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中国矿业大学学报 2017年第02期杂志 文档列表

传感器台网布设对震源定位的影响规律及机制研究229-236

摘要：开展了不同传感器台网震源定位实验,分析了不同传感器台网布设下的震源定位误差分布规律,研究了震源定位双曲线域的非均匀特性,揭示了传感器台网对震源定位的作用机制.研究表明：传感器台网同时影响震源定位求解系统的稳定性和定位精度,而且传感器台网对震源定位结果的影响具有非均匀性;监测区域中不同位置的震源定位精度和稳定性各不相同,传感器台网内部的震源定位精度和稳定性都高于外部震源;随着震源远离台网中心,定位精度和稳定性都呈下降趋势,且当震源到达传感器台网边缘和台网外部的区域时,震源定位精度和稳定性的下降速率急剧增加;基于震源定位双曲线控制方程研究揭示了震源定位双曲线域的非均匀特性,传感器台网通过放大波速和到时等输入数据误差影响震源定位结果,且震源定位双曲线域的非均匀特性导致传感器台网对输入数据误差的放大效应是非均匀的,这种非均匀的放大效应是震源定位精度和稳定性依赖于震源和传感器台网相对位置的重要原因.

大尺度混凝土巷旁墙体开裂机理及控制对策237-243

摘要：为防止深井沿空留巷大尺度混凝土巷旁墙体开裂破坏,通过水化热测定试验分析了充填材料的水化放热特性,在此基础上利用ANSYS软件模拟了巷旁墙体温度场的演化规律,理论计算了温度应力的变化特征,探讨了巷旁墙体在温度应力及采动应力双重作用下的破坏过程与机理.结果表明：充填前期巷旁墙体的内外温差高达22.0℃,由此引起的温度应力超过巷旁墙体的抗拉强度,致使巷旁墙体出现温度裂缝;顶板压力使温度裂缝扩展,最终导致巷旁墙体开裂破坏.基于巷旁墙体双因素致裂机理,从降低墙体内外温差及缓解顶板压力2个方面提出墙体开裂控制对策,并将其应用于1231（1）沿空留巷工程实践,取得了良好的留巷效果.

煤层注碱治理硫化氢数值模拟与应用244-249

摘要：煤层注碱可有效降低矿井硫化氢涌出,为分析碱液在煤层中与硫化氢的反应规律,应用COMSOL Multiphysics软件化学反应模块,对铁新矿煤层注碱（NaHCO3）治理硫化氢进行了数值试验研究.假定碱液在煤裂隙中的流动满足N-S方程,在煤基质微孔中流动满足Brinkman方程,反应物质变化满足对流扩散方程,根据煤层硫化氢赋存特征和注碱参数,研究碱液在煤层中的流动规律以及煤层硫化氢治理效果.结果表明：碱液浸润的煤层区域,硫化氢含量得到有效降低,注碱影响范围随注碱时间逐渐增大.连续注碱18h,距孔7-9 m,硫化氢体积分数降低51.3%以上,7m以内煤层硫化氢几乎完全中和.参考模拟结果,拟采用煤层注碱孔距为8-10m.在W910工作面进行了孔距为8m的煤层注碱试验,注碱后回风流硫化氢体积分数最高为5.6×10^-6,回采中未超限,表明模拟结果可指导煤层注碱工作.

Knothe模型改进及充填开采岩层移动动态过程分析250-256

摘要：Knothe模型是岩层移动动态预测最常用的时间函数模型,但该模型与岩层移动动态演化过程客观规律并不完全相符.通过分析Knothe模型岩层移动预测缺陷,增加表征时间影响函数变化和岩层移动非线性特征的双参数,建立了Knothe时间函数改进模型;基于弹性力学理论,建立充填开采岩层移动的小挠度弯曲变形薄板模型;将Knothe函数改进模型与建立的充填开采岩层移动模型相结合,构建了岩层随时间移动的动态演化过程函数表达式,并将演化过程划分为初始期、活跃期及衰退期.以新汶矿区翟镇煤矿2205工作面矸石充填开采实测数据为样本,开展了充填开采岩层移动动态过程实例验证分析.结果表明：在第22.9个月,地表最大下沉点的下沉速度达10.526mm/月;岩层总移动时间为38.9个月,其中初始期为20.5月、活跃期为5.1月、衰退期为13.3月.基于Knothe改进模型构建的岩层移动动态演化过程的函数表达式能够更客观真实地反映出岩层下沉量、下沉速度、下沉加速度的客观变化规律.

