煤岩破坏电磁辐射记忆效应特性及产生机制

通过实验研究了不同加载方式下的煤岩破坏电磁辐射记忆效应特性;借助细观损伤力学和电磁动力学等理论,对煤岩内部结构损伤扩展及电磁辐射产生机制进行了分析。结果表明,煤岩破坏电磁辐射具有记忆效应特性,但记忆最大历史应力、纵向应变的能力明显优于记忆横向应变和体应变的能力,受载煤岩损伤破坏过程的不可逆性是煤岩破坏电磁辐射产生记忆效应的直接原因。     

煤岩电磁辐射能量累积与损伤关系

为了完善电磁辐射法预测预报煤岩动力灾害理论,通过对煤岩试样加载试验过程中电磁辐射能量累积、应力应变关系的分析,利用损伤力学基本原理和热力学定律理论推导了煤岩损伤演化方程,进而得到损伤与电磁辐射能量累积关系;通过拟合损伤与电磁辐射能量累积关系推导得电磁辐射能量累积与应力应变的理论关系,并通过试验结果验证了理论推导的合理性。     

煤岩电磁辐射的力-电耦合模型

基于煤岩电磁辐射的力-电耦合机理和统计损伤力学理论,建立了煤岩电磁辐射的力-电耦合模型,并通过对Weibull形态参数m值的模拟研究,修正了煤岩电磁辐射力-电耦合模型,使其更具有准确性和实用性。运用修正后的煤岩电磁辐射力-电耦合模型对不同煤岩试样的m值及电磁辐射进行了模拟,煤岩电磁辐射的模拟结果与实验测试结果一致。     

由煤岩变形冲击破坏所产生的电磁辐射

对岩石破裂所产生的电磁辐射现象的观测和研究 ,对于研究地震规律和矿山冲击矿压及其预报具有重要的意义。在实验室和现场条件下 ,采用 EAE- 0 4声电测试系统和KBD5电磁辐射监测仪对煤岩变形破裂过程中的电磁辐射进行了测定。试验和测试结果表明 ,煤岩体在变形、破坏过程中均产生电磁辐射现象 ;煤岩在冲击破坏前 ,电磁辐射强度一般在某个值以下 ,而在冲击破坏时 ,电磁辐射强度突然增加 ;而电磁辐射的脉冲数则随载荷的增加及变形破裂过程的发展而增大。依此规律 ,可以对冲击矿压危险性进行评价和预测预报。     

煤岩声发射机理及实验研究

利用煤岩损伤理论和煤岩材料的固有缺陷分布特征,推导了煤岩破坏过程中的声发射理论模型,建立了岩石声发射率与应变过程、加载速率、材料均质度、初始损伤、材料固有特性等的理论关系;通过实验验证了该模型的正确性;理论推导、计算机模拟和实验室试验证实,均质度不同的岩石等材料应变过程中,声发射率变化规律有3种模式,即随应变增加,声发射率(指数)上升型、先升后降型和平稳型.工程实际应用中,应根据岩石等材料具体分析,掌握岩石等材料破坏前兆规律,才能根据声发射变化特征判断材料破坏动态.图4,参8.     

煤岩电磁辐射特性及其应用研究进展

综述了煤岩电磁辐射特性及其应用的研究现状，包括煤岩的力电效应、频谱特征、电磁辐射的影响因素、电磁辐射的产生机理等研究，以及电磁辐射在预测煤与瓦斯突出、冲击地压及评定煤岩体应力状态方面的应用现状，并对电磁辐射的研究及应用前景进行了展望.     

