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基本信息

項(xiàng)目名稱：
煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本論文采用單軸全程連續(xù)加載和循環(huán)加卸載的方法實(shí)驗(yàn)研究了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)特征、記憶內(nèi)容及實(shí)質(zhì)，考察了瓦斯和水對(duì)煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)的影響；以斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，研究了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的微觀損傷機(jī)理及力電耦合模型。
詳細(xì)介紹：
(1) 實(shí)驗(yàn)研究了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)特征。結(jié)果表明： a. 型煤、原煤和混凝土流變破壞電磁輻射具有記憶效應(yīng)，表現(xiàn)出當(dāng)重復(fù)加載應(yīng)力接近或達(dá)到先期最大應(yīng)力載荷后電磁輻射信號(hào)呈現(xiàn)連續(xù)突然增強(qiáng)現(xiàn)象，與聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)不同的是在重復(fù)加載至先期最大載荷前相對(duì)較弱的電磁輻射信號(hào)始終存在。 b. 不同的加載階段，煤巖電磁輻射記憶能力（記憶狀態(tài)參量和物性參量的能力）不同，當(dāng)先期加載應(yīng)力水平達(dá)到最大破壞應(yīng)力的70~80%時(shí)，電磁輻射記憶能力明顯減弱，甚至根本失去記憶能力。 c. 瓦斯基本不影響煤巖、混凝土電磁輻射對(duì)先期所受的最大應(yīng)力、應(yīng)變等的記憶能力，而含水量對(duì)煤巖、混凝土電磁輻射記憶能力產(chǎn)生影響，含水量越大，煤巖、混凝土電磁輻射記憶能力相對(duì)越差。 (2) 實(shí)驗(yàn)研究了煤巖流變破壞電磁輻射效應(yīng)的記憶內(nèi)容。結(jié)果表明： a. 型煤、原煤和混凝土試樣在單軸壓縮循環(huán)加卸載過程中，電磁輻射和聲發(fā)射均具有明顯的記憶先期最大應(yīng)力、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變等狀態(tài)參量的能力，煤巖流變破壞電磁輻射效應(yīng)的記憶內(nèi)容是對(duì)各狀態(tài)參量的記憶。 b. 煤巖流變破壞電磁輻射對(duì)各狀態(tài)參量記憶的準(zhǔn)確程度不同。電磁輻射記憶先前應(yīng)力和縱向應(yīng)變的能力常常要明顯優(yōu)于記憶橫向應(yīng)變的能力，且并非對(duì)先前應(yīng)力、縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的記憶能力一定同時(shí)存在，有時(shí)對(duì)先前最大應(yīng)力、縱向應(yīng)變具有記憶性而對(duì)橫向應(yīng)變卻失去記憶能力；在先期受到的應(yīng)力達(dá)破壞應(yīng)力水平的70~80%后，電磁輻射和聲發(fā)射基本失去對(duì)狀態(tài)參量的記憶能力。 c. 煤巖流變破壞電磁輻射對(duì)各狀態(tài)參量的記憶常常呈對(duì)應(yīng)性，即電磁輻射對(duì)各狀態(tài)參量的記憶常常同時(shí)超前于先前的狀態(tài)參量值，但煤巖結(jié)構(gòu)存在差異，有時(shí)記憶的狀態(tài)參量值同時(shí)滯后于先前狀態(tài)參量值、或有的參量記憶滯后有的參量記憶超前。 (3) 實(shí)驗(yàn)研究了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)。結(jié)果表明： a. 煤巖流變破壞電磁輻射不僅具有記憶先期最大應(yīng)力、縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變等狀態(tài)參量的能力，而且具有記憶先期承受的最大彈性模量、泊松比和體應(yīng)變等物性參量的能力，煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是對(duì)煤巖各物性參量的記憶。 b. 不同加載階段電磁輻射記憶各物性參量的能力不同。在裂紋壓密階段，電磁輻射記憶彈性模量 和體應(yīng)變 的能力較優(yōu)，而記憶泊松比 的能力相對(duì)較差；在線彈性變形階段，原煤電磁輻射對(duì)彈性模量和體應(yīng)變具有準(zhǔn)確的記憶能力，而記憶彈性模量的穩(wěn)定性要強(qiáng)于體應(yīng)變，型煤電磁輻射記憶彈性模量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性均優(yōu)于對(duì)其它物性參量的記憶，盡管對(duì)泊松比記憶的準(zhǔn)確性相對(duì)較高，但穩(wěn)定性較差，而對(duì)物性參量體應(yīng)變的記憶能力相對(duì)較差；在非線性變形階段，煤巖電磁輻射記憶物性參量的能力迅速減弱，先期加載應(yīng)力水平超過破壞應(yīng)力水平的70~80%后電磁輻射基本上已失去對(duì)物性參量的記憶能力。 c. 煤巖流變破壞電磁輻射對(duì)各物性參量記憶的對(duì)應(yīng)性（記憶超前或滯后的一致性）比對(duì)各狀態(tài)參量記憶的對(duì)應(yīng)性差。 (4) 基于煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)特征，提出了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)有效電磁輻射信號(hào)判別準(zhǔn)則。 (5) 加載方式中是否保持恒載階段對(duì)電磁輻射記憶效應(yīng)基本不產(chǎn)生影響，即以加載-恒載-卸載和加載-卸載兩種方式進(jìn)行循環(huán)加載并不影響煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的產(chǎn)生。 (6) 研究了煤巖流變破壞電磁輻射的電子發(fā)射機(jī)制及電磁輻射記憶效應(yīng)的微觀機(jī)理。結(jié)果表明，煤巖破壞電磁輻射的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展速率有著直接關(guān)系。煤巖結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展速率越快，分離面上的電荷能級(jí)越高，越易逃逸成自由電荷而激發(fā)電磁輻射；在循環(huán)加卸載方式下，在載荷低于先前最大載荷時(shí)，煤巖損傷破壞的不可逆性決定了煤巖結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生新的損傷破壞，裂隙壁面產(chǎn)生的荷電粒子的能級(jí)較弱，從而產(chǎn)生相對(duì)較弱的電磁輻射信號(hào)，荷電粒子的隧道效應(yīng)是在循環(huán)加載應(yīng)力低于先期最大加載應(yīng)力時(shí)，仍產(chǎn)生相對(duì)較弱的電磁輻射信號(hào)的內(nèi)在原因；在載荷超過先前最大載荷后，煤巖試樣內(nèi)部微元形成新的損傷和擴(kuò)展，荷電粒子的數(shù)量和能級(jí)突然增高，電磁輻射信號(hào)將突然連續(xù)增強(qiáng)，從而產(chǎn)生煤巖破壞電磁輻射記憶效應(yīng)現(xiàn)象，煤巖損傷破壞的不可逆性是煤巖流變破壞電磁輻射呈現(xiàn)記憶效應(yīng)的直接原因。 (7) 在考慮加載時(shí)間對(duì)煤巖破壞強(qiáng)度影響的情況下，建立了等圍壓三軸應(yīng)力狀態(tài)下的含瓦斯煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)力電耦合模型。當(dāng)圍壓為0時(shí)，簡(jiǎn)化為單軸應(yīng)力狀態(tài)下電磁輻射記憶效應(yīng)力電耦合模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)力電耦合模型很好地反映了煤巖破壞電磁輻射記憶效應(yīng)特征及其微觀損傷機(jī)理。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目 的：研究煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)變化規(guī)律、內(nèi)容、實(shí)質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)理; 基本思路：以力電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立煤巖單軸或等圍壓三軸壓縮電磁輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)觀測(cè)不同加載方式下電磁輻射特征及變化規(guī)律;綜合分析煤巖破壞電磁輻射記憶效應(yīng)內(nèi)容及實(shí)質(zhì);

