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复合煤岩受载破裂多场耦合机理

作者: 李艳著 , 李鑫 , 杨桢

出版社: 化学工业出版社

出版时间: 2023-09

版次: 1

ISBN: 9787122437747

定价: 88.00

装帧: 平装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 182页

字数: 230千字

分类: 工程技术

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本书以煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射、电荷、红外辐射等信号为出发点，深入研究了可有效快捷预测冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的方法，实现非接触式连续动态预测；结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论，推导了复合煤岩在加卸荷过程中多物理场耦合数学模型，并探究多物理场变化规律及耦合机制、复合煤岩循环加卸荷能量演化机制、复合煤岩加卸荷过程中各部分表面平均红外温度和能量演化规律及能量变化，推导建立了耗散能-红外辐射能耦合数学模型、应力-电荷感应信号耦合关系、耗散能-电磁辐射能耦合数学模型；开发了复合煤岩受载破裂多参数监测实验系统，并在冲击地压预测、煤与瓦斯突出预测、矿山压力观测及评估等方面进行了较为广泛的实际应用研究。本书可供从事煤岩、混凝土等动力灾害现象（如冲击地压、煤与瓦斯突出、滑坡、冒顶、地震、隧道和坝基结构失稳等）及煤岩物理力学性质、岩土工程等领域研究的科技工作者、研究生、本科生以及矿山安全和矿山电气工程相关技术人员参考。李鑫，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向:矿山电磁智能感知技术、智能电网理论与技术。主持完成国家自然科学基金“深部复合煤岩卸荷破裂热红外辐射机理及多场耦合模型研究( 51604141)”、辽宁省教育厅基金“微电网并联APF拓扑结构及柔性控制技术应用研究(LJYL016)”、“应急救援超宽带雷达生命探测仪关键技术研究”( LJ2020-JCL020) ;参与完成国家自然科学基金、辽宁省教育厅基金、辽宁省高校创新团队项目、辽宁省教育厅基金项目及横向课题等25项。研究成果获得省部级科学技术奖二等奖2项、三等奖8项。在国内外期刊及国际会议发表论文42篇，SCIVE检索19篇，授权国家发明专利6件。在读博士生1人，硕士生16人。第1章绪论1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 2

