在煤矿资源开采过程中,随着开采深度和地质条件复杂程度的增大,煤岩体由于扰动作用诱发各种煤岩动力灾害发生的几率也逐渐提高,包括煤与瓦斯突出和冲击地压等,这些灾害一旦发生往往会造成严重的人员伤亡和经济损失。因此,进行小范围的实验研究和采取适宜的现场措施对煤岩体破坏事故进行提前有效的监测预警一直是广大研究人员力图解决和完善的问题。目前在开采现场得到广泛应用的煤岩动力灾害预测方法主要有两类:第一类是常规指标预测法,即利用钻屑量、瓦斯涌出初速度等传统指标对采动过程中出现的异常现象进行预测,但存在准确率低、资源消耗大等缺点;第二类是利用动力灾害过程中能量释放伴随的前兆信号进行预测的地球物理方法,包括基于声音、光、电物理效应的声发射法、红外法、电磁辐射法等。该类方法能够在不影响煤矿生产的前提下对开采区域进行连续、实时监测,因而也成为了当前我国煤岩动力灾害监测预警技术的主要研究方向之一。利用地电场的异常变化对地质灾害进行预测是一种常用的地球物理方法,可以应用于对地震、火山等大尺度地壳岩体动力活动和灾害的预测。同时,针对于较小尺度范围内如矿山、堤坝等发生的动力灾害,广大学者也开始着眼于对其中煤岩材料的带电异常现象进行研究,并取得了一定进展。研究表明,无论是实际的煤岩动力灾害发生过程,还是实验室条件下煤岩材料发生变形破坏过程,均可以监测到表面电位、电流、感应电荷以及电磁辐射信号的变化,而这些物理信号的变化均与材料内部自由电荷的产生密切相关,即自由电荷的产生和变化是导致上述物理效应出现的前提和基础。然而,目前针对煤岩材料的带电异常现象的研究,多是从宏观物理量(如表面电位、电流以及电磁辐射等)角度出发进行理论、实验与模拟等方面的研究,所受影响因素多,信号干扰大,而且只能够反映材料破坏过程中自由电荷在一定时间段内在材料表面的积聚程度或感应效应,无法准确反映自由电荷的瞬间变化和细节特征,导致其无法与试样变形破坏、应力突变和其他信号在某一瞬间的动态变化趋势进行更加直接、精确的对应。为解决上述问题,本文在前人研究的基础上首先从理论着手,总结分析了煤岩材料在外界载荷作用下发生变形破裂的特征以及内部裂纹的扩展、分叉、贯通产生的机理,同时结合自由电荷的产生机制,建立了煤岩材料单轴压缩条件下的损伤本构关系及“力—电”耦合模型。然后利用自制实验系统对不同材料的煤岩试样,包括原煤、型煤、岩石、水泥等进行单轴压缩破坏,采集了破坏过程中试样产生的表面瞬变电荷信号,讨论了其与应力和能量之间的对应关系,分析了影响其变化特征的各个因素。同时,对比了同步监测的煤岩变形破裂信号与表面瞬变电荷在时间尺度上呈现的同步性,验证了裂纹扩展导致瞬变电荷产生的机理。最后,利用ABAQUS软件和扩展有限元法建立不同材料对应的模型,对加载过程进行了模拟计算,进一步证实了实验结果和相关理论的正确性。本文的研究结果弥补了煤岩材料变形破坏时产生的表面瞬变电荷变化特征方面的空白,对于解释煤岩动力灾害发生过程中带电效应的形成机制,进一步完善灾害监测预警技术等具有重要的理论与实际意义。论文的主要研究内容和结论如下:(1)表面瞬变电荷实验测试系统的设计搭建及不同煤岩材料破坏实验结果对比分析针对煤岩材料变形破坏过程中产生的表面瞬变电荷的变化特征,在实验室条件下建立了表面瞬变电荷实验测试系统,通过设计相关实验方案,实现了对不同煤岩材料在单轴压缩破坏过程中产生的表面瞬变电荷的监测与采集。对比分析了不同种类试样的破碎形态和特征,以及对应产生的表面瞬变电荷随时间的变化规律,初步分析实验结果的主要影响因素为材料的物理力学性质及其内部结构的差异。(2)煤岩材料受载破裂过程中表面瞬变电荷产生机制的分析及“力-电”耦合模型的建立分析了表面瞬变电荷在加载过程中各个阶段的产生机制,在加载前期以试样颗粒之间的摩擦作用为主,在中后期则以应力集中和裂纹扩展为主。讨论了在单轴压缩条件下煤岩材料发生变形破坏及内部裂纹扩展贯通的阶段特征,在此基础上,根据统计损伤力学理论,参考电磁辐射与应力之间的耦合关系,建立了适用于表面瞬变电荷与应力变化的“力-电”耦合模型。