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“双碳”目标驱动西部煤炭分阶控碳减熵增效与协同发展路径

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西安科技大学学报 2022年第5期42卷 841-848页

作者：来兴平方贤威西安科技大学能源学院陕西西安710054 西部富油煤绿色低碳开发省部共建国家重点实验室陕西西安710054 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

西部是中国煤炭富集及主产区,碳中和目标下中国西部煤炭从开发、利用等环节向绿色低碳转型面临严峻挑战。基于系统熵增和物理与矿山工程力学系统视角,从微观和宏观两方面分析了西部煤炭行业分阶控碳动力学特征,提出了西部煤炭开发和利... 详细信息

西部是中国煤炭富集及主产区,碳中和目标下中国西部煤炭从开发、利用等环节向绿色低碳转型面临严峻挑战。基于系统熵增和物理与矿山工程力学系统视角,从微观和宏观两方面分析了西部煤炭行业分阶控碳动力学特征,提出了西部煤炭开发和利用过程的减熵增效、绿色低碳协同发展举措。结果表明:西部煤炭碳中和目标实现过程实质是一个典型的减熵增效动力学过程。减排控碳将经历预控碳、达峰减碳、低碳绿色、中和实现4个阶段。“双碳”目标驱动西部煤炭减排控碳、绿色低碳转型需从生产和利用2个环节着手。煤炭利用环节可从开展碳捕集利用与封存等措施达到减排控碳目的;煤炭开发环节可建立西部煤炭开发绿色低碳协同的地面与地下立体化开发建设与利用模式,采取推进生产智能和绿色化等措施进行绿色低碳转型。研究结果对“双碳”目标约束下中国煤炭行业的绿色低碳转型、高质量发展,助力碳中和目标实现具有参考和借鉴意义。

关键词：双碳目标煤炭行业西部煤炭减排控碳动力学

强冲击倾向性顶板岩样孔洞充填力学特性及能量调控演化机制

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岩石力学与工程学报 2020年第12期39卷 2439-2450页

作者：崔峰张帅来兴平方贤威董帅西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021

针对冲击地压形成机制的复杂性且易导致无法准确有效预防冲击地压发生的问题,为研究采动作用下强冲击倾向性岩层能量调控机制,开展孔洞充填岩样岩石力学实验,分析不同充填状态下岩样能量演化机制与破坏模式,揭示强冲击倾向性顶板岩样孔... 详细信息

针对冲击地压形成机制的复杂性且易导致无法准确有效预防冲击地压发生的问题,为研究采动作用下强冲击倾向性岩层能量调控机制,开展孔洞充填岩样岩石力学实验,分析不同充填状态下岩样能量演化机制与破坏模式,揭示强冲击倾向性顶板岩样孔洞充填调控能量演化机制。结果表明:相比于未钻孔完整状态岩样,钻孔未充填状态岩样、钻孔充填铜管状态岩样(刚性充填)及钻孔充填固化体(柔性充填)状态岩样力学参数均有所劣化。不同充填状态下岩样能量演化规律大致与未钻孔完整状态下岩样相同,但在屈服破坏阶段以及破坏后期阶段均存在明显差异。由于钻孔的存在,加剧了岩样的初始损伤,对于钻孔充填钢管状态,岩样吸收的总应变能提高,而对于钻孔充填固化体状态,不仅提高了岩样的强度,还改变了岩样的强脆性特征。同此构建充填改性能量转化效率,通过计算能量转化效率,进一步说明"先释放+后吸收"能量调控机制。最后对比分析不同充填状态下岩样冲击倾向性排序,发现钻孔充填铜管和钻孔充填固化体均能更好地降低冲击地压发生程度,且钻孔充填固化体效果优于钻孔充填铜管,但需重点关注钻孔充填固化体状态下发生应变增大特征,对于工程环境中的大变形环境,同样易发生灾害。

关键词：采矿工程强冲击倾向性孔洞充填力学性质能量调控破坏模式

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急倾斜特厚煤岩体动力失稳与调控研究

急倾斜特厚煤岩体动力失稳与调控研究

作者：方贤威西安科技大学

学位级别：硕士

急倾斜特厚煤层综放开采煤岩动力灾害防控值得深入研究。论文紧密围绕急倾斜特厚煤层综放开采煤岩动力灾害防控问题,以乌东煤矿南区急倾斜特厚煤层综放开采典型工程为研究背景,以乌东煤矿南区+450水平工作面动力灾害科学防控为研究目标... 详细信息

