文摘

至关重要的是了解电磁辐射的时频特征煤和岩石破裂过程中不同的关节角为了揭示电磁辐射(EMR)的产生机制和改善EMR预警的准确性。我们研究了煤样的EMR信号的时频特征不同的关节角。研究发现,(1)关节角的增加,样本的故障时间和峰值负载先减少后增加,postpeak失败时间逐渐减少。EMR计数的峰值显示缓慢上升,急剧上升,和一个缓慢上升的三个间隔α= 0°到45°、45°到60°,分别和60°- 90°。积累的EMR计数显示稳定的上升趋势。EMR的持续时间波形,EMR的优势频率,峰值频谱煤炭样品的数量在上升。(2)随着关节角的增加,样品的失效模式的变化从舞台上断裂主要由张力裂缝迅速断裂剪切的共存和张力裂缝,最后爆裂骨折产生大量的碎片。这也是EMR的差异的主要原因的产生机制和信号样本不同的关节角。(3)根据实验结果,我们建立了修正公式计算EMR阈值和偏差的煤和岩石的关节在不同应力环境和显示,EMR波形持续时间越长,优势频率越高,谱峰的数量越多,煤和岩石的破裂风险就越大。

1。介绍

作用下地球内部和外部的力量,地层和岩体形成褶皱,关节,错误,和其他地质结构,导致的应力状况复杂多变的地质和地下工程(1,2]。在复杂地质和压力环境中,煤岩体的强度丰富的关节显示各向异性,和EMR和其他地球物理信号生成失败过程中也明显不同,这严重影响的准确性EMR监测煤岩体的不稳定的关节。迫在眉睫的是研究煤的断裂力学特性和EMR信号差异和岩石与关节和其他复杂地质和压力条件下的缺陷。

学者在该领域的研究取得了丰硕的成果煤和岩石力学性质和地球物理信号特征与缺陷,如关节。对力学性能影响的研究中,Nasseri et al。3]研究了节理对岩体的影响强度和稳定性通过实验室实验Cai et al。4)提出了一些理论和实证方法来计算裂隙岩体的强度和变形能力,和阳et al。5]研究了关节对岩石强度的影响,发现有拉伸断裂,剪切破坏和组合在失败的过程与关节岩石样本。在这项研究中影响地球物理信号的特点,Cha et al。6)的影响进行研究关节在横波的传播速度和衰减的裂隙岩体。歌等。7)煤的微观结构和各向异性特征样本与关节CT成像和AE信号的各向异性特征进行了测试。μet al。8]发现,与关节角的变化,煤样的影响趋势显示了显著差异。李等人。9)进行了单轴压缩实验在加工成不同的角度宏观裂纹和认为宏观裂纹产生重大影响AE信号的变化规律。目前,EMR技术已广泛应用于动态灾难预警(10- - - - - -12,地震监测13,14),结构稳定性的大坝、隧道、应力状态检测、和其他领域15- - - - - -17]。然而,研究不同的煤和岩石材料的EMR信号特征与关节等缺陷。

EMR的现象是一个过程,裂缝在异构生产材料,如煤和岩石,导致电荷的积累和释放,释放带电粒子运动速度变量生成EMR的能量。EMR信号密切相关的内部结构、组成、和失效模式的煤18- - - - - -21]。这也是一个重要的原因影响到EMR应用的准确性和敦促学者深入研究。福井等。22测试了EMR的七种类型的岩石在单轴压缩下,发现EMR出现应力降和岩石的损伤和变形有关。李等人。23相信nonpiezoelectric材料和压电材料可以产生EMR,和电磁能量密度和电荷密度之间的耦合关系是确定。香港et al。24)的变化趋势发现EMR信号过程中砂岩变形后不同温度的治疗方法是不同的。歌等。25)和预制裂纹对岩石进行单轴压缩试验,发现precracks的存在降低了强度和脉冲数目的EMR信号样本的过程中失败。节理面与主应力之间的角度会影响样品的失效模式和对EMR信号特性也有显著影响。因此,它是至关重要的研究EMR的不同信号在时域和频域的煤和岩石与关节。

