随着我国长期以来对煤炭能源的依赖,煤炭产量逐年升高,越来越多的煤矿进入了大采深时期。随着矿井采深的增加,煤岩动力灾害频繁发生,已对煤矿生产造成极大威胁。煤岩动力灾害的预测工作越发重要,近年来,利用监测灾害发生前的声发射、微震和电磁辐射等物理信号来预测动力灾害的发生成为新的趋势。这些地球物理指标与现有的其它方法相比,具有不间断监测、非接触、对作业影响小等优点,这些方法已成为预测动力灾害的发展方向。然而当前的这些地球物理指标预测法均是在煤岩受压缩力(单轴、多轴压缩,动态冲击)破裂过程中的信号特征研究的基础上提出的,缺乏对煤岩在受拉应力破裂时的电磁、微震产生机理及特征研究,而拉应力对煤岩动力灾害的发生具有重大影响。本文在分析材料破裂电磁、微震产生机理的基础上,实验研究了煤岩在静爆拉伸破裂过程中的电磁、微震特征及两者关联响应规律,并利用煤矿掘进现场电磁、微震信号测试结果对实验结论进行验证。利用材料损伤和断裂力学理论,分析煤岩静爆拉伸裂纹扩展特征;利用电磁和微震相关理论,研究煤岩静爆拉伸破裂电磁、微震产生机理及特征,并进一步分析电磁、微震信号及应变之间的关联性特征;利用光谱学理论,对煤岩破碎过程中分子间氢键的变化规律进行研究。研究结论弥补了煤岩拉伸破裂电磁、微震信号特征方面研究的空白,对完善煤岩动力灾害的微震、电磁辐射预测指标法具有重要意义。论文主要研究内容及结论如下:(1)煤岩静爆拉伸破裂机制及无声破碎剂作用机理在前人研究基础上,分析了无声破碎剂的膨胀机理,利用材料断裂力学理论,分析了煤岩静爆拉伸破裂的机制,并将整个静爆拉伸破坏过程分成微裂阶段、膨胀压传递阶段和劈裂阶段。设计膨胀应力测试实验,得到炮孔直径为20mm和40mm时无声破碎剂膨胀应力随时间的变化曲线,为后期的实验设计及数值模拟提供指导。利用Abaqus有限元分析软件,对试件静爆拉伸破裂实验进行数值模拟,根据模拟结果,实验设计中在试件上端中部和试件侧面布置应变片来监测膨胀应力作用范围,进而判断试件所处的静爆拉伸阶段。(2)煤岩静爆拉伸破裂过程中电磁信号特征研究通过搭建煤岩静爆拉伸破裂低频电磁信号监测实验系统,采用ZDKT-1型煤岩动力灾害实验模拟系统测试原煤和水泥砂浆试件在不同静爆速率拉伸破裂中的低频电磁信号,利用STA/LTA算法实现对有效电磁信号自动识别,并借助整体经验模态分解和小波阈值联合对电磁信号进行降噪处理,分析电磁信号的幅值、频谱及能量等变化规律。利用傅里叶红外光谱仪,分析煤分子间所含氢键类型,研究煤受外力作用发生破裂过程中分子间氢键的变化规律。研究结果表明:①根据煤岩静爆拉伸破裂过程中应变和微震信号特征,并结合煤岩静爆拉伸破裂机理,可将整个静爆拉伸破坏过程分为三个阶段:微裂阶段、膨胀压传递阶段和劈裂阶段。材料在微裂阶段产生的电磁信号很少,仅有煤岩m40组在微裂阶段出现零星几个电磁信号,煤岩m20组及水泥砂浆试件在微裂阶段均不产生电磁信号。相同静爆速率下,煤岩材料静爆产生的电磁信号数要多于水泥砂浆;相同材料,静爆速率越大,产生的电磁信号越多。在同组实验中,劈裂阶段出现的电磁信号在幅值及能量上要大于前两个阶段,且频率也有所上升。②煤岩静爆拉伸破坏是纵向和横向裂纹的综合作用,各试件的宏观裂纹数存在差异;而水泥砂浆在静爆拉伸破坏中只有纵向裂纹。试件拉伸破裂过程中的电磁信号数与宏观裂纹面积有关,裂纹面越大,电磁信号数量越多。③整体经验模态分解和小波阈值联合去噪能很好的去除实验过程中的电磁背景噪声,使电磁信号的特征更明显。