基于能量理论的冲击地压细观过程研究

为了解冲击地压细观发生过程,从而分析冲击地压不同阶段特点,从能量消耗角度对该过程进行了研究。认为冲击地压是岩体系统由于外界扰动引起的能量释放过程,总释放能量理论上等于岩体形成期间残余弹性势能。由于该弹性势能和岩体形成后裂隙发育的不同,导致岩体受开采扰动后经历的能量释放形式有所不同。大体上能量释放形式可分弹性变形、可产生裂隙的大变形、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳和伴随裂隙产生的机械振动5种。过程可分三部分:初期变形和裂隙、中期飞石-变形-破碎-飞石的循环破坏过程(岩爆)、末期广义应变失稳破坏。使用颗粒流理论的PFC3D对上述过程进行了模拟,结果表明:-120 m、-220 m、-320 m时开采面岩体只发生变形和裂隙;-420 m、-520 m、-620 m岩体先经历变形和裂隙,然后发生岩爆;-720 m和-820 m岩体经历变形和裂隙、岩爆和广义应变区失稳坍塌。     

浅析热冲击对自增强反应器的影响

自增强反应器在服役期间，其残余应力会因开停车循环载荷作用，温度、压力的波动及管内介质发生超温分解反应引起的热冲击等因素的作用而衰减，为了比较系统地探讨热冲击引起的自增强残余应力衰减机理和管材损伤机理，本从研究管式反应器受热冲击作用时的应力响应出发，建立相应数学模型，得到了应力随时间变化曲线，应力随半径变化曲线，通过分析得出了热冲击发生时产生的动态应力和异常高温是引起残余应力松弛和材质发生相变和老化的主要原因。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

基于太赫兹时域光谱的玻璃纤维复合材料热损伤检测分析

基于太赫兹时域光谱系统,在温室条件下对不同程度热损伤的消防气瓶用玻璃纤维复合材料进行检测,获得在306～420℃条件下加热后的样品在0. 2～1. 8 THz范围内的时域信号。通过样品时域幅值最大值、峰峰值与0. 2～1. 8THz范围内的折射率与吸收系数变化情况分析不同受热温度对玻璃纤维材料的影响。结果表明,太赫兹波透过样品后的幅值约为8. 798×10~(-6)～6. 753×10~(-6)V,峰峰值的大小为1. 5031×10~(-5)～1. 1406×10~(-5)V。加热后样品的折射率无明显变化,吸收系数略有上升。结合扫描电镜结果分析认为环氧树脂碳化导致吸收系数整体上升。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程,单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况,通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征,并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高,煤样破坏时强度越大,脆性破坏特征越明显,瓦斯流量急剧增加幅度越大,煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多,且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量,并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

RDX基PBX在高温条件下热损伤表征试验研究

炸药热损伤特征及演化行为对装药安全性具有重要影响。为探究高聚物黏结剂炸药(Polymer Binder Explosive, PBX)在不同温度载荷下的内部损伤和演化行为,对无约束状态下炸药进行烤燃试验,使用分析天平监测炸药的质量变化,并采用显微镜和扫描电子显微镜等技术对炸药样品的表面和内部损伤进行表征。结果表明：温度越高,炸药的质量损失越大且损失速率越快;加热过程中黏结剂先发生熔化,随着加热时间变长和温度升高,黏结剂熔化程度增大,流动性增强,气体从炸药表面孔洞内逸出,孔洞增多且尺寸变大;温度越高炸药内部出现的孔隙越多,孔隙尺寸越大,孔隙主要是由于气体从试样内部逸出形成;炸药内部比表面积变化趋势为上升—下降—上升,其变化趋势受到化学反应速率和黏结剂的流动及损失影响。黏结剂材料的热稳定性是影响炸药热损伤演化行为的重要因素。     

