穿层爆破中控制孔对裂隙扩展作用机理试验研究

为研究控制孔在穿层爆破中对裂隙扩展的作用机理,在实验室内进行穿层爆破相似模拟试验。研究表明:煤岩体试块上表面产生了贯穿炮孔和控制孔的裂隙,侧面生成了多条不规则的裂隙,试块内部出现了包括沿控制孔方向发展的多个断裂面;炮孔和控制孔连线上产生了较高拉应力,炮孔和控制孔连线方向上拉应变峰值是炮孔45°方向上的拉应变峰值的1.12倍;爆破产生的压缩应力波P和在控制孔处反射生成的反射横波Sr、反射纵波Pr在控制孔附近的煤岩体上产生应力叠加,造成煤岩体损伤,最终形成贯穿裂隙。穿层爆破中控制孔对爆生裂隙的扩展起到导向作用,但由于穿层爆破中煤岩交界面的存在,使得应力波出现复杂的反射、透射、叠加效应,造成煤层内裂隙无序发育,工程现场应予以重视。     

化学试剂对煤的裂隙结构和渗透率的影响研究

为研究化学试剂对煤的裂隙结构和渗透率的影响,基于超声波测试和质量分析,研究二硫化碳、乙醇、盐酸和丙酮这4种试剂处理煤样前后的超声波波速变化及质量变化,揭示化学试剂处理作用与超声参数变化、质量变化及裂隙演化之间的规律。使用渗透率测试装置分析4种试剂对煤样的渗透率变化影响,结果表明：试剂处理后,煤样的超声波波速降低6.87%～18.54%,萃取率为1.5%～3.3%,说明试剂处理能够有效促进煤样内部裂隙发育;此外,试剂处理后的煤样渗透率增加29.4%～490.8%,其中二硫化碳处理后的煤样渗透率增加最多,增幅为490.8%。     

循环载荷下煤裂隙演化试验研究

为了研究循环载荷下的煤体裂隙演化特征,在不同应力水平和不同频率条件下分别进行煤样破坏力学及声发射试验。结果表明:应力-应变曲线呈疏-密-疏的变化特征,对应的振铃数柱状图呈U型;上限应力点的应变值、累积能量、撞击计数均随循环次数增加而上升,曲线呈倒S型;煤裂隙演化经历了原始裂隙闭合、新生裂隙稳定发育和裂纹贯穿破坏等3个不同阶段;循环载荷的应力水平和加载频率对煤体疲劳寿命的影响具有差异性,对煤体裂隙演化和破坏模式均有明显影响。     

硫化氢对不同煤级煤甲烷吸附影响效应研究

为探究H₂S在不同煤级煤体中对CH₄吸附特性的影响效应,利用分子模拟构建肥煤、瘦煤及贫煤3种不同煤级的复杂煤大分子结构模型,并探究H₂S对煤体孔隙的影响作用以及H₂S在煤中的吸附特性,分析不同煤级煤体中H₂S对CH₄饱和吸附量的影响作用。结果显示：煤体表面积与孔隙体积与煤变质程度有关,由大到小依次为肥煤、瘦煤、贫煤;在煤体吸附H₂S过程中,煤体表面及孔隙为H₂S提供吸附场所,且H₂S对贫煤孔隙率影响较为明显;在同温同压条件下,H₂S在同一煤体中的吸附热约为CH₄的1.5倍,在对CH₄及H₂S的双组分气体吸附中,煤体对H₂S的吸附能力大于CH₄;煤体H₂S质量分数在0～1.5%变化区间内,贫煤的Langmuir吸附常数a降幅高达77.4%,肥...     

煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究

为了探究地层温度的升高对采空区自燃倾向性的影响,对处于自燃潜伏期的煤展开耗氧特性和CO释放特性的研究。通过对长平矿3#煤分别进行20~60℃的封闭耗氧实验,得到了自燃潜伏期不同温度下煤的氧浓度以及CO浓度随时间变化的曲线。对氧浓度变化曲线和CO浓度变化曲线进行拟合分析得到了不同温度下煤的氧气消耗和CO生成速度,同时得到了氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。封闭耗氧实验结果表明:从20~60℃氧气消耗速度逐渐增大并且氧浓度衰减系数呈指数增长,CO浓度增长系数也逐渐增大并且同样呈指数增长,煤的窒熄带氧浓度临界值从20~60℃逐渐由16.8%降低到12.4%。为探究不同温度下采空区煤的自燃发火危险性,将封闭耗氧实验结果的参数应用到采空区CFD数值模拟仿真中,模拟得到随着温度升高采空区窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长到380 m。结果表明:常温下不易自燃的煤在较高的环境温度下表现出了较强的氧气消耗和CO释放能力,并且采空区自然氧化带随着温度的升高动态变宽,增大了采空区的自燃发火危险性。     

