岩石破坏过程中波速变化特征

在单轴阶段加载条件下,对取自闽南地区的闪长岩岩样进行了不同方向上纵波传播速度的测试.首先根据实验结果总结出不同方向波速在岩石破裂过程中的变化规律,然后基于应力微小变化范围内波速与应力遵循线性关系的假设构建波速-应力关系模型,最后通过多参数分段拟合方式求解模型待定系数.研究结果表明:平行于加载方向的波速在压密阶段快速上升,岩石破裂前的波速降不明显.而垂直于荷载方向的波速在压密阶段少量上升后在临近岩石破裂出现非常明显的波速降.波速-应力关系模型通过参数的变化可以准确地描述不同方向波速的变化过程,证明了模型的适用性.     

岩石加载过程声波波速变化规律实验研究

通过对花岗岩、片麻岩、大理岩和砂岩进行加载,探寻岩石波速随应力变化的响应特征.实验结果表明:花岗岩和片麻岩在线弹性加载阶段,波速-应力呈线性上升;波速达到峰值之后,波速-应力为二次函数非线性变化,再继续加载则岩样发生破坏.大理岩及砂岩在整个加载过程中波速基本保持恒定.依据成岩类型将波速变化分为两种类型:Ⅰ型,波速线性增加—峰值波速—缓慢下降—突然下降(破坏);Ⅱ型,波速不变—突然下降(破坏).在循环荷载作用下,岩石在线弹性加载阶段,波速呈线性上升;当增加到一定载荷,波速突然下降,岩样发生破坏.以上研究表明,在线弹性加载阶段,波速增加主要是密度变化引起的,裂纹萌生、扩展、贯通直接影响波速随应力的...     

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为“迅速增加-匀速增加-阶梯下降”和“迅速增加-匀速增加-保持稳定-阶梯下降-减速下降”两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型Morh-Coulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。     

基于颗粒接触理论的岩石压密阶段本构模型

鉴于岩石压密阶段非线性变形与岩石内部颗粒之间的相互接触有关,引入基于凹凸体正态分布的G-W接触模型并建立接触体元件模型;将该模型与弹簧元件串联,建立压密阶段的本构模型。利用元件模型对实验结果进行模拟,同时对模型中参数进行分析。研究结果表明:岩石颗粒间的张开度及颗粒表面的粗糙度均对岩石压密阶段本构关系有一定影响。颗粒间的张开度越大,压密过程越长;在相同应变条件下,粗糙度越大,应力增长越缓慢。本文模型在模拟4种岩石压密阶段的本构关系过程中,拟合优度均大于0.95,说明模型能够准确描述岩石的应力-应变关系。同时,模型还能够反映围压对本构关系的影响,证明利用接触模型来描述压密阶段本构关系是合理的。     

基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明：在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。     

准平面应变条件下大尺寸煤岩样的渗透特性研究

为研究采掘工作面煤岩渗透特性与应力、裂隙之间的关系,利用自行研制的煤-气耦合双向加载试验系统,在准平面应变条件下对大尺寸煤、岩样的应力-裂隙-渗透特性变化规律进行试验.结果表明：不同尺度的煤岩样的应力-裂隙-渗透特性变化具有相关性,呈分段性特征;加载过程中煤样局部失稳和裂隙的由外向内发展导致3种煤样渗透特性曲线在压密和弹性阶段出现“锯齿”形不光滑现象;试样内部结构的不同,导致渗透特性变化各异;煤样出现应力滞后性特点;岩样脆性特征明显,渗透特性出现突变且渗流速度最大时刻与岩石破断时刻基本同步.     

脆性岩石应力-应变全过程声学特征演化规律

采用岩石加载系统获得脆性花岗岩单轴压缩全应力-应变曲线,同步测试声发射(AE)和超声波变化,研究应力-应变全过程AE特征、声波波速、波速各向异性及透射波频谱特征随岩石破裂的变化规律,并结合宏观变形和声学特征综合分析花岗岩破裂过程。研究结果表明:破裂全过程AE频谱表现出双峰值或多峰值特征,主频及振幅先增后减;起裂应力附近AE主频快速增大,损伤应力后高频大幅值AE信号数量快速增多,对应中尺度裂纹扩展,同时AE频带宽度增大,峰值应力附近低频大幅值AE急剧释放对应大尺度破裂发生;波速先增后减,波速各向异性逐渐增大,峰后段波速降低幅度超过40%;透射波频谱振幅和主频随着微裂纹的压密闭合而逐渐增大,并伴随裂纹的萌生扩展逐渐减小,且频谱幅值变化比波速和频谱主频的大;大幅值AE震源在峰值应力附近局部聚集成核;AE数量显著增加早于波速下降及宏观扩容发生,AE事件对裂纹萌生、扩展的敏感性比波速和宏观变形的大,但峰后卸载段宏观变形对裂纹扩展的响应比AE事件对裂纹扩展的响应大,这与峰后破坏模式相关。     

