文摘

煤的损伤演化伴随着声发射(AE)信号的生成。通过AE响应特性的分析和研究煤的变形和破坏,它有助于揭示起始,传播,微裂隙的断裂演化煤。在这个工作中,以无烟煤为研究对象,煤的基本力学参数样本通过超声波试验和单轴压缩实验。同时,AE煤样单轴压缩时的响应特性是通过AE实验。结果表明,当密度低,煤样的波速随密度的增加而减小。密度高于一定值时,煤样的波速随密度的增加。通过超声波速度的测量,发现有一些不均匀性和各向异性在原煤样品。环数、能源统计和AE事件随着时间的推移,在单轴压缩过程近似正态分布。AE事件集中在弹性阶段、屈服阶段,能量振幅较高塑性阶段的AE事件。与环数和能量数量相比,AE事件有很好的定位功能,可以更好地反映进化的煤样单轴压缩时的内部裂纹。

1。介绍

与煤炭资源逐渐进入深部开采阶段,复杂环境下的“三辊式和one-disturbance煤和岩石更容易断裂,失去稳定性,导致更多的岩爆、煤与瓦斯突出等动力灾害(1- - - - - -4]。此外,近年来,煤气复合动态灾难,它显示了煤气爆发和岩爆的特点,吸引了越来越多的关注。也日益严重,已成为影响中国能源安全的主要灾难(5- - - - - -7]。煤是一种复杂的非均质物质,有许多裂缝和毛孔内的煤炭等微观结构(8,9]。当强调,这些微观结构变形,应力集中,和失败会发生,和存储的应变能将以弹性波的形式公布,这是在压力下煤和岩石的声发射现象(10- - - - - -12]。AE信号在煤的失败反映了微观破坏煤和煤的进化损害密切相关。通过深入分析AE信号在煤炭损失,内部微观结构的变形和断裂过程的煤可以使倒转,这有助于揭示煤损伤的演化规律和提供参考的理解机制,预测、预警煤气爆发,岩爆,煤气复合动态灾难。

国内外许多学者进行了许多基础研究工作的特点,AE的过程中煤炭损失。Shkuratnik et al。13]研究煤和岩石单轴载荷作用下的声发射特征通过实验。定位AE源的煤样单轴压应力下,濑户et al。14)指出,AE源分布沿裂缝带。Vishal et al。15]研究了煤的力学性能基于AE方法和调查公司的影响₂和水分处理对煤的强度。香港et al。16- - - - - -18]介绍了AE临界慢化理论的煤。他们提出,AE数字和能源将增加气体压力的增加,而AE参数的关联维数显示递减的趋势。杜et al。5)系统地研究了煤岩的AE特征相结合。江et al。19]研究了AE特征和能量耗散分级循环加载条件下的煤。在江的工作,它的变化表明,AE分级循环加载条件下的煤可以基本上现在煤炭损失的结果。歌等。20.)研究了基于AE loading-direction-dependent各向异性单轴压缩下的煤炭技术。他们还调查了累积绝对AE能量和各向异性角之间的关系。从以往的研究结果,研究主要集中在AE参数的演化特征和识别前兆信息的传统煤和岩石的损伤。事实上,AE的空间位置是最直观的反映材料损伤的演化过程,还有AE的空间演变规律的研究相对较少。目前,很多早期预警研究AE煤岩动力灾害是基于煤气爆发和岩爆,和一些研究AE关注煤气复合动力灾害的预警。此外,煤和岩石的声发射理论是不完整的。大量的系统实验研究的AE仍需要揭示AE信号之间的关系,煤和岩石的破坏和AE的时空演化特征分析煤和岩石的破坏,这将为监测和预警提供理论指导和岩石的失稳和破坏的声发射。

基于上述分析,在这个工作中,以无烟煤为研究对象,原煤的基本力学参数样本通过超声检测试验和单轴压缩实验。同时,AE原煤样品在单轴压缩过程的响应特性是通过AE实验,为AE监测和预警提供理论指导的煤岩动力灾害的失败。

2。煤炭样品和实验系统

2.1。煤炭样品的收集和准备

无烟煤样本用于实验收集从3313工作面3 #煤面板在唐安煤矿、山西省金城。收购位于煤壁,这是182远离工作面推进时停止线。60米∼70米的范围从3313年的轨道巷工作面被选为煤炭块且没有明显的裂纹和良好的密实度。煤炭收集后立即包装的保鲜薄膜,防止风化煤。在煤炭的运输,几层的泡沫膜包裹,防止碰撞的煤炭块和破坏原始的关节和创建新的裂缝裂缝。所选大原煤第一次被切成一个102毫米×51毫米×51毫米长方体岩石切割机。然后,煤炭样本的六个面抛光双头磨床。通过抛光,不均匀的煤炭样品的六个面小于0.01毫米。最后,标准的煤炭样本用于单轴压缩和AE测试得到,如图1。