煤岩冲击矿压过程电磁辐射传播规律的研究

从电磁辐射MAXWELL方程出发,对煤岩冲击矿压过程中产生的电磁辐射在煤岩中的传播规律进行了分析与研究,提出对破裂过程电磁辐射在煤岩中的传播进行数值模拟时可将电磁辐射产生源理想化为水平电偶极子和水平磁偶极子的叠加;并得出了电磁辐射源产生的场在煤岩中空间分布的解析计算式,为冲击矿压等动力灾害预测的电磁辐射监测仪的研制和定向定位监测提供了理论和计算依据。     

基于DIC技术的煤岩组合体动态破坏特性研究

为探究煤岩组合体的动态冲击力学特性和破坏时的应变演化情况,利用分离式霍普金森压杆装置结合高速摄像系统,分别对岩煤岩和煤岩煤组合体开展轴向冲击试验。采用数字图像相关技术观测试件全场应变变化,对比分析了两种组合体在不同冲击速度下的动态应力应变曲线、动态抗压强度、破坏过程图像和应变云图。试验结果表明,相同直径、高度下的岩煤岩的动态抗压强度大于煤岩煤;岩煤岩组合体在加载初期经历的压密阶段较短;不同冲击速率下,两种煤岩组合体的起裂均为煤层端部的破坏。     

煤岩变形破坏过程中渗流演化规律试验研究

高煤阶煤层气的开发主要采用压裂的方式进行增产。在压裂过程中,随着煤岩应力的不断变化,其孔隙结构和渗透特性发生变化,进而影响煤岩的力学破坏特征。以高阶煤为研究对象,开展不同围压作用下三轴渗流-应力耦合流变试验,研究煤岩变形和破坏过程中的应力、应变与渗透率之间的相互关系,分析了煤样应力、应变变化过程中渗透率随围压和体积应变的变化规律。试验结果表明:煤岩的应力-应变关系具有脆-塑性特征,煤岩体积应变经过压密和扩容阶段,环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映出煤岩变形破坏的过程。煤岩渗透率在压缩过程中出现波浪状变化,在高应力作用下发生破裂后,其渗透率不一定比破裂前增加,相反有可能会减小。研究结果可为多场耦合下煤岩破裂模型的建立与分析、压裂施工参数设计和工艺的优化提供技术支撑。     

电磁辐射技术在煤岩动力灾害监测预警中的应用

为了有效准确预测煤岩动力灾害,基于煤岩电磁辐射产生机理、特征和规律的深入研究,提出了煤岩动力灾害电磁辐射监测及预警方法,研制了KBD5型和KBD7型电磁辐射监测仪,并将电磁辐射技术广泛应用于煤岩动力灾害监测及预报,包括煤与瓦斯突出和冲击地压灾害的预测、采空区顶板稳定性监测、围岩应力分布及矿压观测、卸压带宽度确定等.     

新型煤岩电磁辐射监测系统

针对煤矿井下现场存在大量电磁干扰,且煤岩动力灾害中受载煤岩破裂的电磁辐射信号的产生具有突发性、连续性,研制煤岩的电磁辐射信号的监测装置.采用高性能DSP处理器TMS320LF2812和可编程门阵列FPGA为监测系统的核心,进行外围电路的设计.最后进行煤岩压缩破裂试验,对其电磁辐射信号进行监测.研究结果表明:该装置能够较准确提取出煤岩破裂过程中产生的电磁辐射信号,并且能够进行连续波形采集、处理及存储,为能够准确的获取煤岩破裂的电磁辐射前兆信息提供基础.     

声发射能量累积与煤岩损伤演化关系初探

为了寻求煤及岩石在受载破坏过程中能量积累与应力应变之间的关系,分别对煤矿的煤和泥岩进行了单轴加载及声发射试验,得到了煤岩试样单轴加载试验过程中声发射能量累积、应力与应变之间的关系曲线。利用损伤力学基本原理和热力学定律,理论推导了煤岩损伤演化方程,进而得到损伤与声发射能量累积关系曲线,通过拟合损伤与声发射能量累积关系曲线初步推导得到了声发射能量累积与应力应变的理论关系,并通过试验结果验证了能量累积与应力应变关系。     

煤岩应力监测系统井下监控分站的设计

介绍了煤岩应力监测系统中井下监控分站的设计方案.井下监控分站负责煤岩应力的采集、处理和传输.根据受载煤岩变形产生电磁辐射理论,煤岩中应力越高,变形破裂过程越强烈,电磁辐射信号越强.监控分站以LPC2103为控制核心,通过定向天线接收煤岩变形产生的电磁辐射信号,经过调理和放大,再由A/D转换器MAX1275进行高精度模数转换,然后送LPC2103处理,并通过CAN总线传输到井上监控主机和监控服务器.     

