煤岩摩擦电荷感应规律分析

利用自主研制的电荷感应仪,建立煤岩体摩擦电荷感应试验系统.研究了煤、花岗岩、砂岩在摩擦条件下的电荷感应规律.试验结果表明:煤岩体摩擦均能快速产生电荷感应信号,且电荷信号幅值在一定的范围内,花岗岩摩擦产生电荷信号大于煤摩擦产生电荷信号,砂岩摩擦产生电荷信号最小.煤岩体摩擦产生的电荷感应信号小于单轴压缩条件下的电荷感应信号,说明煤岩体摩擦起电只是煤岩体电荷感应信号中具有重要作用的一部分,这对研究煤岩体电荷感应机理有一定的作用.     

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。     

单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、微震和电荷等信号的异常变化特性,运用声发射、微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明:含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号,在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的,含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小,试样的单轴抗压强度降低,岩样更容易失稳,失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小,试样变形破裂过程的声发射、微震和电荷感应信号都增多,试样出现同步的前兆信号时的应力降低,在试样失稳破坏阶段声发射、微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时,声发射、微震和电荷感应信号突变性增加,进入危险阶段大大提前,大震级事件也显著增多,在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较短;在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,对声发射、微震和电荷感应前兆信号相结合分析,可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

次声波监测煤岩动力灾害的可行性研究

本文从现状分析和实验测试两方面探索次声波监测煤岩动力灾害的可行性,分析煤岩单轴压缩过程中次声波信号与加载应力的对应关系.研究结果表明:1)次声波技术可以实现矿井煤岩动力灾害的远距离、非接触性监测;2)煤岩在单轴加载变形破裂过程中能产生显著的次声波信号,在失稳破坏即将发生或发生时,次声波信号出现较大幅度值;3)在受载煤岩变形破裂过程中,次声波信号幅度值随着应力的增大呈增强趋势,两者具有较好的对应关系.次声波具有传播距离远、衰减小和穿透能力强等特点,对煤岩变形破裂过程中产生次声波现象的进一步研究可为预测预报矿井煤岩动力灾害的发生提供重要的研究方法和技术手段.     

冲击矿压危险预测的电磁辐射原理

由于煤岩冲击破裂过程中,裂缝的形成和颗粒的摩擦会产生电磁辐射,因此,可采用电磁辐射技术来预测煤矿的冲击矿压危险.研究表明,电磁辐射基本上随着加载及变形速率的增加而增强;在发生冲击性破坏以前,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;煤体应力越大,变形破裂越强烈,电磁辐射信号也越强.煤岩变形破坏的弹塑脆性模型分析表明,煤岩体的损伤速度与电磁辐射脉冲数、声发射事件数成正比,与瞬间释放的能量、变形速度成正比.对具有强冲击危险工作面进行的研究表明,电磁辐射完全可以预测煤矿冲击矿压危险,检验卸压爆破效果,而且准确率高,效果明显.     

不同应变速率CFRP约束混凝土单轴受压本构关系的试验研究

针对目前我国尚无CFRP约束混凝土方柱在不同应变率下的动态试验研究,设计了一套能够满足不同应变速率的动态单轴受压试验装置,并对83个碳纤维布约束混凝土在不同应变速率、不同包裹层数、不同混凝土强度下进行了单轴受压试验研究,得到了不同应变速率下CFRP约束混凝土的轴向应力应变关系.试验结果表明,不同应变率下其应力应变曲线的形状大致相同,随着加载速率的提高,CFRP约束混凝土的抗压强度也也随之提高.     

压电智能骨料的动态响应性能试验研究

基于压电陶瓷材料,设计制作了能够埋入混凝土内部的"智能骨料",作为传感器进行动态应力测量。根据压电陶瓷片尺寸将传感器分为A型和B型。采用电荷放大器和LMS数据采集系统,对应力传感器在动力加载下的响应进行试验分析。研究发现,传感器表面实测应力与电荷放大器输出电压之间有良好的线性关系;在相同的加载速率下,B型应力传感器的灵敏度系数要高于A型应力传感器,量程小于A型应力传感器。     

地电场海岸效应：以2015年3月17日大磁暴为例

海陆电性差异较大时空间电磁扰动导致电荷累积在海陆分界面,使不同观测台之间地磁垂直分量出现从数十秒到几小时的异常增大,即海岸效应.为了探索地电场的海岸效应,本文提出了磁暴引起感应电荷的累积计算方法,基于2015年3月17日开始的大磁暴期间地电场观测数据,估算不同时间尺度的地磁脉冲引起的表层电流矢量强度和表层电荷量.结果显示,海陆边界附近台站的表层电流矢量方向指向内陆,海岸效应的影响区域比前人数值模拟给出的范围大2倍以上;说明海陆边界带是电荷聚集的主要区域,且正电荷聚集在电阻率较高的一侧.在海湾区域的南北向海陆边界,东西向的表层电流密度和表层电荷密度大于南北向;在典型脉冲加载下,海湾区域的表层电荷累积明显大于半岛区域.本文定量描述了表层电流和电荷的海岸效应以及海湾区域电荷积累的特征,为近海区域的大地电磁数据校正、GIC估计等提供依据.     

