受载复合煤岩变形破裂多场耦合模型研究.pdf

硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 作者姓名作者姓名 代爽 指导教师指导教师 杨桢 申请学位申请学位 工程硕士 学科专业学科专业 控制工程 研究方向研究方向 信息处理与模式识别 分类号 TD7 学校代码 10147 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 受载复合煤岩变形破裂多场耦合模型研究受载复合煤岩变形破裂多场耦合模型研究 Research on multi-field coupling model of composite coal-rock in deation and fracture under load UDC 621.3 密 级 公开 万方数据 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名____________ 导师签名_____________ 年 月 日 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 本论文的撰写、修改与完成是在我的导师杨桢老师的悉心指导、监督、不断的给予修 改思路和修改建议下完成的。杨老师的学术渊博、专业知识丰富，对我的疑惑都耐心解答， 并引导我自主思考，对我的学习能力不断锻炼，使我在项目的研究过程中不断提高自身学 习与科研能力，这使我受益终身，再次十分感谢杨老师。 本论文是基于国家自然科学基金（51204087,51604141）和辽宁省自然科学基金 （20170540427）的基础上完成的，感谢杨桢老师给予我参与此次国家基金项目的机会， 并在整个项目进展过程中给予我无私的帮助和指导，教给我研究课题的思路和方法。感谢 辽宁工程技术大学阜新校区为我们提供的力学实验室，让我们拥有自己的试验条件。感谢 仝泽仁、辛元、周朋祥、耿浩、刘倩玉、裴莹等各位同学师弟师妹在项目进展中与我同甘 共苦，我们配合默契，无私的帮助彼此，是一个团结向上、积极进取、关系友好的研究团 队，本研究也因此得以顺利完成。 感谢校友王恩元教授在煤岩电磁辐射领域的研究成果，这为我的研究提供了很多可供 参考的前人经验，让我如同伟大的物理学家牛顿一样，站在了巨人的肩膀上，让我的研究 拥有更高的起点。 研究生生涯即将迎来终点，杨桢老师给予了我很多帮助和支持，不仅是学习科研上还 有做人做事上，我不但学习了很多专业知识，而且自主学习、接收新知识新事物的能力都 得到很大提升，智商、情商均有提高，这对我进入工作阶段是一个良好的开端，给了我很 大的信心。 最后还要再次感谢我的导师和所有对我给予过帮助的人，谢谢大家。 万方数据 - I - 摘摘 要要 煤岩动力灾害是煤岩体在外界应力作用下在短时间内发生的一种具有动力效应和灾 害后果的现象，是一种极其复杂的动力现象。煤岩变形破裂过程中产生的电磁、红外辐射 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。主要 研究成果如下 本文为了进行复合煤岩体变形破裂多物理场耦合模型的研究。自主研发了电磁辐射采 集系统并制定了满足项目要求的试验方案。对电磁辐射强度信号、电磁辐射脉冲数信号与 应力的变化规律进行深入分析，分析发现三者具有较高的耦合性。进行了电磁辐射强度与 电磁辐射脉冲数、电磁辐射强度与应力的相关性研究，结果表明拟合度较高，前者的线性 相关系数可达到 0.9 以上，后者的线性相关系数可达到 0.8 以上。对复合煤岩红外辐射温 度与应力变化规律进行对比分析，发现同样具有一致性。对煤表面红外辐射温度与应力应 变、顶板岩表面红外辐射温度与应力应变分别作了相关性研究，结果表明拟合度较高，线 性相关系数均可达到 0.9 以上。在复合损伤因子的基础上，建立受载复合煤岩破裂力电热 耦合模型并验证模型。结果表明考虑热损伤后，模型精确度得到提高。采用 ANSYS 有限 元软件进行了力电耦合场、力热耦合场的仿真研究。其中力电耦合场的仿真研究，压电效 应表明受载复合煤岩压密阶段没有压电效应贡献，弹性阶段和弹塑性阶段的压电效应表明 压力与感应电荷的产生成线性关系；磁场分布仿真表明模型表面处的磁场强度最强，磁场 强度与感应电荷的变化成正比。理想均匀分布的磁场没有方向性；力热耦合场的仿真研究 表明，摩擦生热效应反应了裂隙处的摩擦生热变化规律，温度的变化与应力的变化成正相 关关系，总结以上仿真结果均符合实验结论。 论文研究成果对于进一步深入揭示煤与瓦斯突出等动力灾害演化机理，完善煤与瓦斯 等煤岩动力灾害预测方法及保障煤矿安全生产具有重要的理论意义和实际应用价值。 关键词复合煤岩；变形破裂；多物理场 ；耦合模型；ANSYS 基金资助情况国家自然科学基金（51204087）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； 国家自然科学基金（51604141）深部复合煤岩卸荷破裂热红外辐射机理及多场耦 合模型研究； 辽宁省自然科学基金（20170540427）深部复合煤岩卸荷破裂能量演化特征及多 场耦合机理研究。 万方数据 - II - AbstractAbstract Coal-rock dynamic disasters are coal and rock under the action of external stress happened in a short time. The phenomenon of dynamic effect and the consequence of disaster is an extremely complex dynamic phenomenon. EME,infrared radiation of coal -rock deation and failure process,can effectively predict rock bursts, coal and gas outburst and other dynamic disaster. It realize the dynamic forecast of non-contact continuous. The main findings are as follows This paper study on the stress-electricity-thermal multi-field coupling model of composite coal-rock in deation and fracture under load.Develop a new EME acquisition system independently for test electromagnetic