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基于NMR类煤模型材料渗流性能与原煤相似性评估方法研究

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煤炭科学技术 2025年

作者：马衍坤颜泽文安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽理工大学安全科学与工程学院

物理模型实验是揭示煤岩动力灾害作用机制的重要研究手段，而类煤物理模型材料的配制是相似煤层铺设的关键。针对流固耦合失温类动力灾害（例如煤与瓦斯突出、突水等），模拟材料的渗流性能是试验的关键。为合理评估模拟材料渗流性能与... 详细信息

物理模型实验是揭示煤岩动力灾害作用机制的重要研究手段，而类煤物理模型材料的配制是相似煤层铺设的关键。针对流固耦合失温类动力灾害（例如煤与瓦斯突出、突水等），模拟材料的渗流性能是试验的关键。为合理评估模拟材料渗流性能与原煤的相似性，提出利用加卸载过程材料孔裂隙结构与渗透率的Pearson相关系数进行相似性评估的方法，并配置了类煤材料进行了试验验证。结果表明：①相关系数P能够有效反映加卸载过程中原煤与类煤材料的渗流性能的相似性，两种煤样的渗流孔孔隙度、渗透率和渗流孔可压缩性系数(CP)的最小相关系数P分别为0.624、0.913和0.888，渗流性能在整体变化上保持强相似或极强相似。②在加卸载过程中，两种煤样的孔隙度和渗透率均孔隙度和渗透率均与围压呈负相关，且渗透率对应力的敏感性较高。③两种煤样的CP与围压呈负相关，且卸载过程中的CP值高于加载过程中的CP值。研究成果为类煤物理模型材料渗流性能相似性评估提供依据，对开展物理模型试验研究具有指导意义。

关键词：类煤材料循环加卸载孔裂隙结构渗透率核磁共振

深部开采煤矿典型动力灾害孕灾主控因素与机制研究进展

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煤炭学报 2025年

作者：杨科郭鹏慧袁亮曹安业张永将马衍坤李家卓安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室中国矿业大学矿业工程学院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室

进入深部开采，煤岩非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合现象加剧，冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励，煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重，成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产的“绊脚石”，防治煤矿典... 详细信息

进入深部开采，煤岩非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合现象加剧，冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励，煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重，成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产的“绊脚石”，防治煤矿典型动力灾害的前提和基础是对其发生机理深入研究。因此，需要掌握我国煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究领域的整体进展以及孕灾主控因素与机制。总结了前人及研究团队已有研究成果，利用CiteSpace软件对文献进行梳理，通过关键词共现和突现知识图谱分析，阐述了煤矿典型动力灾害领域发展历程中每个阶段的研究热点以及未来发展态势；厘清了不同孕灾条件对煤与瓦斯突出和冲击地压影响的差异性；探讨了煤矿典型动力灾害孕育的“五效应”机制。分析认为，围绕煤矿典型动力灾害领域的研究均是从其发生机理及孕灾因素为基点，孕灾因素以天然地质条件为主、开采技术条件为辅，不同的孕灾环境形成的典型动力灾害表现形式不同，典型动力灾害孕育机制包括物质内在效应、应力超载效应、能量驱动效应、结构异变效应和煤岩体时变效应，五者相互作用、相互影响。根据当前深部开采面临的问题和亟需攻克的关键难题提出了研究展望，亟待深入研究煤矿典型动力灾害全生命周期孕育特征、演化规律、致灾机理，深部强扰动作用下煤矿典型动力灾害前兆信息智能辨识、预警指标融合，以及多灾种链生灾害联防联控体系，从而有效保障深部煤炭资源安全高效开采。

关键词：深部开采煤与瓦斯突出冲击地压煤岩瓦斯复合动力灾害

基于NMR震动载荷作用下含层理煤样损伤演化特征

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采矿与安全工程学报 2025年第1期42卷 126-136页

作者：马衍坤黄勤豪刘泽伟柴虎峰殷志强王超吴昌潘科举安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 山东能源集团西北矿业有限公司陕西西安710018

