煤岩静载破坏低频磁信号特征及产生机制研究

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1、摘要摘要冲击地压及煤与瓦斯突出等动力灾害一旦发生，多伴随群死群伤事故，严重制约着我国煤矿安全生产，目前对于煤矿动力灾害预测的方法依旧依靠传统的钻孔参数法，该方法具有耗时、耗力、非连续、人为影响大、可诱导灾害发生等缺点。随地球物理科学的发展，近几年可实现连续动态监测的地球物理方法深受采矿工作者所青睐，如：声发射、微震、电信号、磁信号等。其中，磁信号由于可实现非接触式连续动态监测，近些年来一直为该领域的研究热点之一。然而，虽说多数学者已通过室内实验、现场实验等多重手段给出了煤体不同破坏形式中磁信号特征及其影响因素，并提出了多种磁信号可能的产生机制，但目前仍未出现被普遍认可的磁信号动力灾

2、害监测设备及完善的监测技术，这样就有必要对其相关基础理论作进一步深入研究。低频磁信号具有传播距离远、抗干扰能力强、衰减速度慢等优点，针对井下复杂环境更有利于动力灾害预测的实现，也是本文所研究的核心内容。井下煤体受采动影响其原始应力平衡状态被打破，采掘工作面煤体逐渐被采出，采出煤体所承受载荷逐渐向深部转移并叠加于深部煤体之上，造成深部煤体应力集中，当集中应力超过煤体抗压、拉、剪强度后，煤体内部发生损伤破坏，若此时煤体内摩擦力及内聚力不足以克服瓦斯膨胀能及内部弹性能释放时，动力灾害就会发生。由上分析可知，灾害多发生于应力集中区域煤体，且新的应力平衡状态的形成是一个渐进缓慢的过程，应力集

3、中区煤体所承受载荷也是渐进性增加的，其过程类似于静载破坏，这样研究煤体静载破坏条件下低频磁信号变化特征规律对于推动煤矿动力灾害监测预警技术的实现具有重要意义。考虑到传统设备噪声强、有效信号强度弱等因素，本文利用自制低噪声实验系统开展了煤体静载破坏实验研究。本文在前人研究基础上，自制低噪声实验系统，对煤岩破坏中低频磁信号展开研究。从理论研究着手，理论分析了静载条件下裂纹扩展规律、特征、条件以及井下煤体应力变迁规律，并据此分析了煤体静载破坏过程中低频磁信号产生机制，结合实验中所测试磁信号与微震信号的关联特征，将磁信号划分为三个阶段并提出了三个阶段中低频磁信号的产生机制。接着，根据实验结

4、果，分析了型煤、原煤、岩石试样静载破坏过程中所释放低频磁信号时、频谱特征，及实验中对磁信号造成影响的各个因素及其与磁信号之间相关关系。为进一步证实实验结果，2D利用RFPA数值模拟软件结合所建力-磁耦合模型模拟研究了煤体静载破坏过程中磁信号变化特征，分析了层理性质、数量、加载速度、试样强度与磁信号脉冲数及磁信号能量相关关系。最后，以平煤十矿为试验区，实验研究了现场煤体破I中国矿业大学（北京）博士学位论文坏过程中异常磁信号的特征并结合现场测试微震信号分析了现场低频磁信号的产生机制，进一步证实了实验结果。总的来讲，本文利用自制实验系统，以煤体为研究对象，以煤体静载破坏过程中所释放低频磁

5、信号为研究目标，以理论分析、室内实验、数值模拟、现场试验为研究方法，研究了煤体静载破坏过程中磁信号变化特征、影响因素及其产生机制，实现了各种方法所得结论间的互撑、互证。研究成果对于丰富煤岩破坏磁信号相关理论、完善煤矿动力灾害监测预警技术具有重要指导意义，对于磁测技术在煤矿动力灾害监测及防治方面的推广应用具有重要的理论意义及工程意义。本论文主要成果如下：（1）提出了原煤、型煤静载破坏低频磁信号产生机制及其异同点对比分析实验中微震及低频磁信号关联特征，得到：①试样发生断裂破坏时，低频磁信号与微震信号同步产生，但型煤磁信号与微震信号主频段不一致，原煤试样两种信号主频一致；②对于同一破裂信

6、号，低频磁信号早于微震信号产生而晚于微震信号结束，持续时间更长；③将异常磁信号分为三个阶段并提出了试样破坏过程中异常磁信号的产生机制，包括：压实压密弱损伤破坏、宏观塑性断裂破坏、宏观脆性断裂破坏及残存弹性能释放弱损伤破坏，其中宏观塑性断裂破坏为型煤试样磁信号主要作用机制，而宏观脆性断裂破坏为原煤试样磁信号主要作用机制。（2）揭示了原煤、型煤静载破坏过程中低频异常磁场强度及变化特征根据室内实验结果可得：①型煤试样破坏过程中低频磁信号较弱，磁场强度为9.5～129.9nT，均值为38.9nT，其信号主频阶段在0.1～20Hz之间；②原煤试样破坏过程中信号相对较强，磁场强度约为11.63

7、～315.7nT，均值为116.3nT，其信号主频段在0.1～40Hz；③考虑层理性质，含水平层理试样所释放低频磁信号远强于含垂直层理试样释放信号，约为含垂直层理试样的2.17倍；④从其累积磁信号能量来看，整个加载过程可分为四个阶段，依次为：“零值段-缓慢增加段-跳跃增加段-平稳变化段”。（3）提出了煤试样静载破坏过程中低频磁信号的影响因素及其与低频磁信号相关关系结合室内实验结果，分析煤试样静载破坏磁信号的影响因素及其与低频磁信号相关关系，结论如下：①对于型煤试样，粒