基于声发射的煤岩单轴压缩雪崩动力学及其应用研究

摘要

雪崩动力学行为发生在许多物理系统中，包括磁化、相变、神经网络、决策过程中等。多孔材料的失稳破裂呈现典型的雪崩行为。对于弹性或塑形多孔材料来说，在受力发生变形到破坏，细致的应力应变关系行为并不是平滑和连续的，而是作为一系列离散的突发的“雪崩”事件产生。在实验层面，此类微结构的离散突发变化可以通过声发射（Acoustic Emission）来检测。因此，在本论文中声发射被作为岩石材料受力破坏雪崩动力学行为（煤和砂岩）的研究工具。
　　第一章介绍雪崩动力学在多孔材料变形破坏中的研究现状，并总结其余章节研究内容。本章中，介绍了包括计算机模拟和实验室试验分析在雪崩动力学中的研究。重点总结了多孔材料力加载条件下单轴压缩过程声发射试验的雪崩动力学研究现状。
　　第二章介绍雪崩效应的基本统计规律。首先阐述了声发射能量与细观结构变形的定量关系，然后依次介绍 Gutenberg-Richter定律,等候时间（Waiting-time）分布,余震（After shock）分布和Bath’s定律，这些规律在论文后续章节中被使用。然后在实验室进行了煤和干燥与饱水砂岩的力控制单轴压缩声发射试验。试验结果显示声发射绝对能量概率密度函数满足 Gutenberg-Richter定律分布，最大似然估计作为可靠的统计方法可用来估计“雪崩”过程的临界指数，并还获得了煤与砂岩（干燥与饱水）单轴压缩破坏声发射的等候时间（Waiting-time）分布，和余震（After shock）分布。并且Bath’s定律分析与地震经验值吻合度较高。
　　第三章采用离散元模型（DEM）研究砂岩破坏过程的雪崩效应。纤维束模型中纤维丝的断裂被类比于声发射现象。模拟与实验对照结果显示，在低应力阶段，纤维束模型忽略了偶发的雪崩事件，但在高应力阶段纤维束模型较好地表现出了声发射特性。雪崩尺度和声发射事件分布都满足双幂律行为，模拟和试验的概率密度函数（PDF）有相似的幂指数和双幂拐点。模拟和试验结果类似于二阶相变，分叉率可作为描述相变的序参量。此外，在接近临界点时，纤维束模型和声发射实验结果的分叉率变化具有一致性。
　　第四章揭示了煤和砂岩雪崩效应的非固定临界点行为。试件在最终破坏前，声发射临界指数从非临界稳定态向临界状态演化。分布在两个阶段的声发射能量都遵循幂律行为，但在两个不同状态区间具有不同指数。探讨了非固定临界点行为与声发射破坏点之间关联性的关系，不同临界点机理可能来自低应力阶段的随机破坏和高应力阶段的关联破坏事件，且随机分布事件的临界指数大于高度关联破坏事件对应指数。声发射记录事件本身结构是自组织的，是呈现幂律分布的。煤体的记录事件及其能量统计结果和数值结果符合较好。其中最大似然估计结果好于直方图统计结果，并且提示当前的实验和分析结果区别于模拟的连续下降临界值结果，而更支持两个破裂机制即两个固定临界点的相互作用机制。
　　第五章介绍了基于声发射技术的雪崩效应在岩石力学试验的应用：超临界二氧化碳对砂岩力学性能的影响和砂岩单轴长期与阶梯蠕变实验。以上实验结果表明，由雪崩统计分析反映的损伤与岩石样品的力学特性，核磁共振特征，矿物显微分析和波速变化分析反映的损伤相似。
　　第六章叙述了全文的主要结论与创新。在本章中，还讨论了一些未来的研究展望，如混合临界指数分析，三轴应力条件下的岩石破坏雪崩效应，以及雪崩行为与微结构之间的关系等。

目录

PREFACE

序

1 绪 论

1.1问题的引入——固体变形的非连续性与突变性

1.2采用的方法——雪崩动力学（Avalanche dynamics）

1.3使用的工具——声发射与离散元模拟

1.4研究内容

2 煤岩破裂的雪崩动力学统计分析

2.1 引言

2.2 雪崩动力学基本统计规律

2.3 煤与砂岩单轴压缩声发射试验

2.4声发射雪崩行为统计分析

2.5 本章小结

3 砂岩破裂雪崩行为的纤维束模型模拟

3.1 引言

3.2 纤维束模型

3.3 砂岩单轴压缩声发射纤维束模型的建立

3.4 试验与模拟结果对比分析

3.5 本章小结

4 煤岩破裂雪崩效应的非固定临界点现象

4.1 引言

4.2 非固定临界点现象

4.3记录事件诱导的临界值变化

4.4本章小结

5 雪崩效应在岩石损伤实验中的应用

5.1 引言

5.2 超临界二氧化碳对砂岩力学特性影响研究

5.3 砂岩蠕变与断面形貌分析

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间授权的专利

C. 作者在攻读博士学位期间获得的奖励

D. 作者在攻读博士学位期间负责或参与的科研项目