液氮作用下煤样结构损伤规律研究

为研究液氮浸泡对低渗煤体结构损伤增透的影响,对不同尺寸煤样进行周期性液氮浸泡实验。通过CT扫描观测煤样浸泡前后内部孔隙、裂隙变化情况,采用高倍照相机观测煤样表面形貌,利用超声测速仪测定煤样波速变化,分析液氮浸泡周期对不同尺寸煤样内部结构损伤规律的影响,提出了液氮作用下煤样损伤模型,解释了液氮作用下煤样损伤机理。结果表明:同尺寸煤样,其内部孔隙率、表面裂隙尺寸及波速衰减率随液氮作用周期数的增加而增大,煤样损伤加剧;同周期浸泡条件下,随着煤样尺寸的增大,液氮作用后的煤样孔隙率逐渐降低;液氮作用周期为1T时,煤样孔隙率增加相对显著,损伤效果明显,1T后煤样孔隙率增加幅度逐渐减小;液氮的超低温作用使煤岩基质收缩,煤岩内部产生新微孔隙,多次作用后,微孔隙发育、扩展和贯通使煤岩出现宏观裂纹并发生破坏。     

液氮冷加载作用下煤样渗透特性研究

为了研究液氮冷加载对煤样渗透特性的影响，采用试验研究和理论分析相结合的方法，对不同冷加载周期煤样的孔隙、裂隙结构损伤破坏变化规律、各物理力学性质以及渗透特性展开研究，通过电镜扫描、波速测试、渗透试验和单轴压缩试验分别得到不同冷加载周期前后煤样裂隙的发育情况、波速衰减率、孔隙量、抗压强度以及渗透率的变化。试验结果表明：(1)液氮冷加载能促进煤样裂隙萌生和发育，有效地连接相对独立的裂隙结构，形成交织的裂隙网络，增大煤样气体流量，从而提高煤样渗透率。(2)温差效应与水冰相变的共同作用对煤样渗透性也有较强的促进作用。(3)随着冷加载周期的循环，煤样裂隙扩展宽度、扩展率均逐渐增大，力学性能减弱，抗压能力越来越差，煤样整体损伤程度严重，渗透率呈指数增长，比煤样初始渗透率提高了16.76倍。     

冷加载作用下不同围压煤样结构损伤规律研究

煤体孔隙、裂隙结构是影响煤层气存储能力和渗流能力的主要因素,煤体结构损伤可以提高煤层气储层的渗透性。为了研究液氮作用下煤样结构损伤与围压之间的关系,通过将液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加0~7MPa围压,开展液氮注入不同围压煤样实验,揭示了不同围压下煤样结构损伤的规律。结果发现:(1)围压大于1MPa时,煤样结构损伤程度随围压的增加而增大;无围压条件下,煤样更容易发生损伤甚至破坏;(2)4MPa~7MPa围压下煤样结构损伤变化速率明显增加,1MPa围压煤样结构损伤不明显;(3)在温度应力与围压作用下,煤样的孔隙、裂隙体积在垂直层理方向扩展明显;冷加载对于煤样原生裂隙扩展效果显著。本文结果表明液氮冷加载作用可以使带围压煤样结构发生损伤。     

基于巴西劈裂法的饱水煤样能量耗散特征研究

为研究饱水煤样拉伸破坏过程中的能量耗散规律,利用RMT-150B岩石力学实验系统对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西圆盘劈裂实验,探讨了自然与饱水状态下煤样的应力、强度及能量变化。结果表明:巴西劈裂实验时,加载过程应力-时间关系与实验控制方式有关。采用载荷控制方式时,峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值时应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用变形控制方式时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征;采用两种控制方式在巴西圆盘劈裂实验破坏前没有本质区别;两种状态下不同层位煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下层位煤样抗拉强度较高(1.80MPa),中层位煤样抗拉强度较低(1.23MPa),上层位煤样抗拉强度介于两者之间(1.52MPa),饱水后上中下层位煤样的抗拉强度和峰值能率均有不同程度降低,抗拉强度平均软化系数分别为0.65,0.61和0.61,平均峰值能率降幅为36.0%,56.1%和40.6%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明抗拉强度越高的煤样,能量耗散越少,煤样抗拉强度越低,能量耗散越多。     

