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煤岩电磁辐射多重分形特征研究  重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名董文山 指导教师姚精明 副教授 兼职导师贺文才 高级工程师 学位类别工程硕士（矿业工程领域） 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一七年五月 中央高校基本科研业务费资助项目（CDJZR13240025） 万方数据 Multifractal characteristics of electromagnetic radiation in coal and rock A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Professional master Degree By Dong Wenshan Supervised by Associate Prof. Yao Jingming Pluralistic Supervised by SN.Engr.He Wencai Specialty MEMining engineering field College of Resources and Environment Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2017 万方数据 中文摘要 I 摘 要 煤炭作为我国重要的战略资源， 在经济发展过程中起着至关重要的作用。 安全、 有效的煤矿生产具有重大的社会和经济意义。煤矿开采过程中的煤矿动力灾害是 制约煤矿安全生产的重要因素之一。 煤矿动力灾害准确、 有效的预测在煤矿安全生 产的过程中显得至关重要。 分形理论是由美国学者提出的一种定量描述不规则自然现象的几何工具。由 于对非线性复杂现象的准确描述， 该理论一经提出就在学界引起了巨大的反响。 多 重分形能够准确描述的分形事物复杂非线性特征。 固定质量法具有 不存在起点效 应、尺寸效应、收敛性好的优点。本文首先使用固定质量法对单轴压缩过程中纯煤 样、 不同比例的组合煤样的电磁辐射信号进行了分析。 得到了整个加载过程中电磁 辐射信号的多重分形维数和多重分形谱宽度随时间的变化规律。分析了多重分形 谱宽度与组合煤样顶板比例、 单轴抗压强度、 弹性模量、 弹性能指数、 冲击能指数、 剩余能量之间的关系。 得到了如下结论 ①煤岩材料受载的过程中，会向外部空间发射低频电磁辐射信号。 ②单轴压缩过程中， 试样处于压密阶段时， 电磁辐射脉冲数基本保持较大幅度 的增加；进入弹性阶段后，电磁辐射脉冲数信号开始减少，并保持一段时间的稳定 状态； 当应力增加至应力极限时， 电磁辐射脉冲数信号突然增加并保持在一个较高 的峰值；试样进入残余变形阶段后，又逐步下降至峰前水平。 ③煤岩材料受到外部的荷载时，材料向外发射的电磁辐射信号是一种不连续 的信号，具有阵发性特点。 ④电磁辐射信号值与组合煤样顶板所占整个试样的比例呈正指数关系。当组 合煤样中顶板所占比例增加，单轴压缩过程中产生的电磁辐射信号以正指数的比 例随之增加。 ⑤使用分形理论对煤岩体向外发射的电磁辐射信号进行处理后发现，该电磁 辐射信号具有分形特征。 ⑥多重分形维数随着统计距的阶 q 的增大而逐渐减小，当 q 值增加到一定程 度时，多重分形维数趋近于稳定状态，继续增大 q 值分形维数将保持不变。 ⑦把试件整个受载过程，按照时间平均分成 20 等分，使用固定质量法计算多 重分形维数发现在相同的时间段内，统计矩 q 值越大，所对应的多重分形维数值 就越小。试件整个加载过程中，多重分形维数会随应力的变化而变化，试件受载破 裂前，多重分形维数表现为不规则的震荡特征，试件受载破裂后，多重分形维数先 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 下降后快速增加。 ⑧定义多重分型谱∆𝐸𝑟𝑐为∆𝐸𝑟𝑐 𝐸2− 𝐸7。 将整个受载过程分为 压密、 弹性、 塑性、主破裂、残余变形五个阶段。分别计算每个阶段的多重分形谱宽度。在单轴 压缩过程中试件由压密阶段进入弹性阶段， 多重分形谱宽度∆𝐸𝑟𝑐小幅度减小。 随着 应力的的增加， 试件由弹性阶段进入塑性阶段， 多重分形谱宽度∆𝐸𝑟𝑐开始增大。 临 近主破裂阶段， 多重分形谱宽度∆𝐸𝑟𝑐继续增大， 并达到最大值。 进入残余变形阶段 后，出现了小幅度的降低。根据以上分析，我们可以得出结论，当多重分形谱宽度 ∆𝐸𝑟𝑐急剧增加时，试件将发生冲击破坏。 ⑨对于组合煤样， 单轴压缩过程中多重分形谱宽度与顶板所占比例、 试件单轴 抗压强度、弹性模量、弹性能指数、冲击能指数、剩余能量均成正相关关系。 关键词关键词冲击地压，组合煤岩，电磁辐射，多重分形 万方数据 英文摘要 III ABSTRACT As an important strategic resource, coal plays an important role in the economic development of our country. Safe and effective coal mine production has great social significance. The coal mine dynamic disaster is one of the key factors to restrict the coal mine production safety. Effective disaster prediction is very important for coal mine safety production. Fractal theory is a mathematical tool for quantitative description of natural phenomena. Because of the accurate description of the nonlinear and complex phenomena, the theory has aroused great repercussions in the academic circles. Multi- fractal can describe the complex nonlinear characteristics of fractal objects completely and accurately. The fixed mass has the advantages of no starting point effect, size effect and convergence. In this paper, the fixed mass is used to analyze the electromagnetic radiation signal of pure coal sample and different proportion of coal samples in the process of uniaxial compression. The multi fractal dimension and multifractal spectrum of electromagnetic radiation signal are obtained. Then, the relationship between the multifractal spectrum and the ratio of the composite roof, uniaxial compressive strength, elastic modulus, elastic energy index, impact energy index and residual energy is analyzed. The conclusions are as follows ① In the process of coal and rock material loading, the low frequency electromagnetic radiation signal