钢筋混凝土构件率相关恢复力模型研究

通过钢筋混凝土构件的动态试验,研究不同加载速率下的钢筋混凝土梁柱力学特性。考虑屈服强度、极限强度和刚度的动力效应,引入损伤因子,并考虑混凝土损伤对卸载刚度的影响,建立了钢筋混凝土构件率相关的三折线恢复力模型。利用有限元分析软件模拟钢筋混凝土构件的动态试验,对比模拟结果与试验结果得出：考虑应变率效应和混凝土损伤对卸载刚度的影响,能够更好地反映构件的动力特性。对一平面框架结构模型进行不同加载速率下的动态分析,研究加载速率对结构动力反应的影响,结果表明,随着加载速率的增大,结构模型各构件的强度和刚度增大,结构模型整体抗侧移刚度增强,水平位移减小。     

加载速率对钢筋混凝土梁动态性能的影响

引入钢筋和混凝土的应变率效应,利用有限元分析软件ABAQUS中的显示动力分析模块ABAQUA/Explicit,对钢筋混凝土梁在不同单调加载速率下的受力性能进行了数值模拟。通过比较不同加载速率下的分析结果,探讨了地震作用下的动态荷载对钢筋混凝土粱受力性能的影响。分析结果表明,在动态荷载作用下,钢筋混凝土梁的受力性能有显著变化,其承栽力随加载速率的提高而提高,且极限强度的提高要较屈服强度明显。     

EXPERIMENT STUDY ON ACOUSTIC EMISSION,MICROSEISM AND CHARGE INDUCTION DURING FRACTURE PROCESS OF GRANITE WITH FAULT ZONE UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

As the rock samples will produce abnormal signals of acoustic emission, microseismic and charge signals under external loading, the waveform comprehensive monitoring devices are used to synchronously monitor acoustic emission, microseismic and charge signals during the deformation and failure process of granite with fault zone under uniaxial compression. The results show that, the granite with fault zone has obvious synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction in the elastic deformation stage, and has high amplitude synchronous precursory signals in the instability destruction stage. The influence of fault zone on granite samples strength is remarkable, and the uniaxial compressive strength of samples with the fault zone is greatly reduced. With the angle of the fault zone decreasing, the uniaxial compressive strength of the specimens is reduced, the samples are more liable to instability and the energy of instability destruction is greater. With the fault zone angle of granite samples decreasing, the acoustic emission, microseismic and charge induction signals increase in the deformation and failure process of samples. The samples stress decreases when the acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals appear synchronously. The duration of acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals is increasing in the instability destruction stage. When the angle of the fault zone reaches 30°, the mutability of acoustic emission, microseismic and charge induction signal increases, the time to enter the dangerous stage is much earlier, and the acoustic emission events of large magnitude increase significantly, and the large angle faults of coal mine are more dangerous. The intensive and high amplitude synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction are produced before the instability destruction, and the signals duration is shorter. The intensive and strongest synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction are produced in the instability destruction, and the signals duration is longer. Acoustic emission monitoring data can better reflect the micro rupture of rock. And combined with the acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals, the precursory information of rock instability destruction can be obtained more accurately.     

雷达用于地震预测的基础实验研究

为将雷达技术应用于地震预测,在实验室对花岗岩等不同岩性的27个岩石试样进行了加压实验观测研究,使用的雷达测量仪器是美国HP公司生产的专用RSC测量系统,观测8mm,2cm,3cm和5cm四个雷达波段,在加压的过程中自动连续测量岩石试样的雷达波反射强度随压力的变化,实验表明：反映岩石试样微波反射特性的雷达波反射强度随压力变化而变化,在实验的27个岩石试样中,无一例外,只是在不同试样、不同波段或不同极化方式的实验中存在变化幅度和趋势的差异. 岩石试样反射波强度的相对变化量为百分之几到百分之十几,花岗岩的最大变化量达到202%(113号试样),砂岩的最大变化量达到279%(212号试样). 实验结果为将雷达技术应用于地震预测、岩体及岩土工程稳定性监测和稳定性评价提出了实验依据,奠定了物理基础.     