突出煤岩纵波波速与应力相关关系

为探究井下煤与瓦斯突出灾害的发生机理并实现监测预警,运用微机控制电液伺服岩石试验机对突出型煤试样进行单轴加载破坏实验,分析了试样破坏特征及力学特性,采集震动波信号,与实际结果拟合后得到波速与应力的耦合规律,并建立了波速与应力间的试验关系模型,利用矿震信号进行了突出煤层震动波层析成像现场试验验证。结果表明,在单轴加载条件下,纵波波速与突出煤样应力之间存在指数函数关系V_p=a+ke~(rx),在加载初始阶段纵波波速变化梯度大,随后变化梯度逐渐减小并趋于线性,与实测值的相关系数计算结果表明模型相关度达0.883,能较准确描述波速与应力的变化关系。现场震动波层析成像得到的应力异常区域与现场采掘地质条件对应良好,验证了上述突出煤岩纵波波速与应力的正相关关系。震动波层析成像可应用于突出煤层应力集中区探测,对矿井突出危险区域预测具有重要的现实意义。     

复杂应力状态下岩石弹性波传播特性的研究

本文以探讨地下岩体处于三向不同应力状态下其内部弹性波的传播规律为目的,研究了两种不同致密程度的岩石(沙岩、灰岩),在单轴压力和三轴不同压力下,弹性波的传播特性和波速与应力的关系。结果表明,不同应力状态下岩石的弹性波速随应力的变化阶段与应变随应力的变化阶段大致相同,可分为三个变化阶段;对于处于弹性应力状态下的岩石,应力与弹性波速的关系可用不同的依赖系数线性表示。同时,对用弹性波法确定岩体地应力及水平构造应力进行了探讨。     

冲击倾向性煤样单轴加载红外探测研究

为探求冲击煤层煤样在单轴加载过程中的红外变化规律,利用红外热像仪对煤样进行单轴加载红外监测,取剪切破坏和劈裂破坏两种试样,对破坏过程进行红外热像实验分析。结果表明:冲击煤层煤样AIRT(红外辐射温度)和应力-应变曲线的对应关系分为五个阶段,即下降(压密阶段)-上升(弹性阶段)-下降(塑性阶段)-上升(屈服阶段)-下降(破坏阶段);煤样破坏前期都曾出现一次相对较大的AIRT下降现象,下降AIRT依据试样的强度不同而不同;煤样剪切破坏过程比劈裂破坏过程高温区域明显;AIRT变化可以对煤样内、外部能量积聚与耗散进行较准确的趋势预测。     

微波改造沸石环境材料的表征与脱氮效果

通过添加不同类型助剂对天然沸石进行微波改造制备环境材料,并研究其对再生水中氨氮的去除效果.研究发现,相同的改造条件下,不同助剂的微波沸石对氨氮的去除效果顺序为:乙酸钠微波沸石Na Cl微波沸石SDS微波沸石CTMAB微波沸石单独微波沸石原沸石.孔径测试结果显示微波沸石的总孔体积、孔径数量、比表面积均有所提高.通过SEM,XRD等手段对微波改造前后的沸石表征,微波改造过程中助剂的加入使沸石颗粒表面松散度有不同程度的提高,出现了更多的孔道,主衍射峰强度有所减弱,沸石吸附性能提高.     

改性沸石对水中氨氮的去除效果

以景观水体为研究对象,将沸石进行盐、盐＋热、盐＋碱和盐＋酸复合改性,研究其对废水中氨氮去除效果的影响．结果表明,利用最佳质量浓度为3％的NaCl改性沸石进行除氨氮实验,当反应吸附时间为60min时,对氨氮的去除率可达80％;再对NaCl改性沸石在500℃下煅烧2h ,当吸附时间为30min时,氨氮去除率高达95％．其去除率较NaCl改性沸石提高1.19倍,较天然沸石提高1.73倍．     

焙烧改造对沸石特征及其去除氨氮性能的影响

以天然斜发沸石为研究对象,通过不同温度及时间梯度焙烧改造天然斜发沸石,重点研究了焙烧改造后沸石结构特征的变化以及对再生水中氨氮去除性能的影响.结果表明:在适宜的焙烧温度和时间下,天然斜发沸石因孔道内部水分及杂质脱除,比表面积增大,而晶体结构和孔径分布特征无明显变化,且阳离子交换容量并不增加,但对水中氨氮去除率由5315%提高到7213%;而过高温度及过长时间的焙烧改造沸石,导致沸石特征衍射峰减弱,骨架结构出现坍塌,比表面积与阳离子交换容量大幅下降,孔径分布特征变化明显,对水中氨氮的去除率明显下降.     

