受载混凝土内部应变及声发射特征研究

为了研究混凝土试样破裂失稳过程中内部裂隙演化规律,对预埋应变砖的混凝土试样进行单轴压缩实验,研究了混凝土试样内部应变随时间的变化规律,测试并分析了试样受载破裂演化过程中的声发射信号特征,得出结论:在压密阶段,混凝土不同方向的应变量均较小,声发射计数较低;在裂隙稳定扩展阶段,试样内部应变稳定增加,不同方向的局部应变量有明显不同,声发射信号也呈现稳定增长趋势;当混凝土出现局部快速破裂时,会出现应变的突增及声发射信号激增;在临界失稳前,局部变形量快速增加,声发射信号也急剧增加;试样破裂时,各个方向的局部应变量及声发射脉冲数均达到峰值。     

热-应力耦合作用下不同粒径煤自燃氧化升温特性

现有研究未考虑采空区中不同粒径煤会受到垮落煤岩和遗留煤柱产生的轴向应力的作用,致使煤的渗透率、裂隙结构等参数发生较大改变,进而影响煤自燃氧化升温进程。为研究热-应力耦合作用下不同粒径煤自燃氧化升温特性,利用荷载加压煤自燃特性参数测定装置和气相色谱仪,测定不同粒径煤的升温速率、耗氧速率和产热速率变化规律。实验结果表明:(1)不同粒径煤样在不同单轴应力下的升温速率随温度升高变化趋势具有一致性,整体上均呈先增高后降低趋势。当单轴应力为2,4,6,8 MPa时,随着煤样粒径增大,最大升温速率呈先增高后降低趋势;当单轴应力为10MPa时,煤样最大升温速率随粒径增大而增高。(2)不同粒径煤样在升温过程中耗氧速率呈先快速增大后缓慢增大趋势;不同粒径煤样耗氧速率总体上均随单轴应力升高呈增大趋势。(3)不同粒径煤样在升温过程中产热速率整体呈先基本保持平稳再增大后减小趋势;随着煤样粒径增大,在适当的单轴应力作用下煤样最大产热速率会大于未施加单轴应力时。     

含裂纹煤体破坏特征及声发射响应数值研究

为研究裂纹倾角对煤体破坏特征及声发射响应特征的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩下含不同预制裂纹倾角的煤样进行模拟,分析裂纹倾角对试样裂纹扩展模式、力学性能和声发射响应特征的影响。结果表明,当预制裂纹倾角α为0°时,主破裂沿垂直于预制裂纹中间位置的方向扩展;对于α为15,30,45,60,75°的试样,其主裂纹扩展模式为典型的翼裂纹,或者是翼裂纹基础上发展而来的"Y"形裂纹;而α为90°的试样和完整试样,其主裂纹分布存在随机性。裂纹的存在降低了煤体的峰值强度和弹性模量,且峰值强度和弹性模量随裂纹倾角的增加而增加,前者呈二次函数的关系增加,后者呈倾斜的"S"形增加。此外,随着预制裂纹倾角的增加,煤样由延性破坏逐渐向脆性破坏过渡。破裂时声发射瞬时计数存在阶段性增长,即α为0~45,60~75,90°和完整试样,此3个阶段的试样破裂时瞬时声发射计数依次递增。     

氧化铝与氧化锆多层共烧热应力分析

以宽域型氧传感器的烧结过程为研究对象,以有限元分析为研究手段,探究其镁铝尖晶石层、氧化铝层和氧化锆层之间的共烧热应力.研究发现,加压热处理阶段,外界施加的高压使结构内部空腔处产生较大的集中应力,同时也使层间结合力得到提高;预烧结阶段,在不对试验件施加任何外力,仅加载温度载荷的情况下,各层材料的厚度和热膨胀系数不同,使得层间应力各不相同,从而导致试验件发生向上翘曲,加压热处理阶段产生的集中应力得到充分释放;正式烧结阶段,压板将翘曲的试验件逐渐压至平整恢复原状,其烧结应力在经过充分释放后已变得较小.在整个阶段,试验件产生的应力均呈对称分布,危险点发生在内部空腔处和试验件边缘处.     