Experimental study of ultralong wave band for electro－magnetic signals and acoustic emission during rock fracture

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｌｏｎｇ　ｗａｖｅ　ｂａｎｄ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｎｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｆｒａｃｔｕｒｅ（曹惠馨）（钱书清）（吕...     

岩石渗透特性的实验研究

本文介绍了在低压下(最大压力20MPa)对完整岩石和含自然裂面岩石渗透率的实验研究。在实验中对四种材料(花岗岩、变质岩、大理岩、水泥块)用六种方法进行了测试。实验结果表明,低压下完整岩石的渗透率为1μd量级,含裂面岩石的渗透率为1md量级,渗透率明显地与应力状态和加载方式有关。     

水平地震力作用下岩体破坏机理探究

基于摩尔库伦强度准则和波动理论对地震作用下岩体的破坏机理进行研究。结果表明:当埋深在一定范围内,水平地震作用下岩体的内聚力c和正应力σn与振动速度和埋深呈线性关系。当埋深一定时,振动速度越大c值越小;在振动速度增大的过程中岩体的应力状态由压应力逐渐转变为拉应力,且拉应力随振动速度的增大而增大;当振动速度一定时,岩体埋深越大c值越小;埋深越浅,拉应力越大,当埋深达到一定值时岩体就只在其弹性极限内振动而不产生破坏。     

Solution of hardware and methodological problems and the study of electromagnetic emission in laboratory experiments on rock destruction

The results of hardware and methodological developments for recording of electromagnetic emission (EME) generated by rock samples under loading in laboratory experiments are presented. The results of experiments with the instruments developed are described. The facilities developed made it possible to measure reliably the electromagnetic emission under conditions of high background of electromagnetic noise and to reduce the level of reliably recorded signals as compared with previous experiments. The results of observation of the appearance of electromagnetic emission in the experiments with the rock samples under laboratory conditions showed a high correlation of the time instants of generation of the electromagnetic emission and the changes of its parameters with the changes in the reactive resistivity of the rock sample and seismoacoustic emission activity in the controlled area of the sample. It is revealed that electromagnetic emission occurs and reaches its maximum on the descending branch of the plot of polarizability during rock destruction.     

Thermal properties as controls on rock surface temperature maxima,and possible implications for rock weathering

Four rock types (basalt, sandstone, granite, and chalk) are examined with respect to the maximum surface temperatures which they experience when subjected to similar conditions of exposure. Rock temperature measurements are reported for an urban environment and for two experimental situations in which an infrared lamp is used to simulate heating under cold and hot conditions. Differences in rock temperatures are discussed with reference to thermal rock properties (albedo, specific heat capacity, and thermal conductivity). Some natural situations are suggested in which thermal rock properties could conceivably play a role in determining the extent to which rocks would be affected by particular weathering processes.     

不同性质岩块构成的样品破裂前的波速变化

用超声脉冲法研究了不同性质岩块构成的样品破裂前的波速变化。样品为长方形大理岩板,中心镶嵌大理岩、辉长岩、花岗岩,砂岩圆块。实验表明,样品破裂时裂纹穿过低强度镶嵌岩块而绕过高强度镶嵌岩块。在第一种场合样品破裂前,镶嵌岩块內波速变化显著,在第二种场合样品破裂前镶嵌岩块內波速变化不大。穿过两种岩石界面的波速测量表明,波速下降的起始点提前到样品破坏应力的60%左右。样品破裂前波速总的变化趋势是下降,但不是单调下降而呈现起伏。这说明介质不均匀性会对岩石破裂前的波速变化规律产生不可忽视的影响。      

孔隙、裂隙介质弹性波理论的实验研究

近年来发展起来的“孔隙、裂隙介质弹性波理论”提高了人们对实际岩石声学性质的模拟和预测的能力.作为对这一理论的实验验证和重要应用,我们将它用来模拟和解释岩石超声实验中测得的干燥和饱和岩石弹性波速度随压力的变化曲线.理论模拟的重要参数,如岩石的裂隙密度等是从实验数据反演得到的.结果表明：无论是孔隙度较高的砂岩,还是孔隙度很小的致密岩石,如花岗岩,该理论都能很好地描述岩石在干燥和饱和状态下纵、横波速度随压力的变化.造成波速变化的原因是岩石中裂隙在压力作用下的闭合和裂隙密度的减少.本文的结果还指出了将岩石裂隙密度作为描述岩石的重要物性参数,并给出了从实验室超声测量中确定这一参数的方法.