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了含层理烟煤煤样震动载荷多次冲击试验,借助低场核磁共振分析仪测试每次冲击后煤样的T2谱,并进行核磁共振成像(MRI),研究层理对煤样损伤演化的影响规律。结果表明:层理的存在会劣化煤样承载... 详细信息

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了含层理烟煤煤样震动载荷多次冲击试验,借助低场核磁共振分析仪测试每次冲击后煤样的T2谱,并进行核磁共振成像(MRI),研究层理对煤样损伤演化的影响规律。结果表明:层理的存在会劣化煤样承载能力,60°层理煤样能量透射效应最差,吸收的能量主要用于煤样的损伤破坏,此时劣化作用最强;震动载荷多次冲击作用下,煤样微观结构损伤整体呈现出“初始跃进—低速增长—加速上升”3个演化阶段;随着层理角度增大,层理对煤样损伤过程的影响愈发明显,对于0°层理煤样,损伤破坏区沿层理面呈弧形贯通发展趋势,对于30°和60°层理煤样,损伤破坏区沿层理面向煤样两端扩展,对于90°层理煤样,在沿层理面发育的孔裂隙作用下,最终出现复杂交织的损伤破坏区,4种含层理煤样呈现拉伸破坏(0°)—剪切破坏(30°、60°)—混合破坏(90°)的演化趋势。研究成果为揭示震动载荷作用下煤岩动力灾害机制提供了参考。

关键词：层理煤样震动载荷核磁共振(NMR) 损伤演化

考虑损伤效应的开拓巷道冲击地压发生机理及防控技术体系

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采矿与安全工程学报 2025年第1期42卷 137-146页

作者：李家卓闫康行王洪涛窦林名马衍坤宋士康卢育徐振忠黎旭博安徽理工大学矿业工程学院安徽淮南232001 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 山东能源集团西北矿业有限公司陕西西安710018 安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001

开拓巷道、上下山及其联络巷和巷道内硐室因其服务年限长,长期受到高静载和采掘活动产生的频繁动载影响,常出现远距离采掘引起的冲击地压现象,难以针对性进行防控。以上述巷道为背景,综合采用案例分析、现场监测、实验室试验和理论分析... 详细信息

开拓巷道、上下山及其联络巷和巷道内硐室因其服务年限长,长期受到高静载和采掘活动产生的频繁动载影响,常出现远距离采掘引起的冲击地压现象,难以针对性进行防控。以上述巷道为背景,综合采用案例分析、现场监测、实验室试验和理论分析方法,划分诱发开拓巷道冲击地压远-中-近场采掘活动范围,解释远距离采掘活动诱发开拓巷道冲击地压原因,得出考虑损伤效应的开拓巷道冲击地压发生机理及其防控技术体系。研究表明:在工作面采掘活动影响下开拓巷道微震事件频率及震级在增加,根据微震能量密度与开拓巷道和工作面距离定义采动响应指标φ,由采掘活动引起的开拓巷道区域φ值定量阐述煤体损伤与冲击地压危险程度的联系。中-近场采掘活动带来的循环动载使煤体产生不可逆损伤并不断累积,φ值超过冲击临界值,从而中场动载也会成为冲击地压的诱因。结合考虑损伤效应的开拓巷道冲击地压发生机理,提出冲击源头优化-局部精准防控的开拓巷道全生命周期冲击地压防控技术体系。研究结果可为此类开拓巷道冲击地压防控提供理论依据与技术支持。

关键词：远-中-近场开拓巷道微震能量密度累积损伤诱冲机理防控技术体系

围压循环加卸载对煤体孔裂隙结构及渗透率影响的试验研究

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煤 2025年第4期34卷 43-47,74页

作者：颜泽文马衍坤安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001

为探索围压循环加卸载下煤体孔裂隙结构及渗透率的演化规律,采用围压循环加卸载在线核磁共振测试方法,测试得到了褐煤循环加卸载过程T_(2)图谱演化曲线及其渗透率。结果表明,孔裂隙结构和渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差... 详细信息

