煤岩体采动破坏电位响应特征规律研究

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煤岩动力灾害的频发严重制约了矿山的安全高效生产。近年来,地球物理方法在煤岩动力灾害监测预警研究方面逐年升温,其中煤岩电位监测方法在定位监测及抗干扰能力方面有较高优势,在煤岩动力灾害监测领域具有较好的应用价值和发展前景。目前,专门针对采动煤岩体的电位效应研究还未涉及。为此,本文以采动煤岩体为研究对象,首先研究测试分析了复杂应力条件(摩擦)下煤岩样的表面电位变化特征;然后建立了煤岩层相似材料模型,实验研究分析了开采条件下煤岩层变形破坏的电位响应规律,揭示了电位演化与岩层破坏活动的相关性及前兆特征;最后研制了矿用煤岩电位测试装备及系统,进行了性能测定,并在煤矿现场测试分析了采动条件下煤岩体的电位变化规律。研究结果表明:(1)煤岩摩擦过程中会引起表面电位变化,电位信号与摩擦应力具有很好的对应性。岩石摩擦电位信号有剧烈的正负值波动现象,而煤样摩擦表面电位信号突变较弱且未出现剧烈的正负值波动。岩石摩擦面两侧的表面电位极性相反、同侧相同,而煤样摩擦面之间不具有这种电位极性对称特征。(2)由相似材料模拟实验结果可知,开挖和上覆岩层移动破坏均会产生电位信号,电位信号的变化可以反映煤岩层断裂破坏的过程。停挖间歇期内,上覆岩层往复出现“失稳-稳定-再失稳”的动态变化,电位信号则相应呈现“活跃-平静-活跃”的交替式变化,且电位变化随着采空区范围的扩大而逐渐增强。顶板垮落前电位信号的持续增高或持续增高后减弱的响应模式可以作为顶板失稳垮落的前兆和判断顶板失稳垮落的依据。(3)现场煤体受采动影响能够诱发电位信号。随着工作面的不断推进,煤体产生的电位信号强度及波动幅度也逐渐增强。受采动影响煤体的电位曲线形态与工作面前方煤体的应力曲线分布有一定的相似性。电位的变化能够反映该区域采动煤体的应力分布状态和演化过程。本研究成果为深入研究运用煤岩电位监测煤岩动力灾害方面提供了一定的基础依据,对研究大尺度煤岩层破裂演化及探索煤岩动力灾害电位效应预警方法及技术等具有重要理论和现实意义。
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