不同温度条件下含流体砂岩裂隙摩擦特性的试验研究

砂岩储层中由流体注入导致的地震活动与砂岩断层(裂隙)的摩擦行为有关.为了揭示不同温度条件下含流体砂岩裂隙的摩擦特性,在温度范围为25°C～140°C和有效法向应力范围为4～12 MPa的试验条件下,本文分别对干燥、水饱和以及注CO₂锯切砂岩裂隙进行了速度分级加载试验.试验结果表明:(1)对于干燥砂岩裂隙,增大有效法向应力和升高温度均能增大裂隙的初始摩擦系数,而改变有效法向应力对裂隙摩擦稳定性影响不明显,仅升高温度会略微降低其摩擦稳定性;(2)对于水饱和砂岩裂隙,裂隙的初始摩擦系数同样会随着有效法向应力的增大而增大,但会受到升温的弱化作用,而增大有效法向应力和升高温度均能降低裂隙的摩擦稳定性;(3)对于注CO₂砂岩裂隙,裂隙的初始摩擦系数受有效法向应力和温度变化的影响与水饱和砂岩裂隙相反,但裂隙的摩擦稳定性仅会随着温度的升高而降低,受有效法向应力的影响不明显.因此,砂岩裂隙的摩擦特性受有效法向应力、温度和注入流体类型的共同影响.该试验结果对理解流体注入诱发地震有一定的指示作用.     

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

干燥和饱水砂岩孔隙度对应力波能耗的影响

为探讨应力波穿越干燥、饱水砂岩时孔隙度对能耗的影响规律,开展了孔隙砂岩的SHPB试验,并采用核磁共振分析了SHPB试验前后孔隙的变化特征。结果表明:(1)砂岩冲击试验前后T2谱波峰数没变,但对应小孔径孔隙的波峰峰值有所增加。这说明,砂岩结构内部仍停留在微裂纹形成阶段,应力波能量仅能够促使新的微裂纹形成,而不足以撕裂扩展孔隙使其孔径更大。(2)相同孔隙度时,饱水砂岩比干燥砂岩能耗小;随着孔隙度增加,前者能耗相应减小,后者能耗反而增加。这一现象可分别解释如下:(a)由断裂力学理论可知,水的表面张力和Stefan效应使裂纹扩展受到很大阻力,因而,相对干燥砂岩,相同孔隙度的饱水砂岩更难产生新表面耗散应力波能量。(b)冲击加载时饱水砂岩处于不排水状态,饱水砂岩变形可近似等于砂岩和水的压缩变形之和。由于水比砂岩压缩变形小,随着孔隙度增大,即含水量增加,饱水砂岩变形量减小,出现塑性变形和新裂纹的概率减小,能耗值也随之减小。(c)随着孔隙度增大,干燥砂岩的动态强度相应降低,加载时更易出现新裂纹以表面能形式耗散应力波能量,因而孔隙度越大则能耗越大。     

SDS水溶液作用下低煤阶煤体物理力学特性及损伤实验研究

为了探究SDS水溶液对低阶煤煤体物理力学特性的影响及损伤程度,采用十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液为有机溶液,以低煤阶煤体(阜新长焰煤)为研究对象,通过电镜扫描、压汞实验、纵波波速实验和单轴压缩实验,对SDS水溶液浸泡前后煤样的微观孔隙结构、孔隙率、纵波波速、峰值强度及弹性模量进行表征,分析煤样在SDS水溶液作用下物理力学特性随浸泡温度的变化规律,并建立了SDS水溶液作用下受荷载煤样的损伤演化模型,探讨煤样损伤机制。结果表明:(1)经SDS水溶液作用后,煤样微观孔隙分布不均匀,孔隙率随浸泡温度增加而增加,在55℃时,孔隙率为57%,比原煤样孔隙率增加了46%;煤样纵波波速、峰值强度和弹性模量均随浸泡温度增加而降低,在55℃时,纵波波速、峰值强度和弹性模量分别为571m/s、6.73MPa、356MPa,比原煤样分别降低了416m/s、5.12MPa、1129MPa;(2)SDS水溶液与荷载的共同作用加剧了煤样的总损伤程度,表现出明显的非线性特征,煤样损伤在微观上表现为矿物质组成与结构的改变过程,宏观上表现为煤样力学强度的降低及抵抗破坏的能力减弱;(3)运用新的浸泡实验结果验证所提出的损伤演化模型,实验结果与损伤演化模型十分吻合,相关系数R~2=0.999,由此可见,该损伤演化模型具有良好的可靠性。     