④煤岩静爆拉伸破裂中的电磁信号一般出现在应变急剧变化、微震群发的时间段,水泥砂浆在拉伸破坏过程中的异常电磁信号要远少于煤岩,且电磁信号在幅值及能量上均小于煤岩拉伸破裂的电磁信号。⑤煤岩静爆拉伸破裂电磁的产生机理为裂纹面的电子及带电粒子发射、微裂纹的带电化和煤分子间的氢键断裂,分子间氢键断裂是导致煤岩和水泥砂浆试件拉伸破裂电磁信号差异的主要原因。⑥煤岩在外力作用下发生破坏的过程中,煤体分子间氢键吸收强度变化非常明显,自由羟基也在冲击作用下发生机械力化学反应。对红外光谱进行高斯函数拟合分峰,发现各类氢键吸收强度随着冲击次数的增加而减小,但其趋势在放缓。统计两者关系,得到各类氢键的光谱吸收强度与破裂能量的拟合方程,两者符合幂函数关系。对比拟合方程的幂指数,得出各类氢键在受冲击破坏时发生变化的敏感性顺序:freeohgroups>cyclicohtetramers>oh…n>oh…?>oh…oh。(3)煤岩静爆拉伸破裂过程中微震信号特征研究搭建煤岩静爆拉伸破裂微震信号监测实验系统,采用zdkt-1型煤岩动力灾害实验模拟系统测试原煤和水泥砂浆试件在不同静爆速率拉伸破裂中的微震信号,利用sta/lta算法实现对有效微震信号自动识别,并借助整体经验模态分解和小波阈值联合对微震信号进行降噪处理,探究煤岩材料静爆拉伸破裂微震信号的幅值、频谱及能量等变化规律,并简要分析该过程中微震信号的影响因素。研究发现:①煤岩静爆拉伸破裂过程中的微震信号数量与其最终的宏观总裂纹面积有关,裂纹面积越大,破坏过程中伴随的微震信号越多。②煤岩静爆拉伸破裂过程中的微震信号幅值与破裂速度有关,破裂速率越大,期间伴随的微震信号平均振幅越大。③整个煤岩静爆拉伸破裂过程中的微震信号总能量也与破坏后的裂纹面积有关,其它条件相同时,裂纹面积越大,微震信号总能量越大。④煤岩静爆拉伸破裂过程的微震信号并不是均匀出现的,微震信号的幅值也不存在某种单调趋势。整个静爆拉伸破裂过程中微震信号的阵发性明显,微震信号的振幅及能量呈现弱强相间的分布,经过几轮的强破裂后,试件才完全破裂。⑤材料静爆拉伸破裂过程中的微震信号特征不仅与静爆拉伸速率有关,还与材料的组成和结构有关。(4)煤岩静爆拉伸破裂电磁与微震信号关联性分析对煤岩静爆拉伸破裂过程中的电磁、微震及应变特征进行关联响应分析,并利用关联性分析法,研究了煤岩静爆拉伸破裂过程中电磁和微震信号的振幅及能量的关联性特征。研究发现:①微震信号的出现与试件的应变具有较好的关联性,微震计数与应变的变化趋势总体上是一致的,且电磁和微震信号都具有阵发性,电磁异常信号一般出现在微震信号集中出现期,即微震计数加速增加、应变变化明显的阶段。②煤岩静爆拉伸破裂过程中的电磁和微震信号出现时间具有很好的同步性。③同一时间点出现的电磁与微震信号的幅值符合线性关系,从拟合结果来看,各组实验的拟合参数有所区别,拟合相关性系数在0.778至0.877之间。④同一时间点出现的电磁和微震信号能量符合线性关系,两者的线性拟合系数均在0.88以上。(5)煤矿掘进现场电磁和微震关联性分析基于煤岩爆破掘进与煤岩静爆拉伸破裂实验在作用机理上的相似性,利用煤岩动力灾害监测系统,对平煤十矿己15-21180机巷爆破掘进过程中的电磁和微震信号进行监测,分析煤矿现场电磁和微震信号的特征规律,并探究两类信号在时间、幅值及能量上的关联性特征。研究发现:①煤矿井下两类信号的背景噪声不严格符合50Hz的倍频。②爆破掘进现场的电磁和微震信号在时间上具有很好的同步性。③电磁和微震信号能量符合较好的线性关系,拟合相关性系数达0.966。