根据钻孔和节理面之间的夹角,七组煤样本钻和处理,包括0°、15°、30°、45°,60°、75°、90°。我们研究了EMR信号的时频特征的样本有不同的关节角在单轴压缩下,和不同的角度讨论了裂纹扩展模式和EMR生成机制。研究结果的指导意义的决心EMR预警指标的临界值进行了分析,并使用EMR频域信号的可行性评估煤和岩石的破裂风险进行了探讨。这项研究对深入揭示至关重要的产生机制和前兆法煤和岩石EMR信号的准确性和提高EMR工程地质损伤的早期预警。

2。实验设计和方法

2.1。样品制备

在这个实验中使用的原煤是取自一个煤层的影响趋势。减少样品的内部结构差异的影响的实验中,所有的样品都钻在一个煤的身体。如图1(a),煤炭样本分成7组根据煤层节理面之间的角度和水平面(α),包括0°、15°、30°、45°,60°、75°、90°。标准圆柱样品的长度100毫米,直径50毫米准备通过取心,切割和磨削。每组节理面角的样品如图1(b),每组包含三个样本,如图1(c)。

2.2。实验系统

实验系统包括加载控制系统,EMR监测系统,电磁屏蔽系统,数据采集系统,如图2。

加载控制系统采用偏航- 600电液伺服压力试验机,三种控制模式的试验力,位移和变形。试验机的刚度的主要引擎超过5000 kN /毫米,最大试验力600 kN,负载决议3 N,位移分辨率是0.3μm。它可以实时显示测试状态,与此同时绘制应力-应变曲线和应力-。

EMR监控系统采用sas - 560环电磁天线Hz-2 20 MHz的频率响应范围。它有两个频道10 kHz-10兆赫和两个DCs∼10 MHz。阻抗是50。放大器放大信号提前(80分贝),然后连接6个齿轮(8 30日,16日,4 2和0 dB)的可调衰减输出。

确保试验过程中收集的数据的准确性,消除环境电磁场对实验的干扰信号,在实验之前,我们首先确定了EMR阈值根据收集到的EMR信号处于空载状态。所有的实验都在EMR屏蔽室进行。采用GP1A电磁屏蔽室、综合屏蔽效率高于75分贝。

数据采集系统有12个数据采集通道、采样频率最高的是10 MHz, 16位的A / D转换精度。系统可以同时收集EMR、加载和其他全波形信号,实时和同步方式。

2.3。实验方案

首先,7组煤样品编号,直径,高度,和其他样品测量的参数,如表所示1。连接实验系统,调试和测试,并使其正常运行。煤样和环电磁天线应安排,这样天线放置垂直对煤样,7厘米的距离。调整出版社,将预加载设置为500 N,由位移控制加载,加载速率是55μm s⁻¹。调试后,关闭EMR屏蔽室的门。在实验之前,高速EMR数据采集系统被打开实时显示监测数据。煤样被摧毁后,保存实验数据,图像信息在实验记录。实验结束后,下一组的实验。

3所示。实验结果和分析

3.1。机械样本具有不同的特征α

大小和机械数据表所示1。针对机械特征的相似性三个样品在每一组中,我们分析了time-load曲线每组的第一个示例,如图3。有很多负载波动的time-load曲线和样品α= 0°和15°,表明断裂是伴随着整个加载过程的样本;少量的负载降低发生在样品的加载过程α= 30°、45°,这表明煤样品已经在加载过程中减少骨折;time-load曲线的样品α= 60°、75°、90°相对平滑,没有波动峰值负载前后,这表明样本被摧毁的时候达到峰值负载。

我们分析了峰值负载的平均值,失效时间,postpeak失败一次样品的不同α统计。因为煤矸石在第二个样本α= 30°,峰值负荷远远大于其他两个样品,所以它将被丢弃在统计分析。这是显示在图4的增加α峰值负载和故障时间先减少后增加。峰值负载的最大和最小值出现在α= 75°和α= 30°。最长和最短的失败也出现在的时间α= 75°和α= 30°。作为α从45°变为60°,峰值负载和故障时间大大增加;作为α变化从0°30°,postpeak失败时间下降非常然后30°后仍处于低水平。从上面的规则,它是发现,七组的机械特性的样本显示显著差异以30°、75°为划分点。

