主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应研究
小类:
能源化工
简介:
本论文采用单轴全程连续加载和循环加卸载的方法实验研究了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应特征、记忆内容及实质,考察了瓦斯和水对煤岩电磁辐射记忆效应的影响;以断裂力学、损伤力学、电动力学、量子力学等理论为基础,研究了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应的微观损伤机理及力电耦合模型。
详细介绍:
(1) 实验研究了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应特征。结果表明: a. 型煤、原煤和混凝土流变破坏电磁辐射具有记忆效应,表现出当重复加载应力接近或达到先期最大应力载荷后电磁辐射信号呈现连续突然增强现象,与声发射Kaiser效应不同的是在重复加载至先期最大载荷前相对较弱的电磁辐射信号始终存在。 b. 不同的加载阶段,煤岩电磁辐射记忆能力(记忆状态参量和物性参量的能力)不同,当先期加载应力水平达到最大破坏应力的70~80%时,电磁辐射记忆能力明显减弱,甚至根本失去记忆能力。 c. 瓦斯基本不影响煤岩、混凝土电磁辐射对先期所受的最大应力、应变等的记忆能力,而含水量对煤岩、混凝土电磁辐射记忆能力产生影响,含水量越大,煤岩、混凝土电磁辐射记忆能力相对越差。 (2) 实验研究了煤岩流变破坏电磁辐射效应的记忆内容。结果表明: a. 型煤、原煤和混凝土试样在单轴压缩循环加卸载过程中,电磁辐射和声发射均具有明显的记忆先期最大应力、纵向应变、横向应变等状态参量的能力,煤岩流变破坏电磁辐射效应的记忆内容是对各状态参量的记忆。 b. 煤岩流变破坏电磁辐射对各状态参量记忆的准确程度不同。电磁辐射记忆先前应力和纵向应变的能力常常要明显优于记忆横向应变的能力,且并非对先前应力、纵向应变和横向应变的记忆能力一定同时存在,有时对先前最大应力、纵向应变具有记忆性而对横向应变却失去记忆能力;在先期受到的应力达破坏应力水平的70~80%后,电磁辐射和声发射基本失去对状态参量的记忆能力。 c. 煤岩流变破坏电磁辐射对各状态参量的记忆常常呈对应性,即电磁辐射对各状态参量的记忆常常同时超前于先前的状态参量值,但煤岩结构存在差异,有时记忆的状态参量值同时滞后于先前状态参量值、或有的参量记忆滞后有的参量记忆超前。 (3) 实验研究了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应实质。结果表明: a. 煤岩流变破坏电磁辐射不仅具有记忆先期最大应力、纵向应变和横向应变等状态参量的能力,而且具有记忆先期承受的最大弹性模量、泊松比和体应变等物性参量的能力,煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应的实质是对煤岩各物性参量的记忆。 b. 不同加载阶段电磁辐射记忆各物性参量的能力不同。在裂纹压密阶段,电磁辐射记忆弹性模量 和体应变 的能力较优,而记忆泊松比 的能力相对较差;在线弹性变形阶段,原煤电磁辐射对弹性模量和体应变具有准确的记忆能力,而记忆弹性模量的稳定性要强于体应变,型煤电磁辐射记忆弹性模量的准确性和稳定性均优于对其它物性参量的记忆,尽管对泊松比记忆的准确性相对较高,但稳定性较差,而对物性参量体应变的记忆能力相对较差;在非线性变形阶段,煤岩电磁辐射记忆物性参量的能力迅速减弱,先期加载应力水平超过破坏应力水平的70~80%后电磁辐射基本上已失去对物性参量的记忆能力。 c. 煤岩流变破坏电磁辐射对各物性参量记忆的对应性(记忆超前或滞后的一致性)比对各状态参量记忆的对应性差。 (4) 基于煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应特征,提出了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应有效电磁辐射信号判别准则。 (5) 加载方式中是否保持恒载阶段对电磁辐射记忆效应基本不产生影响,即以加载-恒载-卸载和加载-卸载两种方式进行循环加载并不影响煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应的产生。 (6) 研究了煤岩流变破坏电磁辐射的电子发射机制及电磁辐射记忆效应的微观机理。结果表明,煤岩破坏电磁辐射的产生与结构损伤扩展速率有着直接关系。煤岩结构损伤扩展速率越快,分离面上的电荷能级越高,越易逃逸成自由电荷而激发电磁辐射;在循环加卸载方式下,在载荷低于先前最大载荷时,煤岩损伤破坏的不可逆性决定了煤岩结构基本不产生新的损伤破坏,裂隙壁面产生的荷电粒子的能级较弱,从而产生相对较弱的电磁辐射信号,荷电粒子的隧道效应是在循环加载应力低于先期最大加载应力时,仍产生相对较弱的电磁辐射信号的内在原因;在载荷超过先前最大载荷后,煤岩试样内部微元形成新的损伤和扩展,荷电粒子的数量和能级突然增高,电磁辐射信号将突然连续增强,从而产生煤岩破坏电磁辐射记忆效应现象,煤岩损伤破坏的不可逆性是煤岩流变破坏电磁辐射呈现记忆效应的直接原因。 (7) 在考虑加载时间对煤岩破坏强度影响的情况下,建立了等围压三轴应力状态下的含瓦斯煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应力电耦合模型。当围压为0时,简化为单轴应力状态下电磁辐射记忆效应力电耦合模型,并对该模型进行了实验分析。结果表明,煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应力电耦合模型很好地反映了煤岩破坏电磁辐射记忆效应特征及其微观损伤机理。

