受载煤体表面裂纹扩展与声电效应理论及实验研究

    依据“中国可持续能源发展战略”研究报告，我国一次性能源结构仍然是少气、富煤、贫油。作为一种经济型能源，在同发热量下，用煤的成本是用油的30％，是天然气的．40％。在一次性消耗资源中，随着其他资源的衰竭，煤炭的比重会有所提高。到2050年在一次性能源消费结构中我国煤炭所占的比重将不会少于50％。由我国2008—2020年的煤炭产量分布可以看出(图l一1)，2008—2012年是我国煤炭产量的快速发展期，2013年达到顶峰．为3．97 Gt．2016年煤炭产量跌人低谷．到2018年煤炭产量开始回升．根据我国“煤炭行业发展形势报告”。2020—2030年煤炭产量预计达到3．84～4 Gt。因此，在未来长期一段时间内．我国的重要战略物资和主要能源仍然是以煤炭为主。

  我国目前的煤炭开采仍采用井工开采的形式。而且开采深度每年以8～12 m的速度进入深部，大部分煤矿平均开采深度已超过500 m，开采深度在1000 m以下的煤矿已经不少。由于煤矿不断加大开采深度。高地应力、高瓦斯及高温等因素都有可能导致煤矿灾害事故，而煤岩动力灾害是主要矿井灾害之一。图1—2为我国2007—2020年煤矿事故分布图，由网1—2可以看出，虽然整体上死亡事故逐年降低，但是如2017年死亡事故达到200多起，其中由动力灾害引起的顶板事故73起，死亡人数86人；瓦斯事故3l起，死亡人数132人。近5年全国煤矿事故总起数1’787起．死亡人数984人，煤岩动力灾害是引发事故的重要原因之一。例如，2014年3月27日，河南义马某煤矿发生的较大冲击地压事故，造成6人死亡。2017年1月4日，河南登封某煤矿发生煤与瓦斯突出事故，造成5人死亡。这些事故一直制约着煤炭工业的持续健康发展。

    煤岩动力灾害一般是指较短时间内受到外部扰动应力作用下，超出承受界限的煤岩体加速变形破裂触发动力效应而导致的灾害。其灾害范围涉及较广，对于矿井的煤岩动力灾害而言．通常包括顶板来压或塌陷、冲击地压、煤与瓦斯突出等。由于煤岩动力灾害具有突发性、危害性和研究的复杂性等特点，几十年来危害煤矿生产给监测预警带来困难。对于煤岩动力灾害的监测与预警，困难之处在于问题的复杂性和预警的准确性，经过长期的发展研究．国内外专家提出了多种监测和预警方法，传统方法有钻屑与应力法，新发展的基于地球物理探测技术的方法有声发射(AE)、微震、直流电阻率、表面电位及电磁辐射(EME)等方法。每个监测预警方法均有各自的优劣势，如钻屑法能及时掌握局部区域的煤岩体性质及采动应力等信息，但是不能形成区域连续监测，微震监测能形成区域连续监测．但是局部准确性和及时性不够．电磁辐射具备相对好的准确性和及时性，能在局部区域实施连续监测，但是受环境影响较大，而且缺乏区域监测定位性能。因此，对煤岩动力灾害的准确监测与防治是当前需要解决的世界性难题。

    从目前煤岩动力灾害监测技术的发展来看。区域与局部相结合、多种信息相结合、环境与人为因素干扰少、自动化集成高且连续性综合监测技术将有可能成为监测与预警的发展方向。由于煤岩本身结构具有非均质特征，对于其在受载破裂过程中产生的声电及光等物理现象的机理。当前国内外学者没有统一的全面解释，但无论是从宏观，还是从微观机理上来说．煤岩受载破裂过程离不开裂纹的扩展。基于以上背景及前人的研究，本书围绕受载煤体破裂过程巾的表面裂纹扩展规律和声电物理效应．首先从煤体的非均质结构特征人手。通过建立能同时进行声发射、电性参数、电磁辐射及裂纹扩展高速监测的实验系统，研究单轴压缩和短时蠕变过程中声电参数的分布特征，揭示分布特征背后的规律性；在实验的基础上。总结分析裂纹扩展、电磁辐射的宏一微观机理与实验可行性。从理论上探讨和构建表面裂纹扩展和电磁辐射模型：结合电磁辐射及微震监测系统，进行声电物理效应的现场实验研究。以上研究工作能够为我国煤岩动力灾害多参数综合监测提供一定的实验及技术基础。

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