3.2。EMR的时域特征与不同的样品α

图5显示了EMR数随时间的变化规律在失败过程中煤炭样品不同α。发现的时间序列特征EMR截然不同的是由于关节角的影响。

煤炭time-load曲线和样品α= 0°和15°波动极大峰值前后,有明显的postpeak阶段。负载降低通常伴随着大量EMR计数,和EMR计数更没有负载下降阶段。postpeak阶段,积累与更大的负载降低EMR数量显著增加,有一个良好的EMR计数和负载之间的相关性下降;为α= 30°、45°煤样品,有少量的负载降低高峰负荷之前,和EMR计数阶段没有负载降低更比α= 0°和15°煤炭样本。当发生的主要故障,EMR数量突然增加,达到最大值;为α= 60°、75°和90°煤样品,煤样的负荷强度较高,time-load曲线波动很小,只有一个负载峰值点,有很强的影响趋势。从各个角度煤炭样本信号的共同特征是,EMR计数的峰值出现在煤炭样品的主要故障的位置。

为了定量分析关节角的影响在EMR时域信号特征,EMR计数规则变化的峰值和EMR积累数量与煤样的关节角,如图6。作为α增加,EMR计数的峰值作为一个整体在上升,但在不同阶段有显著差异。从0°30°,EMR计数的峰值增加缓慢。从45°到60°,EMR计数的峰值大幅增加。当α超过60°,EMR计数的上升趋势变得缓慢。不同的EMR计数的峰值,积累EMR计数增加稳步的提高α。

3.3。EMR的波形和频谱特征不同α

图7显示了EMR波形不同的样品α目前主要的失败。主要失败的时刻被定义为负载曲线下降的时候瞬间降到零,EMR数量突然增加,煤炭样本失去稳定(26]。当关节角很小,如α= 0°和15°,EMR波形振荡相对稀疏,这表明有明显的EMR信号中的低频组件。当α大,如α= 75°和90°,EMR波形变化更密集,这表明有明显的EMR信号中的高频组件。

EMR波形持续时间是时间触发的EMR波形的波形衰减稳定值。持续时间和最大振幅的EMR EMR波形的波形是重要的特征,以及与角的变化趋势如图8。煤样的EMR波形持续时间α= 0°是最小的,这是22.8毫秒。煤的EMR波形持续时间和样品α= 15°、30°、45°是22.1 - -27.5 ms。煤的EMR波形持续时间和样品α= 60°和75°是33.1 - -34.5 ms。电磁辐射波形的最大持续时间是42.1毫秒,和最大振幅为3.029 V。的增加α的波形持续时间和最大振幅EMR显示一个明显的上升趋势。

的频域特征EMR含有丰富的煤炭样品损坏和故障信息。进一步分析影响关节角的EMR的频域特征引起的煤样品失败,小波滤波后,EMR的频谱在0-50 kHz频率分布是通过使用快速傅里叶变换(FFT),如图9。

从图可以看出9相比之下,高频信号,低频EMR信号携带更多的EMR特点,和EMR能量集中在0-20 kHz。优势频率的变化趋势和谱峰的数量的EMR角如图10。我们可以看到,占主导地位的EMR的频率和频谱峰值的数量随着的增加而增加α。根据节理面和加载主应力之间的角度,分为七组煤样品煤样品近平行角(α= 0°-15°),煤样与倾斜角(α= 30°-60°),和煤炭样本近垂直角度(α= 75°-90°)。占主导地位的EMR的频率和频谱峰值的数量在不同类型的煤炭样本有很大的不同。煤的EMR的主要频率和样品近平行角相对较低,主要分布在1 - 2 kHz,谱峰的数量大约是2 - 3;煤样的倾斜角度,EMR的优势频率约为1.7 5 kHz,谱峰的数量是6;煤炭样品近垂直角度,EMR的优势频率较高,为5 - 9 kHz,和谱峰的数量大约是11。