不同裂隙对煤层热流耦合现象的影响

煤炭在构造应力的作用下会产生不同形状的裂隙,不同的裂隙会对煤层内的流动与传热产生影响。以阜新市高德煤矿为例,建立二维物理模型,采用两区域方法构造控制方程组,运用计算机软件对四种裂隙下煤层的流场和温度场进行数值计算。计算结果表明:不同裂隙对煤层流场的影响主要在空气流动侧,对煤层区域影响很小;不同裂隙对煤层温度场的影响主要在裂隙界面上,对外界空气和煤层内部的影响均很小;不同裂隙条件下煤层壁面平均努谢尔特数曲线的契合度随着瑞利数的增加而不断降低,相比标准界面,其他三种界面的煤层壁面平均努谢尔特数值基本一致。研究结果可为煤矿的安全开采提供理论性指导。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

煤化作用对煤微表面结构特性影响研究

为研究煤化作用对煤微结构特性影响,选取3种不同变质程度煤样,采用扫描电镜(SEM)研究其表面孔隙及形态分布特征;通过傅里叶红外光谱(FTIR)研究其表面官能团种类及其分布。当HP-SH煤样R_0由0. 70%增大到2. 88%时,表面孔隙率分布范围为65. 29%～77. 07%,表面孔隙趋于粗糙、复杂化;各煤样极性官能团中含氧官能团相对含量逐渐增大,-O-的相对数量比为10. 1%～19. 25%,-OH的相对数量比为7. 16%～41. 79%,-COOH的相对数量比为52. 01%～51. 96%;芳香度和聚合程度也逐渐增大,芳香度为1. 09～1. 63,聚合度为0. 29～1. 58,煤样芳香结构参数与表面孔隙率呈线性关系。结果表明:煤化程度增高,煤样微表面官能团种类相似;官能团结构越复杂,微表面孔隙结构也越复杂,为微表面瓦斯提供赋存环境。     

加卸载作用下裂隙岩芯渗透性变化规律研究

针对光滑平行板裂隙加载渗流规律难以准确反映实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性的问题,利用水力压裂方法制作了天然岩芯裂隙,开展了裂隙试件受轴压、围压加载和卸载作用的渗流试验,并将裂隙试件的CT扫描图像导入ABAQUS软件,对粗糙裂隙受载时的应力和变形规律进行了数值模拟。结果表明:裂隙面的法向应力是影响裂隙渗流的主要因素;在加载阶段,粗糙裂隙面受载产生接触应力致使接触部分产生变形和破坏,裂隙接触刚度增大,裂隙宽度非线性减小,渗透率降低速率越来越小;在卸载阶段,弹性变形逐步恢复,裂隙宽度缓慢增加,渗透率先缓慢增大,当载荷卸到一定值后,在孔隙压力作用下裂隙张开、渗透率突然增大。研究结果表明了粗糙裂隙与光滑平行板裂隙对载荷敏感性不同的机理,反映了实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性。     

基于AHP和扩展集对理论的采空区遗煤自燃危险性评价研究

采空区遗煤自燃严重威胁着煤矿的安全生产,因此为了提前采取有针对性的防范措施,有必要进行遗煤自燃危险性评价。采用层次分析法确定各评价指标的权重,根据集对分析法的基本原理结合采空区遗煤自燃的具体情况,对集对理论进行了扩展,并重新构建了基于确定不确定信息的分析模型。将该模型应用于新集二矿210610工作面,评价结果表明该模型分析过程合理、置信度高,为采空区遗煤自燃危险性评价提供了一种新的方法,同时也为煤矿有针对性的采取安全防范措施提供了参考。     

