不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

煤的冲击倾向性对深部煤岩界面超低摩擦效应影响研究

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低摩擦效应强度,开展了应力波扰动下不同冲击倾向性煤块超低摩擦试验。研究结果表明:(1)超低摩擦效应强度受扰动频率影响存在频率显著影响区,强、弱、无冲击倾向性煤块频率显著影响区分别为2.5~3.5 Hz、2.0~3.0 Hz、1.5~2.5 Hz,频率显著影响区内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。随着煤块冲击倾向性增强,频率显著影响区域整体右移。(2)超低摩擦效应强度与扰动幅值正相关,在高强度扰动下强冲击倾向性煤更易发生超低摩擦效应。(3)建立了有效弹性能释放速率指数与动能之间的拟合函数关系式,实现了用煤的冲击倾向性指标综合评价超低摩擦效应强度。

工程导向固体超滑(超低摩擦)研究进展

实现“零”摩擦磨损是润滑的终极目标,是保障机械系统高精度、高可靠、长寿命稳定运行和促进节能减排的关键之一.超滑,工程上称之为“超低摩擦”,从理论模拟计算开始,人们对超滑的认识和理解日益加深,但工程导向的固体超滑实现是极具挑战的技术问题.目前能够实现工程尺度固体超滑的材料候选者主要有有序二维材料和碳薄膜.本文作者从原理、试验到工程应用分别综述了这些材料的研究发展现状,并总结了工程导向超滑存在的问题,并对其未来的发展方向做出展望.

深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程,期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化,同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征.为定量描述煤岩界面能量转化规律,引入量纲分析法,实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数,给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式.以沈阳红阳三矿为研究对象,通过实验研究和工程实际相结合,定义了冲击动能转化率新指标,验证了所建模型可靠性,定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律.研究结果表明:深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低,随冲击载荷频率增大而线性增加.深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧,当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时,深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms~41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应.首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应.结合实验和工程实际分析发现,能耗比实验结果均值为0.441,红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488,两者较为接近,进一步证明所建模型合理性.

煤表面粗糙度对煤岩超低摩擦效应影响试验研究

超低摩擦型冲击地压本质是煤岩界面发生超低摩擦效应诱发的一种新型煤矿动力灾害,以沈阳红阳三矿顶板-煤层-底板为研究对象,利用自主研发的试验装置进行了轴压、垂直扰动和水平冲击共同作用下砂岩-煤-砂岩叠加块体超低摩擦效应模拟试验,以煤块为工作块体,分析了煤表面粗糙度对工作块体水平位移幅值、水平位移突变时间、水平加速度幅值、水平加速度突变时间的影响,得到了煤表面粗糙度对超低摩擦效应影响规律。结果表明:(1)砂岩表面粗糙度系数一定时,随煤表面粗糙度系数增大,工作块体水平位移和水平加速度时间历程曲线存在三阶段特征,即孕育阶段、激发阶段、稳定阶段;(2)煤表面粗糙度系数存在拐点为3.98,当煤表面粗糙度小于拐点3.98时,随煤表面粗糙度增大,激发阶段水平位移大于稳定阶段水平位移,位移差线性减小,超低摩擦效应减弱;(3)当煤表面粗糙度大于拐点3.98时,随煤表面粗糙度增加,激发阶段水平位移小于稳定阶段水平位移,此时工作块体水平位移出现二次增加,随位移差绝对值不断增大,超低摩擦效应越显著;(4)水平位移幅值和水平加速度幅值随煤表面粗糙度增大,呈先线性递减后线性递增规律;(5)水平位移突变时间和水平加速度突变时间随煤表面粗糙度增加,呈先线性增加后线性递减规律。