煤层冲击倾向性评价的新指标体系

基于煤岩微元强度的韦伯分布假设和连续介质损伤力学理论,建立单轴压缩下考虑残余强度的损伤统计本构模型,修正了动态损伤应变计算式,结合损伤因子、损伤速率和损伤加速度研究了煤样的损伤演化规律和煤层冲击倾向性的评价指标,并利用最小二乘法对实验数据进行反演得到反映实验曲线的本构方程,且验证了其正确性。结果表明:考虑残余强度的损伤统计本构模型能较好地反映煤岩峰值强度后的应力-应变曲线的变化趋势和残余强度特征点,并可得到损伤速率的最大值;修正后的动态损伤应变在间接表征冲击倾向性实验的动态破坏时间时可不再受加载方式的限制;提出的盈余能指数变化率指标可综合衡量盈余能、峰后破坏过程损耗的应变能、动态破坏时间的变化情况,衡量煤层冲击倾向性;以最大损伤速率、修正后的动态损伤应变和盈余能指数变化率构成的指标体系可作为评价煤层冲击倾向性的新方法。     

煤岩非线性损伤试验及理论模型

为了研究煤岩材料的损伤演化过程,分别对煤和砂岩试样进行了轴向应变控制、定常环向应变控制、不同围压下的单轴压缩和三轴压缩试验研究,观察煤岩的实验损伤演化过程;对试验数据进行分析,结合煤样的变形损伤特征,基于损伤力学和热力学基本原理,推导并建立了煤岩非线性损伤演化方程和煤岩试样非线性损伤本构方程.通过试验结果验证了煤岩材料的非线性损伤理论的合理性,同时也丰富了煤岩损伤理论体系.     

煤岩损伤分析及偏应力检测法

大量的煤岩显微试验分析表明,损伤是沉积相煤岩固有的力学特性,结构的非均质性及其引起的应力局部化,是煤岩损伤发展最终导致结构破坏的根本原因;受力以后,煤的脆性断裂及以后的搓揉、粒化等破坏形式应是煤与瓦斯突出时煤的主要破坏机制,由全应力－应试验结果得知,煤岩受力以后,相对其峰值强度而言,强度高的岩石扩容应力和残余强度高,而煤的扩容应力残余强度度。最后,提出了研究煤岩损伤变化过程的偏应力检测法。     

煤岩组合体分级循环加卸载力学特性的实验研究

使用MTS815岩石力学实验系统,对煤岩组合体进行单轴分级循环加卸载实验,对煤岩组合体在分级循环加卸载实验条件下的力学特性进行分析。研究结果表明:在单轴分级循环加卸载实验条件下,煤岩组合体破坏以剪切破坏机制为主;与单轴抗压强度实验结果相比,在单轴分级循环加卸载作用下,煤岩组合体内部微观裂纹得到扩展,试样的整体强度降低,试样破坏更彻底;在分级加卸载过程第1阶段中,煤岩组合体单循环应变曲线及能耗曲线呈现先骤然下降然后平缓下降的趋势,初始应力与耗散能和应变呈现正相关关系。     

煤岩破裂过程CT图像的分形描述

为实时观测煤岩细观破坏过程,采用中国矿业大学(北京)国家重点实验室工业CT检测系统,对煤岩单轴压缩破坏过程进行了CT扫描试验.利用分形理论对煤岩破坏过程CT图像进行分析,得到煤岩试样CT图像裂纹损伤扩展破裂过程的分形维数,计算结果显示CT图像计盒维数随应力的变化趋势与煤岩单轴压缩试件应力-应变曲线趋势吻合.研究结果表明,用半型高斯函数能够较好地描述煤岩试样在单轴压缩荷载作用下计盒维数随荷载的变化规律.     

单轴压缩下煤体声发射特征及损伤演化过程分析

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,是脆性材料因外力受损在其内部以弹性波快速释放出来的应变能,因应力分布不均匀所导致的由不稳定高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程,其活动性反映了煤微观破坏的活动性.通过声发射振铃计数率和能量计数率的特征研究了煤岩在各阶段的损伤演化过程,确定了煤损伤各个阶段的损伤临界值.     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律,研究表明,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。