受载煤体变形破裂微波辐射规律及其机理的基础研究
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摘要
本文采用实验室实验、理论分析相结合的方法,研究了受载煤体变形破坏过程中微波辐射规律和热辐射机理等内容,并对这一技术应用于煤岩动力灾害的预测预报进行了基础理论分析。
首先,建立了测试煤体在自然状态下、加热后降温过程中、单轴压缩和劈裂拉伸实验过程中的微波辐射特性和规律的实验系统,并制定了相应的实验方案。测试了煤体在自然状态下、加热后降温过程中、单轴压缩和劈裂拉伸破坏过程中的微波辐射效应和规律;测试了加载速率对受载煤体破坏过程中微波辐射特征的影响;对实验中的现象进行了科学合理的解释。
接着,通过对煤体试样微波辐射实验数据的分析,研究了煤体在降温过程中和变形破裂过程微波辐射变化规律及加载条件(加载方式、加载速率)、煤岩组构、峰值载荷等影响因素对微波辐射变化规律的影响;通过分析煤岩应力-应变曲线的各个阶段,得到了在应力-应变曲线的每个阶段亮温曲线的变化反映情况,把受载煤体的微波辐射亮温曲线相应的划分了灵敏区和迟钝区,灵敏区与迟钝区的划分为预测预报煤岩动力灾害提供了理论基础。
然后,讨论了电磁辐射的微观产生机理以及电磁辐射与热辐射的关系;基于断裂物理基础采用扫描电镜(SEM)分析煤体中Griffith缺陷的特征;应用宏观断裂力学和地震集结理论,分析了岩石的宏观破裂就是微破裂集结与扩展现象的结果;以能量理论为基础推导出在准静态情况下裂纹断裂准则;以微观断裂力学为基础,引用断裂粒子辐射的解理和位错原子模型,根据非线性热力学理论推导出断裂粒子产生热辐射的机理。分析了受载煤体断裂热辐射的热力耦合效应。基于统计损伤理论和热力耦合理论,推导出煤岩强度的统计损伤本构方程和更具有广泛意义的损伤统计-微波辐射耦合模型。
最后,根据电磁场与电磁波理论分析微波在有耗媒质中的传播机理。然后根据麦克斯韦方程组分析微波在有耗媒质中的衰减方程;使用Eview软件对微波的衰减方程进行了离散多元非线性回归。利用电偶极子模型分析微波的辐射功率与频率的关系。总结前人的经验工作,讨论了煤岩体电性参数的影响因素。接着,讨论了电磁波在不同介质交界面的传播特性;分析微波与气体分子的相互作用。
综上所述,受载煤岩体变形破裂过程中能产生微波辐射效应并具有可预测性的破坏前兆规律。这说明微波遥感预测技术是一种很有前途的,值得深入研究的煤岩动力灾害预警技术。
In this paper, using laboratory experiments and theoretical analysis, microwave radiation rules and mechanism of thermal radiation of loading coal in deformation and fracture process is studied and basic theoretical is analyzed on how to apply the method to predict the coal or rock dynamic disaster.
Firstly, the experiment system of microwave radiation effect of coal in natural condition, heated coal in cooling process, and loading coal under different loading methods (such as uniaxial compression and tensile test.) is originally established. Accordingly, the experiment scheme is established too. The effect and rules of microwave radiation of coal is originally studied and the three experimental phenomena are explained scientifically and rationally.
Secondly, through analyzing to the experimental data of microwave radiation of coal specimens, the varying pattern in cooling process and in deformation and fracture process of coal, are studied. The influence of different factors on microwave radiation of loading coal is analyzed. Having analyzed the stress-strain curve of coal, the corresponding change of brightness temperature curve is obtained and therefore sensitive section and dullness section in brightness temperature curve is originally divised, which provides a theoretical basis of predicting the coal or rock dynamic disaster.
Thirdly, the mechanism of micro-generation mechanism of electromagnetic radiation and the relationship between electromagnetic radiation and thermal radiation is discussed.
Based on physical foundation of fracture by using scanning electron microscopy (SEM) character of the Griffith frature in coal is analized. With macro-fracture mechanics theory, the macro-fracturing of coal is the result of nucleation and growth phenomenon of micro-fracture. Based on the energy theory, fracture criteria of crack in the semi-static circumstances is derived. And on the micro-fracture mechanics, quoting crack tip atoms particle radiation cleavage and dislocation atomic model, according to the nonlinear thermo-mechanical theory, the generation mechanism of fracture particles thermal radiation is derived. Thermo-mechanical coupling effect of loading coal in deformation and fracture process is analyzed.
Based on the statistical damage theory and thermo-mechanical coupling theory, the constitutive equation of statistics damage of coal strength and more extensive statistical coupling model of statistics damage and thermo-mechanical are obtained.
Finally, according to electromagnetic field and electromagnetic wave theory, the propagation mechanism of microwave in the lossy media is studied. Based on Maxwell’s equations the attenuation equation of microwave propagation in lossy media is obtained with Eview software. With the electric dipole model the relationship between the radiation power and frequency is discussed. Summing up the experiences of the predecessors, the influence factors of the electric parameters of coal or rock is discussed. Then the propagation characteristics of the electromagnetic wave in the interface of different media is studied. The interaction between the microwave and gas molecules is analyzing. Through the above analysis, the microwave radiation method is a promising and early-warning technology of coal or rock dynamic disaster worth of further study .