脉冲气压疲劳对原煤力学特性及渗透率的影响257-264

摘要：利用自行组装的高压气体增压系统开展了原煤煤样的脉冲气压疲劳试验,分析了脉冲次数对原煤煤样变形及渗透性的影响,并对疲劳试验前后煤样的单轴力学特性进行了对比.结果表明：煤样的应变表现出周期性变化,且在一个脉冲气压循环内,煤样体积应变表现为膨胀-收缩.随着疲劳次数增加,残余应变逐渐累积,原煤煤样的轴向应变、环向应变和体积应变均朝膨胀方向增长;在初始疲劳阶段,应变变化较大,当疲劳次数超过一定范围后,原煤煤样的应变基本趋于平衡.原煤煤样的渗透率随脉冲次数的变化与应变类似,开始阶段渗透率随着疲劳次数增加急剧提高,当超过疲劳阈值后,疲劳对煤样渗透率影响较小,其疲劳阈值为50-100.疲劳后原煤煤样的单轴力学性质与没有开展气体疲劳试验的煤样相比,抗压强度、弹性模量显著降低,分别仅为未疲劳煤样的16%和8%,峰值应变则增加了117%,且疲劳后原煤煤样表现出高度体破裂.试验表明在脉冲气压疲劳作用下,煤样内部产生了大量的微裂隙,改善了煤样的渗透率,有利于瓦斯的流动和抽采.

胶结充填体固结全程电阻率特性试验265-272

摘要：通过开展不同灰砂质量配比、料浆质量分数和养护龄期条件下的胶结充填体固结全程电阻率和单轴抗压强度试验,对胶结充填体固结全程电阻率特性及其强度的关联性进行研究.基于胶结充填体的等效电路,综合考虑不同龄期的水化反应产物的类型及形态等微观结构影响因素,揭示了胶结充填体固结全程的电阻率变化机制,并推导了其电阻率模型;结合强度测试数据,构建了胶结充填体单轴抗压强度与其电阻率定量关系方程.结果表明：胶结充填体的电阻率具有与养护龄期相同的发展趋势,即电阻率先降至最低点,而后遵循先快后慢的增长规律;灰砂质量配比越小、质量分数越高,其电阻率越大;电阻率的变化规律与其内部微观结构密切相关,根据电阻率曲线发展特点,可将充填体固结全程分为5个阶段;充填体的单轴抗压强度和电阻率增长规律基本一致,且两者间存在明显的对数关系.

煤氧化实验精度改进及封闭耗氧实验方法273-278

摘要：分析通气实验中不易自燃煤样氧化产生的微量气体随气流失、无法被仪器检测到的原因,建立一套封闭耗氧实验装置及实验气体浓度自动监测和数据采集系统.对不易自燃的无烟煤（山西长平煤矿8^#煤层）和易自燃的长焰煤（辽宁九道岭煤矿4^#煤层）在常温下做封闭耗氧实验研究.实验结果表明：不易自燃的无烟煤在常温24-25℃条件下也能吸附氧,并持续有规律地释放出CO气体.易自燃煤样在封闭实验罐中氧浓度呈负指数衰减,CO气体呈指数增长.计算得到2种煤样的耗氧速度常数分别为8.852和938.3μmol/（m3·s）,两者耗氧速度相差约106倍.

