学术报告

研究背景与基本信息

这篇文章题为“Mechanical Behaviors and Precursory Characteristics of Coal-Burst in Deep Coal Mining for Safety-Sustainable Operations: Insights from Experimental Analysis”，由作者Wang, X.; Wang, J.; Zhou, X.; Liu, X.; Liu, S. 撰写，隶属于中国矿业大学的多个研究机构，其中包括“State Key Laboratory for Fine Exploration and Intelligent Development of Coal Resources”和“School of Safety Engineering”等单位。该研究发表在期刊《Sustainability》2024年第16卷中（DOI: 10.3390/su16052103），于2024年3月3日正式出版。

这项研究的核心是煤矿深层开采过程中迫近发生的煤岩喷发问题。煤岩喷发是一种严重的动力灾害，不仅威胁到矿井设备安全，还可能导致作业人员的伤亡。随着浅层煤矿资源的枯竭，深部开采逐渐成为趋势，由此而来的地应力复杂环境显著增加了煤岩喷发灾害的频发性。至2023年2月，中国600米以下的矿井已累计发生了159起煤岩喷发灾害。

为了解决这一问题，研究团队运用实验手段分析了煤岩在受多轴循环加载和现场应力条件下的机械性能及前兆特征。研究涉及声发射（Acoustic Emission, AE）技术、多轴循环加载实验及非线性复杂性理论等，通过全面的实验和数据建模试图揭示煤岩失稳的微观机制并建立早期预警基础。

研究设计与工作流程

实验系统与技术方案

研究采用了多轴加载设备和AE监测系统作为主要实验设备。设备包括独立的轴向与围压加载系统，以及AE采集系统（由AE传感器、前置放大器以及Rock Test Express-8软件组成）。其中，AE系统用于实时采集声发射信号参数，并利用多通道传感器记录微裂纹的形成与演变过程。加载系统具备高达3000 kN的轴向极限载荷和30 MPa的最大围压，支持各类复杂加载路径。此外，数据处理与分析中使用了非线性分形逼近模型和前兆特征方法。

煤样制备与实验设计

实验中使用的煤样来自中国山西省某煤矿地下800米深处。研究组准备了9个尺寸均为100 mm × 100 mm × 100 mm的立方体标准煤样，其基本参数包括密度1.30 g/cm³、弹性模量1.86 GPa和泊松比0.295。加载实验分为0 MPa（无围压）、5 MPa和10 MPa三个围压水平，每组样本进行了多次加载循环以保证实验的可靠性。

实验采用逐步循环加载的方式：首先施加围压，随后进行轴向加载，最大轴向应力在连续的加载-卸载循环中逐步提高直到样本完全失效。声发射信号则被记录用于分析微裂纹形成及演变的特征。

实验结果及具体分析

1. 煤岩的力学行为

分析结果显示，煤样的变形过程可被划分为四个阶段：(1)初始压实阶段：以压缩微裂纹为主要特征，表现为低应力-应变关系；(2)线性弹性阶段：裂纹以稳定的方式扩展，应力与应变近似线性；(3)塑性变形阶段：裂纹迅速扩展且伴随不可逆变形；(4)后峰阶段：微裂纹的不稳定扩展导致样本宏观破裂。

通过对加载曲线关键参数（如峰值应力、峰值应变、残余应变和弹性模量）的提取发现，这些参数随围压及循环加载次数的增加而呈现显著的正相关关系。例如，当围压从0 MPa增加至10 MPa时，峰值应力提高了约156%，而峰值应变增幅达到151%。此外，围压还增加了样本的塑性变形，导致更多的残余应变积累。

2. 能量演化特性

在加载-卸载循环中，总输入能量（UT）分为可逆的弹性能量（UR）和不可逆的耗散能量（UI）。在低应力阶段，可逆能量占主导，但随着循环次数的增加，不可逆能量显著升高，直到样本接近失效时表现为弹性能量的瞬时释放。例如，在10 MPa围压下的最终加载循环中，可逆能量与不可逆能量分别达到178.36 J和1412.13 J。围压的存在强化了煤样的储能能力，同时限制了能量释放，从而提升了塑性变形能力并减弱了动力灾害的猛烈程度。

3. 声发射（AE）特征分析

声发射信号揭示了煤样裂纹发展的细节特征。加载循环中，AE事件可分为静默期、活跃期、峰值期和卸载期。与循环次数一致，AE累积能量逐步增长，但在终峰载荷后快速下降。围压的增加显著提高了AE事件计数和能量释放，表明裂纹活动性增强。

进一步采用相对振幅（RA）与平均频率（AF）的比值分析裂纹类型，发现裂纹在低应力下以拉伸型为主，随着应力增加逐渐过渡为剪切型裂纹。围压的提高进一步助长了剪切裂纹的增长，这一结果表明剪切机制在煤样失稳过程中起主导作用。

4. 分形与前兆特征

基于Hurst分形分析，AE信号表现出良好的正相关性（H值介于0.5到1.0之间），且分形维度D值随循环加载逐步降低，表明煤样变形过程的规律性增强。在接近失效前，D值出现突变，而AE的自相关系数和方差也显著增加。这些均可作为煤岩失稳的前兆信号，分为早期、中期和临界预警。

研究结论与意义

该研究系统分析了多轴循环加载下煤样的力学行为和声发射特征，并结合非线性复杂性理论提出了基于多参数的煤岩喷发前兆预警体系。结果表明，通过检测AE信号的关键特征参数（如自相关系数、方差、分形维度等），可以准确判断煤样的失稳状态。

从科学价值上，这项研究深化了对煤岩喷发微观机制的理解；在应用价值上，这些实验结果为灾害监控和早期预警系统的建立提供了重要支撑。这对于深部煤矿安全开采具有重要促进作用，在预防类似灾害的领域具有广泛应用前景。

研究亮点

• 实验方法创新：首次结合Hurst分形与临界慢化理论，系统评估煤岩喷发的多尺度前兆特征。
• 数据全面性：覆盖多种围压条件与系统加载路径，数据分析结果可靠。
• 应用潜力高：研究成果可直接用于煤矿动态灾害监测及防控系统的设计。