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煤点锤击破坏瞬变电磁信号特征实验研究

王川  
【摘要】:电磁辐射技术作为一种完全非接触式地球物理方法,在矿井动力灾害监测预警领域具有其他方法(微震、声发射等)所无法比拟的优势,是煤岩动力灾害监测、预测、预警的重要技术手段之一。国内外诸多从事矿井安全开采和地球物理探测等相关领域的学者们对其特征规律开展了大量的现场观测、实验研究和理论分析工作,并取得了丰富的成果。而目前对煤岩变形破坏电磁辐射信号的研究多是在准静载或缓慢加载条件下取得的结果,而对局部煤体在锤击或瞬态冲击等点载荷下产生瞬变电磁信号规律的研究较少。然而,大量的灾害事实表明,煤岩动力灾害发生过程中,煤层岩体往往经受了强烈的动载作用。特别是坚硬顶板的突然断裂类似于对局部煤体施加了一个瞬态的锤击作用,将这种作用定义为煤岩点锤击过程。而由这种作用诱发的煤岩动力灾害过程正是煤岩结构在点锤击下快速失稳的结果。随着开采深度的增加,顶板断裂、岩爆、煤炮以及强烈的采掘作业等对采掘空间岩层结构的扰动往往使煤体经受的锤击过程更加频繁,煤岩动力灾害的防治工作也将日趋严峻。由于材料在动载下的力学性质、破坏形式等往往与静载条件下的结果存在显著差异,因此,当前对煤岩变形破坏电磁辐射规律的认识已不能完全满足资源深部开采动力灾害防治工程的技术需求。本文正是基于以上考虑,采用理论分析、实验室实验、数值模拟和现场测试相结合的方法,通过大量的精密测试和系统分析,较为详实地研究了煤点锤击破坏过程中产生的瞬变电磁效应及瞬变电磁信号的辐射能量特征、频率演化规律等。根据断裂动力学理论、破裂致电理论和电磁场理论,分析锤击作用下煤裂纹动态起裂及扩展的力学特性,研究瞬变电磁辐射信号产生机理及其影响因素。根据瞬变电磁辐射信号产生影响因素,建立煤点锤击破坏瞬变电磁信号测试系统,利用ZDKT-1型煤岩动力灾害实验模拟系统测试不同锤击冲量强度、不同煤岩结构特性条件下的电磁信号,通过基信号剔除法和整体经验模式分解相结合的联合去噪方法获得煤锤击破坏瞬变电磁信号。在此基础上,分析锤击载荷和试件组分及结构对煤的破坏程度及产生瞬变电磁信号能量、频率和辐射方向性的影响规律。采用SPH无网格化方法,模拟再现煤的锤击破坏过程,结合实验结果分析煤体破碎颗粒单元的应力及运动速度演化规律,运用破裂致电理论分析瞬态应力作用下煤颗粒单元剥离煤体过程中电磁辐射信号产生的过程。在煤矿现场布置瞬变电磁测试系统,测试煤层岩体在爆破震动波作用下产生的瞬变电磁信号和震动信号,分析瞬变电磁信号的信号构成,以及电磁信号与震动信号在能量特征、频率特征等方面的关联规律,结合破裂致电理论,解释瞬变电磁信号现场测试结果的产生机理。研究成果进一步丰富和完善了煤岩动态破坏电磁辐射理论,对电磁辐射技术在煤岩动力灾害监测和防治方面的推广应用具有重要的理论意义和工程意义。论文的主要内容和成果如下:(1)煤锤击破坏产生电磁辐射信号的理论分析在前人的研究基础上,以煤的动态破坏为切入点,分析瞬态载荷下煤的动态力学模型,指出损伤体-粘弹性模型适用于对瞬态锤击载荷下煤的动态破坏过程的描述。依据动态断裂力学,分析煤在锤击载荷下的裂纹初始起裂条件和加速扩张过程,指出煤中初始裂隙、裂纹等缺陷的动态起裂扩展过程受煤体不同强度单元的分布、载荷的大小及其持续作用时间等因素控制,认为煤的动态破坏是裂纹达到起裂条件之后瞬间加速扩展并完全贯穿或达到止裂条件而终止的过程。总结了煤岩变形破裂分离电荷的来源,探讨了煤动态破坏裂隙壁面分离电荷的运动规律,认为破裂致电是煤动态破坏的产物,其为电磁辐射提供了物质基础。分析了点锤击作用下煤动态破坏电磁辐射的幅值、频率和波形特性,得出其幅值和频率主要取决于煤体单元的强度分布和空间分布,且在强度分布满足威布尔分布条件下电磁辐射信号具有阵发性脉冲辐射的特点。(2)煤锤击破坏瞬变电磁信号特征规律实验研究针对煤体单元的空间分布、强度分布以及锤击载荷强度等因素,制定了不同初始成型粒度、不同成型压力的型煤以及不同硬度的原煤试样在不同锤击强度下的电磁辐射信号测试实验方案。分析了煤锤击破坏电磁辐射信号测试中可能来自于加载装置和测试系统的影响因素,设计了系统扰动对比实验,证实了加载装置和测试系统对测试结果存在强烈干扰。在此基础上对煤锤击破坏瞬变电磁测试系统进行了优化,采用自主研发的zdkt-1型煤岩动力灾害实验模拟系统和接收天线(12.8khz以下),依据实验方案逐步开展煤锤击破坏电磁辐射信号测试实验,测试了原煤试件以及初始成型粒度分别为0~0.25mm、0.25~0.5mm和0.5~1mm,成型压力从100~490kn不等的型煤在不同冲击强度(1.7378~2.1175×4210(/km/gs)m)下的电磁信号。