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含瓦斯煤体受载微破坏模型及失稳判识准则

煤炭学报 2024年第2期49卷 707-719页

作者：聂百胜赵丹王孟霞柳先锋刘鹏邓博知朱熹阳秦枫马昕钰赵九红彭守建重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083

煤体内孔隙和骨架分布对煤储层内气体运移及瓦斯动力灾害的发生具有重要的影响。为进一步探索含瓦斯煤体微观破坏机理,针对含瓦斯煤的微观破坏过程,对其微破坏形式展开详细的研究。采用原子力显微镜对加载前后突出煤样和非突出煤样表面... 详细信息

煤体内孔隙和骨架分布对煤储层内气体运移及瓦斯动力灾害的发生具有重要的影响。为进一步探索含瓦斯煤体微观破坏机理,针对含瓦斯煤的微观破坏过程,对其微破坏形式展开详细的研究。采用原子力显微镜对加载前后突出煤样和非突出煤样表面进行了原位测试,结果表明:不同煤样受载后,煤样表面结构均会发生变化,闭孔孔径有所减小,部分孔隙遭到破坏,相邻闭孔之间有连通趋势。加载前煤样孔隙呈无规律分布,加载后孔隙连通性增强,开孔孔喉数量有所增加。煤样加载后由于孔隙的连通导致突出煤样煤骨架模量降低,而非突出煤样由于本身强度较高,施加载荷导致煤体内部结构被压实,弹性模量略有增加。定义了煤体微观破坏类型及概念,分析了煤体孔隙及煤骨架周边应力分布特征,揭示了不同情况下含瓦斯煤体微观破坏机制。同时,对闭孔微气爆的影响因素展开讨论,狭长型椭圆孔端部孔壁处所受应力更大,更容易发生闭孔微气爆。描述了开孔微损伤的2种发生形式,揭示了孔隙“瓶颈效应”的制约对微破坏发生的机理。明确了原生缺陷结构为煤骨架的薄弱环节,并对其发生破裂的演化规律进行分析。基于线弹性断裂力学、弹塑性力学以及渗流力学等理论知识,提出了应力扰动作用下孔隙破坏和煤体失稳判识准则,总结了含瓦斯煤体微观破坏特征及其诱导煤与瓦斯突出的机制,并对煤与瓦斯突出的研究方向提出展望。

关键词：孔隙失稳判识微破坏煤骨架煤与瓦斯突出

沿空留巷Y型通风瓦斯运移规律及风量调控研究

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矿业安全与环保 2024年第3期51卷 16-27,35页

作者：邓博知夏晓峰聂百胜周皓文靳崇亮重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 山西焦煤汾西矿业东瑞煤业山西临汾042404

沿空留巷Y型通风“两进一回”工作面和采空区尾巷存在瓦斯涌出问题,当瓦斯超限时,易诱发瓦斯爆炸等灾害。以山西东瑞煤矿沿空留巷工作面为研究对象,利用Fluent数值模拟软件,模拟沿空留巷Y型通风瓦斯运移基本规律,分析不同通风条件对瓦... 详细信息

沿空留巷Y型通风“两进一回”工作面和采空区尾巷存在瓦斯涌出问题,当瓦斯超限时,易诱发瓦斯爆炸等灾害。以山西东瑞煤矿沿空留巷工作面为研究对象,利用Fluent数值模拟软件,模拟沿空留巷Y型通风瓦斯运移基本规律,分析不同通风条件对瓦斯浓度分布的影响。结果表明:增加运输巷道风量使沿空留巷瓦斯浓度降低,增加辅运巷道风量使工作面瓦斯浓度降低;当总风量不变时,2条进风巷道的风量配比对工作面瓦斯浓度影响较大,对采空区瓦斯浓度影响相对较小。随着采煤工作面推进距离的增加,沿空留巷和工作面的瓦斯治理难度上升,最佳通风配比量由运输巷道向辅运巷道倾斜。在煤矿开采过程中,应不断调节进风巷风量配比来预防工作面和尾巷的瓦斯浓度升高,同时,还应提高采空区密闭程度、加强采空区的漏风管理。

关键词：沿空留巷瓦斯运移规律 Y型通风瓦斯防控数值模拟风量配比

基于三维点云计算的CO_(2)-水-岩反应程度量化表征方法

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实验技术与管理 2024年第6期41卷 9-19页

作者：蒋长宝程岳李春梅侯典东杨毅毫焦冰洋赵冬邓博知重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400030 重庆大学材料科学与工程学院重庆400030 兖矿能源集团股份有限公司济宁三号煤矿山东济宁272169