考虑初始缺陷的超高矿柱蠕变分析及失稳滞后时间研究279-284

摘要：根据超高矿柱结构及受力特点,并充分考虑初始几何偏差,建立了简化的压杆力学模型.基于弹塑性理论对具有初始几何缺陷的超高矿柱的挠度及内力进行了分析,并基于Kachanov损伤理论,对超高矿柱的损伤过程和失稳时间进行了研究.结果表明,在初始挠度的影响下,矿柱将出现不同程度的附加挠度,大小与初始挠度和压力比（上覆压力与矿柱极限荷载之比）有关,随着初始挠度和压力比的增加而增加.工程实例分析表明,矿柱的损伤孕育时间和失稳滞后时间与初始挠度、压力比及抗压强度有密切的关系,随着压力比和初始挠度增加,损伤孕育时间和失稳滞后时间快速变小,抗压强度越大,失稳滞后时间越大,即矿柱越稳定.

边坡灾害监测预警物联网系统及工程应用285-291

摘要：为了解决倾斜顺层岩质边坡监测预警所面临的预测困难、监测布点繁多等难题.基于恒阻大变形锚索与滑坡体之间的相互作用力学原理,运用物联网技术,提出了恒阻大变形锚索子系统、双路数据通讯子系统、数据接收处理子系统和智能供电子系统,研发了边坡灾害监测预警物联网系统,完善了监测预警模式,实现了对顺层岩质边坡的加固-监测-预警一体化功能.对本钢集团南芬露天矿＂10-0731滑坡＂和＂10-0805滑坡＂的成功预警表明,边坡灾害监测预警物联网系统能够实现对倾斜顺层岩质边坡灾害的超前预警.

深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析292-299

摘要：综合考虑巷道破坏特征及典型软岩应力应变曲线特征,对深部巷道松软围岩进行破坏分区,提出了适合破坏分区的四线段本构模型,建立了深部大规模松软围岩巷道应力分析的力学模型,推导了不同破坏分区应力解,得出了界定各破坏分区范围的表达式,结合具体工程验证了巷道破坏分区划分的正确性和合理性.研究表明：深部松软巷道围岩自巷道向外分别为塑性流动区、应变软化区、塑性硬化区和弹性区4个分区,各分区临界应力满足Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区的范围随支护阻力、应变硬化系数、应变软化系数以及内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大;各分区范围的理论解能够有效指导支护设计,实现对深部大规模松软围岩巷道的长期稳定.

管道瓦斯爆炸流场及其影响因素数值模拟研究300-305

摘要：为了提高煤矿瓦斯抽采系统的安全防护布控能力,采用数值模拟方法对管道瓦斯爆炸传播规律及流场特征进行了仿真分析.采用涡耗散模型作为燃烧模型研究了瓦斯爆炸流场的温度、压力、速度、反应速率分布规律,以及管道直径、结构、长度对反应速率的影响.结果表明：反应速率波阵面和温度波阵面均呈＂〈＂形状,且管壁约束导致反应速率加快;气体高速波与高压波部分重叠,且超前于反应速率波阵面和温度波阵面;管径越小,反应速率越大;管道弯曲处反应速率加快,近似为同管径直管的5倍;管道越长,最大反应速率峰值越大,爆炸反应程度越剧烈.管道内瓦斯爆炸剧烈程度受管径、管道长度及管道结构影响较大,瓦斯抽采系统安全防护布控时应充分考虑以上因素.

循环气压下原煤微损伤及其破碎特性试验研究306-311

摘要：应用岩石力学测试系统TAWD-2000和煤岩气压致裂设备开展了首山矿原煤试件的气压疲劳试验,分析了循环气压及二次气压致裂作用下煤样的微损伤与破碎特性,并利用损伤理论与分形理论进行描述.结果显示：1）基于残余塑性体应变定义微损伤变量,推导损伤演化方程,煤样微损伤随着疲劳次数的增加显著增大.2）含节理面煤样微裂纹发育局部化,产生局域高损伤,气压疲劳导致的整体微损伤效果推迟.3）经历气动疲劳的原煤气压致裂呈现整体破裂特征,破碎程度远大于直接气压致裂所引起的单一对径张拉破坏.4）循环气压下微损伤原煤的破碎特征可利用破碎度的分维数表征,分维数越大,试件破碎度越大,小块度所占比例越大,反之愈小.

