受载复合煤岩变形破裂力电热耦合模型

采用自主研制的电磁辐射信号采集系统、高精度红外热成像仪分别采集由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩受载破裂产生的电磁辐射、红外辐射温度信号。对复合煤岩的弹性模量与温度变化规律进行研究。结合热损伤、力电耦合模型,提出复合损伤因子,建立了受载复合煤岩破裂力电热耦合模型。对试样测试的数据进行拟合,分别采用力电耦合模型、力电热耦合模型对测试的试样模型参数m进行拟合。研究结果表明,复合煤岩的弹性模量和温度呈负相关关系,复相关系数在0.9以上。建立的新模型参数复相关系数比力电耦合模型有一定提高,结果表明考虑热损伤对模型修正后,模型精确度得到提高。     

不同水温浸泡后粉砂岩破裂过程红外辐射特性研究

为探寻温度条件对粉砂岩破裂过程红外辐射特性,分别对50℃、100℃水中浸泡过的粉砂岩试样进行单轴压缩试验,通过平均红外温度(AIRT)、方差、欧氏距离三项指标对两组试样加载过程的红外辐射温度场特性进行定量分析,得出不同水温浸泡下粉砂岩破裂过程红外辐射特性。结果表明:三项指标对50℃、100℃水浸泡粉砂岩试件红外辐射温度场的刻画整体趋势大体一致,但100℃水浸泡试件在单轴加载破坏过程中裂隙的发育的剧烈程度远远低于50℃水浸泡试件,且发育过程趋向于平缓稳定发育,同时在一定程度上存在裂隙发育滞后的现象。     

基于欧氏距离的单轴压缩下粉砂岩热图像演化特性研究

为探寻粉砂岩破裂失稳过程红外异常,引入欧氏距离的方法,通过计算粉砂岩试样各相邻时刻欧氏距离,对单轴压缩条件下粉砂岩红外辐射温度场演化特性进行研究,结合熵值、方差两种指标演化趋势验证欧氏距离方法的可用性。结果表明:欧氏距离、熵值法和方差均能较好地刻画粉砂岩红外辐射温度场各个阶段;压密阶段至弹性阶段前期,欧氏距离存在较多大幅度突升值,表征这一时段内试件自身存在的微裂隙被压缩,产生热摩擦效应,欧氏距离与熵值、方差刻画能力相当;弹性阶段后期至塑性阶段,欧氏距离呈较为平稳起伏交替,表征裂隙稳定发育,欧氏距离刻画能力劣于熵值、方差;峰后阶段,欧氏距离出现大幅度突升,且幅度、频率均大于前面的阶段,表征粉砂岩试样即将破裂,欧氏距离刻画能力优于熵值、方差。     

不同加载速率下粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量变化规律试验研究

为研究加载速率对粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量的影响,定量分析粉砂岩加载过程红外辐射能量变化规律;开展了不同加载速率下粉砂岩单轴压缩红外辐射实验。研究结果表明：峰值应力随加载速率的增加而减小,不同加载速率下,差值模式下红外辐射温度最大值ΔT_max与应力变化具有较好的对应性,更能反映试样的破坏情况,ΔT_max的最高温差突增范围为1.0～1.7℃;主破裂时,累计红外辐射能增量ΔQ随时间变化呈缓慢增长趋势,破裂时对应的累计红外辐射能增量随加载速率的增大逐渐减小;ΔQ与机械功之间呈幂函数关系,随着机械功的增加,累计红外辐射能量增量呈现出先增大后缓慢增长趋势;不同加载速率下试样损伤红外前兆比的范围为0.02～0.285,且随加载速率逐渐减小。     

采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征

高应力强卸荷下煤岩动力破坏现象频发,明确煤岩破裂前兆信息是保障深部煤炭安全开采的重要内容。为定量研究采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征,采用实验手段分析受载下裂隙煤岩体损伤直至破裂过程热红外辐射温度时域演化规律与异常区域迁移特征,对比分析预制结构面对红外辐射异化特征的影响,揭示热红外辐射温度场与声发射耗散能量间的关系。结果表明:裂隙煤岩破裂过程热红外辐射温度时域演化规律划分为Tave的平静、小幅波动、快速增加和快速降低4个阶段。Tave极值出现在0.77σp,可作为煤岩临近破裂的前兆特征;热红外辐射异常区域的迁移特征可作为煤岩破裂的重要前兆现象,σ≥0.30σp开始出现大面积整体性升温,σ≥0.77σp温度仍保持整体性增加,但温度最大值开始降低,σ≥σp以热红外辐射低温异常区域为主;预制结构面的存在对裂隙煤岩的力学响应特征起到决定性作用,且平行结构面造成的强度劣化最为显著,对岩石工程的安全影响最大。裂隙煤岩破裂红外辐射异常区域集于制结构面附近,红外辐射温度异常区域迁移与声发射能量突变基本保持一致。     

裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究

为了研究裂隙煤体受载破坏红外辐射变化特征规律,进行了单轴压缩条件下预制裂隙煤样红外辐射实验,对比分析了预制裂隙煤样与完整煤样受载破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图的变化特征。结果表明：相对于完整煤样,预制裂隙煤样受载破坏过程中最高红外辐射温度突增量相对较小,而平均红外辐射温度突增量相对较大,且在主破裂发生前,红外辐射温度曲线波动较小;红外热像云图的变化更加明显,主破裂发生前,白色和深蓝色低温区域逐渐缩小,可以作为预测煤体失稳破坏的前兆信息。     

受载岩石红外辐射的影响因素及机理分析

在总结过去实验的基础上，对岩石在加载过程中产生红外辐射的影响因素（加载速率、加载方式及岩性）及机理进行了分析和讨论。认为：1）随着加载速率的上升，温度上升加快。但在加载速率2.75×10-5/s到1.65×10-4/s的变化范围，单位应变内岩石红外辐射无明显规律性的变化；2）岩石压缩加载辐射温度上升，而拉伸加载辐射温度下降；3）不同岩性的岩石，因其矿物成分、结构及构造的差异，使得加载过程中的红外辐射规律不同；4）加载岩石红外辐射变化规律受两种热效应——热弹效应和摩擦热效应控制，两种热效应在不同的加载阶段所起的作用不同。     

潮湿煤体压缩破裂过程中红外辐射演化特征研究

为探寻水分对煤体破裂过程表面温度分布的影响,对不同含水率试样进行加载破裂试验,研究其表面红外辐射温度的演化特征,并以平均红外辐射温度AIRT、温度极差R、分形维数D、红外热像特征进行分析研究.结果 表明:干燥、潮湿试样表面平均红外辐射温度总体上均表现为随载荷增加呈下降趋势,但在临近破裂时出现了明显异常:干燥试样表现为升...     

复合煤岩变形破裂温度-应力-电磁多场耦合机制

煤岩动力灾害中各个物理场演化非常复杂,结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论,推导了复合煤岩变形破裂温度场、应力场、电磁场多物理场耦合数学模型,建立了多场仿真模型,对煤岩受载变形破坏过程中这3个物理场的变化规律进行数值模拟,并进行实验验证研究。仿真结果表明:复合煤岩内部应力突变,微观角度而言,旧分子链断裂形成新的分子链,释放热量,同时,带电粒子在区域电场的作用下变速运动产生电磁辐射。宏观而言,煤体的抗压强度弱于岩体,煤岩体内出现裂隙,煤体应力、温度和电磁场能量明显高于岩体,在裂隙尖端应力和温度最大,磁场能量跟随仿真加载时长增加不断增强,磁感应强度沿逆时针旋转,由内向外不断衰减。在相同条件下的实验结果表明:复合煤岩内部红外辐射温度随应力的增长呈现阶梯型上升趋势,在应力峰值附近温度达到最高。电磁辐射在加载初期缓慢增长,在应力峰值附近,电磁辐射突增至峰值,继续加载至煤岩破裂,电磁辐射急剧衰减直至消失。实验与仿真结果一致,利用力电热耦合模型可以研究复杂条件下煤岩受载的特性,为深部煤岩开采动力灾害预测预报提供理论基础和新方法。     

煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究

为研究煤样受载破坏过程中有效前兆信息,开展了煤样单轴压缩加载试验,分析了在相同加载方式下煤样红外辐射温度变化特征,运用临界慢化理论对煤样最高红外辐射温度进行处理,比较了最高红外辐射温度的方差和自相关系数,分析了方差、最高红外辐射温度以及载荷在时间上的变化特征。结果表明:煤样在受载前期和中期最高和平均红外温度变化趋势基本保持一致,受载后期最高红外温度在煤样损伤点处呈上升趋势,主破裂发生时,最高红外辐射温度急剧上升,而平均红外温度在主破裂时并未表现出明显变化;方差和自相关系数均受窗口长度和滞后步长的影响,但方差曲线受窗口长度影响较大;对比红外降温前兆点和红外升温突增点,方差对煤样失稳破坏的预测更加的精准。     

复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照1∶1∶1比例制备复合煤岩试样,采用0.1,0.3,1.0 mm/min三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在0.8以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短,信号特征为阵发性的,当以0.1 mm/min速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm/min速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了SCT(stress-charge-thermal)耦合模型。针对12组试样进行试验,数据拟合结果表明:SCT模型参数n,b′的数据拟合精度较SET耦合模型m,b稍高,复相关系数基本均在0.9以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用SCT耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。     