瓦斯压力对煤与瓦斯射流突出能量的影响

瓦斯压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,其与突出能量的关系尚不明确。将煤与瓦斯突出视为煤-瓦斯气固两相射流突出,在分析煤与瓦斯射流突出过程的基础上,建立了煤与瓦斯射流突出数值模型,给出了突出能量表达式。通过理论分析、数值模拟相结合,得到了瓦斯压力对煤与瓦斯突出能量、突出强度、瓦斯涌出量等参数的影响规律。结果表明,突出发生时,突出能量具有波动性,即以突出口为界存在能量集聚骤升区和能量释放衰减区。能量集聚骤升发生在突出孔洞至突出口段,瓦斯-煤两相流突出速度成倍增大;能量释放主要发生在突出口附近和巷道中,瓦斯-煤两相流突出速度逐渐减小。煤与瓦斯射流突出产生强烈涡旋,在顶板、底板处尤为显著,与现场观察到的突出后顶板有摩擦和划痕、底板突出煤粉有分选现象一致。瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。计算得到的煤与瓦斯射流突出能量量级与前人结论基本吻合,结果可为煤与瓦斯突出能量预测提供参考。     

热-水-力耦合作用下岩石损伤力学模型与验证

为了探讨高温、高孔隙水压、高围压对岩石损伤破坏的影响,基于损伤力学基本理论,并结合应变等价性原理,建立热-水-力耦合作用下的损伤力学模型,构建表征岩石损伤演化的表达式,通过水-力耦合作用下热损伤花岗岩室内试验验证了该模型的合理性,并根据室内试验确定了模型参数。试验结果表明:提出的模型能较好地反映热-水-力耦合作用下岩石应力-应变过程,且能表征上述作用下岩石损伤演化规律;高温损伤会导致岩石由脆性逐渐向延性转变,而孔隙水压会进一步加剧岩石损伤演化。     

基于能量理论的煤与瓦斯突出机理探讨

为研究煤与瓦斯突出的力学机理和能量来源,根据理想气体状态方程,推导了采场围岩瓦斯突出过程中的瓦斯压力、瓦斯含量与对外做功的关系,基于弹塑性力学,阐明了岩体弹塑性状态转化前后应变能释放机理。研究结果表明:煤与瓦斯突出是瓦斯势能与煤岩体弹性能共同作用并转化为煤岩体动能的结果;瓦斯势能释放值与释放路径无关,而与瓦斯压力和瓦斯含量相关,与煤壁前方塑性区扩展规模相关;将其应用至1次特大型煤与瓦斯突出事故中,核算的突出煤量、瓦斯含量和煤体抛出速度基本吻合于实际结果;基于理论分析提出了煤与瓦斯突出的3项防治措施,一是通过钻孔卸压或瓦斯抽放减小瓦斯压力,二是增加极限平衡区距离或减小截深,三是避免高瓦斯巷道或工作面出现蝶形塑性破坏。     

冲击倾向性煤体力-电感应规律试验研究

为提高冲击地压预测的准确性,应用自行研发的多通道电荷感应监测系统,对单轴压缩条件下冲击倾向性煤体变形破坏过程中力-电感应规律进行了试验研究。结果表明:冲击倾向性煤体的单轴抗压强度大,破坏失稳时间短,煤体失稳具有显著的突发性特点;冲击倾向性煤体的电荷波动幅值大于无冲击倾向性煤体的电荷波动幅值;冲击倾向性煤体的单位时间电荷量大于无冲击倾向性煤体的单位时间电荷量;冲击倾向性煤体表面累积的自由电荷总量和单位时间内从煤体表面逃逸出来的自由电荷数多于无冲击倾向性煤体的表面累积的自由电荷总量和单位时间内从煤体表面逃逸出来的自由电荷数;冲击倾向性煤体力-电感应规律曲线中存在一个冲击失稳的超前预警时间区域,该区域可为预测煤体发生冲击失稳做好预报准备。     

不同埋管形式能量桩换热性能与承载性能的对比研究

目前对能量桩热-力学特性的研究大多数针对U形埋管桩基,对螺旋形埋管能量桩的研究多集中在换热性能方面。为探究不同埋管形式导致的能量桩热-力学效应的差异,首先建立了并联双螺旋形、双螺旋形及W形埋管能量桩的三维数值仿真模型,以数值仿真软件COMSOL Multiphysics对现场试验的仿真复现验证了模型的可靠性。之后,对3种埋管形式能量桩吸放热过程中的热、力学行为进行了模拟,分析了其换热性能(出口水温、单位管长换热量)、桩心温度变化及附加温度荷载、轴力及桩身位移等。结果表明:双螺旋形埋管换热效果较好,有利于提高热泵系统性能;W形埋管能量桩桩体温度、附加温度荷载较其他两种大。     

