煤岩冲击失稳的机理和实验研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:姜耀东

出品人:

页数:296 页

译者:

出版时间:2009年

价格:90.0

装帧:精装

isbn号码:9787870302311

丛书系列:

图书标签:

• 煤岩力学
• 冲击地压
• 失稳机理
• 实验研究
• 岩石力学
• 矿井安全
• 灾害防治
• 煤炭科学
• 工程地质
• 数值模拟

好的，这是一份关于一本名为《煤岩冲击失稳的机理和实验研究》的书籍的详细简介，旨在全面介绍其内容，同时避免提及任何AI生成或构思的痕迹。 --- 《煤岩冲击失稳的机理和实验研究》内容简介 本书聚焦于煤岩体在极端冲击载荷作用下所发生的复杂失稳现象，深入剖析其内在的物理力学机制，并结合系统的实验研究，为煤矿开采、隧道工程以及岩土工程中的安全防护提供了坚实的理论基础和实践指导。 第一部分：冲击失稳的理论基础与背景 1.1 冲击载荷的特性与煤岩工程背景 本书首先对冲击载荷的本质进行了深入探讨。在煤矿井下，冲击载荷的产生源于多种工程活动，如深部钻孔、爆破作业、采掘工作面快速掘进以及地质构造应力释放等。与常规的静载荷或准静态载荷相比，冲击载荷具有极高的加载速率和瞬态特性，导致煤岩体材料响应的非线性、不可逆性以及能量耗散过程的显著差异。 煤岩体作为一种典型的非均质、各向异性材料，其宏观力学性能受到微观结构、矿物成分、节理裂隙分布等多种因素的制约。在冲击作用下，材料内部的应力波传播、反射与叠加现象，使得失稳机制远比静载荷情况复杂。本书详细梳理了当前工程界对冲击失稳现象的认知现状，明确了研究煤岩冲击失稳机理的紧迫性和重要性。 1.2 煤岩本构关系与损伤演化理论 理解冲击失稳的前提是掌握煤岩材料在高速加载条件下的本构关系。本书系统回顾并对比了粘弹性、粘塑性以及粘弹塑性模型在描述冲击响应方面的优劣。重点阐述了考虑加载速率效应的材料模型，即如何将加载速率（应变率）纳入本构方程，以准确捕捉材料强度的率敏感性。 在此基础上，引入了基于能量耗散和微裂纹扩展的损伤力学理论。冲击作用下，材料内部的微结构会迅速产生、萌生和扩展微裂纹，宏观上的强度下降和失稳破坏，本质上是微观损伤累积和贯通的结果。本书构建了描述冲击损伤演化的耦合模型，特别关注了能量输入与损伤演化速率之间的定量关系。 第二部分：冲击失稳的物理机制与数值模拟 2.1 冲击波的传播与能量耗散 冲击作用于煤岩体时，会产生应力波，其传播行为直接决定了结构的响应。本书详细分析了P波（纵波）和S波（横波）在不同岩性、不同损伤程度煤岩中的传播规律。通过建立波传播模型，揭示了波的反射、透射、绕射以及在结构界面处的耦合效应。 能量耗散是冲击失稳的关键环节。在冲击过程中，输入的动能会转化为应变能、热能以及裂纹扩展的表面能。本书运用能量平衡原理，量化了不同失稳模式下能量的分配比例，指出在高速冲击下，材料内部的粘滞耗散和绝热效应所占的比例显著增加，这是导致材料脆性破坏和动态强度增大的重要物理机制。 2.2 冲击裂纹的萌生、扩展与动态断裂 冲击失稳的直接表现是动态裂纹的形成与扩展。