水分对不同变质程度煤瓦斯放散初速度的影响研究

为研究不同质量分数水分对煤体瓦斯放散特征的影响规律,选取3种不同变质程度的典型煤样,测试了水分作用下的煤体瓦斯放散初速度,并结合扫描电镜和压汞法研究了煤体孔裂隙分布特征,阐明了水分对煤体瓦斯放散初速度的微观影响机理.结果表明:水分对煤体瓦斯放散初速度起到了明显的抑制作用,煤阶越高,水分的影响程度越大;水分对褐煤、烟煤和无烟煤瓦斯放散初速度影响规律的差异性与煤体孔隙分布有关;随水分质量分数增加,褐煤瓦斯放散初速度表现为先快速降低后缓慢减小,烟煤△p呈线性衰减,无烟煤则表现为先小幅降低后急剧下降.     

温度对不同植物净化效果的影响

基于植物在不同的温度条件下对水体中氮、磷的去除效果不同这一现象,将部分文献的数据进行归纳,从实验的温度这一方面入手,对植物的氮、磷去除率归纳总结并进行回归分析,结果表明一定范围内植物的氮、磷去除率与温度线性相关,有的可以直接由回归方程推算出来。     

不同煤粒粒级配比下的煤与瓦斯突出实验研究

根据煤与瓦斯突出"综合假说"理论,煤的物理力学性质在突出过程中扮演着重要的角色。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验台为工具,选用粒径为5-10目、10-40目、40-80目,以及5-10目和10-40目不同粒级配比下的煤粒,在相同实验参数条件下制作成突出煤样,并分别进行煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明:煤层吸附瓦斯是放热过程,煤体温度会不断增加,突出过程则正好相反。煤体的破碎程度越大(粒径越小),突出危险性程度就越高、发生突出的强度就越大;但突出强度大并不一定表现为粉碎率高,原因在于煤的破碎程度越高,进一步破碎的难度就越大,要达到相同破碎率所需的能量就越大。     

水浸干燥作用对煤自燃特性及预测指标影响研究

为研究水浸干燥作用对煤自燃特性的影响,采用真空干燥法与自然风干法分别处理水浸过的煤样,通过程序升温试验测试原煤样与处理后的2种煤样在氧化过程中产生的CO体积分数和C_2H_4体积分数,根据CO体积分数增长速率突变点和C_2H_4产生温度分别计算3种煤样自燃特征温度,分析水浸干燥作用对据煤样自燃特征温度的影响;通过氧化放热公式计算3种煤样的耗氧速率和放热强度,分析水浸干燥作用对煤样氧化放热性能的影响;最后分析水浸干燥作用对格雷哈姆系数R_2、R_3和链烷比预测煤自燃特征温度准确性的影响。结果表明:水浸干燥作用改变煤的自燃特性,升高煤自燃特征温度,降低煤氧化放热性能,使格雷哈姆系数R_2、R_3预测煤自燃特征温度的准确性降低,但对链烷比预测煤自燃特征温度的准确性影响较小。     

微波辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性影响实验研究

为了研究微波场连续-间断辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性的影响,通过自制的实验装置,分析研究了微波连续-间断作用10 ,20 ,40 s及无微波作用下的构造煤颗粒瓦斯解吸量及解吸速率变化规律,并采用水浴加热装置模拟微波产生的热效应,研究了微波热效应在促进煤粒瓦斯解吸中的影响。实验结果表明:在微波连续作用时间内,瓦斯解吸量和解吸速率均迅速增大,然而随着时间的延长衰减较快,最终瓦斯解吸量趋向于一定值,微波连续-间断辐照作用下的瓦斯解吸量是无微波加载作用下的1.83～3.93倍;微波产生的热效应对瓦斯解吸影响较为显著,权重达82%以上,然而其非热效应的影响也不可忽视。实验方法与结果可望为促进构造瓦斯解吸、降低煤层突出危险性提供参考。     

冻融影响下不同岩性岩石物理力学特性试验研究*

为探究冻融循环影响下不同岩性岩石的物理力学性质的差异化响应,对青砂岩、灰砂岩2种砂岩,白色大理岩、麻粒岩2种变质岩开展冻融循环试验和相关力学试验。研究结果表明:在冻融循环过程中,2种砂岩的质量变化幅度明显高于2种变质岩。相较于青砂岩与麻粒岩,大理岩的单轴压缩强度及弹性模量劣化速率最快。冻融前后青砂岩、大理岩的单轴压缩破坏模式发生明显变化。灰砂岩抗拉强度劣化速率显著低于青砂岩。基于单轴抗压强度、抗拉强度的脆性指数表明冻融作用提高青砂岩的脆性。研究结果可为冻融影响下工程岩体的稳定性与安全性评价提供参考。     