基于希尔伯特损伤特征向量的挡土墙结构损伤诊断

为了诊断挡墙结构损伤,通过希尔伯特-黄变换对激励作用下挡墙结构动力响应间虚拟脉冲响应函数进行希尔伯特边际能量谱分析,筛选出对损伤较为敏感的特征频段,基于特征频段创建希尔伯特损伤特征向量,并提出损伤识别指标：能量比变异系数。基于损伤特征向量及损伤指标,提出了一种用于挡墙结构的损伤诊断方法,即通过损伤特征向量判别挡墙损伤状态,通过损伤指标走势曲面图诊断挡墙损伤位置,通过损伤指标与损伤程度间的定量关系识别挡墙损伤程度。对某桩板式挡墙进行了动力测试,验证该损伤诊断方法的可行性及有效性。结果表明：当挡土墙无损(无钻孔)时,损伤特征向量为零向量;当挡土墙有损(有钻孔)时,损伤特征向量为非零向量。通过损伤特征向量可判别挡墙损伤状态。局部损伤导致损伤指标走势图出现较大起伏,走势图峰值坐标即为局部损伤中心。建立了损伤指标与挡土墙损伤程度间的定量关系式,已知损伤指标可反算出损伤程度。该损伤诊断方法可敏感判别挡墙损伤状态、有效诊断损伤位置及定量识别损伤程度。     

不同应力循环路径下砂岩的能量演化特征

为从能量角度探究砂岩在循环应力作用下的力学响应,开展10 MPa初始峰值应力逐级递增、80 MPa初始峰值应力逐级递增及恒定100 MPa峰值应力3种循环路径下的加卸载试验,结合应力应变曲线和能量计算结果,分析砂岩各项能量随循环次数和峰值应力的演化特征。结果表明：随循环次数和峰值应力增加,初始峰值应力80和100 MPa时滞回环仅在第2次循环时向应变增大方向明显迁移。不同应力循环路径下单位体积耗散能表现出不同的阶段性演化特征,分级循环加卸载时,砂岩各项能量值随峰值应力增加由二次函数向线性函数增长特征转变,而峰值应力恒定为100 MPa等幅度循环加卸载时,随循环次数增加,砂岩单位体积能和单位体积弹性能呈开口向下的二次函数趋势下降,单位体积耗散能呈指数趋势下降。不同应力区间内循环路径对砂岩的能量影响有较大差异,分级循环加卸载与单次加卸载相比,峰值应力为80 MPa时各项能量相差均小于10%,峰值应力为100 MPa时各项能量相差达到22.74%～62.58%。     

基于热成像面积变化率的锂电池热失控研究

锂电池在生活中的使用越来越普及,但锂电池热失控造成的损失是不可估量的。使用红外热成像监测锂电池表面高温区域面积的扩散,从电池过充、内部隔膜刺穿和外部短路3个方面获取电池热成像的表面高温区域分布。通过MATLAB对电池升温过程中的热成像进行红外图像处理,使用最大类间方差法分割电池表面的高温区域。最后采用高斯逼近函数拟合高温区域面积的变化,分析出3种锂电池热失控的原因。     

火灾环境下钢结构力学响应行为研究回溯与前瞻

火灾环境下高温对结构钢材的力学性能具有显著的不利影响.通常钢材在200～400℃的温度下力学性能开始下降,在800℃以上几乎丧失所有的强度.火灾环境下的钢结构力学响应行为是钢结构抗火设计的前提.为了展示火灾环境下钢结构的力学响应研究的清晰脉络,首先综述了火灾环境工况加载、钢结构升温规律的研究文献,然后从钢的耐火性能分析开始,评述了钢结构形式对耐火性能的影响和热作用下的结构变形研究.研究表明:若采用ISO 834标准升温曲线作为热加载方式,钢结构的升温规律和力学响应行为与真实火灾场景下相比差异显著,在标准火下钢的抗火时间更长;钢结构在火灾环境下的热应变随温度升高而增大,最终导致屈曲和过度挠度;当温度超过400℃时,高温蠕变会加速结构的失效;试验和数值模拟方法能很好地预测钢结构在真实火灾环境下的温升规律;较为真实地表征钢结构的不均匀力学响应行为,首先需要加载真实的火灾工况,同时要充分考虑钢结构形式,并耦合运用工程热物理、力学相关工具和方法;钢附着可燃材料燃烧的热反馈及相应的力学响应行为是钢结构抗火研究的新问题,针对该问题需要建立科学的热-力耦合工程定量测试方法.     