1.2.1深部煤岩能量演化理论及受载破裂失稳机制研究现状 2

1.2.2煤岩受载岩体辐射场、声场能量演化规律研究现状 6

1.2.3复合煤岩受载破裂多场耦合机制研究现状 11

1.3研究概况 12

1.3.1研究方法 14

1.3.2技术路线 15

1.3.3应用前景 15

参考文献 15

第2章受载煤岩破裂多物理场基本理论及耦合路径24

2.1煤岩受载破裂的宏观与微观解释 25

2.1.1煤岩体受载破裂宏观机制 26

2.1.2煤岩体受载破裂微观机制 26

2.2煤岩受载破裂各物理场演化基本理论 27

2.2.1煤岩受载破裂过程电荷感应原理 27

2.2.2煤岩受载破裂过程电磁辐射原理 29

2.2.3煤岩受载破裂过程红外辐射原理 32

2.3复合煤岩受载破裂多物理场耦合路径 33

2.4本章小结 34

参考文献 35

第3章复合煤岩受载破裂多参数监测装置与实验系统研究38

3.1煤岩受载破裂多参数监测系统结构 38

3.2系统主控电路设计 40

3.3电荷信号采集模块 41

3.3.1电荷传感器原理 42

3.3.2传感器转换电路 43

3.3.3滤波电路 44

3.4电磁辐射采集模块 45

3.4.1电磁辐射信号接收天线电路 45

3.4.2电磁辐射信号放大电路 47

3.4.3滤波电路 48

3.4.4信号去噪处理算法 49

3.5红外辐射温度采集模块 52

3.6受载煤岩破裂多参数监测系统软件设计 54

3.6.1程序总体流程图 54

3.6.2A/D采样程序设计 54

3.6.3通信软件设计 55

3.7上位机软件设计 56

3.7.1监测系统用户界面 56

3.7.2软件流程 57

3.8本章小结 57

参考文献 58

第4章复合煤岩受载破裂应力-电荷-红外辐射耦合模型研究59

4.1受载复合煤岩变形破裂试验设计 60

4.1.1试样制备 60

4.1.2试验系统 60

4.1.3试验步骤 62

4.2电磁辐射、电荷感应电压信号相关性研究 62

4.2.1实验结果分析 62

4.2.2相关性研究 66

4.2.3机理探讨 69

4.3SCT耦合模型研究 70

4.3.1模型推导 70

4.3.2实验研究 72

4.4本章小结 74

参考文献 75

第5章复合煤岩受载破裂温度-应力-电磁多场耦合模型研究76

5.1温度-应力-电磁场理论模型 76

5.2基于有限元的物理场变化规律分析 79

5.3验证实验及特征总结 80

5.3.1实验研究 80

5.3.2应力场分析 80

5.3.3温度场分析 82

5.3.4电磁场分析 86

5.3.5力电热耦合分析 89

5.4本章小结 90

参考文献 91

第6章考虑裂隙运动的受载复合煤岩应力-电磁辐射数值模型92

6.1裂隙周期运动对煤岩应力-电磁辐射模型的影响 92

6.2受载煤岩有限元建模与电磁信号分析 94

6.2.1受载煤岩电磁辐射数值模型 94

6.2.2受载复合煤岩仿真模型建立 97

6.2.3仿真条件及求解过程 97

6.2.4受载复合煤岩电磁辐射演化规律 98

6.3实验验证及特征总结 102

6.3.1场景及实验步骤 102

6.3.2结果处理及分析 104

6.3.3受载复合煤岩电磁辐射演化规律 105

6.4本章小结 108

参考文献 109

第7章循环加-卸下复合煤岩受载破裂红外辐射-能量演化及耦合机制111

7.1基于表面温度的煤岩受载状态识别方法 111

7.1.1复合煤岩卸荷热力耦合模型研究 111

7.1.2复合煤岩卸荷仿真模型研究 113

7.2循环加-卸受载煤岩红外辐射信号演化规律 114

7.3红外辐射-能量演化耦合机制 117

7.3.1煤岩能量计算 117

7.3.2能量演化规律研究 117

7.4本章小结 121

参考文献 122

第8章卸荷条件下复合煤岩受载破裂多场耦合模型123

8.1复合煤岩卸荷多场耦合数学模型 123

8.2卸荷下受载复合煤岩多物理场演化规律 124

8.2.1煤岩有限元建模 124

8.2.2仿真研究 125

8.2.3复合煤岩卸荷多场耦合机理研究 135

8.3实验验证与结果分析 136

8.4本章小结 139

参考文献 139

第9章复合煤岩受载破裂耗散能-辐射能耦合机制141

9.1基于能量损伤理论的复合煤岩受载破裂机理 141

9.2耗散能-辐射能耦合路径与模型建立 144

9.2.1耗散能-红外辐射能耦合数学模型 144

9.2.2耗散能-电磁辐射能耦合数学模型 151

9.3实验验证与结果分析 154

9.3.1耗散能-红外辐射能实验及结果 154

9.3.2耗散能-电磁辐射能实验及结果 160

9.4受载煤岩能量变化与耦合规律 166

9.4.1红外辐射能变化与耦合规律 166

9.4.2电磁辐射能变化与耦合规律 172

9.5本章小结 175

参考文献 176

结语180
内容简介:
本书以煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射、电荷、红外辐射等信号为出发点，深入研究了可有效快捷预测冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的方法，实现非接触式连续动态预测；结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论，推导了复合煤岩在加卸荷过程中多物理场耦合数学模型，并探究多物理场变化规律及耦合机制、复合煤岩循环加卸荷能量演化机制、复合煤岩加卸荷过程中各部分表面平均红外温度和能量演化规律及能量变化，推导建立了耗散能-红外辐射能耦合数学模型、应力-电荷感应信号耦合关系、耗散能-电磁辐射能耦合数学模型；开发了复合煤岩受载破裂多参数监测实验系统，并在冲击地压预测、煤与瓦斯突出预测、矿山压力观测及评估等方面进行了较为广泛的实际应用研究。本书可供从事煤岩、混凝土等动力灾害现象（如冲击地压、煤与瓦斯突出、滑坡、冒顶、地震、隧道和坝基结构失稳等）及煤岩物理力学性质、岩土工程等领域研究的科技工作者、研究生、本科生以及矿山安全和矿山电气工程相关技术人员参考。
作者简介:
李鑫，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向:矿山电磁智能感知技术、智能电网理论与技术。主持完成国家自然科学基金“深部复合煤岩卸荷破裂热红外辐射机理及多场耦合模型研究( 51604141)”、辽宁省教育厅基金“微电网并联APF拓扑结构及柔性控制技术应用研究(LJYL016)”、“应急救援超宽带雷达生命探测仪关键技术研究”( LJ2020-JCL020) ;参与完成国家自然科学基金、辽宁省教育厅基金、辽宁省高校创新团队项目、辽宁省教育厅基金项目及横向课题等25项。研究成果获得省部级科学技术奖二等奖2项、三等奖8项。在国内外期刊及国际会议发表论文42篇，SCIVE检索19篇，授权国家发明专利6件。在读博士生1人，硕士生16人。
目录:
第1章绪论1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 2

