岩爆是一个灾难性的动态灾难造成的突然失败和不稳定的煤炭,这让威胁煤矿深处;AE-charge信号和片段分布相关机械性能的煤炭直接和灾害预警。因此,AE的变化和电荷感应在煤炭失败,煤碎片的分形特性,和他们的关系应该深入研究。摘要单轴加载试验进行了煤与破裂趋势从800米深度由块空心的样本在小青煤矿铁法煤集团在中国东北;获得了标本的分形特征的统计分形方法。机制的异同声发射和电荷信号是通过使用加载实验和理论分析研究。发现煤具有良好的自相似性属性的片段;标本的分形维数在2.085 - -2.521范围,最大范围是2.300 - -2.468,略高于岩石。声发射的高振幅脉冲和电荷都集中在宏观裂缝发展和扩张阶段,但它们之间的异步特性。电荷生成过程伴随着不均匀变形和滑动摩擦; the friction slip is the major one and is analysed theoretically. A theoretical model for the force-electric coupling relationship is established. The statistical results show that both the acoustic emission and the charge signal accumulation have a significantly proportional relationship with the fractal dimension. Both the acoustic emission and charge signal reveal coal breakage evolution process, which will help in obtaining the precursor information on coal failure. Furthermore, the monitoring results can predict the extent of coal mass instability.
煤是一种强非线性工程岩(gydF4y2Ba
学者广泛证实,声音和电煤或岩石破裂过程中异常(gydF4y2Ba
分形几何理论描述和研究客观问题基于分形维数的概念和数学方法(gydF4y2Ba
在目前的研究中,岩石破裂主要出现在工作面附近(gydF4y2Ba
摘要煤碎片的分形维数和法律的声发射和电荷信号伴随煤单轴载荷作用下的变形研究通过使用一个方法涉及的结合压电实验和理论分析。电荷信号分析的特点深深地引用的声发射信号,讨论了裂纹力学滑动摩擦电荷,然后晶格滑移的理论模型和非齐次deformation-sliding摩擦电荷代煤变形和破坏过程。煤的分形维数之间的关系碎片和声学研究emission-charge统计上的积累。结果提供一个可靠的理论和实验依据获取的前兆信息监测岩石破裂。gydF4y2Ba
煤炭标本获得深度800米的小青矿铁法煤集团在中国东北。圆柱形标本测量gydF4y2Ba
煤炭的标本。gydF4y2Ba
辽宁省重点实验室的测试进行了矿山环境和灾害力学,阜新市辽宁科技大学。鞣制- 2000数字液压伺服试验机用于单轴压缩试验,并加载和位移数据采集过程被用来自动获取测量。机器有一个压缩容量2000 kN的决议印象5‰(图的数量gydF4y2Ba
系统测试。(一)仪器的测试系统。(b)屏蔽筒的构造图。在图中,AE传感器和电荷的位置显示前置放大器,但传感器的数量不是有限的。gydF4y2Ba
USEA-2 AE监测系统,由北京Soundwel科技有限公司制造,用于这项研究。这个监控系统是由AE传感器、前置放大器,信号采集,处理和记录单元(图gydF4y2Ba
使用自主研发的电荷信号获得charge-signal监控系统,包括micro-electro-sensitive合金表,前置放大器、采集仪器和计算机。电荷放大器安装在汽缸,合金表没有与煤表面接触,我们确保了它们之间的距离是维持在5毫米在每个实验。采样频率设置为1000 Hz,采样点是1024图gydF4y2Ba
信号监测系统。(一)AE监测系统。(b)电荷信号监测系统。(c)基本素描的前置放大器。gydF4y2Ba
实验涉及到煤的单轴压缩试验,在加载速率被设定为0.01 mm / s和下列程序进行:gydF4y2Ba
地方顶部和底部之间的煤试样硬度计压头在每个耦合表面的绝缘垫,防止溢出,调试设备,并设置参数。gydF4y2Ba
启动测试系统、AE监测系统和电荷信号监测系统同时在煤的变形和破坏过程中收集信息,将它转换成数字信号存储基于a / D转换,直到最后的毁灭。值得指出的是,AE和收费监控系统由同步控制模块自己编写,实现同步启动的目的。gydF4y2Ba
