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受载煤体变形破裂微波辐射规律及其机理的基础研究

作　者: 王云刚
导　师: 王恩元；何学秋
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 煤岩动力灾害热辐射微波遥感影响因素统计损伤-微波辐射模型辐射机理微波传播机理电性参数
分类号: TD311
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-21
1 绪论  21-44
  1.1 课题研究的意义及目的  21-25
    1.1.1 课题研究的意义  21-24
    1.1.2 课题研究的目的  24-25
  1.2 遥感岩石力学研究综述  25-41
    1.2.1 受载煤岩电磁辐射研究进展  26-27
    1.2.2 红外遥感在地震预报方面的研究进展  27-33
    1.2.3 受载岩石破裂实验的红外辐射效应研究进展  33-37
    1.2.4 无源微波遥感预测预报地震的研究进展  37-41
  1.3 需研究的问题  41
  1.4 主要研究内容及创新点  41-44
    1.4.1 主要研究内容  41-42
    1.4.2 研究思路  42-43
    1.4.3 主要创新点  43-44
2 热辐射的基础理论及微波遥感基本原理  44-68
  2.1 热辐射的基础理论  44-55
    2.1.1 表征辐射性质的基本术语  45-46
    2.1.2 黑体辐射  46-53
    2.1.3 非黑体辐射  53-55
  2.2 微波遥感基本原理  55-63
    2.2.1 微波辐射测量原理  55-63
  2.3 微波辐射计  63-67
    2.3.1 微波辐射计优点  64
    2.3.2 微波辐射计功率  64-65
    2.3.3 微波辐射计灵敏度  65-66
    2.3.4 微波辐射计的应用  66-67
  2.4 本章结论  67-68
3 煤体降温与变形破裂过程中微波辐射特性实验研究  68-103
  3.1 煤体微波辐射实验测试系统及试样  68-71
    3.1.1 煤体微波辐射实验测试系统  68-71
    3.1.2 试样及其制备方法  71
  3.2 煤体微波辐射特性实验内容及方案  71-74
    3.2.1 煤体微波辐射特性实验内容及步骤  71-72
    3.2.2 受载煤体微波辐射特性实验方案  72-74
  3.3 煤体微波辐射特性实验结果及初步分析  74-99
    3.3.1 煤体在自然状态下的微波辐射特性实验结果  74-82
    3.3.2 煤体加热后降温过程中的微波辐射特性  82-86
    3.3.3 受载煤体破坏过程中微波辐射前兆规律实验  86-97
    3.3.4 受载煤体破坏过程中微波辐射前兆规律  97-99
  3.4 实验中异常现象的解释  99-101
    3.4.1 受载煤体亮温曲线波动性的解释  99
    3.4.2 受载煤体亮温曲线连续下降的解释  99-101
    3.4.3 受载煤体卸载过程中亮温曲线变化的解释  101
  3.5 本章小结  101-103
4 受载煤体微波辐射特性影响因素的研究  103-122
  4.1 受载煤体微波辐射特性影响因素  103
  4.2 加载条件对受载煤体破裂过程微波辐射的影响  103-110
    4.2.1 加载方式对受载煤体破裂过程微波辐射的影响  103-108
    4.2.2 加载速率对受载煤体破裂过程微波辐射的影响  108-110
  4.3 煤岩组构对受载煤体破裂过程微波辐射的影响  110-117
    4.3.1 煤体X－衍射成分分析  111-113
    4.3.2 石英成分在煤体的变形破坏过程中的作用  113-115
    4.3.3 岩石的热学性质  115-117
  4.4 峰值载荷对受载煤体破裂过程微波辐射的影响  117
  4.5 受载煤体微波辐射特性影响因素的理论研究  117-118
  4.6 煤体的应力－应变曲线及表征的力学性质  118-121
  4.7 本章小结  121-122
5 受载煤体破裂过程热辐射机理分析  122-153
  5.1 电磁辐射微观产生机理  122-124
  5.2 电磁辐射与热辐射的关系  124-125
  5.3 断裂物理基础  125-132
    5.3.1 断裂的分类  125-126
    5.3.2 裂纹的分类  126-127
    5.3.3 岩石微破裂的类型  127
    5.3.4 Griffith 裂纹理论  127-132
  5.4 宏观断裂力学  132-135
    5.4.1 裂纹集结与扩展理论  132-133
    5.4.2 基于能量理论的裂纹断裂准则  133-135
  5.5 微观断裂力学  135-143
    5.5.1 裂纹尖端地区的结构  136
    5.5.2 断裂粒子辐射  136-137
    5.5.3 粒子辐射的解理断裂模型  137-139
    5.5.4 粒子辐射的位错断裂模型  139-141
    5.5.5 热辐射的热力学推导  141-142
    5.5.6 煤体变形破坏的微观分析  142-143
  5.6 受载煤体断裂热辐射产生机理  143-146
    5.6.1 热力耦合效应  143-146
  5.7 受载煤体损伤统计－微波辐射耦合模型  146-151
    5.7.1 煤体统计损伤理论  147-150
    5.7.2 损伤统计－微波辐射耦合模型的建立  150-151
  5.8 本章结论  151-153
6 微波辐射在煤岩体中传播机理及特性研究  153-185
  6.1 微波在有耗媒质中的传播机理与衰减  153-160
    6.1.1 微波在有耗媒质中的传播机理  153-154
    6.1.2 传播衰减方程  154-160
  6.2 煤岩变形破裂电磁辐射的功率特性  160-161
  6.3 衰减系数与电性参数的关系  161-176
    6.3.1 煤岩体电性参数的影响因素  163-174
    6.3.2 电性参数影响因素的均方差－回归分析  174-176
  6.4 微波在两种不同介质交界面上的特性  176-178
  6.5 微波传播与气体分子的相互作用  178-182
    6.5.1 氧分子对微波传播的影响  180-181
    6.5.2 瓦斯对煤岩破裂微波辐射传播的影响  181-182
  6.6 电磁波衰减的其它参数表示  182-184
  6.7 本章小节  184-185
7 结论和展望  185-189
  7.1 结论  185-187
  7.2 展望  187-189
参考文献  189-204
作者简历  204-207
学位论文数据集  207

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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