煤岩破裂电荷产生机理与煤矿动力灾害电荷监测基础研究

冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等煤矿动力灾害孕育发生过程都是煤岩体变形破裂、能量积聚与释放的过程，其中蕴含许多与力学相关的科学问题。根据目前我国矿山动力灾害预测准确率较低的现状，利用岩石力学、地球物理学的最新研究成果，理论分析与实验研究相结合，改进非接触式电荷传感器的材质和形状，研究不同煤质、不同含水率、不同瓦斯含量煤岩试样在拉、压、剪等不同加载条件下变形破裂过程中的电荷产生机理与运移规律，建立不同类型煤矿动力灾害孕育与发生过程中的电荷信号产生、运移、积聚、突变的理论模型，提出电荷信号识别与检测方法，改进便携式煤岩破裂电荷监测仪，研制在线式电荷监测系统，开发相应的数据处理软件，确定设备的技术指标和不同类型煤矿动力灾害危险性电荷监测指标，形成煤矿动力灾害电荷监测技术，提高煤矿动力灾害预测的准确率，最大程度地降低煤矿动力灾害造成的经济损失和人员伤亡。

冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等煤矿动力灾害孕育发生过程都是煤岩体变形破裂、能量积聚与释放的过程，其中蕴含许多与力学相关的科学问题。采用理论分析和实验研究相结合的方法，提出了煤岩受载损伤带电模型，探讨了煤岩体微裂纹界面势垒形成机理，给出了煤岩电荷传感器的设计原理及其标定技术指标，分析了煤岩电荷传感器敏感特性。研制了煤岩破裂多参量前兆信息监测实验装置和含瓦斯或水煤岩三轴压缩破裂电荷监测装置。通过开展不同类型煤岩试样拉伸、压缩等加载条件下电荷监测的室内实验，研究了不同瓦斯压力、不同含水率下煤岩变形破裂过程中电荷产生、运移和积聚过程。开展了煤岩压缩和拉伸破裂过程电荷前兆信息监测实验，分析得到了不同含水率、不同瓦斯压力下煤岩压缩破裂全程感生电荷变化规律，不同温度下岩体破裂过程电荷前兆信息，不同加载速率下煤岩破裂过程电荷前兆信息，煤岩体摩擦破裂过程电荷前兆信息。设计研发了以便携式电荷监测仪、在线式电荷监测系统为主要组成的深井动力灾害电荷监测系统，实现了信号采集数字化、传输网络化、分析智能化、结果归档化的系统模式，实现了全矿井冲击地压的自动化监测、网络化管理。基于层次分析法，将应力、地音、电荷、温度、瓦斯5种参量作为煤与瓦斯突出、冲击地压以及复合动力灾害危险性评价指标，构建了矿山动力灾害多参量危险性评价模型。将深井动力灾害电荷监测系统应用于平顶山八矿，研究结果表明：工作面正常工作时期，电荷信号平稳且较小，动力灾害发生前，电荷信号有明显的异常前兆，且对于不同形式的动力灾害，电荷信号特征有显著的区别；在赋存稳定、无地质构造的高瓦斯煤层中掘进时，瓦斯运移和煤岩应力对工作面煤岩电荷均值和峰值影响较大；煤岩电荷变异系数越大，煤岩电荷离散程度越大，衰减越快，发生瓦斯突出危险程度越严重；含瓦斯煤层煤体应力突变时,煤体辐射电荷量增加、煤体温度降低,应力平稳变化阶段,煤体温度、煤体电荷信号基本稳定不变。煤岩电荷监测技术不但可用于预测煤岩动力灾害危险性,并可判断灾害类型，进而采取相应的防治措施，对改变我国煤矿安全状况有重要意义。本项目获得国家科技进步奖二等奖1项，中国煤炭工业科学技术奖一等奖1项，在国际国内重要学术刊物上发表学术论文28篇，其中SCI收录2篇，EI收录9篇，共申请9项专利，其中授权6项国家发明专利，授权2项实用新型专利。