煤岩巷道掘进过程电磁辐射的时空分布规律研究

 首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行数值模拟;然后在煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合方程的基础上,研究巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号的时空分布规律。研究结果表明：模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际测定围岩应力的显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩在开挖过程中受采动影响时内部应力场的变化规律;电磁辐射(EME)信号强度在巷道监测空间的变化规律是：沿巷道高度方向为顶底板处小于中部,在水平方向的分布则是左、右端均小于中间;EME信号的时变规律则是,随着时间的增加,EME信号在同一监测点的变化先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律。现场实际测定结果亦表明,钻孔内不同深度所测定电磁辐射强度的规律变化基本上与模拟结果相同,从而说明用力电耦合方法来研究煤岩变形破裂电磁辐射的时空分布规律是可行的,可以有效地指导实践。     

基于力电耦合煤岩特性对煤岩破裂电磁辐射影响的研究

为了有效地预测预报和治理煤岩动力灾害现象 ,在利用实验研究、理论分析和数值模拟方法研究煤岩变形破裂电磁辐射和应力耦合规律的基础上 ,研究了煤岩特性对煤岩变形破裂电磁辐射的影响。研究结果表明 :巷道掘进过程周围煤岩特性如体积弹性模量、内聚力和内摩擦角等对煤岩内部应力分布有较大的影响 ,应力峰值距离煤壁距离随着加载应力和采深的增加是逐渐增大的 ,应力峰值距煤壁距离随着煤岩体积模量、内聚力和内摩擦角的增加是逐渐减小的 ;随巷道两帮煤岩体积模量、内聚力和内摩擦角的降低 ,在监测点电磁辐射信号是逐渐减弱的 ,说明一方面是由于煤岩内部变形破裂程度降低即应力集中程度降低 ,另一方面是应力集中区距离监测点越远所致 ,力电耦合计算结果表明 ,通过监测电磁辐射信号的变化规律一方面可以来评价煤岩内部应力集中程度 ,一方面可评价煤岩动力灾害的危险性     

基于FLAC2D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律研究

通过FLAC^2D模拟了矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场的分布规律；根据提取的模拟计算应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式，对巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律进行了研究。研究结果表明：电磁辐射模拟计算值在巷道中间高度的电磁辐射信号是最强的；在不同的加载应力下，监测点接收的电磁辐射模拟计算值也有较大的差别，加载应力越大，产生的电磁辐射信号越强；监测点接收的电磁辐射模拟计算值随着频率的增加而呈幂率关系下降；将应力集中区域看作电磁辐射源区是可行的。研究成果为煤岩灾害动力现象电磁辐射监测技术的研究提供了一种新的研究思路和方法。     

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术中力电耦合方法的研究及应用

对煤岩动力灾害电磁辐射预测技术的研究现状和发展趋势进行了论述与分析,基于煤岩变形破裂电磁辐射信号与受载时应力变化之间的关系,从FLAC应力场数值模拟与电磁辐射传播的角度对煤岩变形破裂电磁辐射力电耦合研究方法进行了研究。研究结果表明:基于FLAC模拟的力电耦合方法能合理地确定应力集中区域以及正确模拟电磁辐射在煤岩层内的分布规律,该方法为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报煤岩灾害动力现象提供可靠的理论基础,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论以及促进相关学科的发展具有理论和现实意义。最后还对未来煤岩动力灾害电磁辐射预测技术研究的发展前景进行展望。     

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射与应力耦合规律的研究

利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律。在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上，研究了受载煤岩变形破裂的三维力．电耦合本构关系，从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系，认为它们之间的关系可以用多项式来表征。煤岩变形破裂过程中的力-电耦合计算结果表明：EME先是逐渐增加，达到一个峰值后快速降低，这与实验测定结果的趋势是一致的：加载速度越大，EME信号也越强：随着煤岩样品强度的增加，EME也是逐渐增大的，其中强度最高的砂岩产生的EME强度也最大，以下依次是泥岩、硬煤和中硬煤。这些都说明采用的模型和计算方法是合理的，可以有效地模拟煤岩单轴压缩过程电磁辐射信号的变化规律。     