通过对比表面瞬变电荷与变形破裂信号(微震信号)的幅值、能量等参数,表明两者在时间尺度上具有良好的同步性,证明了在煤岩试样变形破坏过程中,裂纹的产生和扩展是导致表面瞬变电荷的产生变化的主要原因。(3)原煤、型煤、岩石、水泥在单轴压缩破坏过程中产生的表面瞬变电荷变化规律及相关影响因素具体研究提出了电荷信号强度、脉冲数、持续时间、电荷积聚量、电荷能量及累计值等五个特征参数,方便后续对表面瞬变电荷的产生及变化特征进行分析。根据实验结果可得:①利用包含了剔除基信号、整体经验模态分解以及小波阈值去噪三部分的综合去噪方法对原始信号进行滤波降噪处理,可以有效抑制信号失真现象、获得非平稳特性更明显的有效瞬变电荷信号。②原煤试样在变形破坏中由于层理分布方向的不同,呈现出崩裂式和劈裂式两种破坏形态。在层理方向与加载方向垂直时(垂直层理试样),煤样能达到的应力峰值为4.6～10.2MPa,对应阶段内产生的表面瞬变电荷信号峰值为560～5117pc,信号数量较少,在失稳破坏时发生崩裂式破坏;在层理方向与加载方向平行时(平行层理试样),煤样的应力峰值为2.1～5.3MPa,电荷信号范围为188～800pc,信号数量较多,试样发生劈裂式破坏,说明内部层理的分布方向是影响原煤表面瞬变电荷变化的主要因素。③型煤试样的抗压强度和产生的表面瞬变电荷幅值均小于原煤和岩石,波动范围为几十pc到100pc左右。对比四组不同粒径范围的试样(0.25 mm以下、0.25 mm～0.5 mm、0.5 mm～1 mm、1 m～2 mm)发现,随着粒径范围增大,表面瞬变电荷的幅值减小,甚至无法监测到,但其丰富程度有所增加。④水泥试样作为煤岩参考对比试样,具有最高的均质性,其应力峰值范围为0.8～2.2MPa,在整个加载过程中均有明显的表面瞬变电荷信号产生,信号幅值在55～230pc范围内波动。⑤除了试样本身物理性质、层理分布、粒径大小等因素的影响,实验过程中加载方式和速率、环境噪声、电极等外界因素同样会对表面瞬变电荷的变化规律产生影响。(4)煤岩材料变形破坏过程叶中表面瞬变电荷的阶段特征及能量释放规律分析根据煤岩材料表面瞬变电荷和应力随时间的变化关系,发现两者之间存在一定的对应关系,将表面瞬变电荷的产生过程分为五个阶段:第一阶段为微量瞬变电荷产生阶段,与试样压密及弹性变形阶段相对应;第二阶段为大量瞬变电荷产生阶段,与试样非弹性变形阶段相对应;第三阶段为极值瞬变电荷产生阶段,与试样的主破裂阶段相对应。考虑到表面瞬变电荷短时间内会在部分受载表面形成积聚效应,因此对其进行积分运算,得出表面电荷积聚量随时间的变化规律,但其与应力的对应程度低于表面瞬变电荷。在试样主破裂发生弹性能释放的过程中,存在能量释放临界点与表面瞬变电荷信号能量累计值的突变点具有较高的同步性,表明能量释放时表面瞬变电荷也有较大增幅。(5)不同结构煤样破坏时内部裂纹扩展过私程及表而瞬变电荷变化特征的数值模拟研究ABAQUS数值模拟结果显示:①原煤试样中,当层理分布方向不同时(与竖直方向的夹角分别为0°,30°,60°,90°),裂纹的扩展过程具有较大差异。层理方向与竖直方向的夹角越大,试样的抗压强度越大,则试样越不容易发生裂纹扩展和破坏,而当应力增大至极值后,试样发生完全破坏的速度越大。②型煤试样中,当粒径大小不同时,裂纹的扩展过程在总体上有较为一致的变化趋势,但随着粒径的减小,裂纹扩展同样出现前期延迟,后期加速破坏的现象。③模拟得到的试样在单轴压缩过程中能量释放过程和表面瞬变电荷产生过程呈现较好的对应关系,而表面瞬变电荷随层理方向和粒径大小的变化规律与裂纹的扩展规律一致。④试样内部裂纹扩展与弹性能释放、表面瞬变电荷变化随层理和粒径变化之间的对应关系,进一步证实了实验测量中表面瞬变电荷与裂纹扩展之间的关系,说明裂纹扩展是产生表面瞬变电荷的主要因素。