深部矿井大尺度煤体细观损伤演化规律及其物理场效应研究

深部开采过程中由于煤体受开采速度、开采深度、地球重力、三维应力以及温度等多重作用，使岩体内部发生能量转化或运移，煤体结构表现为损伤破坏，从而导致煤矿发生严重的动力灾害。煤体内部物理力学行为产生的物理效应（热、声发射、电磁辐射和微震）直接反映了岩体内部动力活动情况，尤其是深部开采过程中，采动力对煤体内部应力分布的动态影响更为明显。以往的研究多以力学为基础，从宏观或微观进行研究，很少考虑深部矿井大尺度煤体的细观损伤破坏的演化规律及物理场效应，尤其是细观与宏观尺度的行为联系较为模糊。本项目分别在实验条件下和深部矿井原始煤体条件下对大尺度煤体进行力学、物理场效应的研究，得出实验结果的共同点和不同点，分析深部矿井大尺度煤体细观损伤破坏规律以及伴随的声发射和电磁辐射效应，建立深部矿井大尺度煤体声、电磁辐射与细观损伤破坏耦合量化模型，为深部煤矿动力灾害的产生机理及其物理预测手段提供理论与实验基础。

建立了大尺度煤岩体细观损伤过程的CT扫描测试系统，对煤岩体加载过程中伴随的电磁辐射进行了测试。实验表明：单轴压缩损伤过程中，煤岩损伤主要发生在密度较高的煤岩骨架薄弱区域，且主要从骨架分布不均匀的部分开始；随着应力的增加，煤岩损伤经历了岩体压密、弹性压缩、塑性损伤到破坏的过程；煤岩体的孔隙裂纹由于受到煤岩体骨架的支撑，在弹性压缩阶段变化不大，当达到塑性破坏时快速增大，加速煤岩体的破坏；且煤岩体内部结构经历了强化、弱化交替过程。煤岩压缩过程中产生电磁辐射和声发射且与加载应力曲线基本上呈正相关；电磁辐射与声发射信号变化趋势与应力应变趋势基本一致，电磁辐射信号和声发射信号都是脉冲式非连续模式，电磁辐射信号与声发射虽然变化趋势相似，但是并不是完全同步的，电磁辐射与声发射是同源不同产生机理的两种物理效应；无论线形天线还是环形天线，在加载开始，随着轴向应力的增加，在应力峰值前（即，样本破坏前）电磁辐射信号强度总的趋势是逐渐增加的；与破坏裂纹平行的天线电磁辐射高于与裂纹垂直的天线。结合细观损伤力学和实验数据，建立了煤岩细观损伤破坏三阶段演化和本构方程；通过研究电磁辐射产生微观机理，结合不同实验材料所得电磁辐射信号参数进行分析，得到电磁辐射强度和脉冲数与损伤量的量化关系，并根据煤岩细观损伤破坏演化与本构关系得到煤岩细观损伤电磁辐射响应理论模型。项目成果可以为瓦斯灾害预防提供细观理论基础。