基于单轴压缩红外辐射的煤岩损伤演化特征.pdf

第44卷 第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0064-07 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110064 基 于 单 轴 压 缩 红 外 辐 射 的 煤 岩 损 伤 演 化 特 征 程富起12 李忠辉123 魏洋12 ， 殷山12 ， 刘帅杰12 孔艳慧12 1.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江 苏 徐 州 221116; 2.中国矿业大学安全工程学院， 江 苏 徐 州 221116; 3.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江 苏 徐 州 221116 摘要 为定量分析煤岩受载过程中红外辐射温度特征参数与煤岩损伤演化规律， 采集并分析了煤岩单轴 压缩条件下的红外辐射温度数据， 根据损伤力学理论构建了煤岩损伤模型， 得到了最高红外辐射温度积累量 和煤岩损伤之间的关系。结果表明 ① 煤岩受载最高红外辐射温度- 时间曲线与载荷- 时间曲线有很好的 对应关系， 最高红外辐射温度能够反映煤岩受载破坏情况； ② 基于最高红外辐射温度积累量的煤岩损伤演 化模型能够很好地反映煤岩在单轴压缩条件下裂隙缺陷产生、发展和破坏的演化过程； ③ 基于最高红外辐 射温度积累量的计算应力和实测应力的整体相关性系数达到0. 8 以上， 呈高度相关，且计算应力- 应变曲线 峰值超前于实测应力- 应变曲线峰值。 关键词 煤岩动力灾害； 煤岩监测预警；煤岩受载破坏；煤岩变形；煤岩损伤演化单轴压缩红外辐 射 ；取高红外福射温度 中图分类号TD713 文献标志码A 网络出版地址 Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180403. 1712. 005. html Coal-rock damage evolution characteristics based on infrared radiation under uniaxial compression CHENG Fuqi1’2，LI Zhonghui1’2’3，WEI Yang1’2，YIN Shan1’2，LIU Shuaijie1’2，KONG Yanhui1’2 1.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, China University of Mining and Technology’ Xuzhou 221116, China; 2. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology’ Xuzhou 221116, China; 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining’ China University of Mining and Technology’ Xuzhou 221116, China Abstract In order to quantitatively study evolution law between temperater parameter of infrared radiation and coal-rock damage law under uniaxial compression’ temperature data of infrared radiation during coa--rock failure process was collected and analyzed. A coal-rock damage model was established according to damage mechanics theory’ so as to obtain relationship between the maximum infrared radiation temperature MIRT and coal-rock damage. The results show that ① The MIRT-time curve has a good correspondence with load-time curve of the coal-rock under loading’ and the MIRT can reflect the damage of coal-rock under loading. ② The coal-rock damage model based on infrared radiation temperature 收稿日期收稿日期2017-11-29;修回日期修回日期2018-03-23;责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目国家重点研发计划资助项目（2016YFC0801404;国家自然科学基金资助项目（51674254;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家 重点实验室自主研究课题资助项目（SKLCRSM15X03。 