含瓦斯煤低温取芯过程煤芯温度变化规律实验研究

为避免现有的煤层瓦斯含量井下测定方法在取样过程中出现瓦斯损失量较多的情况,提出了低温(0℃及以下)取芯的方法。煤芯温度是影响取芯过程瓦斯损失量的主要因素,使用自制模拟装置,对含瓦斯煤低温环境取芯过程温度变化规律进行了实验研究。研究结果表明:在定量冷冻剂的条件下,保持初始吸附平衡压力不变,随着外加热源热量输出强度的增加,煤芯在低温环境(0℃及以下)持续时间和升温时间均减小,降到所需低温环境的速度很快,均在8 min以内;保持外加热源热量输出强度不变,改变初始吸附平衡压力,煤芯温度降至所需低温环境时间在8 min以内,且低温环境持续时间都能稳定在130 min以上。在实验过程中,煤芯温度呈"U"形变化,经历快速下降、低温维持、温度回升3个阶段。     

不同滑坡体积对水下管道冲击作用研究

为有效评估水下管道安全,保障管道系统的可靠性和完整性,采用物理模型试验方法,研究滑坡涌浪作用下,水下管道壁面处涌浪冲击压力的特征。首先探讨滑坡涌浪发展过程;然后分析管道壁面不同测点处涌浪冲击压力和不同体积滑块对管道壁面处冲击压力的影响;最后得到管道涌浪冲击压力与滑块体积的关系式。结果表明:随着滑块体积增大,管道壁面处最大涌浪冲击压力近似线性增长;由于涌浪的叠加、反射,同一工况下,远端测点的最大涌浪冲击压力大于近端测点;在水深、滑坡入水角度相同时,滑块体积越大,管道测点处最大压力值、压力平均值越大,压力的波动程度越大。     

不同应力条件下裂隙岩体广义流变特性及稳定性研究

裂隙岩体开挖后形成扰动区,随着时间的延长,应力和应变同时变化的这种流变现象确实存在,在刚性支护后,随着时间的延长,强度会恢复,且在强度恢复过程中应力和应变又同时变化,这种流变现象用一般的蠕变和应力松弛很难解释清楚,通过广义流变来研究不良地质裂隙岩体的稳定性和长期强度非常重要。首先,对广义流变特征、力学机制进行了总结分析,将隧道开挖扰动区分为开挖破碎区(Excavation Fracture Zone, EFZ)、开挖损伤区(Excavation Damaged Zone, EDZ)和原岩弹性区(Inner Elastic Zone, IEZ),将峰后卸荷损伤区(Unloading Damage Zone, UDZ)和塑性流变区(Plastic Disturbed Zone, PDZ)合并为广义流变损伤区(Generalized Relaxation Disturbed Zone, GRDZ),重点探讨了不同裂隙岩体开挖扰动区岩石广义流变的工程物理意义;然后,开展了不同条件下的广义流变试验,得到裂隙岩体开挖扰动区岩石的广义流变特性;对比分析了单轴压缩、单轴拉伸和三轴压缩条件下广义流变特征...     

不同层理方向裂隙煤体承压过程瓦斯渗透规律实验研究

为获取应力加卸载过程中3种不同层理方向裂隙煤体的瓦斯渗透规律,采用应力瓦斯渗透模拟实验装置对加卸载过程平行、斜交及垂直层理方向的原煤试件进行了实验。研究结果表明:加载过程中,3个煤样试件的渗透率与所施加的有效应力成正比,当有效应力最大时平行层理裂隙煤样试件的渗透率的降幅最大,不同层理方向最大渗透率比值为7.2∶1;卸载过程中,渗透率与有效应力之间存在反比关系,在应力卸载初始阶段渗透率增幅不大,当有效应力卸荷到一定程度时,渗透率的增幅陡然增加,相同的卸载条件下,斜交层理试件的渗透率恢复比最大。研究结果可为煤体抽放钻孔布置提供一定参考,以使瓦斯抽采效果最大化。