【摘要】：煤與瓦斯突出、沖擊地壓是煤礦井下嚴重的動力災(zāi)害,一旦發(fā)生,不但能夠直接造成人員傷亡和經(jīng)濟損失,甚至還會誘發(fā)瓦斯爆炸等災(zāi)害事故。如果能夠?qū)崿F(xiàn)及時、準確預(yù)測,則可以提前采取有效措施,避免該類事故的發(fā)生。現(xiàn)場監(jiān)測表明,礦井動力災(zāi)害發(fā)生前夕,煤體應(yīng)力往往突然增大,造成短時、快速、集中的微破裂,出現(xiàn)異常的電磁信號。因此,實時監(jiān)測礦井生產(chǎn)過程中的電磁信號,并根據(jù)預(yù)警指標,及時發(fā)現(xiàn)險情,將有助于降低事故損失。為了揭示煤體受載電磁輻射機理、提高電磁輻射法預(yù)測精度,研究人員從理論分析、實驗研究和現(xiàn)場試驗方面做了大量工作,取得了豐碩的成果。但是,總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn),煤巖受載電磁輻射研究主要集中在對各類巖石靜態(tài)加載、動態(tài)壓縮破裂過程中電磁信號的定性分析上,缺少動態(tài)拉伸破裂電磁輻射實驗研究,并且在機理分析、理論模型以及定量指標等方面也存在諸多問題。因此,本文研究煤動態(tài)拉伸破裂電磁信號特征及“力-電耦合”模型,對煤巖受載電磁輻射研究具有一定的理論意義和現(xiàn)實意義。基于上述分析,本文圍繞煤體動態(tài)拉伸破裂電磁輻射特征及產(chǎn)生機理,開展了理論分析、實驗測試和數(shù)值模擬研究。在理論研究方面,在前人煤巖受載電磁輻射研究基礎(chǔ)上,通過歸納、總結(jié)和對比分析提出了煤體動態(tài)拉伸破壞電磁輻射機理,闡明了電荷來源以及電荷運動方式,為本文研究奠定了基石;結(jié)合氣體動力學(xué)、滲流力學(xué)理論,推導(dǎo)了氣體泄壓過程中氣體壓差的動態(tài)變化規(guī)律,解決了氣體泄壓過程中煤粒破裂的動力來源問題;根據(jù)動態(tài)斷裂力學(xué)和靜態(tài)斷裂力學(xué)之間的聯(lián)系,推導(dǎo)了氣體壓差作用下的煤體裂紋動態(tài)應(yīng)力強度因子,為煤粒破碎提供了力學(xué)基礎(chǔ);按照電磁學(xué)理論,將煤體破裂電磁輻射簡化為電偶極子震蕩,推導(dǎo)了電磁輻射的空間分布模型,為電磁輻射提供了磁學(xué)基礎(chǔ);以新生裂紋面積為紐帶,建立了煤體動態(tài)拉伸破裂電磁輻射強度與應(yīng)力之間的關(guān)系。在實驗研究方面,根據(jù)實驗要求,自行設(shè)計了非金屬承壓腔體和泄壓啟動裝置,并搭建了實驗平臺;測試了不同壓力二氧化碳、氮氣和甲烷作用下煤粒破碎及電磁信號;分析了泄壓后各個篩分粒徑煤樣的質(zhì)量和表面積的分布特征,并討論了氣體壓力、氣體吸附能力對煤樣破碎質(zhì)量、破碎面積的影響;利用信號處理理論對原始信號進行了降噪處理,獲得了有效信號;分析了有效信號的波形、頻率、峰值和能量特征,并分別進行了討論分析,做到理論和實驗相互驗證。在數(shù)值模擬方面,利用FLUENT軟件模擬了承壓腔體泄壓過程;根據(jù)滲流模型,利用MATLAB軟件對煤粒瓦斯?jié)B流過程進行了數(shù)值計算;根據(jù)近場動力學(xué)理論,利用Fortran語言編程模擬了氣體壓差作用下裂紋動態(tài)擴展,驗證了煤粒新生裂紋面積與瓦斯壓力的關(guān)系。論文主要研究內(nèi)容及重要成果詳述如下。(1)氣體膨脹動態(tài)拉伸煤破裂機制及其電磁輻射機理研究煤巖受載電磁輻射機理包括電荷來源和電荷運動方式兩方面。在動態(tài)拉伸載荷作用下,煤體裂紋尖端形成應(yīng)力集中,內(nèi)部原子或者分子的靜電平衡狀態(tài)被打破,發(fā)生電荷分離;在裂紋擴展過程中,裂紋尖端應(yīng)力集中、釋放交替出現(xiàn),形成彈性波,導(dǎo)致裂紋壁面震蕩,攜帶電荷相對運動,向外輻射電磁波。煤是一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)材料,孔隙表面吸附甲烷、二氧化碳和氮氣之后會產(chǎn)生膨脹變形,造成煤體強度下降。