局部荷载下含孔洞多孔介质裂纹扩展量化分析312-320

摘要：采用高清数码摄像机和红外热成像仪对局部荷载作用下含中心孔洞多孔介质试件的裂纹扩展规律进行了较系统的试验研究和理论分析.试验结果表明：局部荷载作用下含中心孔洞多孔介质试件裂纹扩展是加载条件和宏观中心孔洞耦合作用的结果,裂纹扩展路径受其主导作用,而由天然细观孔洞引起的非均质性的影响作用则占据从属地位;均布荷载条件下,孔洞周边形成拉、剪应力区,且裂纹由此起裂,孔洞是引起应力集中的主导因素,但随着加载面积的改变,孔洞的主导地位被颠覆,应力集中强弱顺序发生突转,起裂位置由孔洞周边转向荷载临界处,形成的裂纹也均出现在载荷作用范围内的区域;随局部荷载的增加,初始裂纹的尺度（裂纹宽度和长度）不断增加,且裂纹的发展方向出现明显的非平直化趋势,试件受到的局部加载效应越显著,裂纹尺度变化的越快、发展方向变化的越剧烈.

变质量胶结破碎岩石非Darcy流渗透特性试验研究321-327

摘要：陷落柱被揭露并与地下水导通后,泥石胶结层的渗透过程伴随着质量流失,是一种演变多孔介质.利用自主研制的破碎岩石渗透系统,进行了以水泥为胶结剂的含盐胶结破碎岩石渗透试验,分析了含盐量、水泥掺入量和岩石颗粒级配3种因素对变质量胶结破碎岩石渗透特性的影响.研究结果表明：盐颗粒溶解和岩石颗粒迁移共同影响胶结破碎岩石渗透性,渗透流量随时间发生变化,先上升后下降并最终趋于稳定;含盐量越多,渗流稳定历时越长.渗透率的量级为10^-15-10^-13m^2,随着水泥掺入量的增加,试样渗透率单调减小;相同水泥掺入量下,随着Talbot幂指数n的增大,试样渗透率单调增大;随着含盐量的增加,渗透率先缓慢增大后加速增大,40g为拐点.

典型Ⅱ2-Ⅲ过渡型褐煤生烃气模式328-335

摘要：为探索煤生烃气模式,以典型Ⅱ2-Ⅲ过渡型褐煤为例,利用自研的DK-Ⅱ型地层孔隙热压生排烃模拟实验仪,开展了有限空间体系内、不同温压力作用下、经历阶段性封闭和开放的情况下的成烃气模拟实验,揭示了典型Ⅱ2-Ⅲ过渡型褐煤的呈现3阶段生烃气模式.研究结果表明：生油窗早期（Ro≤0.82%）为生油伴生烃气阶段,烃气产率显著低于生油产率,阶段累计烃气产率23.69kg/tc,Ro为0.50%时烃气仅由CH4,C2H6组成,Ro为0.60%-0.82%时由CH4,C2H6,C3H8,iC4H10,nC4H10,iC5H12和nC5H12组成;

油气沿断裂垂向与砂体侧向运移转换条件分析——以渤海湾盆地局部构造为例336-344

摘要：为了研究新生代断陷盆地中油气分布规律,在油气沿断裂垂向运移与沿砂体侧向运移转换条件研究的基础上,通过比较断裂填充物排替压力与两侧砂体排替压力相对大小、泥岩盖层断接厚度与其封存油气的最小断接厚度相对大小,提出了一套油气沿断裂垂向运移向沿砂体侧向运移转换的判别方法：如果断裂填充物排替压力大于两侧砂体排替压力,油气沿断裂垂向运移向沿砂体侧向运移转换,反之则不能转换;如果泥岩盖层厚度小于其封存油气的最小断接厚度,油气沿砂体侧向运移向沿断裂垂向运移转换,反之则不能转换.将此方法分别应用于渤海湾盆地南堡凹陷南堡1号和2号构造和冀中坳陷文安斜坡沙一段油气运移转换的判别中,结果表明：南堡1号和南堡2号构造油气沿断裂垂向运移向沿东营组34个砂层侧向运移转换,有9个砂层未发生侧向运移转换;文安斜坡在东部和西部的中部地区沙一段油气沿砂体侧向运移向沿断裂垂向运移转换,而其余地区未发生沿断裂垂向运移转换.这些判别结果分别与目前南堡1号和2号构造东营组、文安斜坡沙一段和东营组已发现油气分布相吻合,表明该方法用于判别沿断裂垂向运移与沿砂体侧向运移转换的合理性.

