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瓦斯压力对煤体应力及失稳破坏特性影响分析

采矿与安全工程学报 2022年第4期39卷 847-856页

作者：张士岭和树栋瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院重庆400037

为探索渗流场下煤体应力分布及失稳破坏机制,借鉴土力学流土、管涌理论,基于达西定律与煤体渗流试验,对渗流场中瓦斯压力的作用形式、性质、大小进行了研究,进而建立了煤体一维渗透破坏机制。通过渗流-固体耦合作用下工作面煤体应力场分... 详细信息

为探索渗流场下煤体应力分布及失稳破坏机制,借鉴土力学流土、管涌理论,基于达西定律与煤体渗流试验,对渗流场中瓦斯压力的作用形式、性质、大小进行了研究,进而建立了煤体一维渗透破坏机制。通过渗流-固体耦合作用下工作面煤体应力场分析,得出煤体失稳破坏时地应力、瓦斯压力和煤体力学性质共同作用的力学模型,并进行了数值模拟验证。结果表明:渗透力是瓦斯压力作用在煤体的重要形式,是一种体积力,反映的是单位体积煤体所受到瓦斯流的推动和拖拽力,作用方向及量纲与瓦斯压力梯度一致。工作面煤壁是最易发生渗透破坏的位置,其渗透破坏所需瓦斯压力与采掘空间气压、降压区长度、煤体黏聚力乘积的0.5次方成正比,与煤厚和孔隙率乘积的0.5次方成反比。由于渗透力的作用,工作面煤壁产生拉应力,瓦斯压力为3 MPa时,拉应力超过0.4 MPa。煤体失稳破坏时瓦斯压力、地应力发挥作用大小随空间变化,越靠近煤壁,瓦斯压力作用越大,瓦斯压力梯度达到一定值后甚至占据主导作用;远离煤壁,瓦斯压力作用减小,地应力占据主导作用。

关键词：渗透力瓦斯压力梯度煤与瓦斯突出力学模型渗透破坏

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巷道断面风速分布特征井下试验研究

煤炭技术 2022年第8期41卷 119-122页

作者：张士岭瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039

为研究井下巷道断面风速分布规律,根据流体力学圆管湍流理论对井下巷道平行中心线上的风速分布规律进行了理论分析,并对该风速分布是否适用对数分布规律进行了假设,通过古城矿井下线风速的测量试验对该假设进行了验证,并进一步进行了巷... 详细信息

为研究井下巷道断面风速分布规律,根据流体力学圆管湍流理论对井下巷道平行中心线上的风速分布规律进行了理论分析,并对该风速分布是否适用对数分布规律进行了假设,通过古城矿井下线风速的测量试验对该假设进行了验证,并进一步进行了巷道全断面布点风速测量试验与研究。研究结果表明:井下平行巷道中心线上的风速呈对数分布规律,并受壁面粗糙度影响,壁面粗糙度越大,风速分布越偏离对数分布规律,反之,对数分布规律性增强。矩形、半圆拱形、梯形巷道断面均存在闭合风速等值线,其形状与巷道断面轮廓线近似平行,巷道风速三维分布整体空间形状像对数抛物体,其“底座”与巷道形状相关。

关键词：风速分布速度等值线对数分布律壁面粗糙度

煤与瓦斯突出过程中渗流与煤岩体破坏耦合作用机制

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煤炭科学技术 2023年

作者：张士岭崔俊飞和树栋中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室

针对煤与瓦斯突出诱发机理不清的问题，研究了瓦斯渗流对工作面煤体破坏及煤与瓦斯突出的力学作用机制，分别从煤体渗流试验和土力学两个角度引入瓦斯渗透力这一体积力的概念，明确了瓦斯压力梯度作用在煤体的力学形式。基于弹塑性力学... 详细信息