CO_(2)地质封存是减少大气中CO_(2)排放,降低温室效应的重要途径,CO_(2)注入含水地层中时,CO_(2)-水-岩反应可能引起岩石矿物的侵蚀,对CO_(2)地质封存安全性产生显著影响。在室内实验中,通过表征岩石表面的形貌特征可以有效地评估CO_(2)... 详细信息

CO_(2)地质封存是减少大气中CO_(2)排放,降低温室效应的重要途径,CO_(2)注入含水地层中时,CO_(2)-水-岩反应可能引起岩石矿物的侵蚀,对CO_(2)地质封存安全性产生显著影响。在室内实验中,通过表征岩石表面的形貌特征可以有效地评估CO_(2)-水-岩反应程度,为CO_(2)地质封存的安全性评估提供科学依据。通过三维点云计算可以精确量化地表征CO_(2)-水-岩反应程度,这种方法首先运用三维激光扫描技术,构建岩石表面的三维模型,确定CO_(2)-水处理前岩石表面三维模型的基准面,并基于处理前的均方根粗糙度确定处理后岩石表面三维模型的基准面。基于三维模型点云信息,提出了两种不同的体积计算新方法,并通过对规则模型体积的计算比较了两种计算方法的准确性与适用性,可根据实际情况选择两种计算方法量化表征CO_(2)-水处理前后岩石表面的侵蚀体积。最后,以陕西省咸阳市某煤矿煤样为例,开展了CO_(2)-水-岩反应模拟试验,验证了计算的可行性。试验结果表明:该文提出的侵蚀体积计算方法可有效地量化表征CO_(2)-水-岩反应程度,CO_(2)-水处理后岩石表面不同区域的侵蚀差异性明显,岩石表面的侵蚀体积与均方根粗糙度之间存在显著的正比关系,随着均方根粗糙度的增大,侵蚀体积也相应上升。

关键词：三维点云 CO_(2)-水-岩基准面均方根粗糙度反应程度

流固耦合下温度对原煤渗透特性影响的试验研究

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流固耦合下温度对原煤渗透特性影响的试验研究

作者：邓博知重庆大学

学位级别：硕士

本文以不同地区的原煤试样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,在流固耦合条件下,进行了温度对煤样渗透特性影响的试验研究,并采用双孔渗透模型对煤样渗透率随温度的变化机理进行了理论分析,主要得到以... 详细信息

本文以不同地区的原煤试样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,在流固耦合条件下,进行了温度对煤样渗透特性影响的试验研究,并采用双孔渗透模型对煤样渗透率随温度的变化机理进行了理论分析,主要得到以下结论:①通过进行不同温度、不同有效应力条件下煤样的渗透试验,得出:在较高有效应力状态下,随温度的升高,煤样渗透率呈现下降的趋势。在较低有效应力状态下,随温度的升高,煤样渗透率呈现先下降后上升的趋势。②对不同温度条件下,滑脱效应对煤样渗透率的影响规律进行了分析,计算了煤样的绝对渗透率和滑脱因子。随着温度的升高,煤样的绝对渗透率呈现减小的趋势,而滑脱因子呈现增加的趋势,滑脱效应越来越明显。③进行了不同瓦斯压力条件下,煤样循环升降温的渗透试验,得出:经历循环升降温后,煤样渗透率减小。随着循环次数的增加,煤样渗透率逐渐减少并趋于稳定。④进行了不同层理方向煤样的渗透试验,得出:在相同有效应力条件下,平行层理煤样的渗透率、径向应变均大于垂直层理煤样的渗透率,而其体积应变和轴向应变均小于垂直层理试样。⑤基于双孔渗透模型,得出煤体渗透率受其基质的“孔隙”和基质之间的“裂隙”的共同控制。通过分析温度升高引起的热膨胀对双孔渗透模型的影响,得出随温度的升高,基质之间的“裂隙率”减小,因此煤体渗透率减小。

关键词：温度渗透率热膨胀循环升降温

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模拟原煤的相似材料试验研究

东北大学学报（自然科学版） 2015年第1期36卷 138-142页

作者：康向涛黄滚邓博知韩佩博重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030

为制备原煤的相似材料,选用煤粉和沙子为两种骨料,石膏和水泥为胶结剂,应用单因素分析法,分别就煤粉、石膏、水泥和沙子之间的不同配比对相似材料强度的影响进行了试验研究.结果表明,以煤粉为骨料的相似材料,其试样强度与煤粉用量呈线... 详细信息

为制备原煤的相似材料,选用煤粉和沙子为两种骨料,石膏和水泥为胶结剂,应用单因素分析法,分别就煤粉、石膏、水泥和沙子之间的不同配比对相似材料强度的影响进行了试验研究.结果表明,以煤粉为骨料的相似材料,其试样强度与煤粉用量呈线性负相关,且相关性显著,相似材料性能也易掌控;而以沙子为主料的相似材料,其试样强度与沙子用量呈非线性关系,试样强度波动较大,相似材料性能不易掌控.因此,以煤粉做原煤相似材料的骨料比沙子要合适,研究结果为原煤相似材料的制备提供了借鉴.