含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

煤岩体应力动态监测系统开发及应用

煤岩体应力是矿井支护设计、矿压分析、冲击地压等煤岩动力灾害预测与防治的重要依据。为了定向测试煤岩体多向应力及其演化规律,自主研发了三向缸体压力感应器和煤岩体应力动态监测系统。感应器上设置的感应片可实现与煤岩体主动有效耦合,通过感应片伸缩变形和油压变化来反映煤岩体应力大小,进而通过该监测系统实现煤岩体应力多向、实时连续测量。将该系统应用于煤矿现场采动应力监测,分析了采场应力分布及演化规律。监测结果表明,多测点应力测量可反映巷道围岩应力分布及随采动等演化规律,可以确定巷道围岩卸压带范围、应力集中范围及应力集中程度等。实测分析得到了工作面巷道内帮煤体的三向正应力分布规律;各测点应力变化趋势基本一致,同一测点3个方向正应力并非完全同步;测试工作面巷旁存在2个应力峰值区及2个卸压带。该系统为定向监测煤岩体应力提供了有效手段和方法,可用于矿山应力监测分析、围岩稳定性监测分析、冲击地压等煤岩动力灾害监测预警等。     

顶板断裂失稳电磁辐射特征研究

电磁辐射信号随着煤岩受载变形破裂速率的增加而增强,电磁辐射强度主要反映煤岩体的受载程度及变形破裂强度,脉冲数主要反映煤岩体变形及微破裂的频次。应用电磁辐射技术可以非接触监测煤岩体的受载及变形强度和变形及微破裂频次,从而对矿山顶板的稳定性做出评价。现场应用实践表明,采掘工序对电磁辐射监测信号有微弱影响;地质构造带等地应力异常区域电磁辐射幅值明显增加,波动幅度较大;顶板稳定性异常区域电磁辐射脉冲数明显增多,可以应用电磁辐射技术非接触监测评价矿山顶板的稳定性。     

基于声发射振幅分布的裂隙岩体破坏演化过程

一般而言,岩石力学问题在工程尺度上是裂隙岩体的力学行为问题,尤其是裂隙岩体在荷载作用下的强度分布、变形特征及破坏演化规律。以软岩(煤岩)为研究对象,对完整煤岩进行预加载获取裂隙煤岩体试件,并在统计意义上将其划分为含单一裂隙及含多条裂隙煤岩体,进而利用试件在加载破坏过程中的声发射现象及其最大振幅的分布规律,研究完整煤岩及裂隙煤岩体在单轴加载条件下的破坏演化过程及差异。研究结果表明:定量指标b值能够描述破坏演化过程中AE事件最大振幅的分布规律,其值越大,破坏裂隙扩展所受的阻碍越大;不同应力水平条件下,随着荷载的增加,b值整体呈降低趋势;在相同应力水平条件下,内部所含裂隙越多,b值越大;完整煤岩及裂隙煤岩体在破坏演化过程中b值的变化规律显示,当b值的降低幅度趋于平缓时,可作为试件即将破坏的前兆。研究成果可为利用声发射技术进行现场监测预警提供试验依据。     

