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温度和应力作用下煤岩损伤演化及渗透特性研究

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温度和应力作用下煤岩损伤演化及渗透特性研究

作者：吴学海贵州大学

学位级别：硕士

煤炭是保障国家稳定发展的基础能源,对于煤炭资源的利用,不仅局限于煤炭本身,更在于具有开采利用价值的煤层气(CBM)。开发CBM不仅可以缓解我国天然气供应不足问题,优化能源结构,还能有效降低采掘扰动下煤与瓦斯突出的事故发生率。因此,... 详细信息

煤炭是保障国家稳定发展的基础能源,对于煤炭资源的利用,不仅局限于煤炭本身,更在于具有开采利用价值的煤层气(CBM)。开发CBM不仅可以缓解我国天然气供应不足问题,优化能源结构,还能有效降低采掘扰动下煤与瓦斯突出的事故发生率。因此,采掘扰动下煤岩力学响应和渗透率变化的分析是亟待解决的关键问题。尤其对于深部开采,高地应力、高地温和高瓦斯压力等问题使得煤岩损伤与渗流演化机制变得更加复杂。故研究温度和应力作用下煤岩损伤演化及渗透特性变化对CBM抽采及煤矿安全开采具有重要现实意义。以山西晋城赵庄矿3#煤层原煤为研究对象,开展温度和应力作用下煤岩三轴渗流试验。分析温度、瓦斯压力和围压对煤岩损伤及渗透特性的影响,基于统计损伤理论、弹塑性力学、渗流力学等多学科交叉融合理论,探讨煤岩损伤-渗流耦合基机制。研究成果为:1)分析温度和应力作用下煤岩变形破坏过程中力学特性及渗透特性变化,结果表明:煤岩抗压强度、弹性模量随着温度和瓦斯压力的升高而降低,随着围压的增加而升高;在破坏前,煤岩经历了压实、线弹性变形和屈服阶段,渗透率在前两个阶段下不断降低而在后一个阶段有所回升。在破坏后,煤岩经历应力跌落阶段和残余强度阶段,渗透率急剧升高。2)基于Mohr-Coulomb破坏准则,利用黏聚力与瓦斯压力的关系修正煤岩微元表达式,并建立三轴应力下煤岩统计损伤本构模型,分析损伤演化规律。结果表明:不同瓦斯压力下全应力应变数据验证了模型具有较好的可靠性;三轴应力下煤岩损伤演化曲线呈S型形状,在初始压密及弹性阶段下损伤变量几乎保持不变;塑性变形阶段下损伤变量迅速上升;应力跌落阶段下损伤变量达到最大值,且趋于1。3)考虑热膨胀和气体吸附效应修正弹性变形,结合弹塑性理论和统计损伤思想,建立温度和应力作用下的煤岩损伤本构关系,进一步建立考虑损伤的渗透率模型。利用1)中不同温度和不同瓦斯压力条件下的渗流试验数据对比验证新建模型的合理性,揭示温度和应力作用下煤岩损伤-渗流特征。4)基于广义塑性位势理论推导塑性应变,并结合应力-应变本构关系修正损伤变量表达式,将修正后的损伤变量代入简化渗透率模型,进而构建煤岩弹塑性损伤-渗透率耦合模型。利用1)中不同围压下全应力应变-渗流试验数据对新建模型进行验证,同时该模型经简化后仍适用于不同孔隙压力和不同有效应力下的渗流模拟。分析了损伤与渗流的耦合机制,证明了煤岩损伤是渗透率突增的根本原因,同时揭示了瓦斯渗流可诱导煤岩产生损伤。

关键词：煤岩弹塑性全应力应变损伤变量渗透率模型

不同孔隙压力和围压下煤岩渗透及力学特性试验研究

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煤炭科学技术 2023年第8期51卷 150-159页

作者：付佳乐李波波高政吴学海王忠晖许江贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵州贵阳550025 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

随着煤矿开采深度不断增大,煤岩力学性质响应和瓦斯运移机制变得异常复杂。为探究工程上先抽后采一体化作业下煤岩损伤演化规律和瓦斯渗流机制,以重庆松藻煤矿K2煤层型煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对同... 详细信息

