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“煤岩灾害前兆预警基础研究”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“煤岩灾害前兆预警基础研究”主题论文。

行业视野: 安全
类别; 143个
关键词; 141位
专家; 34篇
论文; 37023IP
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复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

作者(Author)：杨桢, 苏小平, 李鑫

摘要：为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照 1 ∶ 1 ∶ 1 比例制备复合煤岩试样,采用 0.1,0.3, 1.0 mm / min 三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在 0.8 以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短, 信号特征为阵发性的,当以 0.1 mm / min 速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm / min 速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂 SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了 SCT(stress-electricity-thermal)耦合模型。针对 12 组试样进行试验, 数据拟合结果表明:SCT 模型参数 n,b′的数据拟合精度较 SET 耦合模型 m,b 稍高,复相关系数基本均在 0.9 以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用 SCT 耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。

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煤炭学报

2019年第09期

900

377
煤体单轴压缩感应电荷时频演化规律与失稳破坏电荷评价指标

作者(Author)：吕进国, 张建卓, 丁鑫, 潘一山, 唐治, 王学滨

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煤炭学报

2019年第07期

1370

443
冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

作者(Author)：杨仁树, 许鹏, 景晨钟, 范军平, 方士正, 张航

摘要：针对层状砂岩的各向异性，探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件，利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验，并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看，层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时，圆盘试件在加载端处首先产生应变集中，并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展，最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时，圆盘试件中间首先形成多个应变集中区，表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹，并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通，最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时，圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区，由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体，因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出，在相同加载速率下，垂直层理试件的强度最高，水平层理试件的强度最低，倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高，不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征，但与无层理砂岩相比，含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外，层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响，受剪应力的影响，倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。

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煤炭学报

2019年第07期

1124

415
三点弯曲作用下不同粒径组成的类岩石材料声发射特性试验研究

作者(Author)：赵奎, 周永涛, 曾鹏, 卢春燕

摘要：为探讨粒径组成对三点弯曲受拉破坏材料的声发射(AE)特性的影响规律,制备了4种粒径的类岩石材料试件,分别进行三点弯曲声发射试验,分析了各试件加载过程中的力学特性和声发射特性。研究表明:类岩石材料的三点弯曲荷载-位移曲线经历非线性和近似线性2个阶段;随着粒径的减小,峰值荷载和到达峰值荷载时的声发射累计事件数均呈增大趋势,声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值r的最大值也呈减小趋势,说明粒径越小产生相对高能量的声发射事件越多,振铃计数的关联维数D值变化幅度呈减小趋势,同时,到达最低点时的相对荷载水平越高。r值升高后再次降低到持续的低值阶段为孕育主破裂阶段,可将D值的最低值作为主破裂前兆点。

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煤炭学报

2018年第11期

888

391
煤体破裂分形特征与声发射规律研究

作者(Author)：丁鑫, 肖晓春, 吕祥锋, 吴迪, 王磊, 樊玉峰

摘要：探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2. 08～2. 60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。

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煤炭学报

2018年第11期

1168

463
基于应变能的岩石黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型及应用

作者(Author)：姜鹏, 潘鹏志, 赵善坤, 吴振华, 陈刚

摘要：在Perzyna黏弹塑性理论的基础上,引入基于应变能理论的岩石细观单元强度损伤模型,同时考虑岩石蠕变过程中蠕变速率随时间变化的特性,构建了能描述岩石从初始蠕变、稳定蠕变到非线性加速蠕变整个蠕变过程的细观黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型,并将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D)中,通过实验数据验证该模型的正确性。应用该模型进行不同轴向应力、不同围压和不同均质度系数条件下的单、三轴压缩蠕变过程数值实验,结果表明:(1)轴向应力提高增加了蠕变速率,因此减少了蠕变失效时间;(2)围压和均质度系数的增加降低了蠕变速率并增加了蠕变失效时间,较好的再现了典型的实验现象。将该模型用于解释煤矿中“蠕变型”冲击地压的力学机理,较好的反映了煤矿巷道开挖后弹性应变能累积,围岩经历稳定蠕变和加速蠕变的损伤破坏过程,可为岩体工程的长期稳定性研究提供分析工具。

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煤炭学报

2018年第11期

1263

336
三轴卸围压条件下砂岩声发射统计特征

作者(Author)：潘孝康, 陈结, 姜德义, 谢凯楠, 宋中强, 潘鹏志, 蒋翔

摘要：为深入探究深部开挖过程中岩体卸荷致灾过程的内部响应特征及其灾变规律,利用自主研发的三轴声发射采集系统,对砂岩进行不同围压、不同卸荷速率下的常规三轴卸围压声发射试验,并采用地震统计学方法对声发射绝对能量E,等候时间δ等参数进行统计分析。结果表明:(1)卸荷过程释放绝对能量的概率密度函数在10~1～10~4aJ 4个能级内服从幂律分布;(2)随着卸载速率减小,出现在小能量区间的声发射事件可能性增大,相同卸压速率下随着围压的增大也会出现类似的变化趋势;(3)声发射“余震”事件在不同围压和卸荷速率下遵循同一线性关系,且不受“主震”事件能量大小波动的影响;(4)在小等候时间区间内(<0. 1 s),幂指数不受围压和卸载速率的影响,对于大等候时间区间(> 0. 1 s),幂指数在1. 3到1. 9区间波动,并且不同能量阈值下的等候时间分布具有一致性。

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煤炭学报

2018年第10期

1141

255
煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

作者(Author)：郭德勇, 吕鹏飞, 赵杰超, 朱同功

摘要：采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。

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煤炭学报

2018年第08期

921

398