本书深入探讨了冲击载荷下岩石的动态断裂过程。从Griffith理论的动态修正出发，分析了裂纹尖端应力场的快速变化。重点关注了准静态断裂韧性与动态断裂韧性之间的差异，揭示了冲击速度对裂纹扩展速率和路径选择的影响。 研究内容涵盖了单裂纹岩石试样在不同冲击角度下的响应，特别是斜向冲击对裂纹起裂方向的控制作用。通过对微观断口形貌的分析，结合分子动力学模拟的初步结果，探讨了晶格尺度下的键的断裂过程与宏观冲击失稳的尺度效应。 2.3 基于有限元法的冲击失稳过程数值模拟 为了验证理论模型并模拟复杂工程条件下的失稳过程，本书运用了先进的数值计算方法。采用显式动力学有限元法（FEM），结合Weiner-Prager塑性模型或Johnson-Cook材料模型，对冲击失稳过程进行了高精度仿真。 模拟工作重点在于：一是重现冲击载荷作用下应力波的瞬态分布；二是捕捉裂纹的动态萌生和扩展路径，例如使用XFEM（扩展有限元法）或Cohesive Zone Model（内聚力模型）来模拟裂纹的非连续性扩展。通过参数敏感性分析，明确了冲击能量、岩石参数和结构几何形状对失稳模式的控制作用。 第三部分：煤岩冲击失稳的实验研究与控制 3.1 冲击加载实验系统与测试技术 本书详细介绍了用于煤岩冲击力学研究的核心实验平台，特别是应用于高应变率加载的试验装置，如落锤试验机和SHPB（分离式霍普金森杆）系统。对SHPB试验中的误差来源、波形修正技术以及如何准确获取煤岩的动态力学参数（如动态抗压强度、动态弹性模量和耗能率）进行了详尽的阐述。 同时，结合了先进的测试技术，如高速摄影（用于观察裂纹的实时扩展）、数字图像相关（DIC）技术（用于获取试样表面的全场应变分布），以及声发射（AE）技术（用于监测内部损伤的演化），实现了对冲击失稳过程的多尺度、多物理场的同步监测。 3.2 典型煤岩体冲击失稳模式的实验表征 实验结果系统地分类和表征了不同强度和结构特征的煤岩在冲击下的失稳模式。包括： 动态脆性断裂： 在高冲击能量下，煤岩表现出极高的脆性，裂纹快速贯通，断口具有明显的准正交性特征。 破碎与散化： 对于结构较弱的煤层，冲击可能导致材料瞬间粉化，表现为体积破碎和能量的大量耗散。 剪切破坏的动态增强： 在特定角度的冲击下，岩石内部的剪切带形成速率加快，导致动态剪切强度的显著提升。 通过对失稳后试样的宏观形貌、微观断口进行量化分析，实验结果为理论模型中关于动态强度包线和损伤演化速率的参数确定提供了可靠的实测数据支撑。 3.3 冲击失稳的工程防治对策 基于对机理的深入理解和实验数据的积累，本书提出了针对煤岩冲击失稳的工程防治策略。这些策略主要围绕以下几个方面展开： 冲击源的控制： 优化爆破参数设计，降低掘进过程中的应力扰动和能量输入。 结构加固与卸荷： 研究针对冲击载荷的支护结构优化设计，例如采用预应力锚固、注浆加固等技术如何提高岩体的抗冲击韧性。 冲击能量的有效耗散： 探索新型的缓冲材料或结构设计，旨在将入射的冲击能量转化为非破坏性的形变或热能，从而降低冲击波对关键结构的影响。 本书为煤矿工作者、岩土工程师以及从事岩石力学研究的科研人员，提供了一部系统、深入且具有高度实践指导意义的专业参考书。 ---