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

創(chuàng) 新 點(diǎn)：研究了煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的內(nèi)容、實(shí)質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)理; 獨(dú)特之處：通過實(shí)驗(yàn)分析揭示了煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)，提出煤巖流變電磁輻射記憶效應(yīng)力電耦合模型。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)與聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)類似，可應(yīng)用于測(cè)定煤巖體地應(yīng)力。地應(yīng)力測(cè)定是礦山開采、隧道開挖等地下工程建設(shè)必須進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到礦山巷道、地下隧道等布設(shè)位置的選擇、斷面的設(shè)計(jì)、支護(hù)和維護(hù)方式的選取等，因此，煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)研究對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)定煤巖體地應(yīng)力大小和方向?qū)χ笇?dǎo)礦山開采、隧道設(shè)計(jì)與施工、地下建筑等地下工程的高效安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

學(xué)術(shù)論文摘要

巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)在大量的實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上廣泛的應(yīng)用于礦山、石油、水利等許多領(lǐng)域，而具有相似特點(diǎn)的煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的研究尚處于起步階段。電磁輻射技術(shù)應(yīng)用于礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)，極大地推動(dòng)了煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的研究，但對(duì)其記憶效應(yīng)的基本理論體系研究甚少，特別是對(duì)含孔隙流體的煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)特征、記憶內(nèi)容、實(shí)質(zhì)、微觀機(jī)理的研究。只有深入的研究煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)理論體系，揭示其本質(zhì)，才能在實(shí)踐中很好的利用電磁輻射記憶效應(yīng)規(guī)律。 本論文基于微觀損傷力學(xué)、電磁動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)等基礎(chǔ)理論，從微觀角度探討了煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理，建立了單軸和三軸應(yīng)力下煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)電耦合模型，并就單軸應(yīng)力下模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)變化規(guī)律、內(nèi)容、實(shí)質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)理，建立了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)力電耦合模型，探明了孔隙流體（瓦斯、水等）對(duì)煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的影響，煤巖破壞的不可逆性是產(chǎn)生記憶效應(yīng)的直接原因。