存储结果,屏幕上煤和拍照的片段,并对电脑进行后处理的数据基于Matlab,起源,或类似的软件。gydF4y2Ba
结果表明,岩石的自相似性是由于碎片属于统计分形分布(gydF4y2Ba
方程(gydF4y2Ba
煤的破碎块收集,碎片的大小分布是使用的方法筛选得到的统计数据。筛大小被设置为0 - 2.5毫米,2.5 - 5毫米,5 - 10毫米,10 - 15毫米,15 - 20毫米,20 - 30毫米,30 - 40毫米,40 - 50毫米,50 - 100毫米。广大片段的大小和最大大小的片段,它的质量记录。最后,每个样品的分形维数计算。表gydF4y2Ba
大小和质量的碎片。gydF4y2Ba
| 0 - 2.5gydF4y2Ba | 2.5 - 5gydF4y2Ba | 5 - 10gydF4y2Ba | 10 - 15gydF4y2Ba | 15 - 20gydF4y2Ba | 20 - 30gydF4y2Ba | 30 - 40gydF4y2Ba | 40 - 50gydF4y2Ba | 50 - 100gydF4y2Ba | 最大直径(毫米)和质量(g)gydF4y2Ba | 总质量(g)gydF4y2Ba | 分形维数gydF4y2Ba | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M01gydF4y2Ba | 9.38gydF4y2Ba | 10.42gydF4y2Ba | 25.66gydF4y2Ba | 13.32gydF4y2Ba | 9.93gydF4y2Ba | 22.6gydF4y2Ba | 46.9gydF4y2Ba | 43.77gydF4y2Ba | 95.4gydF4y2Ba | 51 - 83.29gydF4y2Ba | 277.38gydF4y2Ba | 2.08465gydF4y2Ba |
| M02gydF4y2Ba | 15.92gydF4y2Ba | 12.48gydF4y2Ba | 23.91gydF4y2Ba | 7.29gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 15.87gydF4y2Ba | 44.33gydF4y2Ba | 60.65gydF4y2Ba | 36.81gydF4y2Ba | 63.02 - -34.26gydF4y2Ba | 217.26gydF4y2Ba | 2.29279gydF4y2Ba |
| M03gydF4y2Ba | 43.84gydF4y2Ba | 26.09gydF4y2Ba | 64.51gydF4y2Ba | 50.76gydF4y2Ba | 9.32gydF4y2Ba | 48.37gydF4y2Ba | 38.2gydF4y2Ba | 9.59gydF4y2Ba | 74.36gydF4y2Ba | 65.1 - -74.36gydF4y2Ba | 290.68gydF4y2Ba | 2.30991gydF4y2Ba |
| M04gydF4y2Ba | 24.2gydF4y2Ba | 23.5gydF4y2Ba | 33.34gydF4y2Ba | 16.42gydF4y2Ba | 14.42gydF4y2Ba | 36.97gydF4y2Ba | 45.37gydF4y2Ba | 100.38gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 50 - 70.66gydF4y2Ba | 294.6gydF4y2Ba | 2.30002gydF4y2Ba |
| M05gydF4y2Ba | 41.39gydF4y2Ba | 24.49gydF4y2Ba | 36.9gydF4y2Ba | 22.73gydF4y2Ba | 11.61gydF4y2Ba | 8gydF4y2Ba | 11.26gydF4y2Ba | 76.66gydF4y2Ba | 17.79gydF4y2Ba | 60 - 17.79gydF4y2Ba | 250.38gydF4y2Ba | 2.39812gydF4y2Ba |
| M06gydF4y2Ba | 19.08gydF4y2Ba | 27.52gydF4y2Ba | 57.09gydF4y2Ba | 29.83gydF4y2Ba | 7.73gydF4y2Ba | 40.75gydF4y2Ba | 17.49gydF4y2Ba | 29.82gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 45.56 - -14.85gydF4y2Ba | 229.31gydF4y2Ba | 2.32257gydF4y2Ba |
