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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

“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

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

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冲击荷载下煤岩损伤演化规律

西安科技大学学报 2019年第6期39卷 919-927页

作者：来兴平方贤威崔峰单鹏飞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

冲击荷载下煤岩损伤演化规律的认识对动力学灾害防控至关重要。为了得到煤岩在冲击荷载下的损伤演化特征,通过开展冲击试验,运用超声波检测装置和声发射仪器分别测量冲击前后煤样的波速变化与冲击过程的声发射特征,用波速和声发射的变... 详细信息

冲击荷载下煤岩损伤演化规律的认识对动力学灾害防控至关重要。为了得到煤岩在冲击荷载下的损伤演化特征,通过开展冲击试验,运用超声波检测装置和声发射仪器分别测量冲击前后煤样的波速变化与冲击过程的声发射特征,用波速和声发射的变化反映煤样内部损伤特征。结果表明:冲击荷载的作用次数、单次冲击能量的大小和施加顺序均会对煤样内部损伤演化造成影响;煤样内部损伤随冲击次数增加呈幂函数增长,与单次冲击能量呈线性增长;冲击能量由大到小进行施加更容易使煤样发生破坏。煤样内部损伤变化越剧烈,声发射信号特征越明显。用波速表征的煤样内部损伤变化与声发射在每个阶段监测到的事件数和能率变化有较好的一致性。这为矿井开采动力灾害预报与控制提供了科学依据。

关键词：冲击荷载损伤演化超声波声发射动力灾害防控

避免频率二次跌落的风电一次调频优化控制研究

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避免频率二次跌落的风电一次调频优化控制研究

作者：方贤南昌大学

学位级别：硕士

随着风机在发电设备中所占比例不断提高,探索如何利用风机蕴含能量进行调频的研究增多。通常情况下,风机调频是通过降低转子转速实现,为了避免风机长期处于低转速状态,需要采取主动措施使其退出调频。然而,风机主动退出调频会造成频率... 详细信息

随着风机在发电设备中所占比例不断提高,探索如何利用风机蕴含能量进行调频的研究增多。通常情况下,风机调频是通过降低转子转速实现,为了避免风机长期处于低转速状态,需要采取主动措施使其退出调频。然而,风机主动退出调频会造成频率二次跌落的问题。为了解决这个问题,需要对风机的调频控制方法进行改进研究。本文首先从双馈风机的功率进行分析,讲解了风机有功功率运行区间和风机参与调频的原理,以及调频控制机构如何通过控制转子电流来实现调频功率的变化。随后构建了包含风机的系统频率响应模型,分析了风机不调频时对系统三个调频指标的影响。其次,对综合惯性控制的参数进行整定。针对虚拟惯性控制的能量快速释放和频率恢复阶段的波动,对其参数进行整定,并增加主动退出调频策略,以减小传统参数对调频的影响。下垂控制退出调频是造成频率二次跌落的主要原因,本文通过对下垂参数进行整定,让下垂控制下的功率输出在调频后期自动减少出力,达到自动退出调频,避免了频率二次跌落的发生。将这两种参数整定后的控制方法结合起来形成改进后的综合惯性控制,通过仿真证明了这种参数整定方法的有效性,避免了频率在风机退出调频后的二次跌落。最后,采用参数整定后的风机在调频后期出现功率不足时,需要引入储能来弥补这部分功率。因此,本文采用风储协同一次调频控制,对储能的控制参数也进行整定,确保储能系统能够与改进参数控制后的风机协同出力,加快频率恢复到稳态的时间。对风储系统采用双层结构,上层结构使用风储协同一次调频,从而无需对风储系统进行功率分配;下层结构是对风电场内的风机进行功率分配,让中风速和高风速风机承担低风速风机的调频任务,避免低风速风机转速降到最低转速,引发了风机强制退出调频而造成的频率波动。通过仿真验证了本文提出的风储协同一次调频和风机调频功率分配方法的有效性。

关键词：风电一次调频频率二次跌落调频参数整定风储协同一次调频调频功率分配

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循环荷载下互层岩样力学声学特征试验

西安科技大学学报 2021年第6期41卷 964-972页

作者：来兴平白瑞曹建涛单鹏飞方贤威张旭东刘伯伟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

为研究循环加卸载条件下互层岩样的力学特性和破坏前兆信息,利用电液伺服压力机试验系统和SAEU2S多通道声发射信号采集系统对天然互层标准试样进行了单轴压缩和单轴分级循环加卸载试验,对比分析了自然和饱水状态下互层岩样的强度、变形... 详细信息

为研究循环加卸载条件下互层岩样的力学特性和破坏前兆信息,利用电液伺服压力机试验系统和SAEU2S多通道声发射信号采集系统对天然互层标准试样进行了单轴压缩和单轴分级循环加卸载试验,对比分析了自然和饱水状态下互层岩样的强度、变形特征、破坏模式及声发射特性。结果表明:较单轴加载,循环加卸载会导致自然状态试样强度降低;在同一加载条件下,饱水均会对互层岩样的强度造成劣化,在循环加卸载和水的耦合作用下,互层试样强度劣化率达60.19%;自然与饱水试样的加卸载平均变形模量分别为6.571,7.927,3.646,4.858 GPa,表明水的存在会降低试样刚度;单轴压缩载荷下试样主要表现为贯通劈裂剪切型破坏,循环载荷下试样表现为拉-剪混合破坏。基于声发射参数表征的试样损伤曲线在“卸载-再加载”时出现短暂的“台阶”平静期现象,研究发现互层试样失稳破坏前最后一次出现“台阶”平静期时所对应的损伤约为70%,该值可作为预测互层岩石失稳破坏的前兆预警,可为工程岩体灾害预警提供理论参考。

关键词：互层岩体循环加卸载不同含水状态力学特征声发射特征