獲獎(jiǎng)情況

2008年12月，在《煤炭學(xué)報(bào)》發(fā)表“煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性電磁輻射異常判識(shí)方法研究”學(xué)術(shù)論文

鑒定結(jié)果

研究了煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的微觀損傷機(jī)理及力電耦合模型

參考文獻(xiàn)

[1]王恩元，何學(xué)秋，李忠輝等. 煤巖電磁輻射技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009 [2]何學(xué)秋，劉明舉. 含瓦斯煤巖破壞電磁動(dòng)力學(xué)[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995 [3]郭自強(qiáng)，劉斌;巖石破裂電磁輻射的頻率特性[J];地球物理學(xué)報(bào);1995年02期 [4]朱元清,羅祥麟,郭自強(qiáng),趙志光,祝中偉;巖石破裂時(shí)電磁輻射的機(jī)理研究[J];地球物理學(xué)報(bào);1991年05期 [5]王恩元,何學(xué)秋;煤巖變形破裂電磁輻射的實(shí)驗(yàn)研究[J];地球物理學(xué)報(bào);2000年01期

同類課題研究水平概述

地震工作者從震前電磁波異?，F(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)地殼巖層破裂過程中有電磁輻射信號(hào)的產(chǎn)生，中國和前蘇聯(lián)是開展這方面研究較早的國家。美國、日本、希臘、瑞典、德國等許多國家也均發(fā)現(xiàn)了極為明顯的震前電磁異?，F(xiàn)象，并開展了這方面的研究。 前蘇聯(lián)M.E.佩列利曼和H.Г.哈季阿什維利認(rèn)為產(chǎn)生電磁輻射主要有五種機(jī)制。美國學(xué)者Nitson在實(shí)驗(yàn)室研究了巖石破壞過程中電磁輻射現(xiàn)象，最先提出壓電效應(yīng)是產(chǎn)生電磁輻射的原因。郭自強(qiáng)等進(jìn)行了巖石破壞的光聲效應(yīng)、電子發(fā)射、電聲效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，并提出了電子發(fā)射的壓縮原子模型，認(rèn)為巖石破裂電磁輻射是裂紋尖端電荷隨著裂紋加速擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。V.I.Frid等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)研究了煤的物理學(xué)性質(zhì)、受力狀態(tài)及瓦斯?fàn)顩r對(duì)采掘工作面電磁輻射強(qiáng)度的影響。Airuni等經(jīng)研究認(rèn)為煤在外力作用下游電磁輻射產(chǎn)生，利用電磁輻射可以確定煤體燃燒、瓦斯抽放及采掘工作面附近的應(yīng)力再分配情況。電磁輻射記憶效應(yīng)是煤巖變性破壞電磁輻射效應(yīng)的重要特征之一，其與聲發(fā)射 Kaiser效應(yīng)有著諸多相似的特點(diǎn)。均是對(duì)煤巖歷史應(yīng)力水平和應(yīng)力歷程記憶的具體表現(xiàn)形式。 何學(xué)秋等從熱力學(xué)的角度探討了巖石斷裂電磁輻射記憶效應(yīng)的微觀機(jī)理，認(rèn)為巖石變形破壞過程是典型的能量耗散不可逆過程，過程的能量耗散導(dǎo)致的過程不可逆是產(chǎn)生記憶效應(yīng)的必要條件，巖體內(nèi)部的微裂紋、裂隙不僅與其實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且還與其應(yīng)力歷程有關(guān)，巖石記憶的選擇性和非均衡性是巖石斷裂電磁輻射表現(xiàn)出記憶效應(yīng)的根本原因。 電磁輻射技術(shù)已在地震、煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面得到普遍應(yīng)用，但在煤巖電磁輻 射記憶效應(yīng)內(nèi)容、實(shí)質(zhì)及微觀機(jī)理方面尚未見深入研究的報(bào)道，而電磁輻射記憶效應(yīng)不僅可以應(yīng)用于煤巖體地應(yīng)力的測(cè)定，而且還可應(yīng)用于巷道圍巖卸壓帶范圍的確定、煤巖損傷狀況估計(jì)等許多場(chǎng)合，該技術(shù)的應(yīng)用可大大地降低系統(tǒng)工作量和生產(chǎn)成本。電磁輻射技術(shù)應(yīng)用于煤巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)真正的非接觸連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍較大，有效性較常規(guī)法有較大提高，且簡(jiǎn)便易行。因此，電磁輻射技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，“煤巖變形破壞電磁輻射記憶效應(yīng)及其應(yīng)用研究”是對(duì)煤巖電磁輻射技術(shù)的進(jìn)一步深化，對(duì)拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
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