基於聲發射的煤岩破斷全過程損傷演化及分形研究

《基於聲發射的煤岩破斷全過程損傷演化及分形研究》是依託四川大學，由張茹擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於聲發射的煤岩破斷全過程損傷演化及分形研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張茹
• 依託單位：四川大學

項目摘要

聲發射（acoustic emission，簡稱AE）的事件數大小和源分布特徵是岩石損傷演化過程的直接表征和反映，在煤炭深部開採的衝擊地壓、煤與瓦斯突出等工程災害預測中具有廣闊的套用前景。但其理論研究落後於工程實踐，基礎試驗和現場預警研究仍然不足，因此迫切需要對煤岩聲發射特徵進行系統研究。本項目擬用分形理論，通過宏細觀試驗相結合的方法，對煤岩破斷全過程中的AE時空演化和分形特徵進行系統研究。通過研究，探明不同損傷模式下煤岩破斷全過程中聲發射特徵差異，揭示不同采動力學行為的煤岩體微破裂時空演化、能量釋放及分形規律，提出基於AE損傷三維定位、時序演化特徵及能量釋放耦合研究的煤岩失穩前兆判別條件。從而擴充煤岩聲發射基礎理論與試驗研究成果，為聲發射技術手段更好的套用於煤炭工程災害現場監測工作提供支撐和參考，還可借鑑於深部礦產資源開採等地下工程中聲發射對圍岩穩定和破壞特徵監測的研究工作。

結題摘要

聲發射（acoustic emission，簡稱AE）活動可以直接表征和反映岩石損傷演化過程。本項目重點研究了煤岩破斷損傷全過程中的AE時間序列、空間定位、能量釋放演化過程，並引入非線性分形理論，建立采動應力環境條件下煤岩破斷全過程的損傷演化與AE時空分維及能量釋放的定量關係，揭示了AE時空演化的分形機制。相關研究成果可為聲發射套用於煤礦工程災害預測和事故預警研究奠定理論基礎。 按照“基於聲發射的煤岩破斷全過程損傷演化及分形研究”的計畫任務書約定研究計畫，開展大量試驗與理論研究，在國際國內重要科學期刊發表SCI論文10篇，EI論文6篇，申報專利7項，軟體著作權4項，獲得省部級科技進步獎2項（排名分別為第1和第4），培養碩博士6名，完全達到預期指標。研究成果主要表現在以下幾個方面： (1) 結合X射線衍射和X射線螢光、工業分析、磨片分析、電鏡掃描多種測試手段，得到塔山煤細觀成分、組分、結構、構造特徵。 (2) 開展一系列不同損傷模式下煤岩破斷全過程聲發射定位實驗，得到煤岩三軸壓縮、三軸卸荷、直接拉伸、巴西劈裂全過程中AE時序特徵、能量釋放與空間演化規律，以及煤岩破壞的A E前兆特徵。研究了圍壓、載入速率、岩性對AE演化的影響機制。 (3) 開展保護層、放頂煤、無煤柱這三種典型開採過程的力學試驗模擬，並進行同步AE 定位，研究了AE活動時序演化的一般規律性，得到三種典型開採方式AE時序活動、AE 定位分布空間演化、AE空間分形特徵的差異性。無煤柱試件AE活動體現出強烈的脆性特徵；峰值應力處，保護層、放頂煤、無煤柱三種開採方式空間分形維數隨峰值應力增加呈依次遞減的關係。 (4) 對三種開採方式破斷後煤岩進行CT掃描和三維重構研究，得到其破壞模式和裂隙連通性規律。保護層開採條件下，煤岩為壓剪破壞；放頂煤開採和無煤柱開採煤岩為張剪破壞。相同條件下，無煤柱開採方式能使工作面前方煤岩體造成更大體積的破裂，損傷程度更大。無煤柱開採最能增加煤層透氣性，更有利於將煤層富集瓦斯順利抽采至地面。 (5) 得到三種開採方式破斷煤岩裂隙體分形特徵。煤岩裂隙體為分形結構。采動影響下，煤岩裂隙體分維數接近於2，不同開採方式對應的體積如下依次減小：保護層→放頂煤→無煤柱。 (6) 得到煤岩力學、聲學性質的層理效應。軸向垂直層理煤岩相對軸向平行層理在受力過過程中AE活動更加劇烈，脆性特徵更強。