受载煤体变形破裂表面电位效应及其机理的研究

矿井煤岩动力灾害如煤与瓦斯突出、冲击地压等是井下煤岩体在地应力作用下快速断裂破坏而引起的,在这些过程中会伴随有多种地球物理信号产生,对煤岩灾变伴生地球物理信号特征规律的研究,对于预测矿山灾害危险,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文对受载煤体表面电位效应、规律、影响因素及其产生机理等方面进行了系统的研究.全文的主要成果及创新点如下:1)揭示了煤体在单轴压缩、拉伸、三点弯曲等不同加载方式下的表面电位特征及规律,发现煤体在不同受载破坏条件下都能够产生表面电位,并且表面电位与载荷及载荷变化率有较好的相关性,二者之间的相关系数在0.6～0.9以上;研究表明受载破坏煤体的内部电位与表面电位变化趋势基本一致,煤体内部电位在试件无宏观破裂时对载荷变化的反映比表面电位更显著和敏感.2)深入研究了不同因素(煤体电性参数、加载速率、水分等)对煤体表面电位的影响.结果表明:a.煤体受载时电阻率减小,电场在煤体中的损耗增加,对表面电位有削弱作用;b.煤体表面电位的产生与加载速率(即煤体结构损伤速率)有着直接的关系,加载速率越大,表面电位信号则越强;c.煤体中水分对表面电位有较大的影响,在较低应力水平(7%～21%σmax)下就会出现表面电位的峰值.3)对表面电位信号进行了R/S统计分析,其Hurst指数均大于0.5,煤体破坏过程中产生的表面电位信号与时间(载荷)之间呈现正相关性,即随煤体破坏电位信号在时间上呈增强趋势.4)受载煤体表面的应变场分布具有非均匀性和各向异性特征,煤体表面的电位场分布随加载过程而不断变化;表面电位集中点的连线与试样破裂面位置吻合较好,破坏时刻高电位点与低电位点以破裂面基本对称.5)煤体破裂是其中缺陷、裂隙在应力作用下分叉扩展、汇合、贯通的结果,煤体受载过程中裂隙面的摩擦起电作用、新生裂隙扩展壁面电荷分离等产生的自由电子为表面电位提供电荷源;基于损伤力学、电磁动力学等理论建立了有限边界煤体表面电位的统计损伤计算模型U(P)σ,并且建立了煤体破坏自由电荷累积与煤体本构关系之间的联系.6)现场测试结果表明:表面电位在时间上与周期来压同步,在空间上与工作面前方煤体应力场分布基本一致并随工作面推进同步前移;煤体表面电位对采掘空间电磁噪音的抗干扰能力较强,而煤层注水对其影响较大,现场测试中应避开.对表面电位的深入研究可望为评定矿山煤体应力状态及其稳定性、监测预报煤岩动力灾害提供一种新的方法和手段.     

滤料表面ζ电位的测定

根据流动电位的测定原理及其与颗粒表面ζ电位的关系，通过一套简单的装置对几种常用滤料的表面ζ电位进行了测定，同时给出了测定的控制条件，并将测定结果与相关的数据进行了对比。     

煤田火区扩散机理与煤岩裂隙发育规律研究进展

煤田火是煤炭开采过程中遇到的主要灾害之一,也是世界性灾害之一.但煤田火区扩散机理及相关影响因素的研究则仍未完善,其中近地表煤岩裂隙的产生和发育为煤田火的燃烧和扩散提供了持续可靠的的供氧通道.国内外学者对煤田火区的燃烧机理、燃烧气体在裂隙中的运移特征与煤田火燃烧特性之间的关系,以及煤岩裂隙发育特征等方面的分析与研究,对于煤田火燃烧的认识存在不足之处,通过分析煤田火区扩散的相关影响因素为煤田火区的治理提供了依据.     