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我个人对地质力学的理解，往往受限于传统准静态加载模型的桎梏，总觉得在描述高速动力学行为时力不从心。然而，这本书提供了一个完全不同的视角。它将冲击失稳的机理解构为一系列时间序列的事件链，从初始的弹性变形到塑性流动，再到最终的脆性断裂，每一个阶段的能量耗散路径都被量化和区分。尤其是对“冲击诱导的微观结构重排”的描述，虽然在数学表达上相当复杂，但通过引入非平衡态统计力学的概念，使得原本模糊的“失稳”过程有了一个清晰的物理图像。阅读过程中，我不断地在思考，如何将这种基于微观尺度的理解反哺到大型工程的稳定性分析中。书中是否能提供一套简化版的本构方程，允许工程师在不进行高精度数值模拟的情况下，对特定冲击事件进行快速、初步的风险预判？如果它能提供这样的桥梁，那么它的应用价值将远超学术研究范畴，真正成为指导一线工程决策的利器。

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从出版和装帧来看，这本书显然是面向高水平研究人员和资深工程师的专业著作，其印刷质量上乘，图文清晰，足以应对长期翻阅和引用。虽然书中涉及的理论深度和实验细节对于初学者来说可能需要多次阅读才能完全消化，但对于那些常年与煤岩动力学打交道的专业人士而言，它更像是一本工具书和参考手册。我特别欣赏作者在讨论现有研究局限性时所展现出的客观态度，他们没有回避当前模型在描述极端高应变率下的不适用性，反而将其作为未来研究的突破口。这种勇于直面科学难题的态度，是真正优秀学术作品的标志。总而言之，这本书不仅是对“煤岩冲击失稳”这一复杂课题的一次系统性梳理，更像是一份面向未来的挑战书，它为推动相关领域的理论和工程实践进步提供了坚实的科学基础和前沿视野。

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这本书的结构安排非常具有逻辑层次感，它遵循着从现象到机理，再到模拟与验证的经典科研路径。初读时，你会被那些复杂的数学公式和详尽的实验参数所震撼，可能会感到有些吃力。但当你耐下性子，跟随作者的思路，你会发现每一个看似孤立的图表或公式，都是构建整个冲击失稳理论大厦不可或缺的基石。特别是后半部分关于失稳模式分类的章节，作者根据冲击能量密度和岩石的内在损伤程度，划分出了数种典型的破坏形态，并给出了每种形态对应的判据。这种分类方法非常实用，它意味着我们不再需要将所有冲击事件都归为一类，而是可以根据实际监测到的冲击特征，迅速对潜在的破坏模式进行预判。这种精细化的分类，对于矿山灾害防治，尤其是对快速掘进和深部开采中的瞬态风险管理，具有极强的指导意义。

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翻开内页，首先映入眼帘的是大量精密的实验装置图和数据曲线图，这立刻打消了我对于本书可能过于理论化而脱离实际的顾虑。看得出来，作者团队在实验设备的投入和设计上下了极大的功夫，那些定制化的超高速加载装置，以及用于捕捉瞬态响应的高速摄影系统，都显示出极高的技术水准。其中关于冲击波在煤岩界面反射和折射特性的章节，分析得尤为细致，它不仅仅停留在宏观的能量传递层面，更深入到晶格层面的微裂纹萌生和扩展的临界条件。我注意到，作者似乎采用了多种不同速度的冲击源，这对于建立一个覆盖广泛载荷速率范围的冲击响应模型至关重要。更令人称道的是，书中对于不同湿度的煤岩试样在冲击下的响应差异也进行了探讨，这无疑是极大地拓展了研究的广度和深度，因为在实际矿井环境中，水的作用往往是影响岩石力学性能的关键变量。这本书更像是一份详尽的实验手册，它不仅仅告诉你“发生了什么”，更重要的是细致地展示了“我们是如何观察到并量化这种发生的”。

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这本《煤岩冲击失稳的机理和实验研究》的封面设计得十分沉稳，黑色和深灰色的主色调透着一股严肃的学术气息，封面上方的字体排列有一种岩石层叠的厚重感，让人一眼就能感受到其内容的专业性和深度。我最初是被“冲击失稳”这几个字吸引的，因为在我的工作中，我们常常需要面对地下深处的复杂应力环境，尤其是在进行爆破或快速开采时，岩石结构的突然破坏是最大的安全隐患。这本书的标题直接点明了研究方向，不像市面上很多同类书籍那样泛泛而谈，它似乎承诺了一套扎实的理论框架和详实的实验数据来支撑其论点。我特别期待书中能详细阐述那些微观层面的破裂过程，比如冲击波在煤岩体内部的传播特性，以及不同颗粒结构和矿物成分的岩石在超高速载荷下的本构关系差异。如果书中能结合最新的数值模拟技术，比如离散元法（DEM）或有限元法（FEM）来模拟冲击波的演化路径，并将其与实际的岩石破坏形态进行对比分析，那就更具参考价值了。毕竟，理论的完美必须接受工程实践的检验，期待它能提供一套可操作的、能够指导现场风险评估和支护设计的科学依据。

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