3.4。EMR信号的时频响应机制不同α

EMR的特征有较大的差异信号的煤和样品不同的关节角,并定期更改显示的增加α。我们从的角度分析了不同裂纹扩展模式和EMR生成机制。

根据前面的研究结果,在单轴压缩下,传播模式在煤和岩石的裂纹尖端主要分为翼裂纹,antiwing裂缝和次生裂缝27,28]。其中,翼型裂纹和antiwing裂缝一般张力裂缝(T)和二次裂纹一般剪切裂缝(S),如图11,当α≤15°,加载方向几乎是平行于关节表面,沿节理面和拉伸断裂更可能发生在煤样。裂缝主要张力裂缝,有更少的剪切裂缝。当30°≤α≤60°,煤样的负荷分量进行垂直节理面逐渐增加,并造成的剪切裂缝的负荷分量垂直节理面也增加。随着负载的增加,剪切裂纹拉伸裂纹逐渐连接,和联合行动使样品失败。当75°≤α≤90°,加载方向几乎是垂直节理面,和加载组件的平行节理面很小,只起到裂缝的作用,使煤样不容易沿节理面产生滑动破坏。煤样容易积累大量的弹性能量加载失败之前,它是容易破裂失效的时候加载极限,和失败主要是大量的小关节骨折(F)和垂直关节。

目前,主要有理论EMR信号生成煤和岩石的机理,如裂纹扩展效应(29日],压电效应[30.,31日),摩擦效应(32),电动力学效应(33],热电子发射效应(34]。通过分析裂纹扩展模式和力学性能的煤与不同的样品α,我们相信裂纹扩展效应的主要因素影响的差异EMR样品具有不同的信号α。裂纹的传播模式的差异会导致自由电荷生成和分离,从而导致EMR信号的不同特征。

在裂纹扩展的过程中,EMR信号主要是由电荷振荡引起的。负荷下裂缝传播不稳定,并积极和消极指控是墙上的裂纹生成和积累。打开和关闭的裂纹和裂纹墙的振动,积极的和消极的指控继续分离和辐射能量以电磁波的形式,从而导致EMR [34,35]。如数据所示11和12样品用不同的失败α有不同的裂纹扩展模式,导致不同的EMR信号生成机制。当α≤15°,煤炭样品的失效模式主要是拉伸断裂,和少量的拉伸裂缝会导致样品损失,所以积累了EMR数量很小。图12(一个)表明,在拉力的作用下裂缝,裂缝的两面之间的距离逐渐增加;也就是说,裂缝宽度逐渐增加,和电荷振荡的频率逐渐减少。此外,postpeak失败的样品时间长,裂纹扩展和振荡强度相对较低,所以EMR的优势频率很低,光谱的峰值是更少。当30°≤α≤60°的共同作用下剪切裂纹拉伸裂缝,裂缝和EMR-accumulated计数的煤炭样品的数量逐渐增加。图12 (b)表明样品的失效模式主要是剪切破坏,并积极和消极指控沿着剪切裂纹表面滑动,不断充电和放电,向外释放能量以电磁波的形式。此外,postpeak失败样品时间大幅减少,以及裂纹扩展和振动强度增加。因此,EMR的优势频率增加,谱峰的数量也逐渐增加。当75°≤α≤90°,因为加载方向几乎是垂直于关节表面,煤炭样本将破裂,产生大量的裂缝和小的骨折,所以积累了EMR计数的值也增加到最大值。郭和刘29日和太阳等。30.]还发现大量的碎片溅出岩石爆发后,提出表面的碎片被指控,和电子脱离表面的碎片和向外排放,导致了EMR的信号。图12 (c)显示,因为大小和形状不规则的碎片后煤样例失败,表面电荷分布也更加复杂。根据Frid et al。13),EMR频率和裂缝宽度之间的关系 ,在哪里EMR的频率,裂缝宽度,是瑞利波速度。当裂缝宽度很小,EMR的优势频率较高,和EMR的峰值谱更复杂是因为破坏碎片的复杂性。

4所示。应用程序和讨论

4.1。案例分析的地质条件的影响

由于折叠(向斜、背斜)的影响,错误,和其他地质结构,主应力方向的斜率有节的煤炭,水利工程、隧道等地下工程是不确定的。通过以上研究,可以得出结论,有巨大的差异在EMR监测和早期预警信号在不同压力和联合主要平面角度。以忻州姚明矿山为例,论述了地质结构和工程建设的影响因素对EMR信号产生的地质工程与关节的不稳定和失败。

