受载煤体微电流效应及煤岩动力灾害预警应用展望

利用建立的受载煤体微电流测试系统,开展不同加载条件下煤样微电流测试试验,研究揭示煤体受载变形微电流效应,分析煤体受载变形过程微电流响应特征,研究微电流与煤体力学行为间的定量关系,提出微电流法预测煤岩动力灾害的原理,结合现场实践结果,对微电流技术的应用前景进行展望。结果表明,煤体受载变形能够产生微电流,微电流变化与应力变化具有较好的一致性,微电流与煤体力学行为(应力、应变、应变率等)紧密相关,在压密阶段和塑性变形阶段,微电流随应变率增加而增加,在弹性变形阶段随应力和应变线性增加;煤体在扰动载荷下能够产生随应力周期性变化的微电流,即脉动直流电,其变化与应力变化一致。微电流对煤体破坏具有较好的前兆响应,微电流在加速增加过程(塑性变形阶段)中的异常波动可作为煤体渐进性破坏的前兆特征,微电流在衰减过程中的脉冲式波动可作为煤体蠕变破坏的前兆特征。煤体受载微电流效应及现场应力梯度的存在,是矿井微电流测试的重要基础;微电流与煤体力学行为间的紧密相关性,是利用微电流技术观测煤岩体应力的重要前提;微电流对煤体破坏具有明显的前兆响应,是利用微电流技术预测预报煤岩动力灾害的重要保障。微电流技术具有响应灵敏度高、前兆信息明显和抗干扰能力强的优点,在煤岩体应力观测及煤岩动力灾害预警中具有很好的应用前景。未来需进一步开展受载煤岩微电流基础理论及应用技术方面的研究,为发展煤岩动力灾害精准时空监测预警的微电流法提供支撑。

受载煤体水力压裂复电参数实验研究

为研究单轴受载煤体压裂后煤体复电阻参数变化关系,在实验室搭建受载煤体的水力压裂变频复电阻率测试平台进行实验,对受载煤体进行压裂前后复电性测试。运用电介质极化理论和激发极化理论,分析煤的水力压裂复电阻率频散机理。结果表明,压裂前煤体复电阻率实部、虚部均随频率变化而变化;复电阻实部整体呈现“三段式”趋势,虚部呈“U”型,趋势略有不同;煤体电容随着频率的增大而减小。压裂后复电阻率虚部呈现“阶梯状”,实部呈现“持续下降”的趋势,不论压裂前还是压裂后,煤体电容都随着频率的增大而减小;压裂后的煤体在含水状态下其虚部呈现“单边上升”,其物理机制是空间电荷积聚效应产生的。

CT可视化的受载煤体三维裂隙结构动态演化试验研究

为研究受载煤体中裂缝动态发展演化规律及其形态变化特征,以受载煤岩工业CT扫描系统为实验平台,开展单轴、三轴应力加载条件下煤样变形破坏全过程的工业显微CT扫描试验,得到能反映受载煤样失稳破坏全过程的三维裂隙结构CT扫描信息和应力-应变曲线等测试结果,运用VG Studio MAX图像分析软件,对CT扫描数据重建体模型得到的可视数字煤芯进行精准的裂缝提取和裂隙形态的数字化定性定量表征,对比分析了单轴、三轴受载条件下煤体裂隙发育形态的动态变化。研究结果表明:工业CT扫描是研究受载煤岩内部裂纹发育演化过程的有效手段,裂隙体积和裂隙率随应力的变化关系是受载煤样裂隙动态演化过程的直观体现,在煤样受载过程中呈现出缓慢降低-缓慢增加-急剧增加-增速放缓的发展规律;煤体在受载条件下内部裂隙演化经历了初始压密、弹性变形、新裂隙渐增、新生裂隙速增、裂隙扩展贯通和残余变形6个阶段,破坏形式为剪切破坏;煤样在三轴加载和单轴加载下的屈服强度和裂隙演化过程以及破坏后的裂隙形态均有显著差异,说明围压是影响受载煤体失稳破坏过程的重要因素;工业CT扫描图像显示,裂纹发育扩展随应力荷载的增加优先沿着矿物与煤基质的接触面开始起裂。研究结果可为煤炭合理安全高效开采及井下支护提供借鉴。

煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验

为研究煤体动力灾害孕育发展过程的破坏特征及其前兆信息,通过单轴压缩试验,分析了煤体受载破坏过程中的能量演化规律,对煤体失稳破坏的前兆特征进行了判识。结果表明:煤体受载破坏过程呈显著的非线性演化特征,能够判识煤体失稳破坏的临界点、失稳点与破坏点信息;煤体受载损伤不同阶段能量演化特征差异显著,进入弹性阶段后,输入能快速增加,弹性能占比呈升高趋势,耗散能变化较大,煤体失稳破坏时耗弹比呈“阶跃”式突变特征,其值从30迅速增至90;定义并计算了能量耗散率与能量释放率,该指标在煤体破坏的临界点、失稳点与破坏点同样出现了异常响应特征,破坏点处最为显著,Gd/Ge的值由20突增至100以上。受载煤体失稳破坏本质上是外界能量输入与驱动的结果,煤体能量指标能够更好地揭示试样损伤破坏过程的非线性演化特征,精细地捕捉煤体失稳破坏的前兆信息。

三轴条件下煤体受压破裂电荷感应信号试验研究

为研究煤体破裂程度与其释放电荷之间的联系以提高矿山动力灾害预测准确率,利用自主研制的电荷传感器对某矿原煤试件在三轴情况下进行电荷感应试验,分析相邻侧面不同破裂程度下煤体电荷感应信号的变化特征,将信号进行快速傅里叶变换处理,在频域内研究不同孔隙瓦斯压力条件下电荷感应信号的变化规律,在此基础上对电荷累积量与声发射振铃总计数、总能量进行了对比分析。试验结果表明:同一煤体相邻两表面破裂程度越严重,其电荷感应信号越丰富;在围压不变情况下,随着孔隙压力的增大,煤体变形破裂过程中电荷感应信号频率的最大幅值波峰有逐渐向低频方向移动的趋势,煤体破裂电荷感应信号频率波动低于200Hz,幅值最大点频率在50Hz以内;电荷累积量曲线在煤体应力达到峰值后,表现出跳跃式增长趋势,但电荷感应信号的量级相对较小。

基于CT扫描的受载破裂煤样注浆封堵效应量化研究

针对现有注浆煤岩体裂隙结构和注浆效果研究不能定量表征的问题,利用自主搭建的受载煤岩体注浆试验系统开展了不同受载破裂煤样(单轴和劈裂)的注浆试验,采用工业CT扫描设备对破裂煤样注浆前后的裂隙结构进行了CT扫描,应用图像分析软件VG Studio MAX对CT扫描数据重建模型所得到的数字煤样进行裂隙精准提取,对受载破裂煤样注浆前后三维裂隙形态和结构进行了数字化定量分析。结果表明:①单轴加载破裂煤样主裂隙由煤样顶部两侧贯穿至煤样底部并汇聚,裂隙宽度基本保持不变,煤样主要在剪切应力作用下破裂,整体破碎程度较大,主裂隙网络伴生较多的小裂隙;注浆前后50 mm以上裂隙由1条转为0,总裂隙体积由12000 mm^(3)减小为5700 mm^(3),降幅为52.5%,表明单轴破裂煤样裂隙结构相对不利于浆液扩散流动。劈裂破坏煤样主裂隙由顶部沿竖直方向向下延伸至煤样中下部,裂隙宽度较大,然后向一方倾斜45°继续延伸,裂隙宽度逐渐变小;注浆前后50 mm以上裂隙由2条转为0,总裂隙体积由3430 mm^(3)减小为312 mm^(3),降幅为90.9%,表明劈裂破坏煤样裂隙结构有利于浆液的流动和充填。②注浆前后单轴加载破裂煤样渗透率由57×10^(-14) m^(2)下降到1.2×10^(-14) m^(2),下降了97.9%;注浆前后劈裂破坏煤样渗透率由75×10^(-14) m^(2)下降到1.3×10^(-14) m^(2),下降了98.3%,表明注浆对不同破坏形式煤样均具有显著的堵漏降渗效果。③对比2种煤样注浆前后裂隙体积和渗透率变化情况可以看出,虽然单轴加载破裂煤样注浆浆液仅充填了部分裂隙,但渗透率与原始煤样差别很小,表明通过阻隔漏气通道的连通性,即可有效封堵裂隙并取得良好的注浆封孔效果。研究结果可为破裂煤体注浆量化分析及煤层注浆封堵效果评价提供有益参考。