轮轴压装过程的有限元分析

由于轮轴压装质量直接影响轨道列车的安全运行,针对轮轴压装不当产生轮轴内表面严重机械损伤的问题,应用有限元法对其进行研究.用Abaqus建立过盈配合下轮轴的有限元模型,仿真分析压装过程中压装力和等效应力的变化及分布规律,发现应力集中位置位于车轴轮座与轮毂孔的结合处及注油孔的外沿,因此应对应力集中位置做重点探伤;压装过程中压装力和最大等效接触应力都不断变化,其中压装力随着压装位移的增大而逐渐增大,而最大等效接触应力随着压装位移的增大呈先增大后减小的趋势;通过对比不同压入位移时轮轴的等效应力发现,压入位移超过190 mm时,车轴左端卸荷槽处开始发生形变,出现应力集中现象,因此压入位移应控制在190 mm以内.     

预制裂隙岩石单轴压缩声发射特征研究

为了研究预制裂隙岩石失稳破坏过程中声发射特征,对预制不同倾角裂隙岩石进行了单轴压缩声发射试验,分析了预制裂隙岩石变形破坏特征及声发射信号变化规律。结果表明:随着预制裂隙倾角的减小,岩石试件的抗压强度逐渐降低,达到峰值应力的时间逐渐缩短,破坏时的轴向应变逐渐减小,试件由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变;随着预制裂隙倾角减小,试件首次出现声发射能量和振铃计数峰值的时间提前、所需加载的轴向应力减小;声发射累计振铃计数随加载时间的增加呈非线性上升趋势,且预制裂隙倾角越小,声发射累计振铃计数上升速率越快。     

自然和饱水煤样巴西劈裂过程声发射幅频特征试验

为研究水对煤样拉伸破裂过程中力学及声发射特性的影响,对自然和饱水煤样进行巴西劈裂试验,利用频谱分析法对声发射波形信息进行研究。试验结果表明:拉伸破裂过程中,饱水煤样主频集中范围小于自然煤样;破坏阶段饱水煤样释放的能量比自然煤样少,其最大主频幅值低于自然煤样;自然煤样声发射信号以低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值信号为主,煤样破裂时低频和高频信号有向中频带转移的趋势,饱水煤样声发射信号以低频低幅值信号为主,煤样破裂时低频高幅值和中频低幅值信号增加;低频高幅值信号对应煤样破裂过程中大尺度裂纹产生;饱水煤样破裂时低频高幅值信号数量多于自然煤样,反映了饱水煤样破裂时产生的大尺度裂纹更多。     

惰气驱替不同粒径煤体中氧气的实验研究

为揭示不同惰气预防煤自燃的效果及阻燃规律,通过开展惰气等温动态驱替不同粒径煤体中氧气实验,分析了He,N_2,CO_2驱替出氧气浓度、驱替时间、驱替量及驱替速率等表征驱替过程的参数。实验结果表明:(1)惰气驱替出的氧气浓度变化可划分为3个阶段。首先,惰气驱替出的是气体检测仪内管路中的氧气,体积分数为21%左右;然后,惰气驱替出煤样罐中游离态和部分吸附态氧气,氧气浓度保持平稳;最后,惰气已经全部驱替出煤样罐中游离态氧气,氧气浓度呈负指数变化。(2)不同惰气驱替煤体中氧气的时间总体上随着粒径增大而下降;CO_2驱替氧气的总时间最长,He次之,N_2最短。(3)对于同一粒径,氧气驱替量呈现出明显的拐点,拐点出现前氧气驱替量基本上呈线性增加,拐点出现后氧气驱替量随时间增加缓慢增加并最终保持平稳;不同惰气作用下氧气累计驱替量均随着粒径增大而减少,CO_2对氧气的累计驱替量最大,He次之,N_2最小。(4)不同惰气作用下氧气驱替速率均呈先紊乱后稳定下降的特征,其中CO_2驱替氧气的速率紊乱阶段尤为明显;在氧气驱替速率稳定下降阶段,同一时间内氧气驱替速率随着粒径增大基本上呈减小趋势。     