從損傷角度出發(fā),根據(jù)煤體強度與有效承載面積、變形量之間的關(guān)系,推導(dǎo)了含瓦斯煤體強度損傷因子,結(jié)果表明損傷因子隨孔隙率和吸附變形量增大而增大。將煤粉噴出過程簡化為均相流動,利用氣體動力學(xué)理論推導(dǎo)了壅塞流情況下氣體壓力衰減規(guī)律,結(jié)果表明承壓腔體內(nèi)氣體壓力隨時間呈冪函數(shù)衰減。假設(shè)煤粒為球體,且均質(zhì)、各向同性,在不考慮氣體解吸、擴散以及熱量交換情況下,根據(jù)滲流力學(xué)理論建立了滲流模型,并利用數(shù)學(xué)物理方法獲得解析解。結(jié)合承壓腔體、煤�？紫秹毫λp規(guī)律,得到了煤粒內(nèi)、外氣體壓力差的動態(tài)變化規(guī)律,數(shù)值計算結(jié)果表明氣體壓差在極短時間內(nèi)上升到峰值,與氣體初始壓力近似相等。假設(shè)裂紋為橢圓片狀,根據(jù)彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,獲得了氣體壓差作用下的Ⅰ型裂紋動態(tài)應(yīng)力強度因子,結(jié)果表明應(yīng)力強度因子與氣體壓力正相關(guān)。根據(jù)動態(tài)斷裂準則,推導(dǎo)了煤粒新生裂紋面積與氣體壓力的關(guān)系,表明氣體壓力越大,則新生裂紋面積越大。假設(shè)煤體破裂電荷量與新生裂紋面積呈正比,并將裂紋壁面相對運動視為電偶極子震蕩,根據(jù)電磁學(xué)理論推導(dǎo)了煤體破裂電磁輻射場與氣體壓力之間的關(guān)系,表明電磁輻射強度與氣體壓力正相關(guān),而且受到場點距離、場點方位以及震動頻率的綜合影響。(2)氣體泄壓過程中煤粒破碎特征研制了非金屬承壓腔體和泄壓啟動裝置,測試結(jié)果表明實驗裝置能夠滿足0~2MPa氣體密封和快速泄放;利用實驗系統(tǒng)測試了0.60、0.75、0.90、1.05、1.20、1.35、1.50、1.65和1.80 MPa甲烷、二氧化碳和氮氣條件下6目~10 mm煤樣泄壓噴出過程中的動態(tài)破裂實驗,結(jié)果表明氣體泄壓過程中煤樣發(fā)生了破碎;分析了泄壓后原始粒徑(3.36~10 mm)和新生粒徑(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)煤樣的質(zhì)量分布,結(jié)果表明粒徑越大,對應(yīng)煤樣質(zhì)量越大,兩者具有良好的線性關(guān)系;分析了氣體壓力對泄壓后原始粒徑和新生粒徑煤樣質(zhì)量的影響,結(jié)果表明原始粒徑煤樣質(zhì)量與壓力負相關(guān),兩者具有良好的線性關(guān)系,新生粒徑煤樣質(zhì)量與壓力正相關(guān),兩者具有良好的線性關(guān)系;分析了氣體壓力對泄壓后新生粒徑煤樣表面積的影響,結(jié)果表明氣體壓力越大,新生徑煤樣表面積和煤樣新增表面積均呈線性增大;對比分析了氮氣、甲烷和二氧化碳同等實驗條件下新生粒徑煤樣表面積和煤樣新增表面積,結(jié)果表明3種氣體泄壓后,隨著氣體壓力增大,新生粒徑煤樣表面積增長速率為氮氣組甲烷組二氧化碳組,煤樣新增表面積為氮氣組甲烷組二氧化碳組;對比分析了氣體膨脹動態(tài)拉伸煤破裂理論與實驗結(jié)果,表明不同氣體壓力作用下的煤破裂面積實驗結(jié)果與理論吻合。(3)氣體膨脹動態(tài)拉伸煤破裂電磁信號特征利用實驗系統(tǒng)測試了0.60、0.75、0.90、1.05、1.20、1.35、1.50、1.65和1.80MPa甲烷、二氧化碳和氮氣條件下6目~10 mm煤樣泄壓噴出過程中的電磁信號,結(jié)果顯示煤粒破碎過程中出現(xiàn)了異常電磁信號;對比含有效信號段和噪聲信號段電磁信號的時域、頻域特征,發(fā)現(xiàn)含有效信號段時域上幅值顯著增大,而噪聲信號段頻率主要為50 Hz及其倍次諧頻,因而根據(jù)時域特征截取有效信號段,再根據(jù)頻域特征采用有限沖激響應(yīng)(FIR)和無限沖激響應(yīng)(IIR)聯(lián)合降噪方法濾除噪聲,結(jié)果表明該方法可以有效降低噪聲、保留有效信號;從整體上看,有效信號波形表現(xiàn)為類似諧波、單峰脈沖和雙峰脈沖三種形式,從局部觀察,有效信號由幾個至幾十個幅值不等的高頻脈沖組合而成;統(tǒng)計了有效信號脈沖數(shù)量,發(fā)現(xiàn)脈沖數(shù)量隨瓦斯壓力增大而增大,兩路天線脈沖數(shù)量雖不相同,但呈正比關(guān)系;有效信號主要頻率為0~200 