| M07gydF4y2Ba | 22gydF4y2Ba | 27.04gydF4y2Ba | 37.16gydF4y2Ba | 20.76gydF4y2Ba | 2.02gydF4y2Ba | 14.36gydF4y2Ba | 32.73gydF4y2Ba | 87.42gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 50 - 39.34gydF4y2Ba | 243.49gydF4y2Ba | 2.36342gydF4y2Ba |
| M08gydF4y2Ba | 21.65gydF4y2Ba | 26.49gydF4y2Ba | 47.64gydF4y2Ba | 30.75gydF4y2Ba | 3.72gydF4y2Ba | 28.1gydF4y2Ba | 34.62gydF4y2Ba | 10.86gydF4y2Ba | 33.72gydF4y2Ba | 50 - 33.72gydF4y2Ba | 237.55gydF4y2Ba | 2.35924gydF4y2Ba |
| M09gydF4y2Ba | 12.04gydF4y2Ba | 11.82gydF4y2Ba | 26.57gydF4y2Ba | 20.39gydF4y2Ba | 19.1gydF4y2Ba | 26.1gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 53.87gydF4y2Ba | 65.59gydF4y2Ba | 74.95 - -65.59gydF4y2Ba | 235.48gydF4y2Ba | 2.19368gydF4y2Ba |
| M10gydF4y2Ba | 12.78gydF4y2Ba | 10.33gydF4y2Ba | 10.53gydF4y2Ba | 5.99gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 2.57gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 12.69gydF4y2Ba | 236.5gydF4y2Ba | 79.5 - -100.04gydF4y2Ba | 291.39gydF4y2Ba | 2.36636gydF4y2Ba |
| M11公路gydF4y2Ba | 22.12gydF4y2Ba | 10.03gydF4y2Ba | 11.24gydF4y2Ba | 13.22gydF4y2Ba | 2.14gydF4y2Ba | 3.52gydF4y2Ba | 10.46gydF4y2Ba | 28.35gydF4y2Ba | 222.53gydF4y2Ba | 68.9 - -104.28gydF4y2Ba | 323.61gydF4y2Ba | 2.39332gydF4y2Ba |
| M12gydF4y2Ba | 20.35gydF4y2Ba | 13.6gydF4y2Ba | 18gydF4y2Ba | 2.98gydF4y2Ba | 1.61gydF4y2Ba | 9.56gydF4y2Ba | 13.28gydF4y2Ba | 19.8gydF4y2Ba | 159.74gydF4y2Ba | 85.8 - -108.68gydF4y2Ba | 258.92gydF4y2Ba | 2.42207gydF4y2Ba |
| M13gydF4y2Ba | 7.19gydF4y2Ba | 6.59gydF4y2Ba | 9.28gydF4y2Ba | 9.68gydF4y2Ba | 1.52gydF4y2Ba | 6.92gydF4y2Ba | 2.98gydF4y2Ba | 52.64gydF4y2Ba | 182.67gydF4y2Ba | 98.9 - -182.67gydF4y2Ba | 279.47gydF4y2Ba | 2.12686gydF4y2Ba |
| M14gydF4y2Ba | 17.68gydF4y2Ba | 18.71gydF4y2Ba | 30.5gydF4y2Ba | 22.55gydF4y2Ba | 2.46gydF4y2Ba | 38.22gydF4y2Ba | 36.11gydF4y2Ba | 18.13gydF4y2Ba | 71.01gydF4y2Ba | 63.28 - -23.28gydF4y2Ba | 255.37gydF4y2Ba | 2.28294gydF4y2Ba |