高分子MF膜的微孔表面ζ电位和电荷密度

根据Ｄｅｌｍｈｏｌｔｚ－Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ方程,由实验测定的流动电位来计算ＭＦ膜的ζ电位;并根据 Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎｎ方程,原估算出膜的微孔表面电荷密度。表明膜微孔表面ζ电位和电行密度与电解质 的种类、浓度有关．ＮａＣｌ、 ＫＣｌ和Ｎａ２ＳＯ４体系的ζ电位相近,ＭｇＣｌ２与 ＭｇＳＯ４体系的ζ电位相近,即阳 离子价态和结构越相近,ζ电位越相近,但当阴离子价态较高时,也有一定影响,由膜微孔表面ζ电位和 电荷密度与溶液浓度的变化关系可知．在低浓度区域,膜表面ζ电位和电行密度较高,并出现１个峰值, 之后随浓度增大而缓慢降低。     

表面活性剂在电位分析中的增敏作用

选用氯离子选择电极为测试对象，饱和甘汞电极为参比，测定加入不同类型表观活性剂对氟离子选择电极检测下限的影响。发现阳离子表面活性剂ＣＰＢ对氟离子选择电极有较明显的增敏作用。使电极的检测下限降低，响应时间缩短，稳定性变好。     

煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究

根据煤岩体变形破坏特征及其破坏过程中的声电效应规律分析，提出了煤岩冲击破坏的弹塑脆性模型，描述了煤岩材料受载变形的稳定破坏和冲击破坏、冲击矿压发生的突发性和延时性、变形破坏过程中的声发射和电磁辐射现象以及Kaiser效应，给出了冲击矿压危险前兆预测的声电判据．结果表明，采用声电前兆判据，可对冲击矿压危险性进行判别和预测。     

任楼煤矿覆岩破坏移动规律的分析研究

通过对任楼煤矿综放和炮采工作面两带高度观测孔实测资料与相似材料模拟实验等的系统分析研究，获得了该矿不同工艺条件下的覆岩破坏规律及两带发育形态尤其是综放条件下覆岩破坏移动特征。     

复合防护结构的动力响应及破坏规律研究

采用中间含吸能层的复合防护结构，其抗爆防护能力可大幅度提高，但目前对该种复合结构在爆炸作用下动力响应及破坏规律的研究较少。利用ANSYS／LS—DYNA对复合防护结构在爆炸载荷作用下的动力响应和破坏规律进行了数值计算．结果表明：外拱结构的破坏基本上属于冲切破坏，而内拱结构基本上属于拱的压弯破坏；复合结构的破坏是以牺牲外拱和泡沫混凝土为代价来保护整体防护结构；与常规防护结构相比，复合防护结构的抗爆能力明显加强．     

冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究

运用扫描电镜观测了冲击倾向煤破坏断口的微观形貌,分析了煤体受载破坏断面的裂纹、孔隙等缺陷特征及裂纹扩展特征,探讨了煤样破坏裂纹扩展途径及其微观断裂机理.结果表明,冲击倾向煤内部含有大量的孔隙裂隙,在其受栽破坏过程中,这些孔隙裂隙均充当了Griffith缺陷,促使大量新裂纹生成和煤样发生破坏.煤样中大量的尖锐孔隙及张性裂隙的微观断面特征表现出冲击倾向煤的脆性特征.由于煤的非均质性及煤样内部应力分布的非均衡性,其裂纹扩展也是不均匀、间歇式的,且裂纹的扩展路线也是曲折的,扩展过程中往往产生分岔、拐折等现象.孔隙、裂纹在应力作用下分岔、扩展、汇合贯通是导致煤体宏观断裂的直接原因.     

煤中小分子的微孔嵌入特征与溶出特性

以CS2为溶剂对童亭暗煤进行了按时间段分次取样的溶剂萃取,采用GC/MS对各次萃取物进行了定性分析,并与童亭亮煤和童亭丝炭的分析进行了比较.结果表明：童亭暗煤中部分化合物溶出时刻具有较高的选择性,即较大微孔中的分子量大的化合物首先溶出,而较小微孔中的分子量小的化合物后期溶出,极性化合物溶出时刻既受微孔大小也受极性强弱影响,但一般是延迟溶出;以细粒分散于有机质基质中的矿物质对游离态化合物的溶出有延迟作用;显微亚组分的不同将决定微孔嵌入态小分子的组成和数目分布,结构镜质体孔隙多较大,不利于对小分子的吸附嵌入,但可有游离态小分子装填;无结构镜质体孔隙多呈微孔分布,对小分子的嵌入较有利;当以微孔嵌入态存在时,长链烷烃溶出顺序总体上是高碳烷烃→中碳烷烃→低碳烷烃.     