急倾斜特厚煤层综放开采煤岩动力灾害防控值得深入研究。论文紧密围绕急倾斜特厚煤层综放开采煤岩动力灾害防控问题,以乌东煤矿南区急倾斜特厚煤层综放开采典型工程为研究背景,以乌东煤矿南区+450水平工作面动力灾害科学防控为研究目标,综合使用现场调研、理论分析、力学实验、数值计算与现场应用等研究方法,取得如下成果:采用理论和案例分析相结合的方式,梳理了+450水平工作面典型事故显现位置、微震事件定位及能量特征,分析了工作面动力灾害的致灾特征,得出了急倾斜特厚煤层动力灾害显现具有明显的震动特征;微震大能量事件主要发生在B2-B3岩柱和B3+6煤层顶板;分析致灾机理得出B2-B3岩柱和B3+6煤层顶板突然失稳为动力灾害的发生提供了能量源头,明显的水平构造应力场使采掘巷道及工作面周围煤岩体弹性能更加容易积聚,当动力灾害源头传导至开采区域的能量和采掘巷道及工作面周围煤岩体聚居的弹性能叠加超过了煤岩体发生破坏的最小能量便发生了动力灾害。通过开展室内岩石力学实验,运用数字散斑技术和声发射仪器获取了不同条件和不同状态下煤岩样的物理力学参数、破坏过程和声发射特征,运用扫描电镜研究了煤样中的微孔隙和微裂隙等微观结构;得出饱水能使煤岩样强度发生劣化,使破坏过程中的能量释放发生改变;饱水和卸压孔可以改变煤样裂隙发育和破坏过程;煤样电镜扫描显示微裂隙孔隙发育较少。基于RFPA数值计算,研究了不同状态和不同均质度的煤岩样破坏过程和声发射特征。得出不同均质度煤岩模型表现出不同的破坏过程和声发射特征,同等状态煤岩样均质度越高,能量释放速率越高,峰值破坏阶段能量释放越剧烈;岩体爆破弱化数值模拟表明,在爆破应力波作用下,靠近爆破孔区域的岩体以拉伸破坏为主,在较远区域压缩破坏较为明显。爆破应力波能在短时间内使爆破孔周围产生大量裂隙,使岩体的完整性发生破坏,迅速释放岩体积聚的能量,从而可以有效避免坚硬岩层大面积失稳释放出巨大能量;岩体注水强度弱化数值模拟研究表明,在注水的作用下,注水孔周围出现明显的应力降低区,注水孔周围会出现明显的声发射现象,随着注水时间的持续,声发射现象会逐渐向未注水区域扩展,注水可以破坏岩体的完整性,使岩体内部裂隙增多,可以形成岩体强度弱施后,高能量等级微震事件变成了较多较低能量等级的微震事件,微震每天平均事件数和平均释放能量均呈下降趋势,综合防治措施使能量得以缓慢释放,达到了使煤岩体剧烈破坏向静态能量缓慢释放的目标,有效降低了坚硬岩层的能量积聚程度,提高了工作面的安全性。本成果为急倾斜特厚煤层综放工作面动力灾害防治和保障安全开采提供了基础支撑,这对类似工程条件下动力灾害防控具有一定的参考和借鉴价值。

关键词：急倾斜特厚煤层煤岩体动力失稳动力灾害调控岩石力学声发射

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

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岩石力学与工程学报 2020年第3期39卷 433-444页

作者：来兴平张帅崔峰王泽阳许慧聪方贤威西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学西部煤炭绿色安全开发国家重点实验室陕西西安710054 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害... 详细信息

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。

关键词：采矿工程含水状态力学性质损伤演化声发射特性孕灾信号

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采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征

采矿与安全工程学报 2019年第4期36卷 777-785页

作者：来兴平刘小明单鹏飞张帅方贤威胥海东西安科技大学能源学院西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室

高应力强卸荷下煤岩动力破坏现象频发,明确煤岩破裂前兆信息是保障深部煤炭安全开采的重要内容。为定量研究采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征,采用实验手段分析受载下裂隙煤岩体损伤直至破裂过程热红外辐射温度时域演化规律与异... 详细信息

高应力强卸荷下煤岩动力破坏现象频发,明确煤岩破裂前兆信息是保障深部煤炭安全开采的重要内容。为定量研究采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征,采用实验手段分析受载下裂隙煤岩体损伤直至破裂过程热红外辐射温度时域演化规律与异常区域迁移特征,对比分析预制结构面对红外辐射异化特征的影响,揭示热红外辐射温度场与声发射耗散能量间的关系。结果表明:裂隙煤岩破裂过程热红外辐射温度时域演化规律划分为Tave的平静、小幅波动、快速增加和快速降低4个阶段。Tave极值出现在0.77σp,可作为煤岩临近破裂的前兆特征;热红外辐射异常区域的迁移特征可作为煤岩破裂的重要前兆现象,σ≥0.30σp开始出现大面积整体性升温,σ≥0.77σp温度仍保持整体性增加,但温度最大值开始降低,σ≥σp以热红外辐射低温异常区域为主;预制结构面的存在对裂隙煤岩的力学响应特征起到决定性作用,且平行结构面造成的强度劣化最为显著,对岩石工程的安全影响最大。裂隙煤岩破裂红外辐射异常区域集于制结构面附近,红外辐射温度异常区域迁移与声发射能量突变基本保持一致。