含水状态对石英砂岩单轴分级蠕变性能影响研究

为研究含水状态对深埋岩体开挖卸荷后蠕变力学行为的影响,对干燥状态与饱和含水状态石英砂岩开展单轴分级加载蠕变试验,同时结合声发射技术进行实时监测。结果表明:随着含水率的增加,岩石蠕变失效强度降低,其宏观特征由剪切破坏过渡为劈裂破坏;水的存在对岩石的瞬时弹性应变和蠕变应变均抑制明显,试件含水饱和后蠕变增量和相应的稳态蠕变速率均明显降低。通过Levenberg-Marquarat算法对蠕变曲线进行拟合和参数辨识,证明Burgers蠕变力学模型能较好表述石英砂岩蠕变特性;试件含水饱和后弹性系数E_1、E_2和粘性系数η_1、η_2降低,岩石粘滞性增强,损伤硬化特征明显;试件含水饱和后加载瞬间与蠕变阶段声发射事件能率降低,内部微裂纹演化进程减慢。通过对比分析发现,稳态蠕变阶段声发射事件能率与蠕变速率的演化趋势较一致。试验研究结果可以为工程岩体破裂失稳的预测和防治提供一定的理论参考。     

Influence of Water Uptake on Dynamic Fracture Behavior of Poly(Methyl Methacrylate)

A study was completed to assess the effects of various humidity levels and amount of sorbed water on the fracture behavior of notched poly(methyl methacrylate) (PMMA) samples subjected to stress pulses generated by the impact of a projectile launched from an air gun. Impact experiments were performed on six sets of samples conditioned in different environments: dry samples; samples exposed to three different relative humidity environments (11 %, 60 %, and 98 %) using saturated salt solutions (Lithium Chloride, Sodium Bromide, and Potassium Sulfate, respectively); and distilled water- and seawater-exposed samples. Experiments varied by immersion time and water content, while loading conditions were kept constant. The main goal of this study was to understand the effects of sorbed water on the fracture behavior of PMMA when subjected to high strain rate impacts. It was observed that when PMMA is subjected to strain rates of 10² s ^?1, the effect of water content is not a dominant mechanism on the crack initiation and crack-tip speed of PMMA.     

原始组织对ER9车轮钢滚动接触疲劳性能的影响

利用双盘滚动接触疲劳试验机对原始组织分别为片状珠光体+先共析铁素体(P+PF)和回火索氏体(TS)的ER9车轮钢试样进行滚动接触疲劳试验,并对结果进行了分析。结果表明:在油润滑条件下,原始P+PF试样的滚动接触疲劳寿命是TS试样的2.8倍.?其原因是原始的P+PF的试样表面存在厚约1?μm的机加工细晶层,而TS试样无明显细晶层,在疲劳过程中,P+PF试样会优先在细晶层内萌生浅层裂纹并平行于表面扩展形成浅层剥落,而后在细晶层剥落的区域萌生疲劳裂纹,而TS试样则直接在试样表面萌生疲劳裂纹.?经过1×105周次在空气中的预磨损后,两种不同原始组织的试样表面均被强化,滚动接触疲劳寿命均有大幅度的提升.?但由于P+PF试样预磨损过程中机加工细晶层的剥落以及产生了少量的疲劳磨损,部分疲劳磨损裂纹成为滚动接触疲劳裂纹的裂纹源,而预磨损后的TS试样的表层形成分布更为均匀的细晶层,故预磨损后的TS试样的滚动接触疲劳寿命远高于P+PF试样.      