针对煤与瓦斯突出诱发机理不清的问题，研究了瓦斯渗流对工作面煤体破坏及煤与瓦斯突出的力学作用机制，分别从煤体渗流试验和土力学两个角度引入瓦斯渗透力这一体积力的概念，明确了瓦斯压力梯度作用在煤体的力学形式。基于弹塑性力学构建了含瓦斯工作面煤体极限平衡方程，进而将渗流与极限平衡区煤体应力进行耦合，从而得到了瓦斯压力作用下煤体拉应力产生以及拉伸破坏的力学原因。从渗透力作用的角度解释了突出孔洞壁层裂破坏特征和层裂体分布规律，揭示突出煤体层裂破坏时瓦斯压力作用的力学本质，并进行了模拟验证。结果表明：含瓦斯煤体受到瓦斯流动产生的渗透力，其大小等于瓦斯压力梯度，从能量的角度看为单位长度的瓦斯压能损失。渗透力与围岩支承压力共同作用到工作面煤体上，成为破坏煤体的重要诱因。突出前瓦斯流动在新暴露工作面煤壁产生极高的渗透力；渗透力并非均匀的作用在煤壁内，而是集中作用在煤壁暴露面附近小于0.1 m的薄层内，促使煤体采掘方向应力急剧降低甚至成为负值形成拉应力，从而导致该薄层拉伸破坏失稳，形成层裂。煤体内渗透力与应力随时间快速变化，煤壁刚暴露时渗透力是稳定渗流时的6倍以上，相应产生的最大拉应力是稳定渗流时的5倍以上。煤层强度大小与煤体所受拉应力呈现此消彼长的关系，煤层强度越低，由渗流引起的拉应力越大，瓦斯压力的拉伸破坏作用越得以充分发挥，表现为瓦斯为主导的突出和典型的层裂破坏现象。

关键词：煤与瓦斯突出煤体破坏渗透力煤体应力瓦斯压力梯度层裂瓦斯渗流

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基于速度势的多抽采钻孔干扰理论

矿业研究与开发 2022年第9期42卷 22-28页

作者：张士岭宋志强瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039

为得到多抽采钻孔干扰下瓦斯流场的基本特征,基于速度势理论及其叠加原理,对多钻孔共同抽采时的速度场确定方法进行了研究。推导得出等流量双钻孔互扰时的等势线族方程、流线族方程以及速度场分布函数,进而得到双钻孔干扰下的流线、等... 详细信息

为得到多抽采钻孔干扰下瓦斯流场的基本特征,基于速度势理论及其叠加原理,对多钻孔共同抽采时的速度场确定方法进行了研究。推导得出等流量双钻孔互扰时的等势线族方程、流线族方程以及速度场分布函数,进而得到双钻孔干扰下的流线、等势线分布特征以及主流线和分流线上的速度变化规律,为钻孔抽采空白带位置计算提供了理论依据,并利用COMSOL Multiphysics进行了模拟验证。结果表明:两钻孔同时抽采时,从钻孔附近到远离钻孔的煤体深部,其等势线形状先是椭圆形,再为伯努利双纽线,最后逐渐趋近于圆形;其瓦斯流线或运动轨迹呈双曲线形式,与单一抽采钻孔流场特征有很大的不同。主流线上的流速最高,分流线上的速度先增大后减小,并在距平衡点1/2个钻孔间距位置达到最大值,钻孔外侧流速比内侧高。抽采空白区一般形成在平衡点位置附近,平衡点到两钻孔的距离之比与其流量成正比。

关键词：瓦斯抽采钻孔干扰速度势抽采半径瓦斯流动流场

煤层群上下保护层开采围岩应力时空演化规律及应用研究

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中国安全生产科学技术 2023年第6期19卷 66-73页

作者：刘军张宪尚张士岭中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400039

为实现煤层群上下保护层开采被保护层卸压瓦斯高效抽采,采用数值模拟方法研究上下保护层开采后围岩应力分布及演化规律,根据卸压范围分布实现卸压瓦斯抽采钻孔精准布置。研究结果表明:上下保护层双重开采,有效降低被保护层的应力,卸压... 详细信息