emission.Make a test plan for the project.Analyse the relations among EME intensity,EME pulse count,and stress. The analysis finds that the three have high coupling. Analyse the relationsbetween EME intensity and EME pulse. Their linear correlation coefficients are above 0.9.Analyse the relationsbetween EME intensity and stress. Their linear correlation coefficients are above 0.8. Analyse the relationsbetween infrared raditions and stress. They are moving in the same direction. Analyse the relationsbetween infrared-radiated temperature and stress of coal, infrared-radiated temperature and strain of coal, infrared-radiated temperature and stress of rock, infrared-radiated temperature and strain of rock. Four linear correlation coefficients are above 0.9. The compound injury factor was proposed.The stress-electricity-thermal coupling model of the composite coal-rock are estabilished. Validation of the model. The results showed that the precision of the new model is improved than before.The simulation study of stress-electricity coupling field and stress-thermal coupling field by ANSYS finite element software.The stress-electricity coupling field show that there is no contribution on densificationstage. The relationship between stress and induced charge is linear on elastic stage and plastic stage.The stress--thermal coupling field reflects the change of temperature of the friction in the fissures, and the change of temperature is positively correlated with the change of stress .The simulation results are consistent with the experimental results. Thesis research results to further reveal the mechanism of coal and gas outburst and other dynamic disaster evolution, perfect the coal and gas prediction of coal and rock dynamic disasters and guarantee coal mine safety in production is of important theoretical significance and practical application value. 万方数据 - III - Key Wordscomposite coal-rock；deation and fracture；multi-field；coupling model；ANSYS Funding The National Natural Science Foundation Youth Foundation 51204087、 51604141. Liaoning Province Natural Science Foundation20170540427. 万方数据 - IV - 目目 录录 摘 要 .......................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ I 1 综述 .............................................................................................................................................. 1 1.1 研究的目的及意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................... 2 1.3 技术路线及可行性 ............................................................................................................... 4 1.4 本文主要研究内容 ............................................................................................................... 5 2 基础理论 ...................................................................................................................................... 6 2.1 电磁辐射基础理论 ............................................................................................................... 