【摘要】：本文的研究工作依托于“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0801408)和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51634001)。我國沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重,其可靠監(jiān)測預(yù)警是進(jìn)行有效防治的重要手段。電磁輻射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對煤巖變形破裂的非接觸連續(xù)監(jiān)測,已在煤巖動(dòng)力災(zāi)害礦井廣泛應(yīng)用。然而,煤巖電磁輻射機(jī)理不清,導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用的可靠性有待提高�；诖�,本文緊緊圍繞煤表面微結(jié)構(gòu)特征和電磁輻射機(jī)理,從煤的表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)入手,采用實(shí)驗(yàn)測試、理論分析和模型研究等方法,研究不同變質(zhì)程度煤表面弱電性特征及其影響因素;分析煤表面基團(tuán)極性特征及其潛在帶電性,確定電磁輻射的微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);建立微結(jié)構(gòu)與煤表面電性之間的量化關(guān)系,深入探討煤表面電荷產(chǎn)生機(jī)理;建立煤巖變形破裂的電磁輻射模型,揭示電磁輻射機(jī)理,以期為煤巖動(dòng)力災(zāi)害的防治及監(jiān)測預(yù)警提供一定的參考。本文得到的主要成果如下:(1)實(shí)驗(yàn)研究了不同煤樣表面物理微結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)不同煤樣的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著不同,與煤變質(zhì)程度密切相關(guān);在變質(zhì)程度由低到高的過程中,煤表面孔隙裂隙的變化趨勢為:大裂隙——小裂縫+孔隙簇——微裂紋+微孔隙。分形維數(shù)能有效表征煤體表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,隨煤變質(zhì)程度的升高,分形維數(shù)總體呈現(xiàn)出先減小后增大的U型曲線,說明煤表面物理微結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由復(fù)雜到相對簡單再到復(fù)雜的過程。(2)分析了煤表面化學(xué)微結(jié)構(gòu)特征及其分布規(guī)律,研究得到了煤表面微結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析方法。結(jié)果表明,不同煤樣的芳香結(jié)構(gòu)參數(shù)顯然不同,隨反射率的增大,芳碳率的變化是非線性的,呈現(xiàn)出階段性演化特征,但總體呈單調(diào)遞增趨勢。煤化作用對脂肪結(jié)構(gòu)參數(shù)有重要影響,隨煤鏡質(zhì)組反射率增大,A(CH_3)/A(CH_2)呈現(xiàn)先減小后增大的反拋物線形曲線,隨煤變質(zhì)作用的增加,甲基類側(cè)鏈在逐漸減少、亞甲基類直鏈在增多;在鏡質(zhì)組反射率R_o=1.3%附近,甲基含量達(dá)到最低點(diǎn);隨煤化作用的增強(qiáng),甲基含量又有增大趨勢。綜合煤的傅里葉紅外光譜和拉曼光譜特征來看,不同變質(zhì)程度煤表面化學(xué)微結(jié)構(gòu)參數(shù)及表面基團(tuán)均體現(xiàn)出了階段性分布的特點(diǎn)。在低階煤階段(0.5%R_o1.3%),煤分子結(jié)構(gòu)缺陷較大,含有大量的C-O、OH等含氧官能團(tuán);在中階煤階段(1.3%R_o2.0%),煤中含氧官能團(tuán)大量脫落并減少,芳香碳原子比例相對增加,芳香環(huán)增大,芳香C=C基團(tuán)含量急劇升高,峰位差(G-D_1)也迅速增大。至高階煤階段(2.0%R_o4.0%),煤的芳香環(huán)縮合作用進(jìn)一步加強(qiáng),形成更為規(guī)整的芳香結(jié)構(gòu)體系。(3)基于原子力顯微鏡,通過簡化計(jì)算提出了煤表面電荷密度估算方法;分析了煤表面電性特征,發(fā)現(xiàn)所有煤樣的表面電勢大體呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,表面電勢的均值在數(shù)十μV量級。煤樣表面電荷密度在58.98μC/m~2~312.97μC/m~2之間變化,隨煤變質(zhì)程度的升高,表面電荷密度呈現(xiàn)出先減小后增大的非線性變化。煤表面在納米尺度下既有正電勢區(qū)域,又有負(fù)電勢區(qū)域,顯示出了一定的電性特征,但在微米尺度下(5μm×5μm),整體呈負(fù)電性,而且電性較微弱或不顯電性。由此可以推斷,煤表面在細(xì)觀或宏觀統(tǒng)計(jì)層面上顯弱電性或電中性,但在納米尺度下對外顯示一定的電性特征。(4)相位差能夠反映煤表面電荷的強(qiáng)弱,從各煤樣表面相位分布情況來看,在沒有外電場作用的條件下,煤表面電性極微弱,甚至呈電中性;而當(dāng)針尖施加電壓時(shí),由于外加電場的作用,一方面,煤樣內(nèi)部的自由電荷(電子)、束縛電荷(離子)會向煤樣表面發(fā)生定向移動(dòng),致使煤表面出現(xiàn)一定的感應(yīng)電荷,從而增強(qiáng)了煤表面電性;另一方面,在外電場的作用下,煤樣表面部分基團(tuán)易被極化,使得煤表面大分子基團(tuán)的正負(fù)電荷中心不重合,進(jìn)而對外顯示一定的電性。