为实现煤层群上下保护层开采被保护层卸压瓦斯高效抽采,采用数值模拟方法研究上下保护层开采后围岩应力分布及演化规律,根据卸压范围分布实现卸压瓦斯抽采钻孔精准布置。研究结果表明:上下保护层双重开采,有效降低被保护层的应力,卸压范围增大。下保护层开采后被保护层倾斜上下边界卸压角分别为87°、72°,走向卸压角为63°;上保护层开采后被保护层倾斜上下边界卸压角分别为76°、79°。卸压抽采钻孔瓦斯浓度从卸压前的30%~40%增加到卸压后90%以上,单孔瓦斯流量从卸压前0.03~0.08 m^(3)/min增加到卸压后的1.1~1.85 m^(3)/min,瓦斯纯流量呈现数10倍增加,但工作面推过150 m左右,抽采数据快速降低,卸压瓦斯抽采存在显著的空间和时间效应。研究结果可促进多重保护层开采卸压瓦斯抽采技术发展。

关键词：上下保护层煤层群围岩应力演化规律卸压抽采

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基于构造影响特征的断层预测技术研究

能源与环保 2023年第11期45卷 140-146,153页

作者：张士岭瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

为了防止采掘过程中无计划揭露地质构造和地质构造引发的灾害,丰富地质构造探测预报技术,开展了基于构造影响特征的断层构造预测技术研究,提出了利用构造影响特征推断前方断层及影响范围的思想和技术途径。通过对赵庄矿地质构造影响下... 详细信息

为了防止采掘过程中无计划揭露地质构造和地质构造引发的灾害,丰富地质构造探测预报技术,开展了基于构造影响特征的断层构造预测技术研究,提出了利用构造影响特征推断前方断层及影响范围的思想和技术途径。通过对赵庄矿地质构造影响下突出危险指标、煤层厚度、夹矸厚度、瓦斯涌出等变化特征的分析,从中挖掘、提取这些信息特征—构造影响特征,建立了多维构造影响特征指标体系和断层构造综合预测模型,并在赵庄矿进行了成功应用。应用结果表明,通过分析采掘期间各种生产安全信息蕴含的构造影响特征变化情况,采用地质构造综合预测模型,能够实现工作面前方断层构造的超前预测,提高勘探钻孔施工的针对性,降低地质构造勘探的成本。

关键词：地质构造断层预测煤层厚度煤层夹矸地质勘探瓦斯涌出

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基于采掘应力增量的瓦斯压力演化规律研究

矿业安全与环保 2021年第6期48卷 1-5页

作者：张士岭瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

为研究采掘应力作用下工作面煤体瓦斯压力的变化规律,借鉴土力学渗流固结模型,设计了一种由钢筒、活塞、弹簧组成的试验装置,形象地模拟采掘应力作用下瓦斯和煤体骨架的受力过程及相互作用,进而提出超静瓦斯压力与超静瓦斯压力系数。通... 详细信息

为研究采掘应力作用下工作面煤体瓦斯压力的变化规律,借鉴土力学渗流固结模型,设计了一种由钢筒、活塞、弹簧组成的试验装置,形象地模拟采掘应力作用下瓦斯和煤体骨架的受力过程及相互作用,进而提出超静瓦斯压力与超静瓦斯压力系数。通过对轴对称应力状态下瓦斯和煤体骨架的应力、体积应变及相互关系进行理论分析,结合井下煤体采掘应力分布规律,得出超静瓦斯压力与支承压力的关系式。研究结果表明:超静瓦斯压力不同于静瓦斯压力,其是由采掘应力引起的瓦斯压力增量。采掘应力刚发生时,超静瓦斯压力达到最大,随着渗流的进行,超静瓦斯压力不断消散,附加应力逐步转移到煤体骨架上,煤体有效应力增大。超静瓦斯压力与煤体支承压力呈正比关系,比例系数即为超静瓦斯压力系数,其与煤体骨架体积压缩系数呈正比关系,与孔隙率、瓦斯体积压缩系数呈反比关系。

关键词：采掘应力超静瓦斯压力有效应力支承压力体积压缩系数

灵芝孢子粉对癫痫大鼠海马区苔藓纤维发芽和星形胶质细胞功能的影响

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灵芝孢子粉对癫痫大鼠海马区苔藓纤维发芽和星形胶质细胞功能的影...