温度冲击下星孔药柱应力应变场数值仿真

基于固体推进剂材料特性与温度和时间相关的热粘弹性理论,为提高发动机的安全性,建立了二维星孔装药的模型。利用有限元方法分析了星孔装药在温度冲击过程中的温度、应力、应变的变化过程,得到星孔药柱在温度冲击过程中所存在的危险点。着重得出了不同星尖圆弧半径、不同的星根半角对星尖处应力和应变的影响情况:当星根半角一定时,星尖处的应力值和应变值随星尖圆弧半径减小而增大,半径越小增大的速率越大;当星尖圆弧半径一定时星尖处应力应变随着星根半角的增大直线增大。     

高空飞艇地面温度观测实验研究

热分析模型是高空飞艇飞行控制模型的重要组成部分。为了构建正确的热分析模型,开展了高空实验艇地面温度观测实验。实验在地面进行,实验艇水平停放在外场实验场地上。实验中,在囊体外表面和内部气室内安装温度测试系统,用以观测飞艇在不同热环境条件下表面温度和内部气体温度在空间和时间上的分布规律。实验结果表明：① 太阳辐射具有明显的方向性,囊体上表面不同几何位置上所接收到的太阳辐射通量受太阳高度角的影响较大,而受太阳方位角的影响较小;② 地面长波辐射具有明显的漫射特性,囊体下表面对地面长波辐射的吸收几乎不受实验艇方向角和仰角变化的影响;③ 囊体表面和不纯净的氦气对太阳短波辐射的吸收比对地面长波辐射的吸收更强烈,从而在飞艇内部空间形成明显的径向温度梯度;④ 空气室的充放气过程对囊体表面温度和内部气体温度均产生显著的影响,充气过程会引起温度的上升,放气过程会引起温度的下降。     

分布式光纤温度传感器在煤矿冻结建井中的应用

冻结建井法是当今煤矿建井的有效施工方法,监测和研究冻结过程中温度及其变化规律,对冻结建井现场施工和技术的发展具有重要的指导意义。介绍了分布式光纤温度传感器的基本原理,并以口孜东煤矿为例探讨了其在煤矿冻结建井温度监测过程中的实际应用。对比了分布式光纤温度传感器和传统单总线温度传感器在现场测温实验中的性能,指出了在同样的测温精度下,分布式光纤温度传感器可以实现空间上的连续测量,克服了传统传感器测量点少、故障率高的缺点。实验结果显示:分布式光纤温度传感器能够很好地在煤矿冻结建井中应用。     

煤岩膨胀破裂应变及声发射特征实验研究

针对目标对煤岩膨胀破裂过程中的声发射特征研究较少的问题,开展了煤岩膨胀破裂实验,分析了煤岩膨胀破裂全过程应变与声发射信号的变化规律。结果表明:①煤岩膨胀破裂过程可划分为微破裂阶段(Ⅰ)、宏观裂纹生成及扩展阶段(Ⅱ)和劈裂阶段(Ⅲ)。②煤、岩试样膨胀过程应变演化具有一致性,均呈现“缓变→加速→极值”变化趋势,但两者各阶段声发射信号差异较大。③煤样在第Ⅰ、Ⅱ阶段声发射振铃计数较为丰富,在临近第Ⅲ阶段累计振铃计数呈指数型递增;而砂岩在第Ⅰ、Ⅱ阶段声发射振铃计数较少,在临近第Ⅲ阶段累计振铃计数表现出“突增→平静”趋势。④煤岩膨胀破裂过程均存在变形局部化现象,应变变异系数的突变和声发射峰值频率段增多现象可作为煤岩胀裂失稳破坏的前兆特征。研究结果可为煤岩致裂等工程的监测预警提供依据。     

