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煤炭学报 2017年第08期杂志 文档列表

温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制1919-1925

摘要：为了研究温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制,利用恒温箱和液氮对原煤煤样进行了两种条件下的温度冲击试验,分析了煤样在温度冲击前后的渗透率变化情况和微观裂隙发育情况,探讨了温度冲击过程中的声发射信号分布规律。试验结果表明:在经过冷冲击处理和热-冷冲击处理后,煤体的渗透率平均增幅分别为48.68%和469.24%,热-冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值是冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值的3.6倍,相比冷冲击处理,热-冷处理所产生的微裂纹数量更多,裂隙呈树枝状发育,增透效果更好;煤体性质的各向异性和温度冲击所产生的超过煤体抗拉强度的热应力是主要的增透机制。

掘进工作面附壁射流紊动特性的LDA实验1926-1931

摘要：掘进工作面附壁射流具有置换和掺混双重作用,体现为流场的时均和紊动特性。射流的紊动在瓦斯粉尘的迁移扩散中起着关键性作用,如工作面粉尘的悬浮运动完全靠风流的紊动得以维持。由于紊动本身的复杂性以及实验设备的限制,以往对独头巷附壁射流的研究一般停留在时均量上,对紊动量的认识还不够深入。为此,采用三维激光多普勒测速仪,在独头巷射流通风实验模型内,对三维脉动风速进行了测量。根据紊流统计理论,分析得到了风流的各向紊动强度,并对紊动强度的分布规律和量级进行了研究。结果表明:受限条件下,由于回流存在,射流的紊动在射流区和回流区都很剧烈,3个方向的紊动强度具有量级相同和各向异性的特点。在射流剪切层内,紊动强度从射流轴线到射流边界呈先增后减趋势;在射流剪切层以外的回流区,紊动整体变化不明显,始终维持着与平均风速大小相当的强度。流场内较大的速度梯度导致流层之间剪切失稳是形成剧烈紊动的重要原因。由于紊动具有与平均风速相近的强度,在研究独头巷风流排污效率、瓦斯粉尘运移规律等问题时,无论理论分析还是数值计算,都应对运动方程中的速度脉动项给予充分重视。

工作面过空巷基本顶超前破断压架机理及控制技术研究1932-1940

摘要：基本顶超前破断及压架研究对工作面过空巷、进入回撤通道安全保障有重要意义。通过相似模拟得到了工作面过大断面空巷基本顶超前破断前后覆岩破断特征、围岩应力及支架载荷。研究表明:在基于圣华煤业复采工作面围岩条件的相似模拟实验中,工作面通过12 m宽不支护空巷时,基本顶会发生超前破断。导致基本顶上方亚关键层随基本顶破断、滑落,支架上载荷由4 000 k N激增到12 500 k N再到16 200 k N,支承应力升高并前移。从理论上研究了超前程度、围岩条件、开采技术对破断后基本顶稳定性的影响,结果表明:随超前破断距离增大,阻止关键块所需阻力成倍增加;随自由空间高度的增加、块度的增加,基本顶结构稳定性降低;亚关键层破断会导致所需支架阻力激增,单从提高支架阻力来维持超前破断后基本顶结构稳定性不可行,应当从防止基本顶超前破断来预防切顶压架事故。提出了针对此类工作面的控制技术,现场应用效果明显。

基于煤壁“拉裂-滑移”力学模型的支架护帮结构分析1941-1950

摘要：针对坚硬厚煤层大采高综采工作面极易发生煤壁片帮的问题,以红柳林煤矿7.0 m大采高综采实践为基础,分析了煤壁片帮的应力路径效应,将硬煤煤壁片帮细分为拉裂破坏与滑移失稳两个阶段,建立了坚硬厚煤层煤壁片帮的拉裂-滑移力学模型,得出了煤壁的拉裂破坏深度、宽度与煤体强度、开采高度的关系及液压支架应具有的“临界护帮力”,分析对比了2种液压支架护帮装置的结构特点与力学特性。研究结果表明,煤体发生拉裂破坏只是煤壁片帮的必要非充分条件,煤壁最终是否发生片帮,还取决于拉裂破坏体在液压支架与矿山压力作用下是否发生滑移失稳。液压支架很难抑制煤壁发生拉裂破坏,但可以有效防止拉裂破坏体发生滑移失稳。液压支架护帮装置采用伸缩梁与护帮板分开结构设计,具有对煤壁的支护作用力大、结构强度与可靠性高等显著优点。