| M15gydF4y2Ba | 23.1gydF4y2Ba | 14.42gydF4y2Ba | 8.75gydF4y2Ba | 2。2gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 4.28gydF4y2Ba | 6.94gydF4y2Ba | 38.61gydF4y2Ba | 218.9gydF4y2Ba | 67.20 - -150.58gydF4y2Ba | 317.22gydF4y2Ba | 2.45008gydF4y2Ba |
| M16gydF4y2Ba | 18.69gydF4y2Ba | 22.2gydF4y2Ba | 26.05gydF4y2Ba | 15.91gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 13.35gydF4y2Ba | 26.23gydF4y2Ba | 141.01gydF4y2Ba | 62.1 - -82.38gydF4y2Ba | 263.44gydF4y2Ba | 2.40037gydF4y2Ba |
| M17星云gydF4y2Ba | 24.27gydF4y2Ba | 17.69gydF4y2Ba | 18.33gydF4y2Ba | 4.8gydF4y2Ba | 3所示。2gydF4y2Ba | 6.39gydF4y2Ba | 15.3gydF4y2Ba | 23.35gydF4y2Ba | 164.71gydF4y2Ba | 73.8 - -38.75gydF4y2Ba | 278.04gydF4y2Ba | 2.52142gydF4y2Ba |
| M18gydF4y2Ba | 18.51gydF4y2Ba | 10.16gydF4y2Ba | 7.98gydF4y2Ba | 0.93gydF4y2Ba | 2.49gydF4y2Ba | 7.29gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 260.74gydF4y2Ba | 91.50 - -111.61gydF4y2Ba | 308.1gydF4y2Ba | 2.45534gydF4y2Ba |
| M19gydF4y2Ba | 23.01gydF4y2Ba | 13.44gydF4y2Ba | 12.16gydF4y2Ba | 9.92gydF4y2Ba | 5.81gydF4y2Ba | 8.43gydF4y2Ba | 18.82gydF4y2Ba | 33.66gydF4y2Ba | 155.61gydF4y2Ba | 81.1 - -83.48gydF4y2Ba | 280.86gydF4y2Ba | 2.40018gydF4y2Ba |
| M20gydF4y2Ba | 29.05gydF4y2Ba | 24.77gydF4y2Ba | 15.24gydF4y2Ba | 8.24gydF4y2Ba | 0gydF4y2Ba | 1.22gydF4y2Ba | 33.42gydF4y2Ba | 36.57gydF4y2Ba | 152.4gydF4y2Ba | 53.98 - -66.73gydF4y2Ba | 300.91gydF4y2Ba | 2.46801gydF4y2Ba |
由于空间限制,只有20组数据已经上市。gydF4y2Ba
煤分布片段。gydF4y2Ba
之间的关系质量频率概率和累积的数量呈现在图gydF4y2Ba
一组数据的实验结果进行了分析,发现是一致的。图gydF4y2Ba
Stress-acoustic emission-charge信号曲线的煤炭。(一)gydF4y2Ba
在图gydF4y2Ba
评估AE和电荷信号的异步现象及其主要原因,AE能量和电荷脉冲时间的积累是显示在图gydF4y2Ba
变化总AE电费积累和分形维度。(一)gydF4y2Ba
仍然是一个重要的法律一致性AE能量和电荷的一代。应该指出的是,发展阶段的AE能量的分布特征和电荷积累列出的结果非常相似。AE能量的积累电荷总量的-8.22%和3%低于1%,从原始裂纹阶段微裂纹forming-extending。生成的主要部分AE和电荷在宏观裂纹扩展阶段,积累明显增长的曲线,根据研究结果,他们都是直接相关的裂缝。因此,在这个过程中,产生的物理信号越裂缝内形成煤的数量。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
AE能量和电荷脉冲压力的进化。(一)压力峰值强度前增长。(b)峰值强度后的应力降。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
AE能量和电荷积累进化与压力。(一)压力峰值强度前增长。(b)峰值强度后的应力降。gydF4y2Ba
