較低的樣品測試信號多為單發(fā)性脈沖,或者脈沖計數(shù)較少。原煤樣品的信號也以單發(fā)性脈沖為主,部分樣品也會產(chǎn)生多發(fā)性脈沖。(5)沖擊能量越大,壓制成型壓力越大,粉煤粒度越小,電磁輻射效應越強。(6)兩路電磁天線的測試結果多數(shù)情況下具有有限的同步性,多個樣品破壞測試結果表明兩路磁棒天線獲取的電磁信號在磁場方向與煤體內(nèi)部主破裂位置和樣品與電磁天線相對方位有關。(2)含瓦斯煤物理力學特性及其沖擊破壞電磁輻射機理研究在前人研究的基礎上,以煤體的微觀孔隙結構為切入點,分析了煤體內(nèi)部瓦斯分布及存在形式與其微觀結構的內(nèi)在聯(lián)系,在此基礎上給出了含瓦斯煤的應力狀態(tài)和有效應力定律;總結了瓦斯對煤體強度弱化的理論機制,細致劃分了吸附態(tài)瓦斯和游離態(tài)瓦斯在削弱煤體強度中的內(nèi)在機理,通過理論推導的方式對游離態(tài)瓦斯和吸附態(tài)的瓦斯煤體的強度的影響作用進行量化,提出通過“靜態(tài)損傷”的概念區(qū)別含瓦斯煤和普通煤體,并使用“靜態(tài)損傷變量”方法表征含瓦斯煤的力學特性。分析了含瓦斯煤體的宏觀破壞形態(tài)、裂紋拓展機制和動態(tài)本構特性,在前述分析的基礎上建立含瓦斯煤的HJC動態(tài)本構模型;總結了煤巖變形破壞產(chǎn)生自由電荷分離及電荷運動產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象的多種機理,并給出電磁輻射波形特征參數(shù)的定義和分析方法。(3)含瓦斯煤沖擊破壞特性及動態(tài)響應數(shù)值模擬研究利用ANSYS/LS-DYNA顯式動力學分析程序,基于改的含瓦斯煤HJC動態(tài)本構模型和失效準則方法,通過靜態(tài)損傷參數(shù),在普通煤力學參數(shù)的基礎上通過強度弱化關系式確定含瓦斯煤的力學參數(shù),對不同氣體壓力、不同沖擊速度下的含瓦斯煤體動態(tài)破壞過程進行模擬分析,發(fā)現(xiàn)不同沖擊速度和瓦斯壓力下,煤體的變形過程也隨之改變,煤體在沖擊作用下發(fā)生的破壞以壓縮破壞為主,但煤體內(nèi)部部分單元同時又受反復壓縮和拉伸的破壞作用。沖擊速度越大、瓦斯壓力越高,煤體受沖擊的破碎程度越高。隨沖擊速度的增大,觀測單元的失效時間越短,即從樣品主體解散或剝離的時間越短,觀測單元失效時帶有的電荷量和初始速度相應增大,瞬變電磁效應也就越強。隨著瓦斯壓力的增大,觀測單元的極限變形量也就越低,煤體的蓄能能力減小,觀測單元失效時帶有的電荷量和初始速度也相應減小,瞬變電磁效應也就越弱。(4)瓦斯原始賦存煤體采掘過程中瞬變電磁特征的驗證在典型高瓦斯突出煤礦現(xiàn)場對采掘空間內(nèi)煤巖破壞電磁輻射信號進行長期監(jiān)測和采集,通過對現(xiàn)場測得的震動放炮電磁輻射特征參數(shù)進行分析,結合工作面瓦斯涌出量、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)的變化規(guī)律,研究了震動沖擊載荷作用下,煤巖電磁輻射信號的變化特征,以及瓦斯參數(shù)對電磁輻射信號的影響,結果表明:(1)現(xiàn)場測得的兩個方向的電磁輻射信號具有很強的一致性,爆破沖擊產(chǎn)生的電磁輻射信號呈現(xiàn)簇狀脈沖特征,其能量通常維持在0.1mJ~2mJ之間,比實驗室含瓦斯原煤沖擊破壞電磁信號的能量高出約一個數(shù)量級。(2)放炮沖擊過程中脈沖電磁信號的能量與爆破裝藥量呈現(xiàn)明顯的正相關特征,且隨脈沖個數(shù)及脈沖持續(xù)時間的增加均呈近線性的增大趨勢;現(xiàn)場獲取的放炮沖擊電磁信號的脈沖部分主頻平均在200Hz左右;垂直煤壁方向的電磁信號除了脈沖部分還包含部分小幅振蕩,小幅振蕩的幅值與能量離散性較大,其能量及主頻均比脈沖部分小一個數(shù)量級。(3)以炮后30分鐘內(nèi)的瓦斯涌出量表征炮前的煤層瓦斯含量的,發(fā)現(xiàn)隨著煤層瓦斯含量的增大,煤體強度降低,震動引發(fā)的煤體破裂電磁信號的幅值及能量呈現(xiàn)下降趨勢,但震動放炮的脈沖電磁信號主頻并沒有出現(xiàn)明顯變化。(5)瓦斯對煤體沖擊破壞電磁輻射的影響機理瓦斯對煤體破裂產(chǎn)生電磁信號的影響主要來自兩個方面:瓦斯會引起煤體強度的宏觀弱化,在高強電場下由于氣體分子放電而損傷煤體的微觀孔隙結構,從而總體降低了煤體的蓄能能力,促使煤體破壞輻射電磁的強度降低;但是,含瓦斯煤中的孔隙氣體在沖擊過程中發(fā)生電離,又能產(chǎn)生更多的自由電子,而且含瓦斯煤的內(nèi)部壓力變化要稍滯后于外部氣壓,沖擊瞬間為破碎碎屑提供一定的運動加速度,從而增強煤體破壞時的電磁效應�？梢�,這兩方面的影響對煤體破壞產(chǎn)生電磁輻射具有相反影響作用,當不同的影響機制主導時,瓦斯對煤體破壞電磁特征的影響效果也會隨之改變。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD712

【參考文獻】

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本文編號：1735684