三轴加载煤体变形特性与孔隙率变化研究

受载煤体的力学特性时刻发生变化,会导致煤体的孔隙率发生变化。为研究煤体孔隙率与煤体力学特性之间的变化关系,通过室内三轴加载试验,利用应力-应变计算出不同时刻受载煤体孔隙率,分析煤体孔隙率与不同受力状态的关系,得出相同围压下孔隙率与轴压呈现良好的负相关关系。通过计算不同受载煤体孔隙率变化量,可反映煤体经历不同力学受力状态。同时,煤体孔隙率变化影响煤体衰减系数,利用首波幅值计算衰减系数,发现衰减系数与轴压呈现正相关关系,且孔隙率变化量与衰减系数变化量变化一致,验证了不同受载孔隙率变化量分析煤体力学受力状况可行性,使分析更具有说服性。

不同功率微波预处理煤样增透效果及能量变化研究

为探究不同功率微波下受载煤体渗透率及破坏变形能量演化特征,采用高压三维可视力学实验设备,开展不同功率微波预处理后煤样的三轴压缩渗流实验。结果表明:不同功率微波处理后煤样弹性模量呈现先降后升趋势,峰值应力与泊松比均呈现下降趋势;随微波功率增加,煤样更容易被压密,径向及体应力-应变曲线整体应变值变大,扩容膨胀现象更加显著;煤样渗透率随功率增加呈现上升趋势,符合对数函数关系;不同预处理煤样峰值应力处的总能量U与弹性能Ue总体呈下降趋势,煤样在弹性阶段积聚弹性能Ue的能力减弱;相同照射时间下相比200 W和600 W微波预处理,400 W微波预处理时各能量变化量明显变大,煤样耗散能Ud占总能量U比值最小,为24%。研究成果可为微波致裂煤层促进瓦斯抽采研究提供参考。

基于电荷监测技术预测矿山动力灾害试验研究

为提高矿山动力灾害预测准确率,应用自主研制的电荷传感器,将标准煤样置于三轴压力室内进行应力-电荷试验。分析围压对煤样压缩破坏过程中电荷信号的影响。结合现场测试,揭示工作面开挖过程中煤体应力与煤壁表面感应电荷的时间和空间变化规律。试验结果表明,煤体压缩过程中电荷信号的变化与煤体所处的应力水平关系密切,处于应力集中区域和应力松弛区域的煤体有明显脉冲状电荷信号,原始应力区电荷信号平稳,电荷信号的变化超前于煤体应力的变化,围压对电荷信号有延缓、强化的作用。

应力-应变-渗流耦合条件下煤岩渗流特性及其可视化研究

煤岩渗透性决定了瓦斯流动的难易程度,而煤岩的力学特性也在一定程度上影响着煤岩的渗透性。为深入探究不同应力—应变状态下煤岩的渗流特性变化,开展了煤岩渗流试验,并结合CT扫描对煤样孔裂隙结构进行三维重构,从煤岩孔裂隙受应力—应变影响而变化的角度分析煤岩渗透特性演化规律,同时应用Avizo软件对破碎后的煤样进行可视化气体流动及渗透率值的模拟。研究结果表明:煤岩渗透率随着轴向应力—应变的增加而呈现“V”形变化,并且渗透率的变化与煤岩内部孔隙变化具有明显的相关性;通过CT扫描得到的煤样渗透率值与试验所得的渗透率值基本一致。研究结果可为相似条件下煤岩渗透性及可视化研究提供参考。