复合煤岩受载破裂力-电-热变化规律研究

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煤岩动力灾害是煤岩体在外界应力作用下在短时间内发生的一种具有动力效应和灾害后果的现象,是一种极其复杂的动力现象。煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射可有效快捷预测冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害,实现非接触式连续动态预测。课题采用交叉学科理论,从应用基础理论、技术和设备开发等方面研究有效可靠的煤岩动力灾害预防技术,主要研究成果如下:煤岩受载电磁辐射频带很宽,不同的频带产生的机理均有差异,受载破裂宏、微观机制也比较复杂。复合煤岩受载产生电磁辐射是由各种辐射机制在不同的加载水平、加载条件下综合作用的结果。设计了基于DSP+FPGA的煤岩电磁辐射信号采集处理系统,改进了天线结构,并进行测试,效果良好;提出了基于自适应集合经验模态分解(AEEMD)和改进小波阈值去噪(IWT)的电磁辐射信号去噪算法,仿真及实验结果显示其优越性;对复合煤岩受载破裂各阶段电磁辐射中频信号分布规律进行了研究,显示电磁辐射信号与应力呈现较好的线性相关性;研究了受载复合煤岩体破裂电磁辐射信号和内部红外辐射温度变化规律及机理,得出了应力、电磁辐射、内部红外辐射温度三者的关系曲线,结果表明,复合煤岩煤体、顶底板岩的内部红外辐射温度和应力、应变均具有较强的线性正相关关系,电磁辐射、内部红外辐射温度呈三次相关性;对复合煤岩采用不同速率进行加载实验,电磁辐射信号、红外辐射信号、电荷感应信号三者均呈增大的失稳前兆趋势,但变化趋势并不完全同步;通过红外热成像研究,表明复合煤岩和泥岩试样受载失稳破裂表面红外辐射前兆同样呈现一定规律性;考虑复合煤岩样在不同煤样厚度、不同组合比、不同力学参数、不同围压、不同倾角条件下,采用FLAC3D建立了复合煤岩仿真模型,结果显示,应变、弹性模量、切变模量等参数呈现一定规律性,仿真及实验验证了模型的准确性;考虑热损伤,提出复合损伤因子概念,建立了复合煤岩受载破裂力电热耦合模型,实验结果显示准确性得到提高。论文研究成果对于完善煤岩电磁辐射基础理论体系,进一步深入揭示煤与瓦斯突出等动力灾害演化机理,完善煤与瓦斯等煤岩动力灾害预测方法及保障煤矿安全生产具有重要的理论意义和实际应用价值。
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