随着煤矿开采深度不断增大,煤岩力学性质响应和瓦斯运移机制变得异常复杂。为探究工程上先抽后采一体化作业下煤岩损伤演化规律和瓦斯渗流机制,以重庆松藻煤矿K2煤层型煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对同一试件先后进行了降孔隙压力渗流试验和三轴压缩-渗流试验。根据弹塑性理论,推导表征煤岩全应力应变关系的统计损伤本构模型,进一步构建考虑损伤作用下煤岩渗透率模型。研究结果表明:在降孔隙压力渗流试验中,恒定外应力条件下的煤岩渗透率随孔隙压力降低呈现出先平缓上升后急剧上升趋势。在此过程中,煤岩渗透率变化受有效应力和瓦斯解吸相互竞争影响;在三轴压缩-渗流试验过程中,不同围压下煤岩变形阶段特征基本相似,随着围压增大,煤岩力学性质得到强化。煤岩渗透率曲线随轴向应变增大呈负指数函数变化;损伤变量曲线和塑性应变曲线随轴向应变增大均呈现先缓慢升高后急剧升高趋势,损伤演化过程与煤岩变形破坏各阶段全应力应变曲线相对应;通过与试验数据对比验证所建损伤本构模型和渗透率模型的合理性,表明模型能够较为准确地反映煤岩变形阶段特征及瓦斯渗流规律。

关键词：煤岩孔隙压力渗透率损伤变量塑性应变

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孔隙压力循环加卸载下煤岩渗流演化机制研究

中国矿业大学学报 2023年第4期52卷 739-749页

作者：叶平平李波波吴学海宋浩晟成巧耘许江贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵州贵阳550025 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为探究孔隙压力周期性变化对煤岩变形和渗流特性的影响,采用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展孔隙压力循环加卸载下煤岩的变形及渗流试验.基于基质-裂隙相互作用的重要性,引入内膨胀系数以量化气体吸附对裂隙体积模量的影... 详细信息

为探究孔隙压力周期性变化对煤岩变形和渗流特性的影响,采用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展孔隙压力循环加卸载下煤岩的变形及渗流试验.基于基质-裂隙相互作用的重要性,引入内膨胀系数以量化气体吸附对裂隙体积模量的影响,并进一步修正Betti-Maxwell互易定理,构建气体吸附效应控制下的煤岩渗流模型.结果表明:当有效应力恒定时,煤岩轴向应变、径向应变和体积应变随孔隙压力的增大而减小;相同孔隙压力下,随循环次数增大,煤岩体积应变和径向应变呈减小趋势,而轴向应变呈增大趋势.在孔隙压力加载的过程中,煤岩渗透率先迅速减小后趋于平缓,而卸载时煤岩渗透率有所恢复,但均小于加载阶段;相同孔隙压力下,随循环次数增大,煤岩渗透率呈减小趋势.新建模型所呈现的渗透率演化过程与试验测试结果基本保持一致,表明该模型可较好地描述孔隙压力循环加卸载下煤岩渗流演化过程.探讨不同循环次数下内膨胀系数演化规律,并发现在孔隙压力加载过程中,内膨胀系数随循环次数的增大而增大;而孔隙压力卸载过程中,内膨胀系数随循环次数的增大而减小.研究结果可为合理布置瓦斯抽采钻孔提供理论指导,对井下瓦斯高效抽采和瓦斯灾害防治具有重要意义.

关键词：煤岩孔隙压力渗透率互易定理循环加卸载

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气体压力降低对煤岩变形和渗流的影响机制

中国安全科学学报 2022年第4期32卷 129-134页

作者：吴学海李波波高政许江付佳乐贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵州贵阳550025 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为探究瓦斯抽采过程中压力降低引起的煤岩变形和气体渗流行为,基于气体压力降低的渗流试验及三轴压缩试验,得出煤岩变形和渗流变化特性;考虑吸附损伤修正基质收缩变形,构建煤岩渗透率模型,并用试验结果验证模型的合理性。研究结果表明:... 详细信息

为探究瓦斯抽采过程中压力降低引起的煤岩变形和气体渗流行为,基于气体压力降低的渗流试验及三轴压缩试验,得出煤岩变形和渗流变化特性;考虑吸附损伤修正基质收缩变形,构建煤岩渗透率模型,并用试验结果验证模型的合理性。研究结果表明:随气体压力降低,煤岩渗透率呈现出“V”型变化趋势,轴向变形和径向变形线性升高,且通入CO_(2)的煤岩比通入CH_(4)的煤岩变形更大,径向变化量是轴向变形量1.89倍;通入CO_(2)煤岩的弹性模量、峰值主应力差比通入CH_(4)的有不同程度降低;为保证安全生产,使用CO_(2)驱替或CO_(2)致裂增透技术时,应重视CO_(2)注入煤层后所引起的煤岩强度降低问题。