为探索围压循环加卸载下煤体孔裂隙结构及渗透率的演化规律,采用围压循环加卸载在线核磁共振测试方法,测试得到了褐煤循环加卸载过程T_(2)图谱演化曲线及其渗透率。结果表明,孔裂隙结构和渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。孔隙度、渗透率均与围压呈负相关关系,且任意一次加载过程的孔隙度和渗透率均大于该次卸载过程的。渗流通道随围压的增大而逐渐闭合,在卸载过程中则无法完全恢复,另一方面围压的彻底卸除引发裂隙的张开,新的渗流通道出现。研究结果可为煤矿动力灾害防治和矿井高效安全生产提供理论支撑。

关键词：循环加卸载孔裂隙结构渗透率核磁共振

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浇筑型类煤材料配置与气体渗透性能对比分析

煤炭与化工 2025年第3期48卷 99-105页

作者：杨文旺张珍马衍坤安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

为了分析原煤与浇筑型类煤相似材料在不同压力条件下的渗透特性变化,采用核磁共振在线渗吸系统,分别对2种煤样进行渗透率测试试验,分析原煤与浇筑型类煤相似材料的气体渗透率随孔隙压力变化的规律。结果表明,①原煤与类煤材料的渗透率... 详细信息

为了分析原煤与浇筑型类煤相似材料在不同压力条件下的渗透特性变化,采用核磁共振在线渗吸系统,分别对2种煤样进行渗透率测试试验,分析原煤与浇筑型类煤相似材料的气体渗透率随孔隙压力变化的规律。结果表明,①原煤与类煤材料的渗透率随着压力差的改变可以分为2个阶段,即在压力差为0.04~0.54 MPa时,渗透率随着压力差的增加而快速下降,原煤的渗透率下降75.19%,类煤材料的渗透率下降87.83%~92.26%;在压力差为0.54~0.84 MPa时,渗透率随着压力差的增加而缓慢下降,原煤的渗透率下降了17.09%,类煤材料的渗透率下降28.28%~43.35%;②在相同压力差条件下,类煤材料的渗透率始终高于原煤,随着压力差的逐渐增大,类煤材料与原煤之间的渗透率差值呈现出一种逐渐减小的趋势,在压力差为0.54~0.84 MPa渗透率的衰减量小于0.04~0.54 MPa渗透率的衰减量;③原煤和类煤材料的孔压敏感性系数和渗透率变化率随孔隙压力的变化分为2个阶段,第一阶段是在孔隙压力为0.13~0.33 MPa时,孔压敏感性系数随孔隙压力的增加而快速下降,渗透率变化率随着孔隙压力的增加而快速上升,原煤和类煤材料的孔压敏感性系数分别下降44.94%和69.08%~75.18%,渗透率变化率分别上升63.66%和19.4%~35.3%;第二阶段是在孔隙压力为0.33~0.48 MPa时,孔压敏感性系数随孔隙压力的增加而缓慢下降,渗透率变化率随着孔隙压力的增加而缓慢上升,原煤的孔压敏感性系数分别下降33.97%和24.36%~35.97%,渗透率变化率分别上升5.33%和2.45%~4.92%。

关键词：相似材料孔隙压力 NMR 渗透特性孔压敏感性系数渗透率变化率

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煤体强度差异对裂缝跨界面扩展影响规律研究

中国安全生产科学技术 2025年第3期21卷 119-125页

作者：刘洪杰马衍坤王小岐周健安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学矿山安全高效开采安徽省高校工程技术研究中心安徽淮南232001 安徽理工大学煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台安徽淮南232001 京昆高速铁路西昆有限公司重庆400020 中铁隧道局集团有限公司广东广州511400

为探究岩煤界面两侧力学性能差异对裂缝跨界面扩展行为的影响,利用自主研制的单面可视煤岩真三轴水力压裂试验系统,对含不同强度煤体的组合体试块开展真三轴水力压裂试验。采用AE与DIC分析方法研究裂缝跨界面扩展过程的声发射和应变场... 详细信息