根据该信号的基本特征提出了基信号去除(bsr)法与经验模式分解(emd)相结合的联合去噪方法,获得了显著的电磁信号瞬变成分,去噪效果较好,可用于基信号相对稳定、瞬变成分极其微弱的电磁辐射信号的去噪。最后,分析了型煤成型粒度、成型压力、锤击强度以及原煤的非均质性等来自煤体结构及组分和加载条件的因素对煤锤击破坏产生的瞬变电磁信号的影响,结果表明:①煤锤击破坏过程中产生的瞬变电磁辐射信号极其微弱,呈现出显著的脉冲特征;其中,均质度较高的型煤试样冲击破坏产生的电磁信号多为单脉冲信号,而均质度较差的原煤冲击破坏时产生的电磁信号则为多脉冲信号;脉冲信号持续时间从2ms至数十ms不等,幅值多在0.2mv以下,且具有较强的方向性。②对xm-0.5mm型煤试样在不同锤击强度下瞬变电磁信号的分析显示:虽然其峰值辐射功率存在一定程度的波动,但其总辐射能和持续时间均随冲击强度增大而增大,因此其平均辐射功率基本处于较稳定水平(5.744~8.024×-1110w),这表明煤锤击破坏产生的电磁脉冲辐射功率主要取决于煤体结构,而冲击载荷主要影响脉冲信号的持续时间,从而影响总的电磁辐射能。③对三种不同初始成型粒度的型煤试样锤击破坏瞬变电磁信号的分析结果显示:初始成型粒度较大的xm-1.0mm试样锤击破坏时基本未产生显著电磁辐射信号;xm-0.5mm和xm-0.25mm试样相比,同等锤击条件下后者破坏时存在主破坏方向,但总体而言,初始成型粒度越大的试样内部空隙越发达,破坏时产生的电磁辐射信号越弱。④对成型压力对电磁信号影响的分析表明:初始成型粒度相同的煤样在同等锤击强度下,成型压力越大的试样产生的电磁辐射信号能量越大,但其平均辐射功率仍稳定在8×-1110w水平左右。⑤煤锤击破坏瞬变电磁信号的频率主要分布在300~3000hz频段,是频段较宽的典型低频/超低频电磁信号;而非均质的原煤在破坏时产生的瞬变电磁脉冲簇信号的频谱中出现了500hz以下的极低频成分,分析认为非均质原煤试样的不连续破断使瞬变电磁脉冲信号的频率向低频端移动。(3)煤锤击破坏过程数值模拟研究采用无网格化sph方法建立了煤的粒子化结构模型,利用ansys/autodyn软件数值模拟再现了煤锤击破坏的过程,分析了煤体粒子单元应力演化过程和破碎粒子的运动规律;结合破裂致电理论,分析认为煤锤击破坏过程中产生分离电荷的过程持续一定时间,分离电荷以煤体粒子单元为载体,其在分离电荷的产生、变速运动到消亡过程中向外辐射电磁波,由法拉第电磁感应定律测得的电磁辐射信号呈脉冲状的瞬变特性。模拟结果和分析结果与型煤锤击破坏实验结果相吻合。(4)现场爆破震动波作用下煤体电磁辐射测试信号特征分析分析认为,煤矿现场爆破震动波在传播过程中对局部煤岩体产生锤击作用,因此在平煤十矿现场测试了煤层岩体在爆破震动波作用下的电磁辐射信号和震动信号,分析了电磁辐射信号的特征及其与震动信号之间的同步关联性,并对电磁辐射信号的来源及其产生效用进行了分析探讨。研究结果表明:①煤体在爆破震动波作用下产生了一种脉冲簇状电磁信号和一种低频电磁振荡信号;且分析表明二者的辐射源均来自于监测点附近局部煤体,从而证实局部煤层岩体的锤击破坏过程中存在2种电磁辐射模式。②脉冲电磁信号的总能量与震动信号的能量呈线性正相关关系,其辐射功率也基本处于2×-810w的稳定水平,与实验室测试结果相吻合但比后者高出2个数量级;脉冲电磁信号在0~40hz、250~280hz以及500~550Hz频段上有变化,其中,在250~280Hz频段与震动信号同频,该频段源于二者的同步关联性。③低频电磁振荡信号的最大振幅及其信号能量也均与震动信号的能量表现出正相关趋势;其频率主要分布在0~25Hz频段,主频位于13Hz左右;且与震动信号的低频分量具有同步关联性。(5)煤层岩体受锤击载荷作用产生电磁辐射的模式总结综合分析表明:①脉冲电磁信号源于一定强度的应力对煤体的破裂作用,是破裂致电辐射的结果;②而现场测得的低频电磁振荡信号源于在煤层中传播的低频应力波对煤体的揉搓作用,是煤体损伤破坏的结果;③且揉搓破坏产生的辐射效用比破裂致电辐射效用高出1个数量级,但与煤体锤击破坏作用相比,揉搓作用要弱得多,因此煤锤击破坏电磁辐射信号仍以脉冲电磁辐射为主。


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