采动应力与采空区压实承载耦合分析方法研究1951-1959

摘要：采空区垮落带在覆岩沉降作用下的应力恢复对采动应力场有显著影响。基于围岩应力与采空区压实承载的耦合作用,研究了垮落带岩体压实承载的力学特性及参数反演方法,分析了裂隙带岩体的拉伸劣化力学特性,提出了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法,通过实例仿真模拟分析进行了验证。研究表明:垮落带渐进压实承载的力学特性是指数型表达式,压缩刚度随压缩应变呈非线性增长。由双屈服本构模型反演得到与理论解拟合度较好的垮落带力学参数,实现了垮落带压实承载特性的仿真模拟。裂隙岩体劣化系数表达式反映了模量劣化特性,应变软化本构模型增加模量劣化算法组成岩体劣化本构模型,实现了应变软化和裂隙岩体模量劣化的动态分析,较真实严谨的反映裂隙带岩体的力学特性。基于垮落带与裂隙带特征的仿真模拟,实现了采动应力场与采空区覆岩“两带”特征的耦合分析。通过工作面支承压力场演化特征的实例仿真分析,验证了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法的可行性和正确性,提高了采动应力场和围岩采动响应研究的严谨性和可靠性。

沿空留巷充填区域直接顶受力状态探讨与应用1960-1971

摘要：针对综采放顶煤、复合顶板等松软破碎顶板沿空留巷直接顶稳定控制难题,根据沿空留巷顶板活动的时空特征,建立了沿空留巷充填区域直接顶弹性损伤力学模型,推导了充填区域直接顶应力分布表达式,研究了充填区域直接顶应力分布演化规律,进而得到了充填区域直接顶拉应力范围和水平错动范围计算式及相应的演化规律。结果表明:充填区域直接顶受力状态受基本顶回转下沉角和直接顶损伤变量的影响,随着基本顶回转下沉角的增加,拉应力作用范围逐渐减小,水平错动范围逐渐增大。结合新元煤矿3107工作面沿空留巷的工程地质条件,提出了分区域动态加固沿空留巷充填区域直接顶的控制对策,工程应用表明,沿空留巷充填区域顶板下沉量得到了有效地控制,沿空留巷围岩稳定性较好。

大倾角煤层采动裂隙演化规律1972-1979

摘要：通过离散元UDEC数值模拟计算,分析了大倾角煤层开采过程中,扰动岩体裂隙的演化规律,同时采用相似材料模拟实验结果验证了数值计算结果的可靠性。大倾角煤层采动岩体裂隙发展初期以平行于工作面倾向的离层裂隙为主,后期离层裂隙的高度基本恒定,竖向裂隙扩展加速,直至延伸到地表,形成错断式裂缝和塌陷坑。在此基础上,建立了大倾角煤层采动裂隙分形维数D和采深的关系式,以及逾渗概率p和采深的关系式,实现了定量描述裂隙的演化规律。通过拟合分形维数D和逾渗概率p的关系式,可求得分形维数的峰值,进而可求得对应的采深,此采深即为破碎覆岩压密沿倾斜方向重新形成稳定结构所需的采深。计算结果可用于预先估算大倾角煤层开采埋深范围内是否可形成基本顶稳定结构,进而可采取不同的措施指导工作面的安全开采以及巷道的合理支护。

厚砂土层斜井井壁应力分布规律三维光弹性模型试验1980-1987

摘要：以穿越厚砂土层的某煤矿主斜井为工程背景,设计了物理模型试验,建立了斜井井壁三维光弹性应力冻结试验方法。实现了考虑斜向倾角作用下穿越厚砂土层斜井井壁应力状态的三维试验模拟,并结合应力冻结后模型横、纵向切片光弹测试得到的全场最大剪应力等值线图对井壁应力随埋深、环向角度变化规律进行了分析。研究结果表明,井壁横向切片内应力水平和应力分布不均匀性均远大于纵向切片,最大剪应力的应力集中区域出现在井壁两帮内缘水平面±25°范围内,斜井井壁顶部最大剪应力大于底部;随斜井井壁埋深增加,纵向应力近似线性增加,但不同环向角度对应的应力增加速度差异较大,从而导致不同埋深位置,井壁内部应力的量值和分布规律均有差异。

含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征1988-1994

摘要：含裂隙岩石/类岩石试件在单轴压缩下的破坏特征已有较多研究,但对含X型裂隙试件单轴拉伸下的破坏特征尚无研究结论。对含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件进行了单轴拉伸试验,并与对应试件单轴压缩情况的已有实验结果进行了对比,研究了含两组叠置X型裂隙类岩石试件单轴拉伸下的岩桥贯通行为及强度特征。研究结果表明:含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉、压作用下的破坏模式及岩桥贯通模式表现不同,在单轴拉伸作用下含两组叠置X型裂隙类岩石试件岩桥处不会出现贯通现象;含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件的次裂隙位置影响试件单轴拉伸强度,在主裂隙位置固定情况下,次裂隙角度与最大拉应力方向垂直时试件强度最低,次裂隙角度与最大拉应力方向相同时试件强度最高。