为探究岩煤界面两侧力学性能差异对裂缝跨界面扩展行为的影响,利用自主研制的单面可视煤岩真三轴水力压裂试验系统,对含不同强度煤体的组合体试块开展真三轴水力压裂试验。采用AE与DIC分析方法研究裂缝跨界面扩展过程的声发射和应变场响应规律。研究结果表明:裂缝在低强度煤层扩展过程中缝网展布形态复杂,水压曲线呈现出高频次的锯齿状波动,声发射信号反应较为剧烈;在高强度煤层扩展过程中缝网展布形态相对单一,水压曲线呈现出较低程度的波动,声发射信号反应较为平静。裂缝在扩展过程中两侧会出现明显拉伸与压缩应变局部化区域,应变局部化区域形态与裂缝扩展路径基本一致。随着裂缝跨越岩煤界面进入煤层,裂缝两侧呈现出明显的拉伸与压缩应变局部化带,不同强度煤岩体试块相较起裂时增大了4.29~11.09倍。裂缝两侧应变集中程度也迅速增大,拉应变值和压应变值分别增大了2.07~2.46倍和1.15~5.02倍。研究结果对顶板导向水力压裂技术研究具有重要参考意义。

关键词：顶板水力压裂岩煤界面岩煤强度差异声发射分析数字图像相关方法

砂砾岩油气储层水力压裂强化增透裂隙扩展特性试验研究

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岩土力学 2021年

作者：蔡峰于鹏马衍坤周健安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室

水力压裂是提高砂砾岩油气储层渗透率从而提高油气产量的有效方法。本文利用由冻土三轴力学实验系统改装而成的三轴水力压裂物理实验系统,系统的考察了六个粒径等级的砂砾岩试样在水力压裂作用下的相关力学特性,测试了不同粒径等级试样... 详细信息

水力压裂是提高砂砾岩油气储层渗透率从而提高油气产量的有效方法。本文利用由冻土三轴力学实验系统改装而成的三轴水力压裂物理实验系统,系统的考察了六个粒径等级的砂砾岩试样在水力压裂作用下的相关力学特性,测试了不同粒径等级试样的起裂压力,研究获得了不同粒径尺寸等级下砂砾岩试样裂隙发育、扩展特性和应变演化规律,砂砾岩的粒径等级越大,裂纹分支越多,粒径等级越小,裂纹分支越少;揭示了不同粒径尺寸等级下砂砾岩试样主裂缝起裂与扩展规律,推导出了起裂时水压力的临界值计算公式和起裂判据,其计算结果与实验数据基本吻合。研究成果可以为砂砾岩油气开采提供理论支撑。

关键词：砂砾岩水力压裂增透裂隙扩展

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煤样破裂表面电位多重分形特征

煤炭学报 2013年第9期38卷 1616-1620页

作者：刘杰王恩元李忠辉马衍坤中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221008 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221008 安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001

为深入分析煤样受载破裂机制,试验研究了煤样单轴压缩下表面电位变化规律,应用多重分形统计理论分析表面电位信号,计算其多重分形谱,并分析多重分形谱特征参数随加载过程的变化规律。研究结果表明:煤样表面电位信号存在多重分形特征,在... 详细信息

为深入分析煤样受载破裂机制,试验研究了煤样单轴压缩下表面电位变化规律,应用多重分形统计理论分析表面电位信号,计算其多重分形谱,并分析多重分形谱特征参数随加载过程的变化规律。研究结果表明:煤样表面电位信号存在多重分形特征,在较大尺度内满足标度不变性;不同尺寸的试样,表面电位信号多重分形谱呈右钩状;多重分形谱特征参数Δα和Δf的变化规律与试样受载变形破裂过程具有良好的对应关系,Δα和Δf经过较长时间平稳升高后迅速下降的趋势改变可以作为破裂的前兆信息,对试样失稳进行提前预警。

关键词：表面电位时间序列多重分形谱特征参数