控制储层中异常高孔带发育的成岩作用——以琼东南盆地西部崖城区为例345-355

摘要：基于大量物性数据和沉积构造背景,利用铸体薄片、有机地球化学和流体包裹体技术,研究了控制琼东南盆地西部崖城区储层异常高孔带发育的成岩作用.认为崖城区三段异常高孔带的成因不同,控制其发育的主要成岩作用分别为有机酸溶蚀与大气淡水淋滤作用,热流体溶蚀作用和有机质生成天然气引起的超压保持作用.研究结果表明：崖城区共发育3段异常高孔带,分布于2 400-3 100m,3 600-4 100m和4 500-4 800m.第1段异常高孔带属于有机酸和大气淡水混合溶蚀型,即有机质早期大量释放的有机酸和大气淡水共同溶解了长石、碳酸盐胶结物等产生次生孔,早期绿泥石包壳未起有效作用.第2段异常高孔带属于热流溶蚀型,热流体使烃源岩加快熟化从而延长有机酸的产出期,而且促使蒙脱石迅速转化为伊利石从而释放更多的H^＋;深部流体携带大量酸性组分且具有较强的流体性,可以对储层产生淋滤,也加快了Al^3＋的迁移;更高的温压可以促进溶蚀反应的发生,提高溶解度.第3段异常高孔带属于超压保持性型,强超压有效抑制了压实作用和自生矿物发育,保持了孔隙度.超压体系向上集中排放形成热流体使得该段超压储层硅质流失,致使自生石英未规模发育.伊蒙转化反应被提前而且超压对该反应也有抑制作用,使得自生伊利石未大量形成.该区天然气充注期为晚期,烃类侵位未能抑制石英等自生矿物的生长,但盆地晚期快速沉降使得源岩大量生成天然气促使超压形成,间接贡献了第3段异常高孔带的发育.

甲烷在官能团化石墨中吸附行为的影响因素研究356-364

摘要：页岩中干酪根结构简化为不同碳氧比石墨结构,利用巨正则蒙特卡罗模拟方法研究甲烷分子在不同碳氧比石墨中吸附行为,讨论了孔径、温度、含水量和二氧化碳对甲烷在不同碳氧比石墨中吸附行为的影响,在此基础上分析碳氧比变化对甲烷吸附行为影响,揭示了甲烷在不同碳氧比石墨中的微观吸附机理以及温度、水分及二氧化碳对甲烷吸附行为的影响及其微观作用机理.研究结果表明：相同碳氧比中,当孔径从1nm增大到20nm时,甲烷在碳氧比为4孔中的平均等量吸附热从19.65kJ/mol减小为7.88kJ/mol,且甲烷过剩吸附量随微孔孔径增大而增大,而随中孔孔径增大而减小;相同孔径中,当碳氧比从4增加到20时,甲烷在孔径1nm中的平均等量吸附热从19.65kJ/mol减小为16.39kJ/mol,且甲烷过剩吸附量随着碳氧比增大而减小;当温度从313K升高到373K时,甲烷在碳氧比为4孔中的吸附逐渐由能量较低的吸附位向能量较高的吸附位转移,甲烷等量吸附热从12.76kJ/mol减小为12.16kJ/mol,造成甲烷过剩吸附量降低;水分子在孔中受到范德华力和静电能共同作用使其聚集在含氧官能团附近,且水分子占据了甲烷分子吸附空间,造成甲烷过剩吸附量降低;在多元组分竞争吸附中,不同碳氧比石墨对二氧化碳的吸附能力大于甲烷.甲烷在气相中摩尔分数降低、甲烷吸附位的变化以及甲烷吸附空间减小将导致了甲烷吸附能力降低.