2.2。超声波测试

超声波测试进行所有标准数据集样本,与最近的波速和几个样品是选择机械实验和AE实验,确保这项工作的结论是合理的、可靠的。ZBL-U520非金属超声波检测仪是用于超声波测试(图2),它的声音时间测量精度±0.05μ年代。其声音的时间测量范围是0∼600000μ年代。放大器带宽是10 kHz∼250 kHz和接收灵敏度小于30μ年代。首先,用游标卡尺测量长度,宽度,和高度的煤炭样本,电子秤是用来测量样品的质量。然后,ZBL-U520非金属超声波探测器是用来测量超声波穿过煤样的波速,和平均值测量三次在每个位置。检测位置如图3。最后,基本尺寸,质量,体积,密度,和超声波波速的煤样品,如表所示1。

从表可以看出1八原煤样品的密度是1.44到1.78克/厘米³,平均1.55克/厘米³。煤样的密度变化很大,样品的密度的方差是0.02。的主要原因原煤样品的密度差,除了煤炭矩阵,原煤样品还含有矿物质如石英、方解石、铁白云石在不同的比例。八的超声波波速原煤样品1.48∼3.25公里/秒,平均为2.05公里/秒。超声波波速变化很大X方向,一个伟大的方差为0.35。的波动Y和Z方向相对较近,方差是0.16和0.17,分别表明节理裂隙的分布和矿物质的原煤样品呈现明显的方向性。当原煤样品的密度小于平均密度为1.55克/厘米³,有一个大约密度和波速之间的负相关。随着原煤样品的密度增加,石英和其他矿物质逐渐增加的内容。石英和其他矿物质主要分散在原煤样品,导致更多的煤和石英之间的夹层,从而减少超声波的传播速度在原煤样品。当密度高于平均密度为1.55克/厘米³,有一个大约密度和波速之间的正相关关系。随着原煤样品的密度不断增加,矿物,如石英进一步增加的内容。相对集中分布区域形成的原煤样品减少夹层的数量,从而提高原煤样例的超声传播速度,如图4。

2.3。机械试验和AE实验系统

加载系统中使用的机械实验wdw - 100 e电子多功能微机控制试验机的北京计算中心。系统可以进行单轴压缩,巴西分裂,绘画、弯曲、剪切等试验的煤和岩石。最大负荷100 kN,误差小于±0.5%,符合基本要求的原煤试样的单轴压缩试验。AE系统PCI-2系统美国物理声学公司(PAC)。该系统有一个内置的是18位a / D转换器,哪个更适合低烈度和低门槛(dB) 17日设置。它有4个高通和低通滤波器。系统的频率范围是1 kHz∼3兆赫,和波形采样率高达10 m / s。有八个可选参数PCI-2渠道。每个通道都有16位A / D转换器,而速度是10000 / s。该系统可以实现多个FPGA的并行操作。 In addition, the system can also be used as a digital signal processing card and provide LabVIEW/C++ driver development program.

首先,BX120-3CA应变仪在中间的两个相邻的原煤样品。网格应变计的大小是3×2毫米,抵抗是119.8±0.3Ω,灵敏度系数为2.08±1%。然后,用万用表检测的电阻应变计。如果电阻范围是119.5∼120.1之间,应变仪完好无损;否则,应变仪应更换。BX120-3CA应变片的粘贴方法如图5。

在完成上面的基本准备工作,噪音在实验环境中进行了测试。测试后,AE实验系统的门槛是固定在45分贝。共振频率是100 kHz∼400 kHz。采样率是1议员和六个传感器被用来收集和本地化AE信号。其中,传感器nos。1、2、3都位于10毫米的上边缘原煤样品,和传感器。4、5和6是位于10毫米下缘的样本,如图6。六个AE传感器通道参数和三维定位设置如表所示2。

为了使调查的六个AE传感器与原煤样品充分接触,凡士林作为偶联剂修复传感器表面的原煤样品削弱AE信号的衰减。与此同时,防水胶带是用于辅助修复。原始煤样单轴压缩加载系统和AE测试系统如图所示7。

3所示。实验结果

3.1。单轴压缩试验

wdw - 100 E万能试验机是用来进行单轴压缩试验,和原煤的基本力学参数样本,如全应力-应变曲线、抗压强度和泊松比。在单轴压缩过程中,加载速度是0.2毫米/分钟,煤样的应力-应变值不断记录,直到煤是损坏的。同时,原煤样的压力通过万能试验机的压力传感器,压力是通过应变片的应变仪与原煤样品。