6 2.1.1 推迟位 ............................................................................................................................. 6 2.1.2 电磁辐射的瞬变电偶极子机理 ..................................................................................... 8 2.1.3 电磁辐射的电荷变速运动机理 ................................................................................... 10 2.2 多物理场理论综述 ............................................................................................................. 11 2.3 本章小结 ............................................................................................................................. 12 3 受载复合煤岩变形破裂多参数采集系统研究 ........................................................................ 13 3.1 自主研制的电磁辐射采集系统 ......................................................................................... 13 3.1.1 电磁辐射信号接收天线 ............................................................................................... 13 3.1.2 信号调理电路 ............................................................................................................... 14 3.1.3 基于 DSP 的数据采集模块 ......................................................................................... 15 3.2 红外温度采集系统 ............................................................................................................. 17 3.3 试验方案 ............................................................................................................................. 18 3.3.1 试样制作 ....................................................................................................................... 18 3.3.2 试验加载系统 ............................................................................................................... 18 3.3.3 复合煤岩受载试验步骤 ............................................................................................... 19 3.3.4 复合煤岩弹性模量测定试验步骤 ............................................................................... 20 3.4 本章小结 ............................................................................................................................. 20 4 受载复合煤岩变形破裂力电热变化规律研究 ........................................................................ 21 4.1 电磁辐射强度试验结果分析 ............................................................................................. 21 4.2 电磁辐射脉冲数试验结果分析 ......................................................................................... 24 万方数据 - V - 4.3 电磁辐射相关性研究 ......................................................................................................... 26 4.3.1 电磁辐射强度与脉冲数 ............................................................................................... 26 4.3.2 电磁辐射强度与应力 ................................................................................................... 28 4.4 红外辐射试验结果分析 ..................................................................................................... 