首先,建立了测试煤体在自然状态下、加热后降温过程中、单轴压缩和劈裂拉伸实验过程中的微波辐射特性和规律的实验系统,并制定了相应的实验方案。测试了煤体在自然状态下、加热后降温过程中、单轴压缩和劈裂拉伸破坏过程中的微波辐射效应和规律;测试了加载速率对受载煤体破坏过程中微波辐射特征的影响;对实验中的现象进行了科学合理的解释。
接着,通过对煤体试样微波辐射实验数据的分析,研究了煤体在降温过程中和变形破裂过程微波辐射变化规律及加载条件(加载方式、加载速率)、煤岩组构、峰值载荷等影响因素对微波辐射变化规律的影响;通过分析煤岩应力-应变曲线的各个阶段,得到了在应力-应变曲线的每个阶段亮温曲线的变化反映情况,把受载煤体的微波辐射亮温曲线相应的划分了灵敏区和迟钝区,灵敏区与迟钝区的划分为预测预报煤岩动力灾害提供了理论基础。
然后,讨论了电磁辐射的微观产生机理以及电磁辐射与热辐射的关系;基于断裂物理基础采用扫描电镜(SEM)分析煤体中Griffith缺陷的特征;应用宏观断裂力学和地震集结理论,分析了岩石的宏观破裂就是微破裂集结与扩展现象的结果;以能量理论为基础推导出在准静态情况下裂纹断裂准则;以微观断裂力学为基础,引用断裂粒子辐射的解理和位错原子模型,根据非线性热力学理论推导出断裂粒子产生热辐射的机理。分析了受载煤体断裂热辐射的热力耦合效应。基于统计损伤理论和热力耦合理论,推导出煤岩强度的统计损伤本构方程和更具有广泛意义的损伤统计-微波辐射耦合模型。
最后,根据电磁场与电磁波理论分析微波在有耗媒质中的传播机理。然后根据麦克斯韦方程组分析微波在有耗媒质中的衰减方程;使用Eview软件对微波的衰减方程进行了离散多元非线性回归。利用电偶极子模型分析微波的辐射功率与频率的关系。总结前人的经验工作,讨论了煤岩体电性参数的影响因素。接着,讨论了电磁波在不同介质交界面的传播特性;分析微波与气体分子的相互作用。
综上所述,受载煤岩体变形破裂过程中能产生微波辐射效应并具有可预测性的破坏前兆规律。这说明微波遥感预测技术是一种很有前途的,值得深入研究的煤岩动力灾害预警技术。
In this paper, using laboratory experiments and theoretical analysis, microwave radiation rules and mechanism of thermal radiation of loading coal in deformation and fracture process is studied and basic theoretical is analyzed on how to apply the method to predict the coal or rock dynamic disaster.
Firstly, the experiment system of microwave radiation effect of coal in natural condition, heated coal in cooling process, and loading coal under different loading methods (such as uniaxial compression and tensile test.) is originally established. Accordingly, the experiment scheme is established too. The effect and rules of microwave radiation of coal is originally studied and the three experimental phenomena are explained scientifically and rationally.
Secondly, through analyzing to the experimental data of microwave radiation of coal specimens, the varying pattern in cooling process and in deformation and fracture process of coal, are studied. The influence of different factors on microwave radiation of loading coal is analyzed. Having analyzed the stress-strain curve of coal, the corresponding change of brightness temperature curve is obtained and therefore sensitive section and dullness section in brightness temperature curve is originally divised, which provides a theoretical basis of predicting the coal or rock dynamic disaster.
Thirdly, the mechanism of micro-generation mechanism of electromagnetic radiation and the relationship between electromagnetic radiation and thermal radiation is discussed.
Based on physical foundation of fracture by using scanning electron microscopy (SEM) character of the Griffith frature in coal is analized. With macro-fracture mechanics theory, the macro-fracturing of coal is the result of nucleation and growth phenomenon of micro-fracture. Based on the energy theory, fracture criteria of crack in the semi-static circumstances is derived. And on the micro-fracture mechanics, quoting crack tip atoms particle radiation cleavage and dislocation atomic model, according to the nonlinear thermo-mechanical theory, the generation mechanism of fracture particles thermal radiation is derived. Thermo-mechanical coupling effect of loading coal in deformation and fracture process is analyzed.
Based on the statistical damage theory and thermo-mechanical coupling theory, the constitutive equation of statistics damage of coal strength and more extensive statistical coupling model of statistics damage and thermo-mechanical are obtained.
Finally, according to electromagnetic field and electromagnetic wave theory, the propagation mechanism of microwave in the lossy media is studied. Based on Maxwell’s equations the attenuation equation of microwave propagation in lossy media is obtained with Eview software. With the electric dipole model the relationship between the radiation power and frequency is discussed. Summing up the experiences of the predecessors, the influence factors of the electric parameters of coal or rock is discussed. Then the propagation characteristics of the electromagnetic wave in the interface of different media is studied. The interaction between the microwave and gas molecules is analyzing. Through the above analysis, the microwave radiation method is a promising and early-warning technology of coal or rock dynamic disaster worth of further study .
引文
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