will be transmitted to the outer space. ②In the process of uniaxial compression, the number of electromagnetic radiation pulses increases substantially when the sample is in the compaction stage; In the elastic stage, the number of electromagnetic radiation pulse signal began to decrease, and remained stable for a period of time; When the stress increases to coal pressure limit, coal near the main rupture stage, electromagnetic radiation pulse signal break stability, suddenly increased and maintained at a high peak, the peak and the peak approximately equal in elastic stage; When the specimen enters the residual deation stage, it gradually decreases to the previous level. ③When the coal rock material is subjected to external loads, the electromagnetic radiation signal emitted by the material is discontinuous, and has the characteristics of paroxysmal. ④When the coal and rock material is subjected to external loads, the maximum 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV value of the radiated electromagnetic emission signal is proportional to the strength of the coal sample. ⑤The value of the electromagnetic radiation signal is positively correlated with the proportion of the whole sample. When the proportion of the roof in the combined coal sample increases, the electromagnetic radiation signal generated in the process of uniaxial compression increases with the ratio of positive index. ⑥The fractal theory is used to deal with the electromagnetic radiation signal emitted from coal and rock mass. ⑦The whole loading process of the specimen was divided into 20 equal parts according to the time average, and the fractal dimension of each part was calculated by the fixed mass . It is found that in the same period of time, the larger the statistical moment Q value is, the smaller the fractal dimension value is. The specimen in the loading process, multi fractal dimension will change with the change of stress and specimen loading before rupture, multi fractal dimension showed irregular features of shock, the specimen loaded after the bursting of a rapid increase in multi fractal dimension decreased. ⑧The whole loading process is divided into five stages compaction, elasticity, plasticity, main rupture and residual deation. The multifractal spectrum of each stage is calculated. When the specimen is in the elastic stage, the multifractal spectrum width decreases slightly. With the increase of stress, the specimen enters the plastic stage from the elastic stage, and the multifractal spectrum width increases. Near the main fracture stage, the multifractal spectral width increases and reaches the maximum value. After entering the residual deation stage, there is a small reduction. Based on the above analysis, we can draw a conclusion that when the spectral width increases sharply, the impact damage will occur. ⑨The combination of coal samples under uniaxial compression, the multifractal spectrum width and roof proportion, uniaxial compressive strength, elastic modulus, elastic energy index, impact energy index, residual energy is proportional. Key words rock burst, composite coal-rock, electromagnetic radiation, multi-fractal 万方数据 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 ....................................................................................................................... 1 1.2 研究现状研究现状 ................................................................................................................................... 