作者筒介作者筒介程富起“992 男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为煤岩动力灾害监测预警技术，E-mail499263267qq. com。 引用格式引用格式程富起，李忠辉， 魏洋， 等. 基于单轴压缩红外辐射的煤岩损伤演化特征工矿自动化，2018，445 4-70. CHENG FuqiLI ZhonghuiW EI Yanget al. Coal-rock dam age evolution characteristics based on infrared radiation under uniaxial com pression ]. Industry and MineAutomation， 2018,445 64-70. 2 0 1 8 年 第 5 期程 富 起 等 基 于 单 轴 压 缩 红 外 辐 射 的 煤 岩 损 伤 演 化 特 征 65 accumulation can well reflect evolution, development and failure of cracks in the coal-rock under uniaxial compression. ③ The correlation coefficient between calculated stress based on MIRT accumulation and measured stress is more than 0.8, which is highly correlated, and peak of the calculated stress-strain curve is ahead of the one of the measured stress-strain curve. Key words coal-rock dynamic disaster; coal-rock monitoring and pre-alarming; coal-rock failure under loading; coal-rock deation; coal-rock damage evolution; uniaxial compression; infrared radiation; the maximum infrared radiation temperature 〇 引言 随着煤矿采掘深度逐渐增加， 冲击地压等煤岩 动力灾害日趋频发， 严重影响了煤矿安全生产[12]。 煤岩在应力作用下会产生红外辐射效应， 其红外辐 射参数蕴含煤岩损伤破坏的前兆信息） 5]。通过红 外辐射参数变化来研究煤岩损伤演化过程及失稳破 坏的前兆特征， 对于研究煤岩破坏机制、 预防煤岩动 力灾害具有重要指导意义。 红外辐射作为煤岩受载变形破坏过程中的一种 能量耗散形式， 能够很好地反映煤岩受载破坏情况。 Chen S Y 等6 根据热力学原理、 弹性理论和力学实 验 ， 对应力、 应变与温度响应之间的物理规律进行了 研究。Tan Z H 等） ]研究了单轴压缩条件下煤岩微 破裂强度与热效应的关系。L i u P X 等） ]揭示了岩 石不同位置温度变化情况能够反映不同位置的应力 分布不同。李忠辉等） ]研究了顶板岩石变形破坏过 程中电位和红外辐射的变化规律及特征， 发现岩石 破坏的红外辐射曲线极值点与电位异常信号存在一 定的对应关系。徐子杰等[10]研究了不同冲击倾向 性煤体的红外前兆信息， 发现随着煤体冲击倾向性 的增强， 煤样出现红外高温区域与低温区域的前兆 更明显。杨桢等） 1]通过复合煤岩体受载破坏实验， 发现复合煤岩体内部红外辐射温度与应力、 应变有 较强的正相关关系。马立强等） 2]通过试样内部的 温度变化特征， 分析了试样在受压过程中， 其内部红 外辐射温度的时空演化特征。 煤岩的破坏在微观上符合统计损伤理论[13]。 殷山等[14]通过分析煤岩破坏过程中的电位响应特 征 ， 建立了基于电位积累量的煤岩损伤破坏模型。 钮月等[15]基于声发射计数和能量积累量， 建立了含 瓦斯煤受载损伤演化模型。杨永杰等[16]通过建立 基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化 模型， 解释了岩石的损伤演化过程。王云飞等[1； ]通 过分析煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律， 以及煤岩损伤萌生、 成核、 扩展和贯通的过程， 研究 了煤岩损伤演化机制。刘保县等[18]通过分析单轴 压缩煤岩的声发射特性， 提出了基于声发射累计振 铃计数的单轴压缩煤岩损伤模型。魏明尧等[19]通 过建立基于体应变增量的煤体损伤本构模型， 发现 损伤单元累积和贯通是引起煤体失稳破坏的主要 。 