煤岩变形亚失稳阶段特征识别研究

作     者：朱晨利 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋义敏;吴志刚

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：煤岩变形 亚失稳 数字散斑相关方法 声发射 

摘      要：煤岩亚失稳阶段是煤岩变形破坏过程中的重要阶段,将亚失稳阶段作为煤岩破坏短临预报研究阶段,可以为由于煤岩体变形导致的冲击地压灾害预报预警提供可靠的理论依据。针对煤岩亚失稳阶段特征识别问题,论文采用数字散斑相关方法及声发射技术作为监测手段,开展单轴压缩加载下煤岩变形亚失稳阶段特征研究,分析煤岩变形演化阶段特征以及变形演化阶段声发射特征,得到变形场参量以及声发射参量,结合提出的亚失稳阶段综合指标识别方法,分别对煤岩亚失稳阶段进行识别。此外,通过对现场微震数据展开分析,进一步将煤岩亚失稳识别方法引入煤矿微震监测预警系统,对实现冲击地压灾害的有效防治具有重要的实际意义。在煤岩变形阶段演化特征研究方面,通过开展煤岩单轴压缩试验结合数字散斑相关方法,研究煤岩变形演化特征。在煤岩变形场演化过程研究基础上,提出了非均匀性指标对煤岩变形阶段进行划分;从变形演化角度,对局部化带的迁跃现象及特征、局部化带空间非均匀滑动特征、能量累积和释放波动演化特征,亚失稳阶段的裂纹扩展及交汇特征、震中迁移、滑动“趋同化特征、静力向动力转换特征、局部和整体协同的能量演化特征、形变波动传播特征,以及失稳阶段的衍生裂纹形成和局部破裂弹射特征等煤岩变形特征异同性进行了总结;开展煤岩变形破坏演化机制研究,提出局部化带跳跃、能量波动演化、滑动趋同化以及形变波传播等煤岩变形破坏机制。在煤岩变形演化阶段的声发射特征研究方面,以声发射为监测手段,研究煤岩变形演化阶段声发射特征。通过开展声发射时空强参数研究,提出了全波形提取方法和声发射空间聚集性参数,并完成了程序编写,得到煤岩变形演化阶段的声发射定位点的分布趋势与局部化带的时空演化具有一致性的特征;通过声发射时频域参数分析,提出了声发射波形畸变率分析指标,认为声发射事件越密集的变形阶段,波形畸变率高值分布越多;从变形演化角度,分析煤岩变形阶段声发射特征,总结了声发射事件率峰前激增、声发射空间聚集性、声发射震源机制解等特征规律。在煤岩亚失稳阶段特征识别研究方面,首先根据煤岩变形局部化特点,采用塑性梯度理论,建立煤岩亚失稳阶段力学模型,探讨煤岩亚失稳影响因素,以局部化带等效刚度作为亚失稳阶段变形场识别指标,通过分析认为局部化带发生滑动变形是试件发生失稳破坏的必要条件,煤岩亚失稳阶段与局部化带等效刚度有关。建立了煤岩变形亚失稳阶段声发射指标识别体系,并通过综合指标识别煤岩亚失稳阶段特征,得到了较好的结果。在对煤岩亚失稳识别现场应用方面,对现场某煤矿工作面采集到的微震事件按顶板、底板和煤层进行分类提取,并对微震监测数据时频域参数、时空强参数和破裂类型等展开分析,通过提出的亚失稳阶段综合指标识别方法进行判别,为矿区灾害防治提供参考,并将此方法引入煤矿微震监测预警系统,最终实现矿山微震的实时监控及预测。