动载扰动下倾斜煤岩组合块体超低摩擦效应研究

随着我国煤矿相继进入深部开采,三高一扰动复杂应力环境使深部煤岩体结构趋于破碎为块体,煤岩块体界面多为含倾角结构面。冲击扰动作用下,煤岩块体易沿煤岩界面产生失稳滑移,诱发超低摩擦型冲击地压。利用有限差分软件,建立砂岩-煤-砂岩组合块体,以工作块体水平位移、加速度幅值作为块体超低摩擦效应表征参数,模拟不同倾角的煤岩组合块体受扰动冲击作用时,工作块体超低摩擦效应特征参数的变化情况。考虑倾角大小、加载方式、冲击幅值和水平冲击延迟时间等因素影响,得到含倾角煤岩组合块体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:动载扰动下含倾角煤岩组合块体,煤岩块体倾角越大,加速度峰值越大,位移错动越明显,超低摩擦效应越显著。随垂直扰动幅值的增加,工作块体加速度振荡越剧烈,趋于平衡收敛时间延长,垂直扰动始终是诱发超低摩擦效应的主要因素。垂直扰动与水平冲击共同作用下,模型底部、中部、顶部监测点超低摩擦效应强度依次增加,随着倾角的增加,位移差值不断扩大。工作块体位移振荡剧烈程度随水平冲击延迟周期增加而增大,在同一位移振荡周期内,波峰点水平冲击比均值点与波谷点水平冲击更易发生超低摩擦效应。

基于二维数字图像相关技术的块系花岗岩超低摩擦效应实验研究

基于国内外超低摩擦效应的实验研究现状,设计了块系花岗岩超低摩擦效应模拟实验。制作了中心含圆柱形洞室的花岗岩立方体模型试样,运用自主研发的实验设备研究了在静荷载的基础之上施加动态荷载后块系花岗岩的变化特征。实验过程中采用二维数字图像相关测试方法(2D-DIC),获得了试件表面的全场位移信息,依据位移信息求出块体加速度值,利用牛顿第二定律对试件受力分析,求得了块系岩体摩擦力随时间的变化曲线。结果表明:2D-DIC测试技术能够准确的测得石块的位移变化,依据位移变化可以证实伴随着水平向扰动荷载作用,洞口上方岩块左右两侧节理间隙逐步增大,岩块间的摩擦力降低,且摩擦力的变化周期与扰动荷载的周期相同;利用2D-DIC测试技术是有效的,从实验的角度验证了超低摩擦效应的存在。

深部块系岩体超低摩擦现象的机理分析

不规则超低摩擦现象是深部块系岩体典型动力学特征现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性。基于俄罗斯Kurlenya M V院士的深部岩体超低摩擦实验建立了深部块系岩体一维动力模型,得出了工作块体水平位移的解析表达式。研究结果表明,一维动力模型理论计算结果与实验数据吻合较好,进一步揭示了深部岩体不规则超低摩擦现象产生的力学条件为分别作用于块系和工作块体上的竖向和水平冲击的时间间隔满足倍数为2的规范序列,指出超低摩擦现象产生机理在于强动载作用下块体间法向力重分布和动摩擦系数不断变化的共同作用,同时说明超低摩擦现象出现的离散周期和低频低速变位摆型波频谱具有密切联系。

岩体间超低摩擦发生机理的摆型波理论

针对深部冲击地压发生时煤岩体有明显的错动现象,基于块系岩体中的摆型波传播理论,研究摆型波在块系岩体中传播时诱发岩块间的超低摩擦发生机理。通过分析动力作用下岩块间的相对位移最大值,研究块系岩体的超低摩擦发生规律。当岩块间的软弱介质处于拉伸最大值状态时,在侧向扰动作用下岩体极易发生超低摩擦滑动,由此给出了块系岩体的超低摩擦发生判据。最后,通过计算分析了块系岩体自身特性及外界扰动特性对岩块间超低摩擦的影响。基于摆型波理论的超低摩擦发生机理研究,对认识深部岩体错动型冲击地压启动规律具有重要意义。

基于简支梁模型的岩体超低摩擦效应理论分析

考虑深部煤层开采情况,基于塑性动力学理论建立岩体超低摩擦效应简支梁模型,通过理论推导得到动载荷作用下顶板在弹性阶段和弹塑性阶段,岩层与顶板间接触界面法向应力解析表达式,分析动荷载P(t)作用下接触面法向应力与初始接触面法向应力的比值(q/p)与顶板位置参数ξ及时间t的关系曲线,据此得到岩体接触界面摩擦力变化规律,从塑性动力学角度解释岩体超低摩擦效应。研究结果表明:动载荷作用下,顶板在弹性和弹塑性状态,岩层与顶板间接触界面法向应力均有所降低,且降低幅度十分显著,即其接触界面摩擦力急剧下降,具有"摩擦消失"效应,这充分说明岩体超低摩擦效应的存在;比较弹性变形阶段与弹塑性变形阶段接触界面法向应力变化,前者降低幅度更大,说明顶板在弹性阶段岩层与顶板间接触界面更易发生超低摩擦效应。

