基于声发射的煤岩破断全过程损伤演化及分形研究

Events number and 3D location distribution of Acoustic Emission (AE) are first-hand data for rock damage evolution process. It is widely used when forecasting pressure bump and coal-gas outburst in deep coal mining. However, engineering practice of AE is advanced than the theory research, at the same time, research on basic tests and on-site early warning of AE is very insufficient. So it is very urgent to carry out the systematic research on the coal acoustic emission properties. Introducing fractal theory and adopting the method of macro-mesoscopic experiments, the space-time evolution and fractal characteristic of AE during the whole fracture process would be studied in this subject. The difference of coal AE properties would be found out under the different damage model. The space-time evolution of coal micro cracks and energy emission and fractal rules under different mining-induced conditions would be announced. Coal failure criterion based on AE space-time distribution and energy emission would be put forward. Thereby, the basic theory and test achievements of coal acoustic emission would be expanded. At the same time, the research results would provide reference for AE forecasting in mining-induced coal disasters, and also provide reference for the research on stability and failure monitoring of surrounding rock through the AE technique in underground engineering such as minerals exploiting.

声发射（acoustic emission，简称AE）的事件数大小和源分布特征是岩石损伤演化过程的直接表征和反映，在煤炭深部开采的冲击地压、煤与瓦斯突出等工程灾害预测中具有广阔的应用前景。但其理论研究落后于工程实践，基础试验和现场预警研究仍然不足，因此迫切需要对煤岩声发射特征进行系统研究。本项目拟用分形理论，通过宏细观试验相结合的方法，对煤岩破断全过程中的AE时空演化和分形特征进行系统研究。通过研究，探明不同损伤模式下煤岩破断全过程中声发射特征差异，揭示不同采动力学行为的煤岩体微破裂时空演化、能量释放及分形规律，提出基于AE损伤三维定位、时序演化特征及能量释放耦合研究的煤岩失稳前兆判别条件。从而扩充煤岩声发射基础理论与试验研究成果，为声发射技术手段更好的应用于煤炭工程灾害现场监测工作提供支撑和参考，还可借鉴于深部矿产资源开采等地下工程中声发射对围岩稳定和破坏特征监测的研究工作。

声发射（acoustic emission，简称AE）活动可以直接表征和反映岩石损伤演化过程。本项目重点研究了煤岩破断损伤全过程中的AE时间序列、空间定位、能量释放演化过程，并引入非线性分形理论，建立采动应力环境条件下煤岩破断全过程的损伤演化与AE时空分维及能量释放的定量关系，揭示了AE时空演化的分形机制。相关研究成果可为声发射应用于煤矿工程灾害预测和事故预警研究奠定理论基础。.按照“基于声发射的煤岩破断全过程损伤演化及分形研究”的计划任务书约定研究计划，开展大量试验与理论研究，在国际国内重要科学期刊发表SCI论文10篇，EI论文6篇，申报专利7项，软件著作权4项，获得省部级科技进步奖2项（排名分别为第1和第4），培养硕博士6名，完全达到预期指标。研究成果主要表现在以下几个方面：.(1).结合X射线衍射和X射线荧光、工业分析、磨片分析、电镜扫描多种测试手段，得到塔山煤细观成分、组分、结构、构造特征。.(2).开展一系列不同损伤模式下煤岩破断全过程声发射定位实验，得到煤岩三轴压缩、三轴卸荷、直接拉伸、巴西劈裂全过程中AE时序特征、能量释放与空间演化规律，以及煤岩破坏的A E前兆特征。研究了围压、加载速率、岩性对AE演化的影响机制。 .(3).开展保护层、放顶煤、无煤柱这三种典型开采过程的力学试验模拟，并进行同步AE 定位，研究了AE活动时序演化的一般规律性，得到三种典型开采方式AE时序活动、AE 定位分布空间演化、AE空间分形特征的差异性。无煤柱试件AE活动体现出强烈的脆性特征；峰值应力处，保护层、放顶煤、无煤柱三种开采方式空间分形维数随峰值应力增加呈依次递减的关系。.(4).对三种开采方式破断后煤岩进行CT扫描和三维重构研究，得到其破坏模式和裂隙连通性规律。保护层开采条件下，煤岩为压剪破坏；放顶煤开采和无煤柱开采煤岩为张剪破坏。相同条件下，无煤柱开采方式能使工作面前方煤岩体造成更大体积的破裂，损伤程度更大。无煤柱开采最能增加煤层透气性，更有利于将煤层富集瓦斯顺利抽采至地面。.(5).得到三种开采方式破断煤岩裂隙体分形特征。煤岩裂隙体为分形结构。采动影响下，煤岩裂隙体分维数接近于2，不同开采方式对应的体积如下依次减小：保护层→放顶煤→无煤柱。.(6).得到煤岩力学、声学性质的层理效应。轴向垂直层理煤岩相对轴向平行层理在受力过过程中AE活动更加剧烈，脆性特征更强。