1.2.1深部煤岩能量演化理论及受载破裂失稳机制研究现状 2

1.2.2煤岩受载岩体辐射场、声场能量演化规律研究现状 6

1.2.3复合煤岩受载破裂多场耦合机制研究现状 11

1.3研究概况 12

1.3.1研究方法 14

1.3.2技术路线 15

1.3.3应用前景 15

参考文献 15

第2章受载煤岩破裂多物理场基本理论及耦合路径24

2.1煤岩受载破裂的宏观与微观解释 25

2.1.1煤岩体受载破裂宏观机制 26

2.1.2煤岩体受载破裂微观机制 26

2.2煤岩受载破裂各物理场演化基本理论 27

2.2.1煤岩受载破裂过程电荷感应原理 27

2.2.2煤岩受载破裂过程电磁辐射原理 29

2.2.3煤岩受载破裂过程红外辐射原理 32

2.3复合煤岩受载破裂多物理场耦合路径 33

2.4本章小结 34

参考文献 35

第3章复合煤岩受载破裂多参数监测装置与实验系统研究38

3.1煤岩受载破裂多参数监测系统结构 38

3.2系统主控电路设计 40

3.3电荷信号采集模块 41

3.3.1电荷传感器原理 42

3.3.2传感器转换电路 43

3.3.3滤波电路 44

3.4电磁辐射采集模块 45

3.4.1电磁辐射信号接收天线电路 45

3.4.2电磁辐射信号放大电路 47

3.4.3滤波电路 48

3.4.4信号去噪处理算法 49

3.5红外辐射温度采集模块 52

3.6受载煤岩破裂多参数监测系统软件设计 54

3.6.1程序总体流程图 54

3.6.2A/D采样程序设计 54

3.6.3通信软件设计 55

3.7上位机软件设计 56

3.7.1监测系统用户界面 56

3.7.2软件流程 57

3.8本章小结 57

参考文献 58

第4章复合煤岩受载破裂应力-电荷-红外辐射耦合模型研究59

4.1受载复合煤岩变形破裂试验设计 60

4.1.1试样制备 60

4.1.2试验系统 60

4.1.3试验步骤 62

4.2电磁辐射、电荷感应电压信号相关性研究 62

4.2.1实验结果分析 62

4.2.2相关性研究 66

4.2.3机理探讨 69

4.3SCT耦合模型研究 70

4.3.1模型推导 70

4.3.2实验研究 72

4.4本章小结 74

参考文献 75

第5章复合煤岩受载破裂温度-应力-电磁多场耦合模型研究76

5.1温度-应力-电磁场理论模型 76

5.2基于有限元的物理场变化规律分析 79

5.3验证实验及特征总结 80

5.3.1实验研究 80

5.3.2应力场分析 80

5.3.3温度场分析 82

5.3.4电磁场分析 86

5.3.5力电热耦合分析 89

5.4本章小结 90

参考文献 91

第6章考虑裂隙运动的受载复合煤岩应力-电磁辐射数值模型92

6.1裂隙周期运动对煤岩应力-电磁辐射模型的影响 92

6.2受载煤岩有限元建模与电磁信号分析 94

6.2.1受载煤岩电磁辐射数值模型 94

6.2.2受载复合煤岩仿真模型建立 97

6.2.3仿真条件及求解过程 97

6.2.4受载复合煤岩电磁辐射演化规律 98

6.3实验验证及特征总结 102

6.3.1场景及实验步骤 102

6.3.2结果处理及分析 104

6.3.3受载复合煤岩电磁辐射演化规律 105

6.4本章小结 108

参考文献 109

第7章循环加-卸下复合煤岩受载破裂红外辐射-能量演化及耦合机制111

7.1基于表面温度的煤岩受载状态识别方法 111

7.1.1复合煤岩卸荷热力耦合模型研究 111

7.1.2复合煤岩卸荷仿真模型研究 113

7.2循环加-卸受载煤岩红外辐射信号演化规律 114

7.3红外辐射-能量演化耦合机制 117

7.3.1煤岩能量计算 117

7.3.2能量演化规律研究 117

7.4本章小结 121

参考文献 122

第8章卸荷条件下复合煤岩受载破裂多场耦合模型123

8.1复合煤岩卸荷多场耦合数学模型 123

8.2卸荷下受载复合煤岩多物理场演化规律 124

8.2.1煤岩有限元建模 124

8.2.2仿真研究 125

8.2.3复合煤岩卸荷多场耦合机理研究 135

8.3实验验证与结果分析 136

8.4本章小结 139

参考文献 139

第9章复合煤岩受载破裂耗散能-辐射能耦合机制141

9.1基于能量损伤理论的复合煤岩受载破裂机理 141

9.2耗散能-辐射能耦合路径与模型建立 144

9.2.1耗散能-红外辐射能耦合数学模型 144

9.2.2耗散能-电磁辐射能耦合数学模型 151

9.3实验验证与结果分析 154

9.3.1耗散能-红外辐射能实验及结果 154

9.3.2耗散能-电磁辐射能实验及结果 160

9.4受载煤岩能量变化与耦合规律 166

9.4.1红外辐射能变化与耦合规律 166

9.4.2电磁辐射能变化与耦合规律 172

9.5本章小结 175

参考文献 176

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