煤层原生CO钻孔探测试验

当前不少研究均得出煤层赋存原生CO气体的结论,但是未考虑钻孔施工过程中产生CO后被煤体吸附的可能。为探究西北地区易自燃煤层是否存在原生CO的问题,采用原始煤层原位钻孔探测方法进行原生CO探测试验。在未受采动影响的实体煤区域沿巷帮一字排开布置3个测试钻孔,钻孔密封后采用高纯N₂置换密闭气室内气体,采用专用抽气泵抽取钻孔内气体,消除原位探测钻孔施工过程中煤体氧化产生CO对试验结果的影响。在分析煤层原生CO来源可能性及其涌出理论的基础上,探讨了密闭钻孔内气体浓度随时间变化特征,结果表明:密封后钻孔内O₂和CO体积分数随密封时间的延长而迅速降低,12 d后O₂体积分数稳定在2%以下;12 d后CO体积分数低于10^-12,气相色谱仪未检测到CO气体;钻孔内气体主要为N₂。由此推断,待测煤层中无原生CO气体。N₂环境破煤试验和煤样常温恒温氧化试验结果表明,封孔初期检出的CO气体来源于钻孔施工破煤作业。     

煤矸石自燃氧化过程中自由基变化规律研究

为了从微观层面研究煤矸石自燃氧化特性,利用煤矸石自由基测定实验系统,分析了煤矸石自燃氧化过程中自由基变化规律.结果表明:随着温度的升高,自由基浓度先缓慢增加后快速增加,g因子先缓慢减小后快速增加再减小,CO生成量先缓慢增加后快速增加;含硫量越高,煤矸石由缓慢氧化达到快速氧化的临界温度及g因子快速增加所需的温度越低,CO生成量越大.可见含硫量对煤矸石自燃表现出促进作用,因此在煤矸石堆积之前应对煤矸石进行脱硫处理.     

煤粒瓦斯解吸时变规律实验研究

针对目前瓦斯解吸研究采样范围小、解吸模型计算结果与实测数据之间存在误差等问题,采集多个煤矿的煤样进行解吸实验,扩大煤样采集范围;基于搭建的煤粒瓦斯解吸实验平台,采用控制变量法,分析煤粒在不同吸附平衡压力、不同温度、不同粒度下的瓦斯解吸时变规律。得出以下结论:吸附平衡压力越大,瓦斯解吸量越大;粒度越大,解吸量和解吸速度越小,到达阈值粒度后,粒度对解吸量和解吸速度的影响较小;温度越高,解吸量越大;随着时间的增加,瓦斯解吸量逐渐增加,瓦斯解吸速度逐渐减小。对不同地质条件下的煤样进行解吸实验研究,提高了瓦斯解吸模型的适用性,进一步验证了温度、粒度等主控因素对瓦斯解吸规律的影响。     

浅埋厚煤层地表漏风对采空区煤自燃影响数值模拟研究

西部矿区浅埋厚煤层通常采用抽出式通风方式,地表漏风不仅使风流紊乱,而且其中的O 2贯穿采空区,与采空区遗煤共同作用使其氧化,从而发生煤自燃,并且产生的CO等有害气体超标,严重影响矿井的正常开采。目前一般采用现场实测、理论分析及实验研究方法对地面漏风引起的采空区内煤自燃的气体浓度场和温度场等进行研究,然而地表裂隙漏风自然发火实验复杂程度较高,理论分析及实验研究方法难以从三维角度认识地表漏风对采空区内煤自燃的影响规律。针对上述问题,根据我国西北矿区埋深浅、煤层厚等特点,建立三维数值计算模型,采用数值模拟与现场实测相结合的方法研究了浅埋厚煤层条件下导气裂隙采空区“三带”分布情况及不同工况下采空区O 2浓度场、CO浓度场、温度场、压力场等的分布规律,并采用ZD5煤矿火灾多参数监测装置进行现场验证。结果表明:采空区内“三带”分布规律和O 2浓度场分布受地表漏风影响明显,采空区顶部O 2容易聚集,改变了采空区内气体流场分布规律,采空区内高体积分数O 2(体积分数为18%~23%)聚集范围为沿采空区走向0~270 m、沿采空区竖直方向3~20 m,特别是在沿采空区走向0~80 m、沿采空区竖直方向3~8 m空间O 2充足、有一定遗煤且热量不容易散失,该区域煤自然发火危险程度较高;采空区内回风隅角压力最小,为-10 Pa,回风口压力最低,进风口压力最大,沿倾向、竖直方向及走向压力均逐渐增大;采空区内温度和CO分布规律类似,在采空区底部受顶部漏风影响很小,主要受工作面进风隅角影响,热量积聚和CO聚集规律与不漏风时基本一致,而从采空区中部开始,温度和CO主要受顶部漏风影响,在中部区域温度和CO均呈现“O”形圈分布,采空区顶部,温度和CO在每个断裂带与采空区交接处达到极大值,并向两侧递减,在最深部的断裂带与采空区交接处出现最大值。     