2 1.2.1 冲击地压机理研究 ........................................................................................................... 2 1.2.2 冲击地压的预测方法研究现状 ....................................................................................... 5 1.3 电磁辐射预测冲击地压研究现状电磁辐射预测冲击地压研究现状 ........................................................................................... 7 1.3.1 煤岩电磁辐射产生机理研究现状 ................................................................................... 7 1.3.2 电磁辐射在煤岩动力灾害预测的应用 ........................................................................... 8 1.4 研究的内容及方法研究的内容及方法 ................................................................................................................... 9 1.5 研究路线研究路线 ................................................................................................................................. 10 2 分形理论分形理论 ................................................................................................................................. 11 2.1 分形理论分形理论 ................................................................................................................................. 11 2.1.1 分形理论的创立发展及意义 ......................................................................................... 11 2.1.2 分形的定义、特征及分类 ............................................................................................. 11 2.2 分形维数的类型及概念分形维数的类型及概念 ......................................................................................................... 13 2.3 多重分形及其计算方法多重分形及其计算方法 ......................................................................................................... 15 2.3.1 多重分形的定义 ............................................................................................................. 15 2.3.2 多重分形的计算方法 ..................................................................................................... 17 2.4 本章小本章小结结 ................................................................................................................................. 21 3 煤岩冲击破坏电磁辐射实验研究煤岩冲击破坏电磁辐射实验研究 ............................................................................ 22 3.1 试验方案试验方案 ................................................................................................................................. 23 3.2 试验设备试验设备 ................................................................................................................................. 23 3.3 试样的采集与制备试样的采集与制备 ................................................................................................................. 28 3.3.1 试样的采集与制备 ......................................................................................................... 28 3.3.2 试样的制备 ..................................................................................................................... 28 3.4 试验结果及初步分析试验结果及初步分析 ............................................................................................................. 30 3.5 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 38 4 煤岩破坏电磁辐射信号多重分形规律煤岩破坏电磁辐射信号多重分形规律 ................................................................. 40 4.1 煤岩电磁辐射信号分形特征的验证和无标度区的确定煤岩电磁辐射信号分形特征的验证和无标度区的确定 ..................................................... 40 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 4.2 纯煤样受载过程中的电磁辐射信号多重分形特征纯煤样受载过程中的电磁辐射信号多重分形特征 ............................................................. 42 4.2.1 纯煤样受载过程中多重分形维数随时间的变化规律 ........................................... 42 4.2.2 纯煤样受载过程中多重分形谱宽度∆Dqc随时间的变化规律 .................................... 