受载复合煤岩体破裂电磁辐射机理及力电热耦合模型研究

As a geophysical probe technology，electromagnetic emission predicting enables non-contact continuous dynamic forecast.By studing the physical properties of coal and rock mechanics,elecreical and thermodynamics,the electromagnetic radiation influencing factors of combined coal of different inclined angles and confining pressu and rock deformation and fracture process in uniaxial and triaxial compression loading and the relationship of electromagnetic radiation effect and the deformation and fracture of load of coal and rock. Advanced electromagnetic emission signal acquisition experiment system and data processing and analysis system are designed to study electromagnetic emission mechanism of loading combined coal-rock fracture and establish the accurate mathematical model.Three dimensional stress-electricity-thermal coupled model is established based on damage mechanics, rock mechanics, statistical theory and thermodynamics. The calculation method of stress-electricity-thermal is received. Parameters are calculated and verified by using the experimental results of coal and rock deformation and fracture of electromagnetic emission. Electromagnetic emission signal is sampled by using spectral analysis technique, signal characteristics and variation are discussed by using wavelet theory. For improving electromagnetic emission basic theoretical system and further reveal the disaster of coal or rock dynamic evolution mechanism, the topic researching has a very important theoretical significance and practical value.

电磁辐射预测作为一种地球物理探测技术，可以实现非接触式连续动态预测。通过研究复合煤岩力学、电学、热力学等物理特性及不同围压、不同倾角复合煤岩在单轴、三轴压缩时加载变形破裂过程中电磁辐射的影响因素及电磁辐射效应与受载煤岩体变形破裂过程的关系，建立先进的电磁辐射信号采集实验系统和数据处理分析系统，深入研究了复合煤岩受载变形破裂产生电磁辐射的机理，并建立精确数学模型。在损伤力学、岩石力学、统计理论和热力学基础上建立三维煤岩力电热耦合模型，经过推导得到力电热耦合模型中参数的计算方法，并利用煤岩变形破裂电磁辐射实验结果对参数进行计算、验证。采用谱分析技术对煤岩电磁辐射信号进行了采样，采用小波理论研究其信号特征和变化规律。课题的研究对于完善煤岩电磁辐射基础理论体系，进一步深入揭示煤岩动力灾害演化机理具有非常重要的理论意义和实际应用价值。

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。国内外学者专家关于煤岩破裂电磁辐射机理的认识分歧仍比较大。对于复合煤岩体受载变形破裂电磁辐射基础理论研究及应用有待进一步研究与完善。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，改进了屏蔽系统结构，构建了实验系统；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，分析得出煤、顶底板砂岩的内部温度和应变、应力均呈较强线性正相关关系，煤体温度变化较顶底板明显；煤岩内部微观裂隙与宏观破裂均对电磁辐射及红外辐射信号产生明显影响，总体呈随载荷逐渐增强、上升趋势，而红外辐射主要来源于摩擦热效应及热弹效应，煤体呈温阶跃式、突增型上升趋势，电磁辐射、内部红外辐射温度呈三次相关性；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；考虑不同组合比、不同力学参数、不同围压、不同倾角采用FLAC3D建立了复合煤岩仿真模型，应变、弹性模量等力学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一维及三维力电热耦合模型，采用实验测试数据进行拟合，修正，模型准确性得到提高；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，通过给定参考信号仿真、实际测试电磁辐射信号分析其能量分布及频谱特征，显示其效果良好；建立了基于最大最小蚁群算法（MMACA）和小波神经网络（WNN）的煤与瓦斯突出预测模型，仿真及历史数据实验结果显示其预测效果良好；建立了煤与瓦斯突出预测指标评价与决策的加权三指标区间数关联决策模型，将3个评价指标引入作为指标的评价标准，实验结果表明，决策得到的指标区间数科学合理；研究了复合煤岩变形破裂过程的电磁辐射、电荷感应、红外辐射信号、应力的变化规律，表明失稳前兆信息具有一定规律性，随着加载速率的加快，前兆信号总体呈增强趋势；结合前期成果深入研究复合煤岩受载破裂产生电磁辐射机理。课题的研究对于完善煤岩电磁辐射基础理论体系，进一步深入揭示煤岩煤与瓦斯等动力灾害演化机理具有重要的理论意义和实际应用价值。