The Diffusion Coefficient of Ionic Species Through Unsaturated Materials

This paper documents the measurement of the chloride diffusion coefficient through partially saturated porous materials. The method was electrochemical impedance spectroscopy, and it was validated by comparison to migration tests in fully saturated samples. A microstructure-based electrical equivalent circuit was developed to obtain the main features of the sample including the material electrical resistance for any water saturation degree. It is shown that the chloride diffusion coefficient varies over four orders of magnitude when the material is almost dry to fully saturated.     

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.      

激光冲击修复后压力容器钢Q345R耐腐蚀及抗疲劳性能研究

对激光冲击强化后的压力容器材料Q345R钢的耐腐蚀性能和抗疲劳性能进行研究。通过电化学实验,并结合扫描电子显微镜分析其耐腐蚀性。结果显示,有吸收层保护和无吸收层保护激光冲击后,相较于原试样,耐腐蚀性分别提升5.8倍和2.6倍;微观实验结果表明经过激光冲击后腐蚀试样表面裂纹明显少于未处理试样。但随着冲击次数增加,耐腐蚀性有所下降。疲劳试验结果显示,相同应力条件下,腐蚀1和2 h的疲劳寿命相较于原试样降低36.8%和56.4%,经过一次或三次激光冲击后试件的疲劳寿命分别提升43.8%和198.2%,经XRD检测,激光冲击能在表面形成一定深度的残余压应力层并抑制裂纹扩展。     

润滑油中微细碳粉颗粒对45~#钢接触疲劳寿命影响的研究

在20~#机械油中添加适量的微细碳粉硬质颗粒可以提高45~#钢(调质处理,HB=300)的接触疲劳寿命。含碳粉油样的调配比例(wt)有两种,即碳粉:分散剂:纯20~#机械油=1:1:100和2:1:100。研究结果表明,在给定的试验条件下,45~#钢于这两种油样中的接触疲劳寿命分别为纯20~#机械油中的2.6倍和5.0倍。作者还就碳粉的作用机理进行了考察,指出添加碳粉之所以能够提高试件的接触疲劳寿命,原因在于它使润滑油的粘度增大及其渗入到疲劳裂纹中减缓了裂纹的扩展     

Nano-scale pore distribution characterisation of coal using small angle X-ray scattering

In the process of coal seam fracturing with liquid nitrogen (LN₂), the change of coal pore structure has an important influence on the efficiency of coalbed methane (CBM) extraction. The nano-scale pore size distribution (PSD) in coal particles before and after freezing with LN₂ are experimentally studied in this work. Coal samples are collected from four coal mines, where coal and gas outburst accidents have occurred. Small angle X-ray scattering technology (SAXS) and scanning electron microscopy (SEM) are used to study the pore structure changes of coal samples quantitatively and qualitatively. It is found that the scattering intensity of coal samples increases after freezing. The PSD of all samples significantly changes in the range of 0.8–7 nm, showing new pore spaces in 0.8–4 nm and fewer pores in the 4–7 nm range. Both the pore fractal dimension and the radius of gyration of coal samples increase after freezing and are mainly affected by the changes in pores and the anisotropy of the coal matrix. Crack expansion and pore connections are observed in the surface structure of the coal sample using SEM. This study provides a better understanding of the nano-scale mechanism of coal seam fracturing with LN₂ for the prevention of coal and gas outbursts.     

曲率半径对车轮滚动接触疲劳性能的影响

滚动接触疲劳和磨损是铁路轮轨损伤的主要问题.本文中应用赫兹接触理论,在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变试验冲角,研究了干态工况下曲率半径对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察车轮试样剖面与磨痕表面交界处的疲劳裂纹,分析不同曲率半径条件下车轮的滚动接触疲劳机理.结果表明:由于加工硬化的作用试验后所有试样的硬度均有提高;随着曲率半径的减小,车轮钢的磨损量增大,塑性流变层增厚且不均匀,车轮试样疲劳裂纹扩展加剧;裂纹在交变应力作用下容易继续向下扩展,从而形成严重的疲劳破坏.