煤层注水应力－电磁辐射时空分布及演化规律研究

随着煤矿开采深度逐渐增大，冲击地压灾害日趋严重，煤层注水作为防治冲击地压的区域解危技术已得到应用。本项目拟通过实验室测试分析煤岩在注水受载变形破坏过程中的应力、电磁辐射变化特征及变化规律，煤矿工程现场监测煤层注水过程中（注水前、注水中和注水后）的煤层不同位置的应力、电磁辐射，研究受采动影响的煤层在注水过程中的应力、电磁辐射时空分布特征，揭示注水过程中煤层应力、电磁辐射随时间的演化规律；探索应力、电磁辐射与注水煤岩变形损伤的关系，建立注水煤岩受载变形破坏的应力－电磁辐射耦合模型；分析注水时间和注水压力等因素对煤层应力、电磁辐射分布的影响大小和关系，初步建立基于电磁辐射测量的评估注水煤层应力水平及稳定性、煤层注水防冲效果检验的技术方法。项目研究成果对于深化注水煤岩变形破坏机理、促进煤层应力评估及防冲效果检验的技术发展、提高冲击煤层开采的安全程度具有较深远的理论意义和现实意义。

采用实验室测试、现场监测和理论分析的研究方法，研究了注水煤样受载变形破裂应力应变、电磁辐射的变化规律，建立了煤层注水应力-电磁辐射和煤体损伤的耦合模型，提出了基于电磁辐射监测的煤层注水防冲效果评价方法。.主要研究结论如下：. （1）建立了煤样注水单轴压缩电磁辐射测试系统，测试了自然煤样和注水煤样单轴压缩的应力应变和电磁辐射，对比分析了不同工况下煤样的应力应变-电磁辐射变化规律。.注水使煤样的强度降低11.3%-54%；随注水时间的增长，煤样的强度值逐渐减小，当注水时间达到8h以上，煤样强度值趋于稳定。受载煤样在注水初期，电磁辐射频次增大，随注水时间增长，频次降低。注水使煤样电磁辐射能量峰值降低，但使电磁辐射峰值提前出现。. （2）利用三轴试验系统对煤样进行了注水三轴压缩试验，研究了三轴条件下煤样注水的应力应变及声发射变化特征，分析了三轴条件下注水对受载煤样应力应变、声发射的影响规律。.三轴试验表明，注水显著降低了煤样的抗压强度，并使煤样的破坏形式由脆性转变为塑性；注水后，煤体应力呈“小幅增大-快速降低-缓慢减小至稳定”的变化过程。随着注水的出现及注水水压的增高，声发射计数逐渐增高，但声发射能量值呈降低趋势。. （3）利用应力监测系统和电磁辐射监测仪监测了梁北煤矿11061风机巷煤体的应力及电磁辐射，分析了煤体应力、电磁辐射随工作面采动和注水时间的变化规律，研究了注水对煤体应力、电磁辐射的影响。.在注水初期，煤层应力值小幅增长；随着注水时间的增长，压力值迅速降低，降低幅度约为24.6%。煤层注水初期，煤体电磁辐射强度值小幅增大；随注水时间增长，电磁辐射强度值迅速降低，并保持在较低水平。. （4）分析了煤层注水应力、电磁辐射与煤体损伤的耦合规律，并建立了耦合模型。耦合模型描述了应力应变、电磁辐射与煤体损伤的关系。煤样注水试验结果表明，弹性应力峰值时刻的损伤因子D值位于0.23-0.42间。. （5）提出了基于电磁辐射监测的煤层注水防冲效果评价技术方法。该评价方法以煤体电磁辐射能量值为监测指标，通过比较煤层注水前后电磁辐射能量的大小，评价注水防冲效果。.研究结果对于煤层注水防冲效果评价及煤岩稳定性评估具有重要意义。