30 4.5 红外辐射相关性分析 ......................................................................................................... 33 4.5.1 煤体红外辐射温度与应力、应变的相关性 ............................................................... 33 4.5.2 顶、底板砂岩红外辐射温度与应力、应变的相关性 ............................................... 36 4.6 弹性模量的测定结果 ......................................................................................................... 38 4.7 本章小结 ............................................................................................................................. 39 5 受载复合煤岩变形破裂多场耦合模型研究 ............................................................................ 40 5.1 力电耦合模型 ..................................................................................................................... 40 5.2 力电热耦合模型 ................................................................................................................. 41 5.3 耦合模型验证 ..................................................................................................................... 42 5.4 多物理场耦合仿真模型研究 ............................................................................................. 49 5.4.1 力电耦合模型仿真研究 ............................................................................................... 49 5.4.2 力热耦合模型仿真研究 ............................................................................................... 55 5.5 本章小结 ............................................................................................................................. 59 结 论 ....................................................................................................................................... 60 参 考 文 献 ................................................................................................................................. 62 作 者 简 历 ................................................................................................................................. 66 学位论文原创性声明 ................................................................................................................... 67 学位论文数据集 ........................................................................................................................... 68 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 - 1 - 1 1 综述综述 1.11.1 研究的目的及意义研究的目的及意义 我国是世界上煤炭储量最丰富的国家，煤炭资源一直关系着我国的经济命脉。 我国近年来煤矿开采逐步由浅部资源的开采向深部（一般指 500600 米以下的埋藏 深度）转移，随着煤炭资源的消耗，开采深度必然会不断增加，强度也会不停加大， 随之而来的煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害就会越来越严重[1-3]。那么预测 煤岩动力灾害以及防治煤岩动力灾害就显得尤为重要了。以交叉学科理论为基础， 从应用基础理论、技术和设备开发等方面入手研究效率高、可靠性高的预测防治技 术对于深入研究煤岩动力灾害的演化机理，保证我国当前煤矿深部开采的安全性都 具有非常重要的理论意义和实际应用价值。 煤岩动力灾害是一种非常复杂的动力现象。在我国，最主要的煤岩动力灾害是 冲击地压和煤与瓦斯突出[4]。随着采深增加，冲击地压事故不仅发生频率不断增大、 强度也呈不断增大的趋势。深部煤岩多为复合煤岩体（顶板岩-煤层-底板岩），深 层煤岩动力灾害的实质是强烈扰动的地质条件导致“煤-岩”组合体系变形失稳破裂 的结果，且大多处于非常复杂的应力状态下。大量研究结果表明，煤岩动力灾害现 象就是煤岩体在物理、化学等多种影响因素的共同作用下迅速破裂的结果[5-8]。