超低摩擦的理论与实践

超低摩擦是纳米技术诞生后在摩擦学中近几年蓬勃发展的新领域。超低摩擦集成了量子力学、量子化学、纳米技术、分子动力学,为现代精密、低能耗、长寿命机械设计提供了强有力的摩擦学支撑。根据近几年超低摩擦的发展现状,分析了当前超低摩擦的理论及其局限性,阐明了当前产生超低摩擦的条件和材料特征,指出随着超低摩擦理论、技术和材料的大胆创新,超低摩擦必将在常规乃至恶劣工况下运行的装备上得到迅速应用。

地震边坡超低摩擦效应启滑机理分析

为研究地震作用下含结构面边坡的超低摩擦效应及启滑机制,将含单一结构面边坡简化为等效质量-粘弹性模型,采用理论分析与数值模拟相结合,以结构面法向应力状态及滑体与基岩的相对法向速度和位移为研究对象,得到了地震作用下基岩-滑体相对法向速度和位移以及结构面法向应力变化规律,揭示了含单一结构面边坡系统超低摩擦效应的实质。结果表明:地震载荷的波动造成滑体与基岩法向相对位移正负交替,结构面法向动应力正负变换,当结构面法向动应力为负时,系统出现超低摩擦效应,坡体发生累进性变形破坏。

考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质超低摩擦效应理论分析

深部开采条件下,岩体块系介质超低摩擦效应与深部岩体动力灾害密切相关。基于我国矿山深部开采的实际情况,建立了法向荷载冲击作用下,考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质模型,理论推导了含岩层深度参数h的块体运动函数和位移时间函数的解析表达式,据此给出了地下800m煤系地层,岩体超低摩擦效应发生的最大载荷降速率为1.06×105N/s,岩体法向荷载波动周期为0.1 s。研究结果表明:随着岩体法向荷载的显著波动,岩体相对压紧程度趋于减弱,岩体超低摩擦效应易于触发,载荷降速率急剧增大,这可以作为岩体超低摩擦效应的重要表征指标之一。

基于竖向位移差的块系岩体超低摩擦效应理论分析

深部块系岩体在强冲击扰动下其相对压紧程度会随时间变化,引起超低摩擦效应,而块体间竖向位移差是表征块体间相对压紧程度的直观指标。以块系岩体为研究对象,建立了考虑上覆岩层压力的岩体动力模型,推导得出垂直冲击作用下新的块体间竖向位移差公式并与试验结果进行了对比,验证了理论公式的正确性。最后分析了块体间阻尼、块体质量、垂直冲击幅值和频率等影响因素对相邻两块体间竖向位移差影响规律并以其最小值变化判断超低摩擦效应发生难易程度。竖向位移差最小值越小,超低摩擦效应愈趋显著。研究表明:块体模型受垂直冲击扰动作用时,块体在时间尺度上依次发生强迫振动和自由振动,而其运动过程按竖向位移差变化可分为超强挤压、强挤压、弱挤压和相互脱离4个阶段,相互脱离阶段和弱挤压阶段是超低摩擦效应易发阶段;块体质量、结构面阻尼变化对竖向位移差幅值及周期有明显影响,块体间竖向位移差最小值随块体质量增加以对数规律递增、随块体间结构面阻尼增加以线性规律递增;块体质量和结构面阻尼越小,超低摩擦效应更易发生。垂直冲击频率和幅值亦对块体间竖向位移差影响显著,竖向位移差最小值随垂直冲击载荷幅值增加而线性递减,随垂直冲击频率增加以对数规律递增,即低频、强冲击扰动更易诱发超低摩擦型冲击地压。

深部开采岩体超低摩擦效应实验研究

对岩体超低摩擦现象的国内外研究现状进行了综述,介绍了岩体中存在的超低摩擦效应,指出在深部开采条件下,岩体工程中的超低摩擦现象与冲击地压、矿震、地震等扰动密切相关.利用卧式双向伺服加载实验机进行了岩石试件超低摩擦效应的实验研究.结果表明:水平向微小扰动比垂直向扰动对岩石试样接触面应力降的影响更为明显,说明水平向扰动是引起岩体超低摩擦效应的主要因素.