关键词：岩石力学裂隙煤岩受载破裂红外辐射动力灾害

脆性孔洞煤样承载过程破坏模式及能量阶段蓄积释放规律分析

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采矿与安全工程学报 2021年第5期38卷 1005-1014页

作者：来兴平方贤威单鹏飞崔峰陈建强张帅刘旭东西安科技大学能源学院陕西西安710054 西部煤炭绿色安全开发国家重点实验室陕西西安710054 神华新疆能源公司新疆乌鲁木齐831499

能量蓄积和释放是煤岩变形破坏的本质属性,含孔煤岩破坏模式及能量蓄积释放规律的认识对裂纹发育演化、巷道硐室围岩稳定性以及动力学灾害防控至关重要。为了得到脆性孔洞煤样承载过程破坏模式及能量阶段蓄积释放规律,通过开展单轴压缩... 详细信息

能量蓄积和释放是煤岩变形破坏的本质属性,含孔煤岩破坏模式及能量蓄积释放规律的认识对裂纹发育演化、巷道硐室围岩稳定性以及动力学灾害防控至关重要。为了得到脆性孔洞煤样承载过程破坏模式及能量阶段蓄积释放规律,通过开展单轴压缩试验,运用高速摄像机和声发射监测系统分别对承载煤样的破坏过程及内部损伤演化信息进行监测,并对煤样力学特性、破坏模式以及能量蓄积释放规律等进行分析。研究结果表明:含孔煤样脆性发生降低,单轴抗压强度和弹性模量等力学参数均发生了劣化,平均峰值应变却有所增加。完整和含孔煤样均为典型的拉伸破坏模式,含孔煤样裂纹发育和破坏形式更加复杂。完整和含孔煤样在初始压密阶段、弹性阶段、稳定破坏阶段、非稳定破坏阶段及峰后破坏阶段的能量演化规律大致相同,但完整煤样峰值破坏瞬间各项能量均高于含孔煤样,完整煤样弹性阶段蓄能时间持续较长,非稳定破坏阶段释能时间持续较短,含孔煤样刚好相反。孔作为初始缺陷不仅对煤样强度具有劣化作用而且改变了煤样蓄能和释能的持续时间,降低了弹性能的积聚和释放速率,降低了峰值破坏时的剧烈程度。孔的存在也改变了煤样峰后力学特性,降低了其脆性,提高了煤样平均残余强度,延长了峰后破坏时间,降低了平均峰后割线模量。这为钻孔卸压防治动力灾害提供了科学依据。

关键词：能量蓄积释放孔洞破坏模式声发射动力灾害防控

外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土桥墩抗震性能分析

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 690-705页

作者：王城泉宗延威孙苗苗周子健黄毅方吴熙浙大城市学院工程学院浙江杭州310015 城市基础设施智能化浙江省工程研究中心浙江杭州310015 浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室浙江杭州310015 江南大学环境与土木工程学院江苏无锡214122 浙江工业大学土木工程学院浙江杭州310014 浙江大学工程师学院工程创新与训练中心浙江杭州310015

为了进一步推广可恢复功能的预制装配式桥梁结构在中、高烈度地区的应用,减少桥墩的震后损伤及修复成本,提出一种外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)桥墩。基于ABAQUS有限元分析软件建立无耗能装... 详细信息

为了进一步推广可恢复功能的预制装配式桥梁结构在中、高烈度地区的应用,减少桥墩的震后损伤及修复成本,提出一种外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)桥墩。基于ABAQUS有限元分析软件建立无耗能装置、外置拱形钢板、外置竖直钢板、外置拱形耗能装置的四节段预制拼装CFST桥墩模型,并在往复位移加载作用下对各模型的抗震性能进行对比分析。研究结果表明:外置拱形耗能装置的预制节段拼装CFST桥墩具有较好的水平承载力、较高的初始刚度以及较强的耗能能力,与外置竖直钢板的节段拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力提升了约11.9%,初始刚度提升了约2.5%;与外置拱形钢板的节段拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力、初始刚度以及耗能能力分别提升了约28.8%、4.6%和13倍;与无耗能装置的预制拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力、初始刚度以及耗能能力分别提升了约39.4%、10.4%和18.1倍;外置拱形耗能装置的预制节段拼装CFST桥墩在整个位移加载阶段残余位移均保持在1 mm之内,偏移率不超过1%,且损伤集中在拱形耗能装置上,能够实现震后的快速修复。