人们 将可见光和红外技术用在地震相关方面的研究始于 20 世纪 80 年代初[9]。1988 年， 前苏联学者 Gorny 等[10]发表了一篇报道，报道称他们监测的相关地区，在多次发生 比较强烈程度的地震前，都出现过大量卫星遥感热红外辐射异常现象，此报道一出， 我国地震方面的研究人员与遥感界的相关人士都十分重视[11-14]。前人进行关于遥感 -岩石的力学实验，发现可以用来预报岩石破裂的新前兆信息[15]。利用热红外辐射 信号预测动力灾害，效果明显，而且可以降低人力成本，有效减少了现场的电磁干 扰造成的误差，实现非接触连续监测及预报。我国在煤岩动力灾害的预测技术和防 治理论方面已初步成形，今后还需要研究人员继续深入大量基础理论问题的研究。 目前，国内外学者专家关于复合煤岩受载破裂热红外辐射机理研究鲜见报道， 而对于复合煤岩体变形过程中热红外辐射基础理论研究及应用有待进一步研究与 完善。因此，本论文拟在前人研究的基础上进一步深入研究深部复合煤岩特性（如 煤岩组分、结构、强度及电性质等）及热红外辐射机理，首次在损伤统计学、热学、 电学基础上提出深部复合煤岩多场耦合模型。论文的研究对于完善深部复合煤岩热 红外辐射基础理论体系，进一步深入揭示深部煤岩动力灾害演化机理，并利用热红 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 - 2 - 外辐射规律对深部煤岩动力灾害进行预测、保证煤矿安全生产都有非常重要的理论 意义和实际应用价值。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 煤岩在开采过程中，由于力的改变，极易造成工作面的变形或破坏，严重影响 工作人员的生命安全，煤岩破裂又会导致工作面瓦斯气体的涌出 [16-17]或冲击地压 [18-19]，从而导致煤岩动力灾害。深部开采引起的煤岩破坏机理与浅层开采时不同， 目前加载力学的研究已经日趋成熟，但深部复合煤岩体加载力学的过程研究还有待 进一步深入，这会成为一个新的发展方向。 煤岩体力学特性的研究问题复杂，目前还处在发展阶段。J.S.Moln r 等[20]研究了 应力和岩石物理特性之间的关系，提出了新的岩石物理模型岩石的孔隙率随着压 力的增大而减小，并用单轴压缩试验系统进行了验证。试验结果表明这种新的岩 石物理模型可以在实际应用中得到很好的应用。程远平等[21]做了有关深部煤层渗透 率的相关研究，认为是深层地应力控制着渗透率。赵星等[22]通过单轴压缩试验研究 了煤岩体在应力作用下的裂隙发育的三个主要阶段。研究结果表明微裂隙的发生 与扩展主要受到围压、轴向应变率二者的综合作用，而宏观裂隙的主要范围集中在 与轴向成 20 40 的地方。牟宗龙等[23]分析了复合煤岩受载过程中各部分的多物理 参量的演化规律，并选取了 7 个地点的实际样品进行冲击倾向性测试。试验结果表 明复合煤体比单一煤样更好地反映现场围岩对冲击危险的影响程度。孔海陵等[24] 对含瓦斯煤岩的破坏行为进行了研究。研究结果表明煤体的抗拉强度受到两方面 的影响，分别为宏观层理和节理位置，这代表着即使是同一地点采的煤样，其抗拉 强度也会千差万别。邱兆云等[25]进行了煤体受载破裂试验，综合分析围压、瓦斯压 力和有效应力对煤体力学特性影响。试验结果表明围压让煤体更能抵抗变形，瓦 斯压力的作用则与围压相反；若二者同时施加，如果达到二者的应力等效，则二者 的作用可以相互抵消。 张英华等[26]施加了不同的载荷， 研究了原煤瓦斯的渗流特性， 并利用软件对受载含瓦斯煤的渗透特性进行了数值模拟，实验结果符合数值模拟结 果。压密阶段煤岩所受应力小于煤岩强度，煤岩的瓦斯渗透率随应力增大而减小； 弹性阶段的瓦斯渗透率与应力的关系不显著；弹塑性阶段的裂隙较大，瓦斯渗透率 随应力增大的速度更迅速。王云飞等[27]研究了双向加载条件下煤岩体的力学特性。 研究结果表明轴向应力对煤岩峰前段影响显著，对峰后段没有影响，应力-应变曲 线没有延性特征；煤岩耗散能随轴向应变增大的速率与轴向应力成正比，但若煤岩 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 - 3 - 体出现内部损伤，发展速度会更迅速，最终导致煤岩突发破坏；较小的轴向应力导 致煤岩破坏相对变缓。 深部的煤岩体一般都是层状的结构，且通常含有节理裂隙，当地应力处在较高 水平时，如果有开采扰动，那么不可避免地发生变形和破坏形成断续结构，由于其 力学特性非常复杂，到目前为止，有关受载复合煤岩详细破坏过程的研究，还不是 十分的成熟。从研究现状看大多学者研究的深部岩体受载主要针对岩石，对于煤研 究较少，而对于深部复合煤岩破裂过程及规律则更少。 由于构造地震的发生与岩石破裂有密切关系，所以许多学者进行了岩石破裂过 程的红外监测实验研究，发现有很多岩石在破裂前都存在红外辐射。由目前国内外 的研究成果可以看出，电磁辐射是一种行之有效的监测技术。它可以被用来检测冲 击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。是地球物理方法中最有前景的技术。何学 秋，王恩元，聂百胜[28-30]等对受载煤岩电磁辐射机理进行了深入研究，取得了很多 成果。此外，潘一山、赵扬锋等[31-32]利用自主研制的电荷传感器检测了受载煤岩产 生的电荷感应信号，证实电荷的产生和煤岩的破裂具有密切关系。刘善军、吴立新 [33-34]进行了五种岩石的单轴加载试验，并研究了红外辐射定性和定量规律。董玉芬 等[35]研究了受载细砂岩石试件的红外辐射现象，她发现，局部应力、红外辐射二者 强度成正比。梁鹏、张艳博等[36]过对三种岩石进行了单轴加载实验，研究了岩石破 裂过程的声发射和红外辐射变化趋势以及二者的关系。研究结果表明，在岩石破裂 过程中，不同阶段的声发射、红外辐射信号有不同的特征，其变化规律符合力学的 阶段性特性。杨桢[37]等对受载复合煤岩变形过程中复合煤岩表面的红外辐射温度进 行了分析。张艳博等[38]将岩石打孔，进行了受载试验，并结合数值模拟方法，对模 型变形失稳过程中热辐射在空间分布上的演化规律进行了深入探索。试验得出结 论，热成像技术作为岩石灾变的监测技术具有可行性。 黎立云等[39]探究了多种岩石 的表面温度与载荷的关系，以及岩石试件在受压过程中的表面温度与体积应变之间 的变化规律。刘善军等[40]提出了一种新的方法来描述受载岩石的红外辐射温度场的 演化规律，并进行了试验验证，验证结果符合理论分析结果。 上述研究结果表明，目前对于岩体热红外辐射的研究主要是针对其特征及变化 规律。对于岩体变形破裂热红外辐射温度场变化的研究主要针对的是表面的变化， 并没有考虑岩体表面热红外辐射温度场的变化。浅层煤岩的环境与深层的差距很 大，深层煤岩的应力水平较高，有些地区甚至会出现煤岩的整体失稳。目前的研究 主要还是针对煤岩的力学特性，并未