煤-岩-锚组合锚固体单轴压缩试验及锚杆力学机制

薄煤层开采条件下巷道复合围岩(煤层和岩层)的稳定与控制是煤矿资源开采的突出问题,深入研究支护结构与煤岩体形成煤-岩-锚组合锚固体的破坏机制具有重要意义。通过对水平方向加锚和未加锚倾斜煤岩组合体(角度设置为15°,30°和45°)试件进行一系列单轴压缩试验,结果表明:无锚试件的应力-应变曲线在峰后阶段有较多微小的多峰起伏波动,出现了应力阶梯式下降;小角度(0°,15°)煤岩组合体破坏时煤体对煤-岩结构面作用的应力较均匀,破坏裂纹主要分布在煤体中,2种角度试件强度差异较小;组合角度增大(15°),煤体发生拉剪破裂时,对煤-岩结构面形成了局部应力集中,煤体和岩体同时产生拉剪复合破坏,此时煤岩体强度由煤体、岩体以及锚杆共同作用;从环向应变规律来看,煤体与岩体环向应变累积值随组合倾角增加而增大,加锚试件应变累计值小于无锚试件,此外,煤体与岩体二者之间破坏累积发生了滞后效应,煤体提前于岩体50 s进入破坏。最后,对煤-岩-锚组合体力学机制进行探讨,分析锚杆与煤岩体结构面锚固角对煤岩系统强度的变化规律的影响,试验结果与理论预测模型结果比较符合。     

煤样变形破坏峰值前后电磁辐射特征研究

对不同矿区7种类型的硬煤、软煤、混凝土等进行实内试验研究。试验结果表明，电磁辐射水平与煤岩所受的应力水平关系密切，不同煤岩破坏峰前阶段的电磁辐射随应力的增加而起伏增强，峰前阶段的电磁辐射在应力水平为80％-95％时最强；峰后阶段的电磁辐射在峰值强度后随着应力的降低呈上升趋势，峰后阶段的应力水平为60％左右时，电磁辐射达到最大值，之后随着应力的下降，电磁辐射逐渐下降。冲击倾向的电磁辐射指数是指煤岩变形破坏峰后电磁辐射指标与峰前电磁辐射指标的比值，可分为冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数。电磁能量指数和电磁脉冲指数与现有的冲击倾向指标有很好的线性关系，即电磁辐射能量指数和脉冲指数越大，煤岩的冲击倾向就越强。冲击倾向的电磁辐射指数可用来评价煤岩的冲击倾向，并以此确定冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数判断煤岩冲击倾向性的分级指标值。因此，冲击倾向的电磁辐射指数是电磁辐射预测煤岩冲击倾向性及冲击危险程度的重要指标。     

丙苯乳液改性聚合物水泥力学性能和内部结构研究

本文研究了丙苯乳液（SAE）改性聚合物水泥（PMC）力学性能和内部结构。当聚合物用量与水泥用量之比（P／C）由0增加到25％时，PMC的抗压强度几乎下降了50％，延性增大了近5倍。聚合物与水泥的化学反应增加了PMC的强度。当P／C≥10％时，压应变在约90％的最大应力处迅速增加，并在最大应力处表现出塑性流动。本文提出了在不同P／C阶段PMC的内部结构模型。在这一模型中，随着P／C增加，聚合物相从作为水泥基相中的分散相到与水泥相共同形成网络，直到最后成为水泥相分散在其中的基相。在本试验范围内，基相转换的临界点P／C分别是5％和20％。PMC的压应力－应变全曲线显示在应力较小时聚合物延迟了裂缝扩展，而当裂缝扩展到整个截面时则承担荷载。     

接缝简化模型及参数对面板堆石坝面板应力及接缝位移的影响研究

通过大量的三维面板堆石坝有限元分析,研究不同止水结构形式对面板堆石坝面板应力和接缝位移的影响.在此基础上,建议简化的面板堆石坝接缝模型,简化模型具有简单的表达形式和较少的参数,方便面板堆石坝的有限元计算分析,可满足精度要求.通过对简化模型参数进行敏感性分析,建议简化模型参数取值范围和改善面板应力的工程措施.     

湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

含缺口受拉平板Z向应力的有限元分析

含尖缺口受拉平板三维应力场是断裂分析研究中常遇到的问题 ,考察钢结构构件复杂应力状态下的脆性破坏倾向时 ,厚度方向的z向应力的大小至关重要。本文主要通过有限元计算分析了含缺口受拉平板缺口顶端的应力场 ,重点研究了厚度方向应力σz 的分布及其影响因素 ,并给出了平面应变系数的m值