煤岩蠕变特性试验研究

利用自行研制的压缩蠕变试验装置,对煤样进行了蠕变试验研究,根据试验结果,将蠕变强度与瞬时强度进行了比较,拟合得出了蠕变曲线经验公式,认为蠕变试验曲线接近对数规律,建立了蠕变理论模型,并求出了相应的参数.     

表面反应的位能面研究

本文采用改进的 LEPS 势,通过求解广义本征方程计算了 H_2+N-W(001)表面反应的位能面,在 N 原子吸附于 W(001)表面上的情况下,H_2分子以垂直和平行于表面的方式接近于表面,通过位能面计算,了解表面吸附原子与气相双原子分子的反应途径及机理,并讨论其可行性和合理性.     

煤岩蠕变特性试验研究

利用自行研制的压缩蠕变试验装置,对煤样进行了蠕变试验研究,根据试验结果,将蠕变强度与瞬时强度进行了比较,拟合得出了蠕变曲线经验公式,认为蠕变试验曲线接近对数规律,建立了蠕变理论模型,并求出了相应的参数.     

有层面碾压混凝土双K断裂参数试验研究

由于碾压混凝土坝是分层铺设碾压,突出存在着层间结合和坝体的层间稳定问题。因此有必要对有层面碾压混凝土断裂机理进行研究。采用断裂力学理论(双K断裂模型)对轴拉试件进行断裂力学分析,确定双K断裂参数的数值,研究其尺寸效应以及层面对双K断裂参数的影响。     

(研究生论坛）温度作用后大理岩破裂及强度特性试验研究

温度是影响岩石力学特性的重要因素之一。开展了常温和温度(200℃、800℃)作用后锦屏大理岩的单轴、常规三轴试验,分析了温度作用对大理岩破裂特征及强度的影响规律。研究表明温度作用对大理岩的破裂形式和强度都有较大的影响。单轴压缩条件下,常温下的大理岩试件发生剪切和张拉复合破坏,而200℃和800℃温度作用后的大理岩表现出明显的张拉劈裂破坏特征。常规三轴压缩情况下,常温下的大理岩主要为剪切破坏;200℃温度作用后的试件有剪切、剪切和张拉复合破坏两种不同形式;而800℃温度作用后的试件,则有单剪破坏、剪切和张拉复合破坏、鼓胀破坏三种形式。相对于常温情况,200℃温度作用后大理岩内聚力略有增加,内摩擦角基本没有变化;800℃温度作用后,试件的内聚力大幅度降低,内摩擦略微增加。由于温度作用,岩石破坏形式比较复杂,强度离散性较大。用Mogi-Coulomb强度准则对温度作用后的大理岩强度进行回归分析优于Mohr-Coulomb准则。     

煤吸附瓦斯过程温度变化的试验研究

在实验室对不同瓦斯（ＣＯ２,Ｃ４,Ｎ２等）吸附过程中煤体温度的变化进行了研究,证实煤体吸附瓦斯的过程是放热过程;煤体吸附不同的瓦斯时,放出的热量不同：吸附ＣＯ２时最大,ＣＨ４次之,Ｎ２最小;煤对其吸附能力超强的瓦斯,吸附时放出的热量越大,对于同一种瓦斯,吸附的瓦斯压力越大,即瓦斯附量越大,吸附过程放出的热量越大。     

基于FTA-BN模型的煤粉锅炉受热面故障风险研究

煤粉锅炉受热面在故障演化过程中具有不确定性,难以准确地评估故障风险。针对上述问题,采用了一种基于故障树分析(FTA)与贝叶斯网络(BN)的方法研究煤粉锅炉受热面故障风险。此方法结合了故障树易于梳理事件之间因果关系和贝叶斯网络不确定性分析的优势。首先,建立煤粉锅炉受热面4层故障树模型;然后,映射成BN模型并进行不确定性修正,通过与某电厂煤粉锅炉故障数据对比,验证所提方法可以提高故障风险评估的准确性;最后,根据BN的反向诊断推理,找出故障风险关键因素,提升锅炉受热面的安全性。