煤岩体声发射传播机理研究
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摘要
声发射预测煤岩动力灾害技术是非接触式预测预报技术发展的一个趋势，本论文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2005CB221505)、国家自然科学基金重点项目(50534080／E041503)及河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室资助项目(HKLGF200508)，在对国内外声发射预测煤岩动力灾害工程实践与技术成果综合分析的基础上，综合运用实验室力学实验、理论分析、数值模拟及现场实测等研究方法，重点进行了煤岩体声发射传播机理研究及其工程应用：
(1)根据现场煤岩动力灾害声发射信号的产生机制，假定煤岩体为无限弹性体，提出了球形模型，并且推导了从AE源激发出的AE应力波的波动方程，分析了AE应力波的传播衰减特性；根据用于描述应力波在介质中传播的品质因子Q理论，详细推导了应力波的衰减规律方程；在Biot固液两相介质的应力波传播理论基础上，推导出了含瓦斯煤体两相介质的本构关系和其中声发射信号的波动方程，对含瓦斯煤层中的声发射信号传播进行了理论分析；从含瓦斯煤体两相介质中的波动方程可以看出，含瓦斯煤体中的横波方程仍然保持单相介质中的形式，纵波方程发生明显改变；通过数值模拟及现场考察，得出了煤岩体声发射信号的传播衰减规律，结论与理论分析相吻合。
(2)应用波动动力学相关理论，结合现场实际情况，进行了声发射系统中波导器传播规律研究，建立了波导器中声发射信号传播力学模型；基于此力学模型，进行了数值模拟及实验室研究，结果验证了理论模型的合理性。
(3)通过煤岩体声发射传播规律现场试验，得出了不同传感器安装方式的频谱差异、煤岩体中的AE信号随传播距离的衰减规律、地质构造对AE信号的传播影响以及不同性质煤岩体中的AE传播特性等。
(4)在老虎台煤矿进行了煤岩体及波导器传播规律成果、传感器安装工艺成果、声发射数据处理方法的工程实践，采用声发射技术预测了老虎台煤矿5次冲击地压，研究了冲击地压趋势预测方法。
Acoustic emission(AE) technique of predicting rock and coal dynamic catastrophe is thetendency of non-contact prediction technique. Based on the project of national basic researchprogram of China (also called 973 Program) (2005CB221505)、the significant project of nationalnatural science fund (50534080/E041503)、the project of coal mine gas and fire hazard preventionmajor lab in Henan province(HKLGF200508), On the basic of aggregate analysis for engineeringpractice and technical achievements of AE predicting rock and coal dynamic catastrophe,mechanical experiments、theory analysis、numerical calculation and actual measurement areaggregate applied, AE propagation mechanism of the rock and coal and project application arechiefly studied:
(1) Based on actual AE proceeding mechanism, the spherical cavity model and AE stresswave equation are produced, AE stress wave propagation attenuation characters are analyzed;on the basis of quality factor(Q), AE stress wave propagation attenuation equation are deduced;Based on Biot theory, the two-phase substance constitutive equations of coal containing gasand AE signal of coal containing gas wave equation are produced, shear wave equation of coalcontaining gas is consistent with the single-phase and longitudinal wave equation of coalcontaining gas is inconsistent with the single-phase. The propagation attenuation curve of coalcontaining gas are gived according to actual research. The results of numerical simulation andactual research validate theory model.
(2) Based on correlative wave dynamics theory and actual circs, one dimension waveguide theory mechanical model and correlative hypothesis are set up, on the theory model,Lab experiment and numerical simulation are studied, the result validate rationality of theorymodel.
(3) Based on many actual experiments of AE signal propagation of rock and coal, AEsignal spectrum difference of different sensor fixing methods、different distance AE signalpropagation attenuation rule、effect of structural plane on AE signal propagation and AE signalpropagation characteristic of different rock and coal.
(4) During the course of the project application of rock and mine propagation productions、wave guide propagation productions、sensor fixing arts and crafts productions andAE signal data analysis methods in Laohutai coal mine, five rock burst are predicted, themethods of. tendency prediction are analyzed.
(1)根据现场煤岩动力灾害声发射信号的产生机制，假定煤岩体为无限弹性体，提出了球形模型，并且推导了从AE源激发出的AE应力波的波动方程，分析了AE应力波的传播衰减特性；根据用于描述应力波在介质中传播的品质因子Q理论，详细推导了应力波的衰减规律方程；在Biot固液两相介质的应力波传播理论基础上，推导出了含瓦斯煤体两相介质的本构关系和其中声发射信号的波动方程，对含瓦斯煤层中的声发射信号传播进行了理论分析；从含瓦斯煤体两相介质中的波动方程可以看出，含瓦斯煤体中的横波方程仍然保持单相介质中的形式，纵波方程发生明显改变；通过数值模拟及现场考察，得出了煤岩体声发射信号的传播衰减规律，结论与理论分析相吻合。
(2)应用波动动力学相关理论，结合现场实际情况，进行了声发射系统中波导器传播规律研究，建立了波导器中声发射信号传播力学模型；基于此力学模型，进行了数值模拟及实验室研究，结果验证了理论模型的合理性。
(3)通过煤岩体声发射传播规律现场试验，得出了不同传感器安装方式的频谱差异、煤岩体中的AE信号随传播距离的衰减规律、地质构造对AE信号的传播影响以及不同性质煤岩体中的AE传播特性等。
(4)在老虎台煤矿进行了煤岩体及波导器传播规律成果、传感器安装工艺成果、声发射数据处理方法的工程实践，采用声发射技术预测了老虎台煤矿5次冲击地压，研究了冲击地压趋势预测方法。
Acoustic emission(AE) technique of predicting rock and coal dynamic catastrophe is thetendency of non-contact prediction technique. Based on the project of national basic researchprogram of China (also called 973 Program) (2005CB221505)、the significant project of nationalnatural science fund (50534080/E041503)、the project of coal mine gas and fire hazard preventionmajor lab in Henan province(HKLGF200508), On the basic of aggregate analysis for engineeringpractice and technical achievements of AE predicting rock and coal dynamic catastrophe,mechanical experiments、theory analysis、numerical calculation and actual measurement areaggregate applied, AE propagation mechanism of the rock and coal and project application arechiefly studied:
(1) Based on actual AE proceeding mechanism, the spherical cavity model and AE stresswave equation are produced, AE stress wave propagation attenuation characters are analyzed;on the basis of quality factor(Q), AE stress wave propagation attenuation equation are deduced;Based on Biot theory, the two-phase substance constitutive equations of coal containing gasand AE signal of coal containing gas wave equation are produced, shear wave equation of coalcontaining gas is consistent with the single-phase and longitudinal wave equation of coalcontaining gas is inconsistent with the single-phase. The propagation attenuation curve of coalcontaining gas are gived according to actual research. The results of numerical simulation andactual research validate theory model.
(2) Based on correlative wave dynamics theory and actual circs, one dimension waveguide theory mechanical model and correlative hypothesis are set up, on the theory model,Lab experiment and numerical simulation are studied, the result validate rationality of theorymodel.
(3) Based on many actual experiments of AE signal propagation of rock and coal, AEsignal spectrum difference of different sensor fixing methods、different distance AE signalpropagation attenuation rule、effect of structural plane on AE signal propagation and AE signalpropagation characteristic of different rock and coal.
(4) During the course of the project application of rock and mine propagation productions、wave guide propagation productions、sensor fixing arts and crafts productions andAE signal data analysis methods in Laohutai coal mine, five rock burst are predicted, themethods of. tendency prediction are analyzed.
引文
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