作者：张士岭佳木斯大学

学位级别：硕士

目的:探讨灵芝孢子粉对戊四氮(PTZ)致痫大鼠海马区苔藓纤维发芽(MFS)、透明质酸(hyaluronic acid ,HA)、GFAP以及谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase ,GS)的影响,进一步研究癫痫的发病机制及灵芝孢子粉的作用机制。方法:健康雄性Wista... 详细信息

目的:探讨灵芝孢子粉对戊四氮(PTZ)致痫大鼠海马区苔藓纤维发芽(MFS)、透明质酸(hyaluronic acid ,HA)、GFAP以及谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase ,GS)的影响,进一步研究癫痫的发病机制及灵芝孢子粉的作用机制。方法:健康雄性Wistar大鼠36只,随机分为对照组、癫痫模型组和灵芝孢子粉组,每组12只。癫痫模型组和用药组用亚惊厥剂量的PTZ(35mg/kg)腹腔注射,每日1次,持续28天;对照组以等容生理盐水腹腔注射。灵芝孢子粉组同时经灌胃给予灵芝孢子粉(30g/L);癫痫模型组和对照组以等容生理盐水灌胃。每天对每只大鼠在PTZ注射后进行观察并记录癫痫发作的级别、潜伏期及持续时间,用药28天后停药一周,再用相同剂量的PTZ测试,凡出现连续5次Ⅱ级以上痫性发作为达到点燃标准。实验结束后每组中随机取出4只动物,麻醉后用4%多聚甲醛及Na2S灌注用于Timm染色,其余动物麻醉后断头处死,在低温条件下迅速取脑,一侧海马匀浆后检测大鼠海马区HA的含量和GS活性;另一侧甲醛固定用于免疫组化法检测皮质和海马区GFAP免疫反应性。结果:与癫痫模型组动物相比,灵芝孢子粉组大鼠潜伏期明显延长,但持续时间之间的差别没有显著性。癫痫模型组大鼠MFS明显要比正常对照组(P<0.01)和灵芝孢子粉组(P<0.05)严重,灵芝孢子粉组与对照组无显著差异,在CA3区,癫痫模型组大鼠Timm得分明显高于正常对照组(P<0.01)和灵芝孢子粉组(P<0.05),灵芝孢子粉组高于正常对照组(P<0.05)。癫痫模型组大鼠大鼠海马区透明质酸含量比对照组组(P<0.05)和灵芝孢子粉组(P<0.05)多,灵芝孢子粉组与正常大鼠之间的差别无显著性。癫痫模型组大鼠海马区AS明显激活,GFAP阳性细胞数目明显增多(与对照组比较P<0.05)、细胞突起数目明显增多,增粗,.灵芝孢子粉组大鼠海马区AS也明显激活,但数目较癫痫模型组少(P<0.05)形态与癫痫模型组相似,虽然GS主要是在星形胶质细胞表达的但癫痫模型组大鼠GS活性却明显降低(与对照组比较P<0.05)灵芝孢子粉组GS活性明显比癫痫模型组强(P<0.05),灵芝孢子粉组与对照组之间差别无显著性。结论:灵芝孢子粉可以通过调节HA含量来减轻MFS,可以调节星形胶质细胞功能,从而减轻癫痫发作。

关键词：癫痫戊四氮苔藓纤维发芽透明质酸神经胶质原纤维酸性蛋白谷氨酰胺合成酶

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煤矿通风巷道断面风速测定与变化规律研究

矿业安全与环保 2019年第4期46卷 17-20页

作者：张士岭瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室中煤科工集团重庆研究院有限公司

借助普朗特混合长理论和布辛涅斯克理论对巷道风速场分布规律进行理论分析,得出巷道风流湍流形态下的风速场对数分布公式。利用CFD15超声波测风仪对古城煤矿井下巷道风速进行测试,结果表明:在巷道近似的定常风流运动中,瞬时风速大小表... 详细信息

借助普朗特混合长理论和布辛涅斯克理论对巷道风速场分布规律进行理论分析,得出巷道风流湍流形态下的风速场对数分布公式。利用CFD15超声波测风仪对古城煤矿井下巷道风速进行测试,结果表明:在巷道近似的定常风流运动中,瞬时风速大小表现出典型的脉动特征,平均脉动幅度最高可达到平均风速的67%;用对数分布公式能够比较理想地描述巷道断面风速场的变化规律,1306回风巷测风站试验结果与对数函数相关性高达96%。

关键词：煤矿巷道风速场湍流脉动对数分布超声波测风仪平均脉动周期