进行单轴压缩试验样本号。0,2,4,5,6,和原煤样品得到的应力-应变曲线,如图8。结果表明,五个样品的单轴抗压强度是9.31 MPa, 6.32 MPa, 7.70 MPa, 13.92 MPa,分别和10.06 MPa。五个样本的线性弹性模1.79绩点,1.29的绩点,1.30的绩点,平均绩点2.00,和1.69的绩点,分别。泊松比值的5个样品是0.34,0.31,0.33,0.30,和0.35,分别。

煤的体积弹性模量和剪切模量可以表示为 在哪里G剪切模量和吗K体积弹性模量。E杨氏模量和吗μ泊松比。

根据方程(1),体积弹性模量之间的关系,剪切模量,泊松比可以获得

泊松比的煤主要分布在0 - 0.5。通过进一步整理方程(2),可以得到以下公式: 在哪里η剪切模量的比例吗G对体积弹性模量K( )。μ泊松比。鉴于泊松比的范围是0 - 0.5,一系列的值η是0 - 1.5。

材料泊松比的煤不仅有关G和K而且内摩擦角。太阳(21]推导出连续介质岩体的剪切破坏强度准则针对摩尔-库仑强度准则的基础上:

此外,张(22]研究了泊松比、内摩擦角有深度和呈现 岩石的脆性破坏。因此,可以看出,的值μ和φ直接影响到故障类型的材料。

根据方程(1)- (4),基本的泊松比和内摩擦角之间的关系,如图9。

如果材料的屈服过程满足莫尔-库仑准则,单轴抗压强度之间的关系和凝聚力和材料的摩擦角 在哪里单轴抗压强度,MPa。c凝聚力,MPa。

最后,五个煤样的基本力学参数可以通过单轴压缩试验,计算如表所示3。

结果表明,尽管所选原煤样品取自同一块煤和波速相对一致,力学性能仍然是不同的,这进一步证明了煤的异质性。启蒙运动对我们来说是,为了减少实验误差,需要选择更多的煤炭样本重复实验的基础上,经济和方便。

3.2。AE响应特性

AE试验和单轴压缩试验同时进行。由于AE仪器的失败,我们没有收集到所有的AE信号的过程中单轴压缩试验。只有AE响应信号的原煤样品号。0,2,4,5收集。因此,原煤样品nos的AE响应特性。0,2,4,5只分析了这项工作。

3.2.1之上。环数AE信号的分析

AE信号的环数是指AE信号的次数超过设定的阈值,可以大致反映了信号的强度和频率。AE环数之间的关系,时间和轴向压力,如图10。

从图可以看出10环数随着时间在单轴压缩过程近似正态分布。AE环数是主要集中在线性弹性阶段和塑性变形阶段的原煤样品,和圈数的最大值出现在塑性变形阶段的原煤样品。累积环计数值的变化的变化规律符合原始煤样单轴压缩时的轴向应力。根据煤的全应力-应变分区,应力-应变关系与压实,形成,发展,和内部裂纹的扩张,和相应的脉冲形成弹性波压实过程中,裂缝的形成、发展和扩张。通过分析环数的变化特征,形成,发展和扩张的特点,内部裂缝原煤样品可以获得。

3.2.2。AE信号的能量特征分析

AE信号的能量相对能量或相对强度的反射AE事件和由阈值影响较小,操作频率和传播特征。AE能量之间的关系数和轴向压力和原煤试样在单轴压缩的时间如图11。

从图可以看出11能源的数量随着时间的推移在单轴压缩近似正态分布。AE能量计算主要集中在线性弹性阶段和塑性变形阶段的原煤样品,和圈数的最大值出现在塑性变形阶段的原煤样品。能源统计和其累计值接近单轴压缩轴向应力变化过程。因此,能源和环数都可以反映的形成,发展,裂缝的扩展原始煤样单轴压缩过程中。

3.2.3。事件AE信号的分析

AE事件指的是当地的内部材料的变化,可以反映AE的总量和频率。它们通常由一个或多个事件的影响,主要是用来评估活动和AE源的浓度。AE事件和轴向应力和时间的关系的原煤样品在单轴压缩图所示12。

从图可以看出12在单轴压缩的AE事件时间仍近似正态分布。AE事件主要集中在线性弹性阶段和塑性变形阶段的原煤样品,和AE事件的最大值发生在塑性变形阶段的原煤样品。的变化累积AE事件也接近原始煤样单轴压缩时的应力变化规律。AE事件及其累积值仍接近环数和累计值。与环数和能量计算相比,AE事件可以更好地反映形成,发展和扩张的原始煤样单轴压缩时的裂缝。