火灾中液化气储罐热响应CFD模拟的UDF程序设计

为了降低火灾环境下储罐内部介质热响应及储罐失效试验研究的成本和风险,更好地为储罐事故的预测预防提供模拟依据,利用Fluent 12.0软件对密闭容器内部介质的传热传质过程进行模拟,给出了内部介质在受热和冷却条件下相变的控制方程;通过考虑内部介质气化热随温度的变化及饱和温度与区域单元压力之间的关系,编写了内部介质在受热和冷却条件下质量和能量源项的用户自定义函数(UDF);通过对部分参数进行简化,分别给出了喷射火和池火条件下丙烷储罐热响应模拟的结果,并与试验结果进行了对比.结果表明:储罐热响应各主要参数(内部介质温度、壁面温度,储罐内部压力)的误差在喷射火条件下低于15％,在池火条件下低于12.4％.这表明模拟所需源项UDF正确,可以用于现实储罐热响应的模拟.     

掘进巷道热环境与通风效率数值模拟研究

井下工作面必须应用通风系统。采用数值模拟技术分析了两种通风方式下,不同风口布置的掘进巷道内空气龄、空气流速和热舒适性指标PMV值的分布情况。根据模拟结果对掘进巷道通风模式的选择提出了建议。结果表明,长距离送风和短距离抽风方式是最有效率的通风模式。压入式通风方式的风口应布置在距掘进头10 m附近,抽出式通风方式抽风口应布置在距掘进头2m范围内。在相同的送风条件下,可增大短距离抽风方式下的送风温度,以提高掘进巷道内热舒适性和降低能耗。     

矿井排风热回收装置中循环水量优化与数值分析

为探究循环水对矿井排风能量品位提升装置热工性能的影响,基于有限时间工程热力学,引入换热器传热不可逆因子,构建了能量品位提升装置的循环模型,推导出了循环水流量的多因素表达式,然后,函数化了水流量对装置吸热流率和综合性能的影响,最后,完成了综合性能系数的数值计算.结果表明,随循环水流量增大,吸热流率呈非线性增大,且增长率逐渐减小并趋于0,而综合性能系数先增大后减小.在此变化过程中,出现了综合性能系数的极大值,确立了优化的循环水质量流率范围,以指导现场工程设计与运行调节.     

基于颗粒流数值方法的岩石压剪破坏细观特征研究

压剪破坏是影响岩体工程安全的主要因素,基于颗粒流程序的伺服控制原理,采用等效晶质模型模拟了粉砂质板岩的压剪破坏过程,通过与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石在压剪过程中的破坏机理。结果表明:裂纹增长速率与试件压剪过程中经历的弹性、塑性和破坏3个阶段具有相关性;张拉、剪切裂纹呈同步增长趋势,但峰后张拉裂纹增长速率快于剪切裂纹,即试件峰后以张拉破坏为主;随剪切角增大,由沿晶和穿晶断裂向以沿晶断裂为主转变,裂纹数量减小且扩展方向向断裂面集中;穿晶断裂的扩展更容易导致局部失稳,即在宏观上表现为塑性阶段;穿晶裂纹主要沿断裂面扩展、贯通,一定程度上可以抑制断裂面附近较大破裂块体的产生。     

基于热重分析的煤升温氧化及煤氧复合特性分析

为了探讨煤氧化自燃特性,将来自平顶山、某电厂(混合煤)、山西的3类共7组煤样在干空气氛围中以固定升温速率(20℃/min)进行热重试验。结果表明:煤样在含氧氛围中的升温氧化过程可分为吸附自热和氧化增重2个阶段;同源煤样的自燃点(T)与煤氧复合作用时间(t)随着火特性指标(FZ)增大而减小,FZ越大,煤氧复合越容易,其自燃点也越低;对于非同源煤,除PDS2之外,山西煤、平顶山煤、电厂混合煤之间表现出良好的线性关系;建立了无量纲化自燃点(T')、煤氧复合作用时间(t')与煤氧复合难易指标(Icod)的函数关系,Icod可较好地反映不同品质煤样的自燃难易程度,Icod越小煤氧复合越容易进行,在7组试验煤样中PDS1的Icod最大(1.08),山西煤次之,电厂混合煤的Icod最小(0.80),表明电厂混合煤具有更高的自燃倾向性。