如图13忻州姚明我位于东北大同煤田向斜的结束。因为忻州么我是一个煤矿浅埋,垂直压力很小。因此,水平应力引起的向斜构造的主要压力是忻州姚明矿井煤层。忻州的煤层姚明我几乎是水平的,煤层内的节理面也接近水平,所以在大多数情况下,煤层的主要压力的方向大致平行于关节表面。

图(14日)显示了数值模拟模型建立的实际情况忻州么我的。大量的煤柱将离开在采矿过程中面板。上覆煤柱的应力集中将生成和传播煤层越低,导致垂直应力集中在较低的地区支柱煤层部分。因为双方的地区支柱下煤层采空区和巷道的水平构造应力区支柱是大大减少,和的主要应力区支柱成为垂直煤层的垂直压力和关节表面。在图(14日),我是拦截从数值模拟的结果。在部分地区支柱我受垂直压力生产塑料失败,如图14 (b)。在实际工程中,双方的道路将会受损,现场故障如图14 (c)。

从数据我们可以看到13和14同样的工程,有节的煤和岩石的主要压力会改变90°由于构造应力和工程施工因素的影响。同时,电磁辐射的产生机制和信号特征信号的过程中,煤岩也失败改变很明显,和电磁辐射的临界值预警指数需要及时纠正。

4.2。意义确定EMR的早期预警指标

实践表明,EMR可以反映煤岩的应力状态,和EMR的强度密切相关的压力。EMR信号明显的高压力的地区或领域的严重的变形和断裂。煤和岩石的破裂风险可以通过使用EMR[评估和预测33,36]。目前,EMR预警主要使用临界值法和偏差法,这些早期预警指标的现场应用有很大的差异(19,37- - - - - -39]。学者们主要通过实验室实验研究这些差异的原因,认为这些差异的主要原因是煤和岩石的物理力学性质和应力情况。例如,Frid和Vozoff32)在实验指出,生成的EMR能源煤与不同的优势有很大区别。单轴抗压强度越大,峰值强度越大的EMR过程中生成失败。本文实验结果(图15)还表明,煤样的单轴抗压强度,EMR计数的峰值,并积累了EMR计数失败过程中产生相同的煤样在不同加载主要关节表面的压力和角度有很大的不同。随着关节角的增加,EMR计数的峰值和EMR积累数量逐渐增加。EMR最大数量的峰值(1181)和最大累积EMR计数(2171)时观察到的α= 90°,最小值是68年和381年,分别的时候α= 0°;的最大值最小值的17.37和5.70倍,分别。实验结果表明,关节的存在有很大影响的预警临界值的确定EMR监控。因此,根据不同的节理面角度的实验结果,我们建议修改EMR警告阈值在不同压力环境。

临界值的方法是基于特征参数的平均值的EMR监控n时报在正常条件下,没有危险的岩石破裂,和k次的平均值作为预警临界值。当监测数据大于临界值的警告信息,据预测,煤和岩石的破裂风险将增加(40]。临界值E_l预测公式如下: 在哪里EEMR的平均值是振幅(或脉冲)监控n次;n和k选择值根据煤层条件;一般来说,n> 10,k-1.5 = 1.4。

偏差方法预测煤和岩石的破裂风险的程度,分析监测数据之间的偏差E_我在正常情况下,平均数据(40]。偏差的预测公式一个_l如下:

如图15不同加载下,相同的煤,主要强调和节理面角度,EMR的最大和最小值计算的峰值被观察到α= 90°和α= 0°,最大值最小值的5.7倍。积累了EMR的最大和最小值计算被观察到α= 90°和α= 0°,最大值最小值的17.37倍。这种差异超出的范围k-1.5 = 1.4。在这种情况下,系数k和平均值EEMR的监控n次不能有效预警临界值的计算。摘要加载主应力方向之间的角度和联合表面作为主要的变量,和的值λ介绍了修改EEMR的临界值法和偏差。 在哪里λ平均修正系数的EMR基于加载主应力之间的角度和实验条件下节理面为主要变量;e_我EMR信号值来衡量实验参照的压力和节理面条件监测目标位置;e_n电磁辐射信号值来衡量实验参照位置应力和关节表面状况的N*电磁辐射监测。