Hz,屬于超低頻和極低頻信號,與氣體壓力未表現(xiàn)出顯著的關(guān)系,兩路天線頻率近似相等;有效信號峰值在0.05~1.32 mv之間,與氣體壓力呈正相關(guān)關(guān)系,兩路天線峰值不同,但呈正比關(guān)系;采用有效信號幅值平方和作為有效信號能量,統(tǒng)計結(jié)果表明有效信號能量隨氣體壓力和煤樣新增表面積增大而增大,兩路天線有效信號能量呈正比關(guān)系;根據(jù)煤體動態(tài)拉伸破裂電磁輻射機理合理解釋了有效信號特征,并用實驗結(jié)果驗證了“力-電耦合”模型的正確性。對比分析了氣體膨脹動態(tài)拉伸破壞與沖擊破壞電磁信號的差異,發(fā)現(xiàn)與沖擊破壞相比,氣體膨脹動態(tài)拉伸破壞電磁信號脈沖數(shù)量較少,頻率較低,但能量較大。(4)氣體膨脹動態(tài)拉伸煤破裂數(shù)值模擬研究采用FLUENT軟件模擬了0.60、0.90、1.20、150和1.80 MPa初始壓力條件下腔體泄壓過程中氣體壓力衰減規(guī)律,結(jié)果表明腔體壓力在短時間內(nèi)迅速降低到最低值,并且距離泄壓口越近,氣體壓力衰減速度越快。根據(jù)滲流模型,采用有限差分法建立了有限差分方程,并利用MATLAB軟件編程計算了0.60、0.90、1.20、150和1.80 MPa初始壓力條件下煤粒瓦斯?jié)B流過程中孔隙壓力衰減規(guī)律,結(jié)果表明隨著時間增大,孔隙壓力由外向內(nèi)不斷衰減,初始壓力越大,孔隙壓力衰減越快。結(jié)合腔體壓力數(shù)值模擬結(jié)果和煤�？紫秹毫�(shù)值計算結(jié)果,得到了泄壓過程中煤粒內(nèi)外氣體壓差的動態(tài)變化規(guī)律,結(jié)果表明隨著時間增大,氣體壓差是一個先快速增大再緩慢衰減的動態(tài)過程,壓差峰值近似等于初始壓力,并且距離中心越近,氣體壓力衰減越慢;根據(jù)近場動力學(xué)基本原理,采用Fortran語言編程模擬了氣體壓差作用下裂紋動態(tài)擴展過程,結(jié)果表明隨著加載時間增大,裂紋沿x軸、y軸方向擴展;模擬了不同尺寸裂紋條件下煤粒破壞單元數(shù)量與氣體壓力的關(guān)系,結(jié)果表明氣體壓力越大,煤粒破壞單元數(shù)量增多;對比分析了模擬結(jié)果與實驗結(jié)果,表明近場動力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果與煤粒破碎及電磁信號實驗結(jié)果相符。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD324
【圖文】：

（a）背面 （b）正面圖 3.4 頂蓋法蘭Fig. 3.4 Flange cover栓1 所示，螺栓把所有法蘭盤連接在一起，配合螺母、彈簧支承千斤頂?shù)淖饔�。螺栓材質(zhì)、種類和尺寸繁多，實驗采螺栓直徑為 16 mm，長度 1000 mm，細牙螺紋 1.5 mm，圖 3.5 所示。因此，當(dāng)采用 4 根螺栓時，承壓腔體軸向224ls lsairpr ls為螺栓抗拉強度，MPa；rls為螺栓直徑，m。玻璃筒、螺栓尺寸及力學(xué)參數(shù)代入式（3.3），可得軸向最此，4 根螺栓即可完全滿足實驗需求。

千斤頂鋼化玻璃蓋板法蘭支承法蘭圖 3.6 泄壓裝置Fig. 3.6 Device for pressure relief（1）蓋板法蘭與支承法蘭蓋板法蘭、支承法蘭基本尺寸與承壓腔體底座法蘭相同，如圖 3.7 所示。其中，蓋板法蘭與承壓腔體頂蓋法蘭相互配合，將鋼化玻璃夾在中間起到密封氣體、防止玻璃碎渣飛濺的作用。蓋板法蘭中間掏了 1 個直徑 100 mm 的貫穿孔，與承壓腔體頂蓋法蘭正好重合，作為氣體泄壓口。支承法蘭為一個中空的管法蘭，固定在千斤頂?shù)撞�，起到支承千斤頂施加載荷的作用。

本文編號：2729504