上述研究大多为利用煤岩受载破坏过程中声发 射参数来表达煤岩损伤演化特征， 对于煤岩受载过 中 外辐射 数 损伤演化规律的 定量分析研究较少。本文搭建了实验系统， 采集并 分析了煤岩单轴压缩条件下的红外辐射温度数据， 并根据力学理论构建了煤岩损伤模型， 得到了最高 红外辐射温度积累量与煤岩损伤的关系。 1实验设计 1.1 实验系统 实验系统包括加载系统、 红外辐射数据采集系 统、 电磁屏蔽室系统， 如 图 1 所 示 。加载系统米用 YAW 4306微机控制电液伺服压力试验机。红外辐 射数据采集系统采用Optris PI450高分辨率红外热 像仪， 其光学分辨率为382 X 288像 素 ， 测温范围为 一20“100 C ， 光 谱 范 围 为 7. 5 “ 1 3 pm， 帧频为 80 H〇视场角为30X 23。 ， 热灵敏度为0.04 K 。电 磁屏蔽室系统采用GP6 电磁屏蔽室， 其屏蔽效果在 85 dB以上， 可有效减少外界环境中的红外辐射对实 验信号的干扰。 1.2 试样制备 实验所需煤样取自山西柳林寨崖底煤业有限公 司。将大块煤块加工成50 mmX 50 mmX 100 mm 的长方体试样， 试样端面用砂纸磨平， 其平整度误差 小 于 0. 02 mm。将试样放置于试样罐中密封保存。 1.3 实验方案 试样提前24 h 放在电磁屏蔽室内， 以保证试样 温度与电磁屏蔽室内环境温度一致。实验前， 在压 力试验机周围围上湿布， 布置红外热像仪的一侧敞 开 。 红外热像仪布置在距试样5 0 cm处 ， 红外图像 载荷/kN to to to to to to -1 4 4 -1 4 yx L i bo o 最高红外辐射温度/c a铖1 | 一钸难 琴|一娜鲥阼字截l4 i a JtB_JI逸漭锉。掛辯繼 舞缎籐，缎籐wl a j s雎t涪银辯努，铒* f r *辯努， 辯缎到 画 1 旰 _逸S璐锉襯猶，1 旰纤 _鲥 |8 知， 鲥K截it i a JtBB 姊旰凇鏟准阱浬娜 窳。 辯缎邹 ， 娜鲥阼字截 l4 i a JtsM孫，准劼聰丨砘激 蠢砘。 ...._--_--_--_--_--_--l t o -4 .璐锉. ai ffi 携芻鄉，画戽跗 i f旰繼涔漭菡 1旰准姊M ,娜准谏A 为材料初始无 损横截面积。 根据应变等价原理[13]， 可得 a E〇1-De 2 式中 a 为应力； （ 〇 为 材 料 的 弹 性 模 量 为 应 变 。 根 据 损 伤 力 学 理 论 ， 煤 岩 试 样 的 强 度 服 从 Weibull分布） 2]， 其概率密度函数为 f O 6“[ “t ] ⑶ 式中 * “ 为试样在加载过程中微兀损伤率的度量； 为与试样形状、 尺度和内部缺陷分布状况相关 的常数。 损 伤变量D 与微元损伤的概率密度函数*“ 之间的关系为） 3 ] D *“ 对式（ 积分可得 D J *“d e ⑷ 5 煤岩受载变形过程中发生微破裂产生损伤和红 外辐射温度积累量具有一致的统计分布规律。试样 应变为 时的红外辐射温度积累量为 Nd N〇J* ede 6 式 中 N。 为试样全破坏时的红外辐射温度积累量。 结合式（ 5和式（ 6可得 D Nd/N〇 7 在实验过程中， 试样还存在残余应力时， 试验机 即停止加载， 试样未完全破坏， 因此需对损伤变量D 进行修正 D D * N 8 式 中 Du为损伤临界值。 为 便 于 计 算 ， 将 损 伤 临 界 值 进 行 归 一 化 处 理[18]，，得 Du 1 - 化 9 aP 式中a * 为残余应力； aP为峰值应力。 结合式（ 2、 式（ 8和式（ 9可得基于红外辐射温 度积累量的煤岩损伤模型 a eE〇 [1 1 N] 10 L V aP / N0」 3.2 损伤演化分析 利用式（ 8、 式（ 9对 图 2 中最高红外辐射温度 积累量进行归一化处理， 得到基于最高红外辐射温 度积累量的损伤-应变曲线， 如 图 3 所示。 b第2组试样 图3煤岩损伤-应变曲线 Fig. 3 Damage-strain curve of coal-rock 由图3 可看出， 在单轴压缩条件下， 煤岩受载损 伤演化过程可分为3 个阶段。 1 第 1 阶段 损伤萌生发展阶段。该阶段损 伤变量平稳上升， 处于压密阶段及弹性阶段前期。 该阶段试样内部微裂隙、 微孔隙逐渐破裂闭合， 试样 发生轻微变形， 裂隙、 孔隙的破裂面发生轻微错动摩 擦 ， 产生少量热量， 同时试样内部气体因微裂隙、 微 孔隙闭合而被挤出， 带走部分热量， 最高红外辐射温 度出现缓慢下降趋势且红外辐射温度变化量很小， 所以该阶段损伤变量增量较小， 损伤-应变曲线表 e 为 上 升 。 2 第 2 阶段 损伤加速阶段。该阶段损伤变 量加速上升， 处于弹性阶段中后期及塑性阶段。该 阶段试样出现热弹效应， 最高红外辐射温度开始升 高 3.武汉中元华电科技股份有限公司， 湖 北 武 汉 430000 摘要 针对矿井电网附加直流源系统发生单相接地故障时故障线路暂态零序电流的直流分量大于非故 障支路的特征， 提出了一种基于最小二乘矩阵束算法和Romanovsky准则的矿井电网故障选线方法。