42 4.3 组合煤岩受载过程中电磁辐射信号多重分形特征组合煤岩受载过程中电磁辐射信号多重分形特征 ............................................................. 44 4.3.1 组合煤岩受载主破裂阶段多重分形谱宽度∆Dqc与顶板比例之间的关系 ................ 44 4.3.2 组合煤岩受载主破裂阶段多重分形谱宽度∆Dqc与试样力学参数之间的关系 ........ 45 4.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 48 5 结结 论论 ...................................................................................................................................... 49 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 51 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 53 附附 录录 ...................................................................................................................................... 57 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 .................................................................................. 57 B. 参与参与的的科研项目科研项目 ...................................................................................................................... 57 q D 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究目的及意义 埋藏于地下的植物，经过复杂的物理、化学、生物变化形成可燃性固体材料 煤炭。煤炭又被称之为“工业的粮食” ，在国民生产过程中占据着重要的地位。 世界各国将之视为重要的战略资源。 长期以来， 煤炭在我国的能源结构中所占的比 例大概在 70左右， 因此， 相对于其他世界大国， 煤炭对于中国的可持续发展更为 重要。随着页岩气、核电、太阳能、风能、光伏等新型能源的快速发展，煤炭在我 国的能源结构中所占的比例有所下降， 但根据中国工程院发布的 国家能源发展战 略 20302050的预测，未来相当长的一段时间内，煤炭在我国能源结构中的主 导支配地位将不会改变[1-4]。 煤炭开采技术大致可分为井工开采和露天开采。 受煤层赋存条件的限制， 我国 95以上的煤炭生产是采用井工开采的方式。近年来，随着煤炭需求的不断增加， 煤炭开采技术的不断发展，煤炭的开采量逐步扩大，煤矿开采深度也快速增加，浅 部煤炭枯竭的现象日益严重。 随着煤炭开采深度的增加， 高采动而造成的次生应力 开始逐年增大， 地壳中的原岩应力也随采深的增加逐步变大， 瓦斯含量及瓦斯吸附 压力增大， 深部岩体的力学行为的非线性特征变的明显。 开采扰动引起的应力充分 对围岩稳定性的影响越来越大，导致煤、岩、瓦斯等动力灾害之间的相互作用、相 互影响明显增强， 灾害形式由某一种灾种致灾转变为深部多灾种复合成灾至灾， 深 部开采还会引发次生灾害，造成采煤环境和条件恶化、煤矿动力灾害，突发性和重 大工程灾害加重。 跟据我国有关部门的统计， 1949 年至 1997 年，将近半个世纪的时间里，参 与统计的 33 煤矿，震级在里氏 0.5 级至 3.8 级的冲击地压灾害一共两千多起。其 中较大的灾害事故（3.0 级以上）五起，这些灾害造成伤亡人数达上百人，破坏的 各种巷道累计 13km，所在生产单位累计停产一千三百多天，不得不说，冲击地压 灾害严重威胁着煤矿的安全生产。我国震级最强的冲击地压灾害发生于辽宁省北 票台吉煤矿，1994 年 2 月 15 日该矿发生冲击地压事故，事故造成 5 人死亡，12 人 受伤，毁坏巷道 3000 余米。由于冲击灾害的冲击力较强，该次事故在地面也造成 工业广场的建筑物和民房的毁坏。位于辽宁省抚顺矿务局的老虎台煤矿仅 2002 年 就发生 6127 次冲击地压灾害事故，平均每天多达 17 次。根据南桐矿务局砚石台 煤矿的统计，自 1979 年 8 月 22 日截止 2000 年 12 月，该矿发生冲击地压共计 222 次，其中因冲击地压事故而抛出煤量 11353t，主采煤层发生动力灾害 150 次，共抛 出煤岩量 8201t，强度最大的一次，抛出煤岩量达 484t，对该矿生产的正常秩序造 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 成了很大影响。 根据上面的描述， 冲击地压灾害已经严重威胁着我国煤矿的安全生产。 因此， 对煤矿冲击地压发生地点、时间有一个准确的预测，制定合理的防治措施，做到有 的放矢，从而避免冲击地压治理的盲目性和随意性，提高冲击地压的防治效果，对 于降低防治冲击地压事故而消耗的财力、 物力和人力， 保障井下财产和生命的安全 至关重要[5-10]。 1.2 研究现状 受煤层采动或者其他因素的影响，储存于煤矿巷道或者工作面附近区域内部 的能量突然释放，将会引起冲击地压灾害。由于煤矿生产环境的特殊性，震级较高 的冲击地压灾害还会引发其他煤矿灾害，比如瓦斯、煤尘爆照、火灾、水灾，强 烈的冲击地压还有可能引起矿井风流的紊乱、 地面工业广场的震动， 对地面工业广 场的建筑也将造成损坏。 因此， 冲击地压是威胁煤矿安全生产最为重要的灾害之一。 自从冲击地压灾害引起关注以后，世界各国的岩土工作者对冲击地压的发生 机理开展了大量的研究。1951 年南非为有效解决冲击地压对其国家的影响，成立 了专门机构对冲击地压进行研究。20 世纪 50 年代，德国学者首次提出使用钻屑法 对煤矿的冲击地压进行预测，并取得成功。并在此基础上，向具有冲击地压危险的 煤岩层钻孔， 以此来消除冲击地压危险的方法。 同一时期苏联根据自己的实际情况， 总结出了一整套的冲击地压预测预报及处理技术。我国的冲击地压灾害研究最早 是从煤层注水试验开始的[11]。 1.2.1 冲击地压机理研究 冲击地压机理是冲击地压发生的内在规律，即发生条件、力学变化规律等。冲 击地压机理的研究对于对冲击地压危险性评价、预测预报及有效防治具有根本性 的影响。 对冲击地压机理研究成果进行总结，目前主要的观点包括以下几点 ①将煤岩的基本物理、 力学性质作为研究重点， 使用各种线性、 非线性的方法， 寻找诱发冲击地压的固有特点和性质。 ②将煤层的地质环境作为研究的重点，分析地质结构与煤岩几何特点之间的 关系，以此确定发生冲击地压的内在规律及特点。 ③将外界环境作为研究的重点， 从工程扰动的诱发作用出发， 研究外部力学变 化对冲击地压发生的影响[12-18]。 强度理论 强度理论从材料的角度出发对冲击地压的发生机理进行解释。强度理论认为， 当材料所受的作用力超过材料的承受极限时， 将导致材料的失稳破坏， 进而发生冲 万方数据 1 绪 论 3 击地压事故。近年来，有学者将强度理论的研究对象从单纯的煤体发展成为“煤层 围岩”所组成的煤岩组合体。坚硬的煤层顶底板，在地壳深处，限制着煤层的变 形，受到工程扰动，或者其他外部力学的变化， “煤岩”组合体所形成的极限平衡 状态将会被打破，进而诱发冲击地压灾害。 强度理论对冲击地压机理的解释较为简单、 直观， 实践证明该理论在实际操作 过程中也简单易行，因此该理论在实际工程中应用较为广泛。但实践表明，发生冲 击地压的动力学特点， 及煤岩系统的时频特征的阐述和研究较为缺乏。 有资料表明 在实际生产过程中， 处于应力集中区域的煤岩超出其强度极限后， 并没有冲击地压 灾害。显然，将强度理论作为判定预测冲击地压灾害的依据是不够准确的[19-21]。 刚度理