含水状态对红层软岩力学特性影响机理1995-2003

摘要：饱水状态下,红层软岩力学特性的劣化直接影响相关工程的变形稳定。考虑干燥、自然和饱水3种状态,对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。研究表明:(1)饱水状态下红层软岩的软化特征明显,破坏时的延性特征更加明显,不同围压下岩样的抗压强度软化系数为0.36~0.65,相对于干燥状态,弹性模量和变形模量逐渐降低分别降低了35.60%~75.53%,44.57%~69.64%,而且围压越小,抗压强度和模量降低趋势越明显;(2)相对干燥状态,饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%,岩样的黏聚力对含水状态更为敏感;(3)饱水状态下岩样抗拉强度软化系数为0.40,加载线附近局部破坏特征明显;(4)岩样内部矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏,伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解,使得岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散,而且孔隙多被水充填,这些微观结构的改变直接导致了红层软岩力学性质的劣化。

原状黄土节理抗剪强度试验研究2004-2011

摘要：黄土节理的剪切强度特性对于含节理黄土工程的稳定性有重要影响,为此在大量野外调研的基础上,采集典型黄土节理土样,首先对不同节理表面形态进行分类以制备试样,然后采用室内直剪试验研究了含水量对黄土节理剪切强度参数的影响规律,并与室内大型直剪试验对比,研究尺寸效应对剪切强度的影响,最后依据试验结果研究了节理剪切应力-位移规律。研究表明:黄土节理的抗剪强度关系符合摩尔-库伦准则,且黏聚力可忽略不计;随含水量的增加,黄土节理峰值内摩擦角最初的变化幅度较小,当大于某个含水量值时,峰值内摩擦角减小幅度变大,其变化规律可用指数形式进行描述;试样尺寸主要影响节理面起伏度对剪切强度的贡献,尺寸越大,其剪切强度也越大;其剪切应力-位移曲线属非线性屈服剪切型曲线,并构建了本构模型,对初始剪切刚度研究发现其随含水量增加减小,随正应力增加呈线性增加。

煤体在冲击荷载作用下的损伤机制2012-2019

摘要：以静力学、冲击动力为实验手段,得出煤在不同应变率荷载下的应力-应变关系。根据实验结果及煤体动态力学特征,通过改进朱-王-唐本构模型建立了体现煤体应变率效应、损伤特征的本构方程。将建立的方程嵌入有限元程序中对煤体在不同峰值冲击荷载作用下的损伤机理进行研究,研究结果表明:煤体在冲击荷载下出现层状间隔劈裂结构,煤体的劈裂损伤主要有2种形式:(1)由较大拉剪应力形成的“快速跃升式”损伤;(2)拉剪-压剪交替作用累积形成的“慢速阶梯式”损伤。

煤岩渗透率对酸化作用响应规律的试验研究2020-2026

摘要：酸化手段是油气井提高产能的重要手段,较小的酸化规模有可能极大地提高油气井产量,这对具有低渗透性特点的煤层气井开发具有重要启示。通过室内试验测定了酸液作用前后煤粉的矿物成分极限反应率和煤岩芯的渗透率,分析了酸化作用后煤粉极限反应率和煤岩芯渗透率的变化规律。结果表明:煤层中原始的孔裂隙发育和矿物成分组成对渗透率的大小具有重要影响;酸化手段可有效提高煤层渗透率,对于试验煤样,渗透率最大提高了18.42倍,盐酸质量分数在12%~15%为最佳。酸化时间过长会造成渗透率小幅度降低,应控制反应时间在12 h左右。

裂纹闭合对高压空气爆破冲击煤体瓦斯抽采效果影响2027-2031

摘要：鉴于高压空气爆破冲击煤体过程中裂纹闭合对瓦斯抽采效果的影响,基于能量和弹性理论,对裂纹闭合的长度进行分析计算,得到了闭合区域位置在距离爆破孔3.8 m。通过在丁集煤矿进行井下现场试验,结果表明:裂纹的闭合对该区域的瓦斯抽采影响表现为闭合区域瓦斯的涌出量增幅变小;在距离爆破孔1.0~4.0 m的区域内,随着距离爆破孔距离的增加观测孔瓦斯的涌出量增幅先增大后减小;在距离爆破孔1.8~2.5 m的区域内,瓦斯涌出量增幅最大;在距离爆破孔4.0 m区域,瓦斯涌出量增幅最小,接近裂纹闭合区域。理论计算和现场试验具有良好的一致性。