改性沸石粉去除污水中低浓度氨氮的研究

对天然沸石粉及其改性后对水体中低浓度氨氮的吸附去除进行实验研究,发现当吸附时间是90min,废水pH值为5左右时,天然沸石粉的氨氮去除率达54.77%,吸附氨氮的效果最好;天然沸石粉在100℃下,经0.3 mol/L的氯化钠溶液改性效果最好,改性沸石粉在吸附时间60 min,pH为5时,氨氮去除率达98.85%,吸附氨氮的效果最好。综合比较在各自最优工艺条件下,最佳改性后的改性沸石粉是天然沸石粉吸附氨氮的1.81倍。     

SDS对焙烧沸石物化性质和除氨氮效果的影响

为了研究十二烷基硫酸钠(SDS)修饰对焙烧沸石物化性质和去除二级出水中氨氮效果的影响,对天然沸石进行了SDS修饰、焙烧改造处理.实验结果表明,SDS修饰可以大大提高焙烧沸石的脱氮效果.在SDS最佳修饰焙烧条件下,氨氮去除率可达98.79%,与不修饰相比,氨氮去除率提高近30%.通过对改性后沸石扫描电镜(SEM)和能谱图分析(EDS),X射线衍射分析(XRD)、比表面积与孔径分析、红外光谱图分析(IR)、离子交换容量(CEC)等表征手段分析发现,SDS的修饰使得焙烧沸石表面更加松散,出现了更多的孔道,沸石孔容积和孔径也有增加,Na离子含量增加,硅铝比减少,主衍射峰强度减弱,沸石内部化学基团发生变化,离子交换容量增加.     

微波等离子体条件下氨的合成

采用微波等离子体方法,使用自制的合成装置,在减压和室温的条件下,对以氢气和氮气为原料合成氨进行了研究。合成实验装置如图1所示。该装置的放电腔是一表面波传播器件(Surfatron),由一微波发生器(2450 MHz)供电,经同轴电缆进入Surfatron。在Surfatron中央插入一根石英管(长度为0.5 m,内径为0.025 m)。原料是氢气和氮气的混合气体。在点燃等离子体之前,先抽真空,使放电管中的压力为0.3 Pa,然后按一定比例把氮气和氢气混合     

天然沸石在高温氨氮废水中的吸附特性研究

采用天然沸石颗粒处理模拟氨氮废水,对比研究了常温和中高温下沸石吸附效果的差异,探讨了高温下吸附过程的热力学,并优化了高温下沸石吸附氨氮废水的操作工艺。研究结果表明：天然沸石适合处理高温氨氮废水;氨氮在天然沸石颗粒上的等温吸附符合Freundlich等温吸附模型,达到极显著相关（R²>0.99）;在50℃以上的高温氨氮废水中,沸石用量在40~50g/L,沸石粒径为1~2mm,搅拌转速为400~800r/min,pH值维持在5~8之内,此时沸石的氨氮吸附质量比达到2.0mg/g以上。     

改性沸石作为BAF填料处理生活污水的研究

沸石分子筛因其特殊的结构特性对氨氮具有较高的吸附性能.将天然斜发沸石在250℃下高温改性,并用于含氨氮溶液的等温吸附处理,获得了在不同氨氮初始质量浓度下的改性沸石等温吸附曲线.根据朗格缪尔吸附理论拟合得到改性沸石的等温吸附方程1/qe=7.589 86/Ce+0.137 39,并求得其对氨氮的理论最大吸附量qm为7.278 6 mg/g.通过对沸石曝气生物滤池系统在不同水力负荷和气水比条件下的运行研究,总结出改性斜发沸石作为曝气生物滤池工艺的最佳水力负荷为0.15～0.25m3/(m2.h),气水比为20∶1.     

微波辅助氢氧化钠改性沸石及其对Zn~(2+)的吸附

利用微波辅助Na OH对天然沸石进行改性,在单因素实验的基础上对改性条件进行了优化,得出沸石改性的最优实验条件为:Na OH改性液浓度为0.5 mol/L、微波功率480 W、微波辐射时间5 min.探讨改性沸石对Zn2+的吸附行为.结果表明:改性沸石对Zn2+的吸附能力明显增强.在优化实验条件下对质量浓度为50 mg/L的Zn2+的去除率达95.68%.Langmuir吸附模型比Freundlich吸附模型能更好地模拟改性沸石对Zn2+的吸附过程,吸附动力学方程以准二级动力学方程拟合的效果最优.     

净水厂污泥覆盖控制底泥氮磷释放效果

室内静态模拟净水厂污泥与沙、沸石、锁磷剂(镧改性膨润土Phoslock^?)等4种覆盖材料控制底泥氮磷的释放效果.结果表明:在覆盖强度为2 kg·m^-2条件下,与对照组相比,沸石覆盖对氨氮的平均削减率为42.04%,沙覆盖和锁磷剂覆盖对氨氮均没有削减效果,净水厂污泥覆盖不仅对氨氮没有削减效果,而且还会向水体释放氨氮;锁磷剂、净水厂污泥、沸石和沙的覆盖对正磷酸盐的平均削减率分别为75.98%,53.73%,28.09%和10.69%.最后,分析几种覆盖材料