深部煤岩超低摩擦效应能量特征试验研究

高地应力和开采强扰动作用下,采场周围的岩体不断发生震动、变形和破坏,形成块系岩体。当深部煤岩积聚能量达到失稳临界值,块系岩体很容易在周围荷载作用下因动力扰动而能量突然释放,发生层间滑动,导致块系岩体发生超低摩擦滑动失稳,从而最终诱发新的冲击地压类型,即超低摩擦型冲击地压灾害,其本质是能量积聚和失稳释放过程。为揭示深部煤岩超低摩擦效应能量特征,以花岗岩和煤两种岩性的块系岩体为研究对象,采用试验研究方法,自主研发了超低摩擦效应试验装置,以轴压和围压模拟高地应力作用,以垂直振动和水平冲击模拟开采强扰动,进行了工作块体分别为完整岩块、破碎岩块和煤块的超低摩擦效应模拟试验。试验结果与已有研究结论进行对比,验证了试验方案的合理性和可行性。以工作块体水平位移的单位质量动能总量作为超低摩擦效应能量变化的特征参数,分析轴压、工作块体数量和岩性对工作块体水平位移单位质量动能时域和频域曲线影响,得到了开采深度、块体破碎程度和岩性与块体动能间关系规律。结果表明:发生超低摩擦效应时,工作块体动能具有集聚效应、短时峰值特性和间歇性。破碎程度和岩性是影响超低摩擦型冲击地压动能总量变化重要因素。试验再现了冲击地压由前震到主震过程,发现超低摩擦型冲击地压能量释放时,块体动能具有由高频向低频转移的频移特性,主频主要处于20 Hz以内的低频区,与冲击地压现场观测结果基本一致。提出以能量释放试验反演冲击地压震级计算方法,以辽宁红阳三矿为例,所得结果与现场监测震级十分接近。

基于FLAC-3D砂岩块体超低摩擦鞭梢效应研究

随着矿山开采深度的持续增加,深部岩体力学行为呈现出新形式、新特征.广泛应用于建筑行业的鞭梢效应与深部岩体部分动力响应现象极为相似.故从结构特征出发,以砂岩块体为研究对象,工作块体(水平冲击作用块体)水平位移及加速度为参考指标,通过试验及FLAC-3D数值模拟计算的方式,探究工作块体“位置”及“尺寸”对其超低摩擦鞭梢效应影响机制.研究表明:系统产生超低摩擦鞭梢效应的难易程度与工作块体尺寸密切相关,模拟中工作块体边长为标准块体(边长100 mm立方体)边长2/5时,系统结构诱发超低摩擦鞭梢效应尤其显著;在一定范围内,工作块体所处位置距扰动源越远,超低摩擦鞭梢效应强度越大,当超过这一范围时,则会出现减小趋势,即超低摩擦鞭梢效应强度随工作块体与震源块体间距离呈先增后减关系.

类金刚石膜超低摩擦行为的研究进展

近年来,高硬度、低摩擦、高耐磨性的类金刚石(Diamond like carbon,DLC)膜引起了国内外学术界和工业界极大的研究兴趣,尤其是它的超低摩擦行为。首先从宏观和微观角度分析了DLC膜超低摩擦的起源,研究发现DLC膜的微观结构和测试环境是影响DLC膜实现超低摩擦的主要因素,而DLC膜的微观结构由其制备工艺决定。然后系统讨论了制备工艺(包括制备方法、反应气源、掺杂元素和基体材料等)和测试环境(包括真空与干燥惰性气体环境、潮湿环境、高温环境、载荷和滑动速度等)对DLC膜超低摩擦行为的影响规律。最后归纳分析了目前对DLC膜超低摩擦机理的几种解释,指出DLC膜作为超低摩擦材料仍需解决的问题及未来的研究趋势。

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。

围压与冲击扰动作用下组合煤岩超低摩擦效应分析

深部煤岩在垂直扰动作用下发生振动,当水平冲击足以克服块体间摩擦阻力时,极易发生超低摩擦型冲击地压。文章以细砂岩-煤-细砂岩组合块体为研究对象,考虑顶板-煤-底板临近工作面开采工况,采用数值模拟方法,建立围压与冲击扰动下组合煤岩数值模型,以煤块水平位移、垂直加速度差值作为超低摩擦效应特征参数,分析围压、垂直冲击及水平冲击对特征参数的影响规律。研究结果表明:在垂直冲击与围压共同作用下,煤岩体残余位移及水平位移峰值随围压增大且呈指数增长趋势;在垂直冲击、水平冲击和围压三者共同作用下,煤岩体超低摩擦效应强度与作用时间都随着围压呈增加趋势;垂直冲击对组合煤岩超低摩擦效应的影响最为显著。