关键词：瓦斯抽采气体压力降低煤岩变形基质收缩吸附损伤渗流试验

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采气–采煤阶段煤岩渗透率演化机制研究

岩石力学与工程学报 2022年第1期41卷 132-146页

作者：贾荔丹李波波李建华高政许江吴学海贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵州贵阳550025 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为模拟煤矿现场先采气后采煤的作业过程,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展孔隙压力减小的煤岩渗流试验和全应力-应变-渗流试验。通过推导温度升高时煤岩裂隙宽度变化的表达式,进一步构建考虑温度-应力的煤岩渗透率模型,... 详细信息

为模拟煤矿现场先采气后采煤的作业过程,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展孔隙压力减小的煤岩渗流试验和全应力-应变-渗流试验。通过推导温度升高时煤岩裂隙宽度变化的表达式,进一步构建考虑温度-应力的煤岩渗透率模型,探讨温度与应力作用下煤岩瓦斯渗流演化机制。新建的煤岩渗透率模型包括有效应力、吸附/解吸、热膨胀及热裂四部分影响因素,并使用损伤变量表征裂纹扩容过程中产生的基质膨胀效应(热裂),结果表明:(1)当外应力恒定时,不同温度下渗透率随孔隙压力减小先略有减小而后迅速增大;当孔隙压力恒定时,渗透率随温度增大整体呈先减小后增大的趋势。(2)在煤岩全应力-应变-渗流试验过程中,渗透率随轴向应力的增大呈先减小后增大的趋势;煤岩弹性模量及峰值强度与温度之间呈负相关关系。(3)新建渗透率模型的计算值和实测值基本一致,可较好表征渗透率随孔隙压力及有效应力的演化规律。(4)基于内膨胀应力的定义,探讨温度与应力作用过程中内膨胀变形对渗透率的贡献。在温度恒定时,渗透率随内膨胀因子的增大而减小;煤岩裂隙宽度与损伤相关,在温度突变系数增大过程中渗透率随之减小。

关键词：采矿工程煤岩采气采煤渗透率温度

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沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

煤田地质与勘探 2022年第10期50卷 26-34页

作者：贾荔丹张林李波波吴学海高政王忠晖付佳乐贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 贵州大学喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵州贵阳550025

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得... 详细信息

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。

关键词：渗透率模型瓦斯抽采温度应力抽采时间

miR-181a-5p过表达慢病毒载体构建及对OSCC侵袭和迁移的影响

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实用口腔医学杂志 2023年

作者：薛瑞续国强杨钧婷杨一言吴学海宋国华山西医科大学口腔医学院口腔疾病防治与新材料山西省重点实验室山西医科大学实验动物中心实验动物与人类疾病动物模型山西省重点实验室

目的:构建过表达miR-181a-5p的口腔癌稳转细胞株,观察miR-181a-5p对口腔癌细胞生物学行为的影响并探讨其潜在机制。方法:成功构建miR-181a-5p慢病毒载体;利用CAL-27细胞筛选最佳嘌呤霉素浓度;运用激光共聚焦显微镜观察稳转细胞株荧光;qR... 详细信息

目的:构建过表达miR-181a-5p的口腔癌稳转细胞株,观察miR-181a-5p对口腔癌细胞生物学行为的影响并探讨其潜在机制。方法:成功构建miR-181a-5p慢病毒载体;利用CAL-27细胞筛选最佳嘌呤霉素浓度;运用激光共聚焦显微镜观察稳转细胞株荧光;qRT-PCR检测稳转株中miR-181a-5p和Bcl-2的表达、Western blot检测靶蛋白Bcl-2的表达;运用细胞划痕、Transwell实验和克隆形成实验检测稳转株的侵袭、迁移和增殖能力;使用qRT-PCR检测细胞侵袭和迁移关键因子的表达。结果:成功构建了过表达miR-181a-5p的口腔癌稳转株(Over expression,OE)及其对照(Negative control,NC)。发现OE细胞中miR-181a-5p的表达量显著高于NC和和空白对照组(Control)(P<0.01),OE组中Bcl-2的表达显著降低;同时,OE细胞的侵袭、迁移和增殖能力降低。此外,OE细胞中MMP2、MMP9、Vimentin和Ki67表达水平降低,而E-cadherin升高(P<0.01)。结论:miR-181a-5p过表达可显著抑制口腔癌的增殖、侵袭和迁移。