采用 最 小 二 乘 矩 阵 束 算 法 提 取故障暂态零序电流中的直流分量， 将 各 支 路 的 直 流 分 量 组 成 矩 阵 ； 再采用 Romanovsky准则进行判别 当绝对离差大于临界差时， 判为支路故障， 剔除数据支路即是故障支路， 否则为 母线故障。仿真结果表明， 该选线方法准确、 可靠， 具有较强的适应性。 关键词 矿 井 供 电 ；附 加 直 流 源 系 统 ；直 流 分 量 ；暂 态 零 序 电 流 ；故 障 选 线 ；最 小 二 乘 矩 阵 束 Romanovsky 准 贝 丨 J 中图分类号TD611 文献标志码A 网络出版地址 Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180420. 1544. 001. html Research on fault line selection of mine power network LIKe1， SUI Xiaona1 , ZHANGJun1， ZHANG Feifei1， LIHe2， ZOU Wei3 1. State Grid Changii Power Supply Company, Changii 831100, China; 2. State Grid Suzhou Power Supply Company， Suzhou 234000, China; 3. Wuhan Zhongyuan Huadian Science 修回日期 2018-03-29;责任编辑 张强。 作者筒介李科“ M 87 男，河南商丘人，工程师，硕士，研究方向为电力系统故障检测、电能质量， E-mail likefrp 126. com。 引用格式李科，随晓娜，张俊， 等.矿井电网故障选线方法研究工矿自动化，2018,4450-75. LI Ke， SUI Xiaona， ZHANG Jun, et al. Research on fault line selection m ethod of m ine power network[J] . Industry and M ine Automation,2018,445 ； 70-75. 9]魏明尧， 王春光， 崔光磊 ， 等魏明尧， 王春光， 崔光磊 ， 等.损伤和剪胀效应对裂隙损伤和剪胀效应对裂隙 煤 体 渗 透 率 演 化 规 律 的 影 响 研 究 岩 土 力 学 ，煤 体 渗 透 率 演 化 规 律 的 影 响 研 究 岩 土 力 学 ， 2016,372 74-582. WEI Mingyao， WANG Chunguang, CUI Guanglei，， et al. Influences of damage and shear dilation on permeability evolution of fractured c o a l]. Rock and Soil Mechanics, 2016,372 574-582. [ 2 0 ] 张艳博， 刘善军张艳博， 刘善军.含孔岩石加载过程的热辐射温度场含孔岩石加载过程的热辐射温度场 变 化 特 征 岩 土 力 学 ，变 化 特 征 岩 土 力 学 ，2011，，3241013-1017. ZHANG Yanbo，， LIU Shanjun. Thermal radiation temperature field variation of hole rock in loading process]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32 4 1013-10178 [21] KACHANOV L M. Time of the rupture process under creep conditions]. Izv Akad NaukSS R Otd Tech Nauk,1958,826-31. [ 2 2 ] 曹文贵， 赵明华， 刘成学曹文贵， 赵明华， 刘成学.基 于基 于Weibull分布的岩石损分布的岩石损 伤软化模型及其修正方法研究）].岩石力学与工程伤软化模型及其修正方法研究）].岩石力学与工程 学 报，学 报，2004，，2319 3226-3231. CAO WenguiZHAO MinghuaLIU Chengxue8Study on the model and its modifying for rock softening and damage based on Weibul random distribution]. ChineseJournal of Rock Mechanics and Engineering,2004,2319 3226-3231. [ 23] OHTSU M8Acoustic emission characteristics in concrete and diagnostic application J ]. Acoustic Emission，，1987，，6299-108.