我们观察到,AE能量的积累与压力是一个近似的线性趋势增长。从图gydF4y2Ba
众所周知,声发射是一种弹性波伴随着裂纹扩展;更大的数量和裂缝的扩张越快,释放的能量就越多。在宏观裂纹扩展阶段,微裂隙逐渐把宏观和发展,直到完全破坏煤。在裂纹扩展过程中在装货前和甲流强度增加了AE能量。损失程度高峰之后强度高于before-peak强度和裂缝尖端应力集中远远高于后者。其传播速度相应增长和AE能量生长迅速。煤炭失败过程中,不仅矩阵粒子变形也有大量的裂纹形成和穿孔,根据岩石力学的研究。峰值强度之前,有裂缝的变形和少量煤,而高峰,大量的扩大宏观裂缝和少量的变形观测,与裂隙表面摩擦应力降。结合测试结果,我们可以考虑收取代煤期间未能被分为两个阶段:首先是在峰值应力前扩张晶格滑和不均匀变形的过程,第二个是甲流应力裂纹表面摩擦滑动的过程和晶格变形全面启动充电,后者是最重要的原因。gydF4y2Ba
基于先前的研究[gydF4y2Ba
甲流期间煤炭装运力量包括两个部分:裂纹表面摩擦滑动和晶格变形。在压力下降,剪切滑动裂纹表面的双方之间的摩擦。裂缝为研究对象,见图gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
裂缝的加载条件。gydF4y2Ba
基于摩擦滑移理论(gydF4y2Ba
用方程(gydF4y2Ba
两个接触表面的相对位移gydF4y2Ba
假设甲轴承结构弹性,仍然符合胡克定律,轴向载荷的变化(gydF4y2Ba
相对剪切滑移,导致摩擦滑动电、电荷量和应力降成正比(gydF4y2Ba
因此,结合方程(gydF4y2Ba
煤的破坏形式是不断变化的影响其离散性的特点,非连贯性,和不均匀性,这主要反映在片段的大小和质量分布。这是单轴压缩过程中更加明显,然后分形维数可以用来描述煤失败。声发射和电荷都伴随着破坏,因此,他们是前体破坏的整个过程。数据gydF4y2Ba
AE能量积累和分形维度之间的关系。gydF4y2Ba
电荷积累和分形维度之间的关系。gydF4y2Ba
分形维数较高的煤碎片意味着有更多新的表面积与煤样品分解,生成更多本机,新裂缝参与这个过程。声发射,有更多的裂纹扩展,暗示更大的裂纹形成时,它会释放更大的弹性性能,更将由传感器接收信号,因此,总AE能量积累安装与分形维数的增加。的电荷,根据前面的结论,在摩擦滑动是煤炭的主要负责生成过程,生成新的表面积的增加表明,参与更多的裂缝摩擦滑动。生成大量的标本的摩擦滑动的损伤变量在每个压力下降。分形维数是指标在煤的破坏;越是相互摩擦所产生的裂缝内煤、煤样品前的总电荷累积越多破裂。因此,电荷与分形维数相同的正相关。gydF4y2Ba
因此,声发射前兆信息和电荷可以获得煤炭样品分解和演示之前破裂。监测结果可以预测的程度和国家煤炭破碎。gydF4y2Ba
本文进行了单轴压缩实验探讨功能特点AE事件和电荷感应脉冲在失败过程中煤炭样本,片段得到的分形特征的统计方法,声发射的异同和电荷信号理论分析。可以得出以下结论:gydF4y2Ba
实验结果证实煤失败也属于统计分形研究的范畴,粉碎后的碎片有一个很好的自相似性财产在单轴加载下,可以计算出不同大小的质量和总。因此,标本的分形维数是2.085 - -2.521,最大值为2.300 -2.468,略高于岩石,影响其特殊的赋存环境和组成;分形维数越大,煤破碎的程度越高,然后是分形维数可以作为数学表达式描述煤破碎的进化过程。gydF4y2Ba
声发射和电荷信号的过程中煤炭失败与加载阶段有明显的规律性。声发射的高振幅脉冲和电荷都集中在宏观裂缝发展和扩张阶段,但它们之间是异步的特点。AE大约是相同的预处理和甲流强度;产生的电荷在前远远超过后者。基于AE能量和电荷的累积分布煤变形、声发射信号作为参考,我们从理论上分析了电荷生成过程,即产生的不均匀变形和滑动摩擦,摩擦滑动的主要因素。然后,force-electric耦合关系的理论模型。gydF4y2Ba
声发射和电荷信号积累有显著比例与分形维数的关系。结果表明,更多的新片段生成的煤中失败和破碎的程度越高,越富有的声发射事件和电荷脉冲生成的过程中,和增加信号的丰富性与煤的恶化而压力提高。因此,煤前的前兆信息可以获得样品分解,并演示了破裂。结果的进一步发展提供一个理论依据acoustic-charge复合信号监测。gydF4y2Ba
图数据用于支持这项研究的结果已经存入纸库(gydF4y2Ba
作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba
这项工作是由中国国家重点研发项目(没有。2017 yfc0804208)和中国国家自然科学基金(号。51774164,51974186,51974147)。gydF4y2Ba