关键词： miR-181a-5p 稳转细胞株口腔癌侵袭迁移

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考虑虚拟边界与应力耦合的页岩渗透率模型

大庆石油地质与开发 2023年

作者：叶平平李波波吴学海宋浩晟段淑蕾成巧耘贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州大学矿业学院

为探讨页岩气开采过程中页岩渗透率的变化情况，基于毛细管层序模型，采用虚拟边界与应力耦合相结合的方法，按照一定权重系数将应力推导黏性流动和克努森扩散相加，建立了页岩纳米孔体相气体传输模型。结果表明：新建渗透率模型计算曲... 详细信息

为探讨页岩气开采过程中页岩渗透率的变化情况，基于毛细管层序模型，采用虚拟边界与应力耦合相结合的方法，按照一定权重系数将应力推导黏性流动和克努森扩散相加，建立了页岩纳米孔体相气体传输模型。结果表明：新建渗透率模型计算曲线与试验实测值吻合较好，可以较好揭示页岩纳米孔体相气体流动情况；与Lu模型和S&D模型相比，新建模型考虑虚拟边界与应力的耦合，表观渗透率模型计算曲线与试验结果更为吻合，且能很好地反映实测值与孔隙压力所呈现的变化规律，具有较好的优越性；页岩力学参数（弹性模量、泊松比）、Langmuir应变常数及裂隙压缩系数对页岩渗透率起抑制作用，主要表现为其值越大，页岩渗透率越小；初始渗透率对页岩渗透率起促进作用，表现为其值越大，页岩渗透率越大。研究成果可为页岩气开发提供理论支撑。

关键词：页岩气开采渗透率虚拟边界层序模型应力/应变黏性流动克努森扩散

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航空发动机的剩余寿命预测与健康状态评估

航空发动机的剩余寿命预测与健康状态评估

作者：吴学海电子科技大学

学位级别：硕士

航空发动机作为飞机的核心部件,其安全性、可靠性和经济性是航空发动机制造商、维修厂和航空公司等各相关部门关注的焦点。为了取得最大的经济效益和安全性,对航空发动机进行剩余寿命预测与健康评估有着重要意义。航空发动机气路部件是... 详细信息

航空发动机作为飞机的核心部件,其安全性、可靠性和经济性是航空发动机制造商、维修厂和航空公司等各相关部门关注的焦点。为了取得最大的经济效益和安全性,对航空发动机进行剩余寿命预测与健康评估有着重要意义。航空发动机气路部件是航空发动机的关键部件,故障率高,是发动机的主要监控对象。其性能参数存在着种类多,变化幅度大,趋势性不明显等问题。本文以航空发动机气路部件为研究对象,采用数据挖掘技术和人工智能算法作为工具,综合考虑在翼时间和性能参数对发动机寿命和健康状态的影响,构建了一种新的航空发动机剩余寿命预测方法和健康状态评估及预测方法。主要研究内容如下:分析了航空发动机的气路部件性能参数的特点,有针对性的选择适用于航空发动机气路部件性能参数的数据平滑方法。由于发动机性能参数随在翼时间波动较大,趋势不一致,本文采用两种不同的数据平滑方法进行对比试验,结果显示Savitzky-Golay平滑法较指数平滑法更适合用于发动机气路参数的预处理。对不同核函数的支持向量回归机应用于发动机性能趋势预测的效果进行讨论,并根据具体性能参数选择适合的核函数。在核函数决定后,利用遗传算法对支持向量回归机进行参数寻优,结果显示,采用最优参数的支持向量回归机预测准确率较高。利用支持向量回归机对发动机性能参数进行趋势预测,利用支持向量分类机建立综合考虑在翼时间和多种性能参数的失效决策模型,并将两者结合构成航空发动机剩余寿命预测模型,然后以真实失效数据进行验证。采用隐马尔可夫模型以发动机群全寿命数据为依据,建立航空发动机自适应健康状态分类评价方法。将多种性能参数作为观测值向量建立混合高斯隐马尔可夫模型,模拟航空发动机基于多性能参数的健康状态全寿命退化过程。并在此基础上,结合性能参数趋势预测方法,构建航空发动机健康状态预测方法。

关键词：航空发动机剩余寿命预测健康状态评估支持向量机隐马尔可夫模型