亚烟煤低温氧化元素迁移规律及原位红外实验2032-2037

摘要：基于动力学与热力学理论,研究了煤升温过程中C,H,O,N,S五种基本元素的迁移转化规律,同时根据红外实验分析了煤中主要官能团变化趋势。结果表明,煤样在物理吸附和化学吸附阶段,碳氧化合物变化占主导地位,在化学反应阶段,碳氢化合物和含氮化合物变化频率超过碳氧化物。低温氧化过程中,H元素的表观活化能最小,N元素表观活化能最大,而O,S元素的表观活化能为负值,C,H,N元素迁移过程为吸热反应,O,S元素转化过程是放热反应。煤中脂肪族C—H在煤温上升的过程含量逐渐降低。煤中COOH含量与总体的C O含量变化趋势一致,当温度超过120℃以后,两者含量逐渐增加,此外对煤低温氧化过程涉及到的化学反应步骤也进行了研究推导。

煤结构机械破断生成S-CO的规律与机理2038-2044

摘要：以煤结构机械破断产生的CO(S-CO)为对象,利用煤结构机械破断S-CO测试系统和傅里叶红外光谱仪研究S-CO的生成规律和产生机理。实验结果表明:在氮气氛围和煤样质量相同条件下,S-CO的产生速率和体积分数均随电机转速的增加而增大。在实验工况下,S-CO的体积分数变化呈现3个阶段:无S-CO阶段、线性增长阶段、类指数增长阶段。基于煤化学和红外光谱分析理论,分析了实验煤样在机械破断过程中煤结构的变化情况。根据煤中含氧基团及相应解离能,阐明了煤机械破断产生S-CO的多步反应机理,补充了前人关于“S-CO是煤中羰基的机械激活分解”的片面认识,完善了煤结构机械破断S-CO的产生机理。

注热CO2驱替增产煤层气试验研究2045-2051

摘要：当前煤变质程度高、割理不发育及煤储层压力低等因素严重制约着我国煤层气的开采与利用。为完善注CO2驱替增产煤层气的基础理论研究,利用自主研发的煤层瓦斯驱替装置探讨了不同注气温度与注气压力条件下CO2对煤层瓦斯驱替置换的效果,并分析了注气温度与压力对煤体的变形与渗透率的影响。研究发现:驱替气体注气压力与温度是影响CH4产出率与CO2储存量的关键因素,提高注气温度与注气压力能够在单位时间内驱替出更多的CH4并存储更多的CO2;注气压力由2 MPa增至4 MPa,CH4产出率可提高6.7%~17.4%,CO2储存量可提高78.6%~99.7%;注气气体温度从28℃上升至60℃,CH4产出率与CO2储存量分别增加40.0%~43.8%和23.8%~38.4%,而驱替置换比降低8.4%~20.2%;驱替压力与温度的增加会使得煤体轴向应变增加98.1%和104.7%;常温注气试验后煤体渗透性下降37.1%~71.3%,提高驱替温度可使渗透率下降幅度降低19.8%~64.3%。

煤层夹矸型黏土矿物对甲烷的吸附研究2052-2063

摘要：黏土矿物是煤层中最重要的矿物质,煤层中有机质与黏土矿物复合能改善黏土矿物对甲烷的吸附能力,因而煤储层中黏土矿物对甲烷的吸附不容忽视。分别选取黏土矿物含量较高的煤层夹矸和纯黏土样品,采用X-射线衍射、红外光谱及扫描电镜表征,并进一步分析了样品中总有机碳(TOC)含量、有机质的类型和成熟度,结合孔径、孔隙体积和比表面积测定结果,探讨造成夹矸型和非煤黏土矿物甲烷吸附能力差异的主要原因,研究影响夹矸型黏土矿物吸附能力的控制因素。结果表明:夹矸型黏土矿物对甲烷的吸附能力依次为铵伊利石>高岭石>伊利石>金云母;单纯的外表面积大小并不能完全反应出黏土矿物的甲烷吸附特性,需结合不同黏土矿物层间域等多方面因素综合考虑;有机质含量较高的夹矸型黏土矿物样品比纯黏土样品具有更多的微小孔隙,尤其是孔径小于6 nm的孔隙,对样品比表面积的增加起到了关键作用,进而也增强了其甲烷吸附能力。通过分析黏土矿物的甲烷吸附贡献率发现,黏土矿物及其有机复合体具有较强的甲烷吸附能力,在煤层夹矸中对甲烷的吸附贡献较大。