煤自燃倾向性的氧化动力学测定中温度测量电路设计

在煤自燃倾向性的氧化动力学测定过程中需要对温度进行高精度的测量并记录。为了满足测温要求,选用高分辨率AD转换器AD7714及三线制Pt100热电阻作为温度传感器构建了温度测量电路;为解决器件非线性度引起的输入、输出为非严格线性关系的问题,采用分段线性插值方法对输出值进行插值运算。实验结果表明,该温度测量电路的AD采样分辨率为0.006 7℃,满足设计要求,且实验数据具有很高的稳定性和可重复性。     

倾斜煤层水力冲孔有效影响半径数值模拟研究

针对目前水力冲孔技术研究较少考虑倾斜煤层水力冲孔卸压范围随方向变化的特点及煤层倾角对水力冲孔卸压有效半径影响的问题,以某煤矿3号煤层为研究对象,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics对倾斜煤层水力冲孔有效影响半径进行了数值模拟,研究了不同方向上的钻孔有效抽采半径。数值模拟结果表明:在冲孔作用下,抽采影响范围随抽采时间的增加而不断扩大,但扩展速度随时间下降;在冲孔卸压作用下,煤层渗透性大大增加,钻孔周边影响范围呈近似椭圆形分布;连续抽采90 d后,上部方向的影响半径为6 m左右,下部方向的影响半径为4 m左右,水平方向的影响半径为5 m左右;为了确保抽采达标,该煤层水力冲孔钻场横向钻孔布置间距设定为3.5 m左右,纵向钻孔布置间距为4.0 m左右。该研究结果对于优化水力冲孔工艺参数、指导抽采钻孔的准确布置、提升矿井的瓦斯治理效果具有重要的现实意义。     

煤表面对多种气体分子混合吸附的微观机理

应用量子化学密度泛函理论,在6-311 g水平上对建立的吸附模型进行全优化.结果表明,煤的表面能够与多组分气体发生混合吸附.煤表面吸附氧、氮和二氧化碳分子组成的吸附态中,氧分子和氮分子在煤表面的侧链吸附,CO2则在苯环的上方.煤表面氨基上的C原子和N原子的电子向氧分子中的氧原子转移.煤表面吸附了二氧化碳和氮分子,氧分子所得的电子减少,表明如果煤表面吸附其它种类分子,则削弱了吸附氧的作用.吸附后O2的频率变化较大,N2和CO2的频率变化很小.煤表面与矿井采空区各种气体发生吸附时的亲和顺序为:氧气>水>二氧化碳>氮气>一氧化碳>甲烷.     

可穿戴腕部体温监测装置设计

为解决各式体温计测温时间长、精度不高及操作繁琐等问题,提出并实现了一种基于腕部测温的可穿戴体温监测装置的设计方案.通过对人体体表温度和深度温度的分析,确定了腕部体表温度与以腋下温度为基准的体温间的补偿方案;对测温装置进行了设计实现并对数据的处理进行了优化.实验结果证明:设计的体温监测装置稳定性好,精度高,且支持高频率、实时的体温采集.