然后,预警计算公式的修改EMR临界值法和偏差法如下:

4.3。讨论破裂风险的评估的EMR频域信号

正如上面提到的,强度、振幅计算,和其他时间序列的索引EMR通常用于预测煤岩动力灾害,EMR的波形和频谱特征很少用来警告或评估煤和岩石的破裂风险。歌等。41)的计算公式推导出EMR信号频率范围在煤和岩石变形和破坏的过程中,揭示了EMR信号频率之间的关系加载煤和岩石及其物理参数。根据黔等进行的研究。42和郭和刘29日),煤和岩石的EMR频率密切相关的物理和力学参数,如弹性模量、泊松比、密度、和裂纹尺寸。邱et al。35]认为低频EMR的破裂,色散(1 kHz)信号对岩爆非常敏感和低频EMR的可行性分析岩爆的警告信号。基于这些研究,可以认为潜在意义的频域信号预警或煤和岩石的破裂风险评估。

七组煤样品分为三组:煤样品近平行角(α= 0°-15°),煤样与倾斜角(α= 30°-60°),和煤炭样本近垂直角度(α= 75°-90°)。随着关节角的变化,EMR信号波形和频谱特征产生显著的规律性。随着关节角的增加,EMR的持续时间波形,占主导地位的频率,和谱峰的数量增加。煤样品近平行的角度,EMR的优势频率大大降低,主要分布在1 - 2 kHz,谱峰的数量大约是2 - 3;煤样的倾斜角度,EMR的优势频率约为1.7 5 KHz,谱峰的数量是6;煤炭样品近垂直角度,EMR的优势频率大约是8 kHz,和谱峰的数量大约是11。波形是由45°有限的持续时间的持续时间0°≤α< 45°女士从22.8到29.6的45°<α≤90°波形从27.5到45.2 ms。

大量的实验研究研究煤和岩石的破裂风险表明,单轴抗压强度越大、postpeak失败时间越短,煤岩体的破裂风险越大(43,44]。钻井切割方法的理论基础破裂的风险评估显示,在同一煤层,压力越大,越煤粉钻和破裂的风险就越大45]。数据4,15,16表明,随着加载主应力的增加和节理面角,煤的单轴抗压强度变得更大,postpeak失败时间变短,片段的尺寸变得越来越小。因此,对于同一种煤、加载主应力和角度α的节理面与煤岩破裂的风险呈正相关。

自从EMR的频域信号与角度有正相关α之间的关系,我们可以建立EMR频域特征和煤和岩石的破裂风险评估:EMR波形持续时间较长时,占主导地位的频率较高,和谱峰的数量较多,煤和岩石的破裂风险更大。因此,它是可行的使用EMR的波形和频谱特征评估煤和岩石的破裂风险,这是至关重要的充分考虑缺陷如节理面之间的角度和主应力在使用EMR的波形和频谱特征评估煤和岩石的破裂风险。

5。结论

我们测试了煤样的力学性能和EMR响应规律不同的关节角和研究煤样的EMR信号的时频特征不同的关节角。从裂纹扩展模式的角度和EMR生成机理、规律的区别,探讨了EMR的指导意义的监测和评价煤和岩石的破裂风险进行了分析。结论如下:(1)煤样的EMR时域特征与不同的关节角是明显不同的。EMR计数的峰值显示缓慢上升,急剧上升,和一个缓慢上升的三个间隔α= 0°-45°、45°-60°,和60°-90°,分别,而累积EMR计数显示稳定的上升趋势。(2)与关节角的增加,煤样的EMR波形持续时间女士女士从22.8增加到45.2。EMR的优势频率增加从1千赫至9 kHz,和谱峰的数量从2增加到11。(3)与关节角的增加,EMR的生成也逐渐从紧张和剪切滑移裂缝的破裂失败。这是EMR信号的差异的主要原因的煤样不同的关节角。(4)关节的存在有很大的影响的预警临界值的确定EMR监控。EMR波形持续时间越长,越高的主导频率和频谱峰值,煤和岩石的破裂风险就越大。研究结果具有重要意义的multimeans评价煤层破裂风险和改善EMR的准确性监控煤和岩石的破裂风险。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。