作品专业信息

撰写目的和基本思路

目 的:研究煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应变化规律、内容、实质及产生机理; 基本思路:以力电实验系统为基础,建立煤岩单轴或等围压三轴压缩电磁辐射效应实验系统;实验观测不同加载方式下电磁辐射特征及变化规律;综合分析煤岩破坏电磁辐射记忆效应内容及实质;

科学性、先进性及独特之处

创 新 点:研究了煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的内容、实质及产生机理; 独特之处:通过实验分析揭示了煤岩电磁辐射记忆效应的实质,提出煤岩流变电磁辐射记忆效应力电耦合模型。

应用价值和现实意义

煤岩电磁辐射记忆效应与声发射Kaiser效应类似,可应用于测定煤岩体地应力。地应力测定是矿山开采、隧道开挖等地下工程建设必须进行的重要环节,它直接影响到矿山巷道、地下隧道等布设位置的选择、断面的设计、支护和维护方式的选取等,因此,煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应研究对准确的测定煤岩体地应力大小和方向对指导矿山开采、隧道设计与施工、地下建筑等地下工程的高效安全生产具有重要的现实意义。

学术论文摘要

岩石声发射Kaiser效应在大量的实验研究的基础上广泛的应用于矿山、石油、水利等许多领域,而具有相似特点的煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的研究尚处于起步阶段。电磁辐射技术应用于矿井煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害预测,极大地推动了煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的研究,但对其记忆效应的基本理论体系研究甚少,特别是对含孔隙流体的煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应特征、记忆内容、实质、微观机理的研究。只有深入的研究煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应理论体系,揭示其本质,才能在实践中很好的利用电磁辐射记忆效应规律。 本论文基于微观损伤力学、电磁动力学和量子力学等基础理论,从微观角度探讨了煤岩电磁辐射记忆效应产生机理,建立了单轴和三轴应力下煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应电耦合模型,并就单轴应力下模型进行了实验研究,得出了煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应变化规律、内容、实质及产生机理,建立了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应力电耦合模型,探明了孔隙流体(瓦斯、水等)对煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的影响,煤岩破坏的不可逆性是产生记忆效应的直接原因。

获奖情况

2008年12月,在《煤炭学报》发表“煤与瓦斯突出危险性电磁辐射异常判识方法研究”学术论文

鉴定结果

研究了煤岩流变破坏电磁辐射记忆效应的微观损伤机理及力电耦合模型

参考文献

[1]王恩元,何学秋,李忠辉等. 煤岩电磁辐射技术及应用[M]. 北京:科学出版社,2009 [2]何学秋,刘明举. 含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,1995 [3]郭自强,刘斌;岩石破裂电磁辐射的频率特性[J];地球物理学报;1995年02期 [4]朱元清,罗祥麟,郭自强,赵志光,祝中伟;岩石破裂时电磁辐射的机理研究[J];地球物理学报;1991年05期 [5]王恩元,何学秋;煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究[J];地球物理学报;2000年01期

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