含水煤样加卸载破坏声-电信号特征实验研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tonybenben
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在煤岩动力灾害监测预警方面,声发射技术和电阻率法得到了广泛地应用,深部矿井下多煤层或者相邻煤层的开采时常受到循环载荷作用,且矿井煤层含有一定水分,水削弱了煤体的力学性能,影响煤体破坏过程中的声电信号,对煤炭安全开采造成影响。而在循环加卸载下对含水煤样破坏过程中产生声电信号的研究相对较少,故亟需开展循环加卸载下含水煤样声电特征实验研究,对含水煤样循环受载其内部损伤判别、煤体安全性评价、声电监测预警、煤炭安全开采具有重大意义。基于以上背景分别研究单轴、真三轴循环加卸载下煤样破坏过程声发射和电阻率响应特征,通过声发射能量与加卸载响应比理论结合识别含水煤样失稳声发射的前兆信息,通过电阻率比例系数识别含水煤样失稳电阻率的前兆信息,最后,基于加卸载响应比理论与声发射能量以及电阻率比例系数结合,得到综合声电信号的损伤变量,对含水煤样破坏过程的损伤判别更准确。开展了单轴循环加卸载下含水煤样破坏声电特征实验,实验结果表明:(1)单轴循环加卸载下,加载应力,声发射信号增加,电阻率下降;卸载应力,声发射信号减少,电阻率增加。随着循环次数增加,累计计数和能量呈阶梯状上升。(2)在压密阶段或者弹性阶段,随着应力的加载,煤体的声发射信号上升相对缓慢,而电阻率与应力对应关系更好;弹塑性转化阶段或者塑形变形阶段,随着应力的增加声发射信号越来越活跃,声发射与煤样破裂的对应关系比电阻率更好;失稳破裂瞬间,电阻率和声发射都会急速增大。开展了真三轴循环加卸载下含水煤样破坏声电特征实验,实验结果表明:(1)真三轴循环加卸载下,加载应力,声发射信号增加,视电阻率下降;卸载应力,声发射信号减少,视电阻率增加。随着循环次数增加,累计计数和能量呈阶梯状上升。(2)在压密阶段或者弹性阶段声发射信号较弱,反映不明显,而视电阻率随应力的进一步加载逐级降低,规律性明显。不同加载阶段声电信号的敏感性以及对煤样破坏的表征不相同,声电信号具有很强的互补关系,联合声电信号综合分析煤样内部的破坏情况更准确。(3)通过视电阻率云图分析,含水量高的煤样,视电阻率会整体小于含水量低的,煤样破坏后的视电阻率高的地方并不是分布在整个试块,而是集中在某个区域,与裂隙发育程度有关。通过视电阻率差值云图分析,从表面到内部,差值逐级增加,在煤样中心视电阻率差值达到最大值,表明煤样的破坏都是从内部发育贯通到表面。研究了含水煤样失稳前兆声电信息识别以及损伤演化规律,结果表明:(1)声发射能量结合加卸载响应比理论得到加卸载能量响应比,该曲线先是小范围波动,然后突增,最后回落,回落后,迅速失稳破坏,故突增现象可作为失稳前兆信息,对煤样内部的破坏情况进行判断。含水煤样在失稳破裂前都会有λ突然增加的趋势,随后煤样失稳破裂,可以把λ突然增加作为煤样破裂前兆信息。(2)随着含水量的增加,声发射破裂前兆信息识别太靠后,准确度降低,仅凭声发射信号来识别含水煤样破裂前兆并不准确;干燥煤样λ波动性太大,λ突增不明显,所以干燥煤样光凭电阻率信号来识别煤样破裂前兆并不准确,综合声电信号识别煤样失稳前兆信息更准确。(3)结合加卸载响应比理论与声发射能量以及电阻率比例系数,得到损伤演化曲线,大致呈指数增长;煤样损伤度与含水量呈正相关,即在相同应力水平下损伤度排序为:饱水>自然>干燥,电阻率损伤演化比声发射损伤演化更提前;根据电阻率和声发射在煤样破坏过程中不同阶段的互补性,得到基于声电信号的综合损伤变量,更佳体现含水煤样在循环加卸载作用下的破坏过程。本论文有图60幅,表3个,参考文献86篇。
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