(5)對煤表面弱電性的影響因素進(jìn)行了研究;結(jié)果表明,煤表面電勢均值與電荷密度隨微孔比表面積的增加呈上升趨勢,與中孔比表面也呈正相關(guān)關(guān)系,而大孔數(shù)量的增多削弱了煤表面電性。在化學(xué)微結(jié)構(gòu)影響方面,煤表面負(fù)電性隨C=C基團(tuán)的增加而呈線性增加趨勢,隨羥基(OH)和C-O基團(tuán)含量的升高而減少;C=O基團(tuán)含量的增加也能增強(qiáng)煤表面負(fù)電性。在煤化作用過程中,煤大分子內(nèi)部的芳香片層增大,自由電子的活動(dòng)空間擴(kuò)大,在一定范圍內(nèi)可能會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致煤導(dǎo)電率增加,表面電性增強(qiáng)。(6)對煤表面電性進(jìn)行了分子模擬,并計(jì)算煤分子表面靜電勢。從模擬結(jié)果來看,煤分子表面正負(fù)靜電勢分布關(guān)于零電勢點(diǎn)對稱,靜電勢分布整體上符合正態(tài)分布,即正負(fù)電勢加和后基本為零,這說明煤分子表面在納米尺度下顯示出一定的電性,但在統(tǒng)計(jì)層面上呈弱電性,甚至不顯電性。這也正好驗(yàn)證了第三章中煤表面電性的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。在煤變質(zhì)程度由低到高的過程中,煤化作用使得煤中的芳碳率不斷升高,雜質(zhì)減少,煤大分子結(jié)構(gòu)逐步向有序化方向發(fā)展。在此過程中,煤中的芳香環(huán)也會增大,相應(yīng)的煤大分子內(nèi)部的芳香片層也會增加,而分子內(nèi)部的π軌道是彼此相連的,使得煤表面自由電子的活動(dòng)范圍擴(kuò)大,而且在一定范圍內(nèi)可能會發(fā)生轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致煤導(dǎo)電率增加,表面電性增強(qiáng)。特別是從煙煤過渡到無煙煤階段,煤的芳香結(jié)構(gòu)急劇增大,煤導(dǎo)電率迅速增加,而電阻率迅速減小,煤表面自由電荷增多,自由電子導(dǎo)電大幅增強(qiáng),探測到的表面電性參數(shù)增幅也就越大。(7)煤表面極性基團(tuán)主要有羥基(-OH)、C-O基團(tuán)以及羰基(C=O)等,這些基團(tuán)由于正負(fù)電荷中心不重合而對外顯示出一定電性,同時(shí)也作為電偶極子存在于煤表面。深入探討了煤表面電荷產(chǎn)生機(jī)理,認(rèn)為煤表面基團(tuán)電負(fù)性、雙電層的存在、煤中位錯(cuò)/晶界電勢以及煤表面空間電荷效應(yīng)是煤表面電荷產(chǎn)生的主要原因;建立了煤表面微結(jié)構(gòu)與表面電性之間的量化關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)基團(tuán)電負(fù)性的增加能夠顯著增強(qiáng)煤表面負(fù)電勢。(8)研究了不同孔隙尺度下的煤表面電場強(qiáng)度及瞬時(shí)電磁輻射能量,經(jīng)估算,煤表面微孔、中孔、大孔壁面間的電場強(qiáng)度最高分別可達(dá)10~7 V/m、10~6 V/m、10~5 V/m量級;瞬時(shí)電磁輻射能量在0.48×10~(-12) J~48.7×10~(-12) J范圍內(nèi)變化。煤巖表面本身分布的靜電荷及加載破壞過程中產(chǎn)生的自由電荷共同構(gòu)成了電磁輻射的電荷來源。建立了煤巖破壞電磁輻射模型,揭示了電磁輻射機(jī)理,認(rèn)為帶電裂隙壁面振動(dòng)和裂紋擴(kuò)展電偶極子變形是煤巖破壞電磁輻射產(chǎn)生的主要原因。研究成果對揭示電磁輻射機(jī)理,提高煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測預(yù)警的可靠性具有重要的理論和實(shí)際意義。
【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】：TQ531;TD311
【圖文】：

而煤巖材料在受載或受到其他擾動(dòng)時(shí)發(fā)生變球物理現(xiàn)象則主要是由物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征外學(xué)者在研究受載煤巖電磁輻射現(xiàn)象時(shí)，結(jié)構(gòu)特征。因此，開展不同變質(zhì)程度煤樣表射物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)具有重要理論意義與實(shí)用價(jià)共 10 個(gè)，涵蓋了無煙煤、煙煤和褐煤，煤 個(gè)，中變質(zhì)程度煙煤 6 個(gè)，褐煤 1 個(gè)。實(shí)面，將采集的新鮮塊煤（如圖 2.1 所示）密工業(yè)參數(shù)測定。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T212-200，工業(yè)分析結(jié)果見表 2.1；煤的元素分析按照析結(jié)果見表 2.2；對煤樣進(jìn)行拋光，在顯微的油浸物鏡下，參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T6948-2表 2.1 所示。

15（c）SH 無煙煤圖 2.2 各煤樣能譜分析Fig. 2.2 Energy spectrum analysis of coal samples2.2 煤表面物理結(jié)構(gòu)特征煤表面物理結(jié)構(gòu)主要包括孔隙和裂隙。煤巖加載過程中產(chǎn)生的電荷往往分布

本文編號：2731268