关键词：原煤相似材料骨料煤粉配比

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加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

工程科学学报 2016年第12期38卷 1674-1680页

作者：赵宏刚张东明刘超邓博知边光李文璞重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线... 详细信息

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.

关键词：煤加卸载力学特性渗透率

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

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力学学报 2022年第8期54卷 2304-2317页

作者：邓博知聂百胜柳先锋石发瑞重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源与安全学院重庆400030 煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

煤炭是我国的主体能源,煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产.煤体是典型的混合物,其内部不同组分的力学性质差异较大,使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中,导致煤体的失稳、破坏,形成煤矿动力灾... 详细信息

煤炭是我国的主体能源,煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产.煤体是典型的混合物,其内部不同组分的力学性质差异较大,使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中,导致煤体的失稳、破坏,形成煤矿动力灾害.本文以非均质煤体为研究对象,利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳-微米压入实验,研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质,实验研究结果表明:煤体是有机物和多种矿物组成的混合物,矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中,不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异,这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性;纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构,测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数,识别两者力学性质的巨大差异;微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质,矿物填充量越多,煤体混合物的力学性质越强,同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响.研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征,探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏,为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基础.

关键词：煤与瓦斯突出煤体矿物填充结构煤体非均质特征仪器化压入实验

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卸轴压条件下原煤变形及渗透特性实验研究

岩石力学与工程学报 2016年第A02期35卷 3689-3695页

作者：边光张东明李铭辉邓博知赵宏刚刘超重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

利用自行研制的煤岩热流固耦合实验系统,以原煤为研究对象,进行不同卸轴压起始应力条件下原煤变形及渗透特性的实验研究。结果表明:(1)卸轴压时,原煤轴向应力–应变关系可用二次函数表示;原煤变形模量随卸轴压起始应力的升高而减小。(2... 详细信息

利用自行研制的煤岩热流固耦合实验系统,以原煤为研究对象,进行不同卸轴压起始应力条件下原煤变形及渗透特性的实验研究。结果表明:(1)卸轴压时,原煤轴向应力–应变关系可用二次函数表示;原煤变形模量随卸轴压起始应力的升高而减小。(2)随着轴压的降低,原煤渗透率上升速率逐渐增大;卸轴压过程中,原煤渗透率的增长趋势随卸轴压起始应力的增大而平缓;线弹性阶段不同起始应力卸轴压,原煤渗透率的变化具有较好的相似性。(3)原煤瓦斯增透效果随卸轴压起始应力的增大而减弱,卸除单位应力时渗透率相对值的增加量与卸轴压起始应力的关系可以用对数函数表示;随着卸轴压起始应力的增大,卸轴压过程中增透率的增长趋势逐渐减弱。

关键词：岩石力学卸轴压原煤变形渗透特性增透率

真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究

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煤炭学报 2020年第5期45卷 1812-1823页

作者：鲁俊尹光志高恒李铭辉邓博知重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030

煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后,受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响,冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势,其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合... 详细信息

煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后,受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响,冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势,其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合动力灾害致灾机理对于动力灾害的有效防治至关重要。本文基于自主研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,进行了考虑气体影响的完整煤样和卸压孔煤样的5面加载、单面临空试验。结果表明,复合动力灾害是煤岩在应变能和气体内能作用下非线性瞬发性破坏的动态过程。其发生过程具有明显的阶段性,主要经历颗粒弹射、碎片弹射、局部煤体破坏、煤体抛出失稳和重新平衡状态,煤样破坏后形成明显弧形阶梯状煤体抛出坑。中间主应力在一定范围内有增强煤样强度的特性,试样强度随中间主应力的增加而逐渐增加,试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。钻孔卸压措施可在一定程度上改善煤岩力学性质,软化煤岩结构,降低煤岩强度,增强其塑性变形特性,使集聚的弹性能量缓慢释放,降低动力灾害发生的可能性。对比试验结果表明,卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大,塑性程度更强,钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构,与未钻孔和其他钻孔布置方式相比,致灾程度弱化,无明显动力显现特征,卸压效果更好。卸压钻孔主要通过优化能量释放结构,促进煤岩渐进式损伤,最终煤岩趋于静态缓慢式破坏。针对现场具体工程条件,提出了根据实际地应力、地质条件等布置卸压钻孔方位的技术方案和可行的治理措施。

关键词：真三轴应力复合动力灾害强度钻孔卸压含瓦斯煤体