基于聲發(fā)射的煤巖單軸壓縮雪崩動力學(xué)及其應(yīng)用研究.pdf

1、雪崩動力學(xué)行為發(fā)生在許多物理系統(tǒng)中，包括磁化、相變、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策過程中等。多孔材料的失穩(wěn)破裂呈現(xiàn)典型的雪崩行為。對于彈性或塑形多孔材料來說，在受力發(fā)生變形到破壞，細(xì)致的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系行為并不是平滑和連續(xù)的，而是作為一系列離散的突發(fā)的“雪崩”事件產(chǎn)生。在實驗層面，此類微結(jié)構(gòu)的離散突發(fā)變化可以通過聲發(fā)射（Acoustic Emission）來檢測。因此，在本論文中聲發(fā)射被作為巖石材料受力破壞雪崩動力學(xué)行為（煤和砂巖）的研究工具。
　　

2、第一章介紹雪崩動力學(xué)在多孔材料變形破壞中的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)其余章節(jié)研究內(nèi)容。本章中，介紹了包括計算機模擬和實驗室試驗分析在雪崩動力學(xué)中的研究。重點總結(jié)了多孔材料力加載條件下單軸壓縮過程聲發(fā)射試驗的雪崩動力學(xué)研究現(xiàn)狀。
　　第二章介紹雪崩效應(yīng)的基本統(tǒng)計規(guī)律。首先闡述了聲發(fā)射能量與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變形的定量關(guān)系，然后依次介紹 Gutenberg-Richter定律,等候時間（Waiting-time）分布,余震（After shock）分布和

3、Bath’s定律，這些規(guī)律在論文后續(xù)章節(jié)中被使用。然后在實驗室進行了煤和干燥與飽水砂巖的力控制單軸壓縮聲發(fā)射試驗。試驗結(jié)果顯示聲發(fā)射絕對能量概率密度函數(shù)滿足 Gutenberg-Richter定律分布，最大似然估計作為可靠的統(tǒng)計方法可用來估計“雪崩”過程的臨界指數(shù)，并還獲得了煤與砂巖（干燥與飽水）單軸壓縮破壞聲發(fā)射的等候時間（Waiting-time）分布，和余震（After shock）分布。并且Bath’s定律分析與地震經(jīng)驗值吻合度

4、較高。
　　第三章采用離散元模型（DEM）研究砂巖破壞過程的雪崩效應(yīng)。纖維束模型中纖維絲的斷裂被類比于聲發(fā)射現(xiàn)象。模擬與實驗對照結(jié)果顯示，在低應(yīng)力階段，纖維束模型忽略了偶發(fā)的雪崩事件，但在高應(yīng)力階段纖維束模型較好地表現(xiàn)出了聲發(fā)射特性。雪崩尺度和聲發(fā)射事件分布都滿足雙冪律行為，模擬和試驗的概率密度函數(shù)（PDF）有相似的冪指數(shù)和雙冪拐點。模擬和試驗結(jié)果類似于二階相變，分叉率可作為描述相變的序參量。此外，在接近臨界點時，纖維束模型和聲發(fā)

5、射實驗結(jié)果的分叉率變化具有一致性。
　　第四章揭示了煤和砂巖雪崩效應(yīng)的非固定臨界點行為。試件在最終破壞前，聲發(fā)射臨界指數(shù)從非臨界穩(wěn)定態(tài)向臨界狀態(tài)演化。分布在兩個階段的聲發(fā)射能量都遵循冪律行為，但在兩個不同狀態(tài)區(qū)間具有不同指數(shù)。探討了非固定臨界點行為與聲發(fā)射破壞點之間關(guān)聯(lián)性的關(guān)系，不同臨界點機理可能來自低應(yīng)力階段的隨機破壞和高應(yīng)力階段的關(guān)聯(lián)破壞事件，且隨機分布事件的臨界指數(shù)大于高度關(guān)聯(lián)破壞事件對應(yīng)指數(shù)。聲發(fā)射記錄事件本身結(jié)構(gòu)是自組織

6、的，是呈現(xiàn)冪律分布的。煤體的記錄事件及其能量統(tǒng)計結(jié)果和數(shù)值結(jié)果符合較好。其中最大似然估計結(jié)果好于直方圖統(tǒng)計結(jié)果，并且提示當(dāng)前的實驗和分析結(jié)果區(qū)別于模擬的連續(xù)下降臨界值結(jié)果，而更支持兩個破裂機制即兩個固定臨界點的相互作用機制。
　　第五章介紹了基于聲發(fā)射技術(shù)的雪崩效應(yīng)在巖石力學(xué)試驗的應(yīng)用：超臨界二氧化碳對砂巖力學(xué)性能的影響和砂巖單軸長期與階梯蠕變實驗。以上實驗結(jié)果表明，由雪崩統(tǒng)計分析反映的損傷與巖石樣品的力學(xué)特性，核磁共振特征，礦物