微波加热对煤层顶板砂岩微结构的影响

为从微观层面研究微波对煤层顶板砂岩的热作用,实验前对砂岩样品进行预处理,利用核磁共振技术(NMR)和扫描电镜(SEM)对微波辐射前后砂岩的微观结构进行了调查。研究结果表明:微波辐射对砂岩孔隙结构的改性作用包括扩大孔隙的分布范围、增加大孔隙的数量以及增强孔隙间的连通性;随着微波在样品中的传播,孔隙的改性行为明显减弱;砂岩中石英、长石颗粒受热膨胀及其附着黏土脱水的耦合作用产生的晶间断裂和晶内断裂是导致较大孔隙(T₂>10 ms)数量增加和孔隙体积增大的主要原因;工程中利用微波加热进行煤层脱气时,首先要对煤层取样分析,根据煤中碳酸盐类、硫化物类矿物和水分的含量来研判微波的脱气效果;此外,为避免微波注热煤层时对顶板岩石的损伤,作业时需根据煤层气的抽采范围选择合适波长的微波输出。     

大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等3种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顶板对支架作用力明显减小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施,其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。     

近距煤层群开采在不同宽度煤柱中的传力机制

以目前汾西矿区近距煤层群开采为背景,分析了煤层回采后煤柱及附近煤岩体应力重分布影响因素,并采用FLAC3D有限差分程序计算研究了近距煤层群上部煤层回采在不同宽度煤柱内部及下部煤岩体中的传力机制.结果表明:煤柱内部集中应力对底板应力重分布影响大于对项板应力重分布的影响;不同宽度煤柱内部及顶底板煤岩体应力集中系数不同,随着...     

砂岩裂纹发育过程的温度场变化特征

利用热电偶多路温度测试仪和红外热像仪,分别测定了砂岩平台巴西圆盘试样Ⅰ型起裂裂纹发育过程中的物理温度和红外辐射温度变化.热电偶多路温度测试过程中,约95％的试样裂纹起裂时载荷发生应力调整,与此同时其物理温度突增,最高升温幅度0.74℃(平均0.16℃).红外热像仪测试过程中,约20％的试样裂纹起裂时红外辐射温度升高(平...     

碳化硅超高温合成炉深部温度测试技术研究

利用红外线测温仪及示性物质Al₂O₃、ZrO₂分别对热源温度及对炉内某些特定部位的温度进行了直接测量, 通过数值模拟对炉内温度变化进行了预测。研究结果表明, 示性物质测温法为温度测量提供了一种新的参考方法, 是红外线测温仪测温的有益补充; 数值模拟合成炉温度场能够对炉内整体温度进行预测。表面负荷一定条件下, 热源温度线性增加到一定温度以后基本保持不变。测试结果表明, 碳化硅分解温度在2 600~2 700 ℃之间。     

急倾斜煤岩体工程结构特征综合调查

急倾斜煤层赋存环境复杂,揭示急倾斜煤岩体工程结构特征是建立急倾斜煤层动力学畸变动态防控体系的基础。本文采用钻孔电视、地质雷达、光学钻孔摄像、DR扫描等综合手段进行了调查研究。研究表明:乌鲁木齐矿区地质构造活动频繁,采空区顶板宏观结构致密;急倾斜煤岩体为破坏后再稳定结构,存在松散未压实空洞,但未影响顶板的稳定性;急倾斜煤岩体大体划分为破碎区、塑性区及弹性区3个区域;煤体各向差异性显著,存在大量原生裂纹并夹含硫化物。岩体原生裂隙数量少,岩体试样的各向异性小且多掺杂泥岩或泥质砂岩等胶结物质,为导致采空区出现大面积悬顶及整体性垮落的主因。     

循环载荷作用下煤的力学性质及声发射特征演化规律

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,可以通过研究煤的声发射规律掌握其损伤和裂隙的演化规律。借助三轴液电伺服加载系统和声发射测试系统,针对原煤试样,进行了循环加载实验,揭示了循环载荷作用下的煤力学性质和声发射演化特征。研究结果表明:多级加载疲劳试验中,循环载荷幅度相同的条件下,随着加载频率的减小,弹性模量降低30%～40%、不可逆塑性变形增加,说明煤样损伤及裂纹发展有时间效应;循环加卸载频率对于煤样内部原有的或新生的微裂纹扩展规律具有较大的影响;验证了声发射试验中的Kaiser效应和Felicity效应,发现煤的应力记忆特征、应变记忆特征具有Felicity效应,而且相对于应变记忆特征,应力记忆特征变化更加明显,说明煤的物性参数(应变)记忆能力相对好于状态参数(应力),更能准确地描述损伤。