关键词：桥梁抗震性能节段拼装钢管混凝土桥墩拱形耗能装置震后修复拟静力分析

稻虾共作模式下土壤甲烷产生与氧化潜力及其对温度的响应特征

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土壤学报 2024年第2期61卷 539-548页

作者：赵建婷方贤滔邹建文刘树伟江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室南京农业大学资源与环境科学学院南京210095

稻田是大气甲烷的重要人为排放源。为探讨不同稻田利用方式下甲烷产生和氧化潜力及其对温度的响应特征,以我国东南部地区常规稻田种植体系、由稻田转变来的稻虾种养结合体系和常规虾塘养殖体系为研究对象,分别采集位于江苏省句容市常规... 详细信息

稻田是大气甲烷的重要人为排放源。为探讨不同稻田利用方式下甲烷产生和氧化潜力及其对温度的响应特征,以我国东南部地区常规稻田种植体系、由稻田转变来的稻虾种养结合体系和常规虾塘养殖体系为研究对象,分别采集位于江苏省句容市常规稻田(CR)、共作稻区(R-CR)和共作虾区(R-CC)以及常规虾塘(CC)土壤样品,在5℃、15℃、25℃和35℃条件下进行为期30 d的室内培养实验。结果表明:农业土地利用方式转变对甲烷产生和氧化潜力均有显著影响,甲烷产生潜力由大到小依次为:共作虾区、常规虾塘、共作稻区、常规稻田,分别为1.14、0.33、0.25和0.17μg·g^(-1)·d^(-1),甲烷氧化潜力从大到小依次为:常规稻田、常规虾塘、共作稻区、共作虾区,分别为1.38、1.01、1.00和0.71μg·g^(-1)·d^(-1)。由于水分管理差异以及饲料、氮肥投入导致底物和环境因子差异造成了产甲烷菌、甲烷氧化菌的活性差异,使得不同土地利用类型土壤呈现不同的甲烷产生和氧化潜力特征;甲烷产生潜力随培养温度的升高呈指数增长,在5℃、15℃、25℃和35℃时的平均值分别为0.13、0.26、0.55和0.95μg·g^(-1)·d^(-1)。而甲烷氧化潜力仅在低温时比较敏感,在15℃、25℃、35℃时与5℃下的甲烷氧化潜力存在显著差异,而三种培养温度之间无显著差异(甲烷氧化潜力在5℃、15℃、25℃和35℃时分别为0.71、1.14、1.14和1.11μg·g^(-1)·d^(-1))。总体上,甲烷产生潜力对温度的响应强于甲烷氧化潜力。此外,土壤甲烷产生和氧化潜力均受温度或土地利用类型单因素的显著影响(P<0.01),但两者的交互效应仅对土壤甲烷产生潜力存在显著影响,对甲烷氧化潜力并无显著影响。

关键词：甲烷产生潜力氧化潜力温度农业生产方式转变

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CMG框架伺服控制与隔振器耦合稳定性分析

振动与冲击 2024年第3期43卷 287-294页

作者：潘望白吕亮亮王董华刘钰方贤亮吴琳娜上海宇航系统工程研究所上海201109 上海航天设备制造总厂有限公司上海200245

控制力矩陀螺(control moment gyroscope, CMG)是飞行器在轨姿态控制的重要执行机构之一,通过内部高速旋转的飞轮储存角动量,利用伺服机构驱动框架旋转输出力矩。安装隔振器可有效减少由高速旋转飞轮产生的不平衡力对飞行器上高精度载... 详细信息

控制力矩陀螺(control moment gyroscope, CMG)是飞行器在轨姿态控制的重要执行机构之一,通过内部高速旋转的飞轮储存角动量,利用伺服机构驱动框架旋转输出力矩。安装隔振器可有效减少由高速旋转飞轮产生的不平衡力对飞行器上高精度载荷的影响。建立伺服机构三环控制模型和一个单自由度隔振器模型,揭示了隔振器引起伺服系统速度环耦合失稳的现象。通过分析隔振器频率、阻尼比、惯量等关键设计参数对速度环稳定性的影响,对隔振器进行详细设计,试验结果全流程验证了考虑伺服机构控制稳定性的CMG隔振器设计流程和隔振效果,为同类型产品设计提供了工程经验。

关键词：控制力矩陀螺(CMG) 隔振器伺服控制稳定性分析