为了更直观地显示AE事件与时间和空间的演化规律的单轴加载下原煤样品和原煤样品的轴向应力加载过程的60%,95%,和100%的最大抗压强度作为节点,原煤样品的应力状态分为四个阶段。他们在弹性阶段(0∼60%)、屈服阶段(60%∼95%),塑料(95%∼100%)阶段,分别和postpeak阶段。AE事件及其振幅特征在不同阶段统计分析,如图13。

数字1、2、3和4的彩色条纹图12代表了弹性阶段(0∼60%)、屈服阶段(60%∼95%),塑料(95%∼100%)阶段,分别和postpeak阶段。四个球体直径不同,代表不同的能量振幅AE事件。根据最后的统计,AE事件的数量在弹性阶段的四个原煤样品是401年,324年,120年和64年,和平均能量振幅是69.28,63.58,64.82,和66.52,分别。AE事件在屈服阶段是705年,166年,1046年和177年,和平均能量振幅是54.43,63.84,64.45,和66.51,分别。136年AE事件在塑性阶段,1,63,31个,平均为69.28,63.58,64.82,和66.52,分别。86年能源振幅69.54,,64.21,和69.94,分别。AE事件的数量在postpeak阶段是在125年,16日,39岁,11日,和平均能量振幅为67.68,72.13,64.64,和73.10,分别。从图可以看出13AE事件主要集中在弹性阶段、屈服阶段。在这些阶段,最初的断裂经历了压实,然后打开的过程。然而,在塑性阶段,AE事件的数量很小,而振幅很大的能量。这是由于新骨折的形成和AE事件能量的增加幅度。结果表明,AE事件有很好的定位功能,可以准确地定位AE事件的特定位置和更好地反映内部裂纹的演化规律在原煤样品单轴压缩。

4所示。讨论

现有的研究结果表明,煤与瓦斯突出的发生和岩爆具有高度的意外23- - - - - -25]。因此,煤气爆发和岩爆预测和预防。事实上,大部分的煤与瓦斯突出和岩爆事故存在某些前兆特征之前发生,如煤炭破裂的声音,剥落,煤体位移。前人已经做了很多研究在这个领域。同样,发生煤气复合的动态不稳定引发的灾难也是煤和岩石。至于煤气复合动态灾难,煤和岩石的失败之前,它仍然会释放,产生大量的AE信号,研究具有重要的现实意义的AE进化法在煤和岩石的过程中损坏。在这项工作中,我们获得了无烟煤的AE响应特性在单轴压缩和集中在环数的异同,能源统计和AE事件单轴压缩过程中随着时间的推移。在单轴压缩所有这三个AE参数随时间近似正态分布,他们都可以稍微反映煤岩断裂过程中裂纹的演化过程。然而,通过AE事件的定位研究,发现AE事件有很好的定位功能,可以准确地定位特定位置的AE事件和更好地反映内部裂纹的演化规律原煤样品在单轴压缩。因此,预防煤气工程实践的复合动态灾难,AE事件可以作为一个主要的AE特征参数。 The results of spatial location of AE events in front of the working face could be used to predict the fracture and instability of coal and rock, which is also conducive to the prediction of coal-gas compound dynamic disaster and improve the accuracy of its prediction. The preliminary study of this work is supposed to suggest researchers to study in depth the mechanism of coal-gas compound dynamic disaster using AE technology.

这项工作的研究也表明,尽管所选原煤样品取自同一块煤,力学性能仍然是不同的。因此,AE信号可能跳大分散。启蒙运动对我们来说是煤气复合动态灾难的预测煤炭利用AE特征也应该基于长期监测。在这部作品中,煤和岩石的声发射特征的过程中煤气复合动态灾难只进行实验室规模,和该领域规模测试还没有设计。在未来更深入研究煤气复合动力灾害的机理基于AE技术是必要的。此外,连续规模现场监测AE信号的过程中煤气复合动态灾难是我们今后研究的重点。

5。结论

(1)同样的原煤样品,有一些不同的波速度在三个方向,这表明原始煤样具有一定的不均匀性和各向异性。(2)环数、能源统计和AE事件单轴压缩过程中随时间近似正态分布,和这三个参数接近轴向压力的变化规律在单轴压缩的煤炭。通过这三个参数的变化特征,形成,发展和扩张的特点,内部裂缝原煤样品可以获得。(3)AE事件集中在弹性阶段、屈服阶段,能量振幅较高塑性阶段的AE事件。与环数和能量计算相比,AE事件有很好的定位功能,可以更好地反映进化的原始煤样单轴压缩时的内部裂纹。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由科技创新项目的中国能源投资公司(SHJT-16-24),中国国家自然科学基金(51804161,51804161,51864045),毕节地区科技的联合基金项目(G[2019] 6),贵州青年科技人才成长基金教育部(肯塔基州[2019]154号),和贵州科技支持计划([2017]2820)。