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抽采钻孔孔周煤体渗流阻力分布特征试验研究

采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 645-654页

作者：张天军武晋宇庞明坤张磊孟钰凯刘荣涛西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西安科技大学能源学院陕西西安710054

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的孔隙结构变化是影响其渗流阻力的重要因素之一。为研究钻孔孔周粉碎区和裂隙区煤体渗流阻力的演化特征,采用稳态渗流法,研究了三轴压实状态下初始孔径大小对破碎煤样内部孔隙压力的影响规律,并对渗透过程中试样... 详细信息

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的孔隙结构变化是影响其渗流阻力的重要因素之一。为研究钻孔孔周粉碎区和裂隙区煤体渗流阻力的演化特征,采用稳态渗流法,研究了三轴压实状态下初始孔径大小对破碎煤样内部孔隙压力的影响规律,并对渗透过程中试样分层界面对孔隙结构属性参数的影响进行了分析。结果表明:单一孔径试样在同一渗流速度下,随着孔径的增加,渗透状态逐渐由层流过渡到紊流,渗流阻力由黏滞阻力为主发展成惯性阻力为主,双重孔径组合试样最小孔径大小是影响孔压梯度变化的先决条件;双重孔径组合煤体平均颗粒粒径介于0.1~1.025 mm,孔喉比分布在2~4,且渗透压降随孔喉比的增加呈二次曲线规律增长;孔径大小的变化对渗透率的影响较大,随着初始孔径的增大,其影响瓦斯通过煤体的能力增强;单一孔径试样与双重孔径组合试样非达西流因子分别与粒径的倒数和粒径差的倒数呈线性关系,且随着非达西流因子的增加,非达西渗流效应越来越明显,说明非达西流β因子增长趋势受孔径大小的影响,且孔径大小突增导致流体与渗透骨架的相对接触面积减小,非达西流β因子进一步增加;可见,在瓦斯运移过程中,钻孔孔周煤体的破碎程度与煤层渗透性具有良好的一致性,结合渗透率与非达西影响因子,可以对试样孔隙几何结构参数作出定量描述,从而揭示孔隙结构变化对渗流阻力的影响。

关键词：抽采钻孔瓦斯渗流破碎煤岩渗流阻力界面改变

加载速率影响下含雁行裂纹-钻孔煤体变形破坏特征研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 573-586页

作者：潘红宇冯高远纪翔李佳航季冰张天军西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

为研究加载速率影响下瓦斯抽采钻孔孔周煤体变形破坏特征,开展不同加载速率下含雁行裂纹-钻孔复合缺陷煤样单轴压缩试验,结合数字图像相关技术,分析不同加载速率下复合缺陷煤样的力学特性、破坏模式与表面变形场演化规律。通过计算机视... 详细信息

为研究加载速率影响下瓦斯抽采钻孔孔周煤体变形破坏特征,开展不同加载速率下含雁行裂纹-钻孔复合缺陷煤样单轴压缩试验,结合数字图像相关技术,分析不同加载速率下复合缺陷煤样的力学特性、破坏模式与表面变形场演化规律。通过计算机视觉技术,进一步研究加载速率影响下钻孔破坏和雁行裂纹扩展特征,揭示含复合缺陷煤样变形破坏的加载速率效应。结果表明:(1)雁行裂隙-钻孔复合缺陷试样在不同加载速率作用时表现出低加载速率下高强度、高加载速率下低强度的特性,0.2 mm/min为试样的临界加载速率,在临界加载速率处试样的峰值应力、峰值应变、弹性模量的变化趋势发生改变。(2)不同加载速率下试样均呈现渐进性破坏特征,破坏形式以张拉剪切混合破坏为主,随着加载速率增加拉伸作用逐渐占到主导地位。在雁行裂隙诱导下,低加载速率时表现为沿着新生裂隙与雁行裂隙形成贯通面发生剪切错动破坏,高加载速率时表现为沿着新生裂隙水平张开发生拉伸破坏。(3)引入钻孔张缩量C来定量表征钻孔变形程度。在低加载速率下钻孔张开,C>1,随加载速率增加C逐渐降低,在高加载速率下钻孔先张开然后迅速塌缩,最终C<1。(4)雁行裂隙在加载作用下发生逆时针方向错动与张开,变形主要集中在不稳定裂隙扩展阶段。随着加载速率的增加,雁行裂隙错动量与张开量均显著增加,且试样受张拉效应增强,张开变形比例逐渐高于错动变形比例。

关键词：岩石力学加载速率抽采钻孔雁行裂纹钻孔变形裂隙扩展

含双圆孔煤样渐进性破坏的孔周表面变形及裂隙演化特征

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煤炭学报 2024年第8期49卷 3468-3483页

作者：张航张天军纪翔季冰纪丙楠庞明坤潘红宇西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能够一体化防治矿井冲击地压和瓦斯复合灾害,但密集布孔可能会诱发串孔、塌孔等,影响矿井瓦斯抽采效率。为了探究这类双钻孔结构煤岩体受压破坏过程中孔周表面变形及其裂隙演化规律,利用煤岩变形破... 详细信息

瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能够一体化防治矿井冲击地压和瓦斯复合灾害,但密集布孔可能会诱发串孔、塌孔等,影响矿井瓦斯抽采效率。为了探究这类双钻孔结构煤岩体受压破坏过程中孔周表面变形及其裂隙演化规律,利用煤岩变形破坏数字图像观测系统对含双圆孔煤样开展单轴压缩条件下的3D-DIC观测实验,获取了不同应力状态下试样表面变形的时间序列图像,通过三维表面重构技术和VIC^(3D)分析处理软件计算得到了试样表面三维全场变形,根据应变场分析结果结合统计指标分析法对应力应变曲线进行了5个变形阶段划分,精细化表征了孔周表面变形和裂隙演化特征。研究结果表明:单轴压缩下含双圆孔煤样应变场灰度整体向高灰度级方向移动,应变场灰度直方图谱峰占比以应力峰值为界先缓慢变化再快速变化;试样孔周径向位移曲线呈现出“从”字型,环向位移曲线呈现出“人”字型,且左孔H_(1)孔周始终沿逆时针方向加速移动,右孔H_(2)孔周始终沿顺时针方向加速移动;孔周裂隙以逆时针错动为主,并伴随着少数裂隙的顺时针错动;应变局部化带外区在加载峰值前主要体现为能量累积,加载峰值后主要表现为能量释放,同时也伴随着部分能量调整转移造成的能量累积;在试样加载过程中,应力场环境、裂隙端部几何形状以及裂隙长度不断发生变化,造成裂隙尖端的应力强度因子K_(Ⅰ)减小,存在阻碍裂隙扩展的作用。

关键词：渐进性破坏裂隙演化孔周位移裂隙张开错动应变能演化

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荧光共振能量转移光微流激光偏振特性分析

激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 322-328页

作者：赵佳奇张婷婷张天俊王文杰刘绍鼎太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室山西太原030024

将一对可以产生荧光共振能量转移(FRET)的荧光分子分别作为供体染料和受体染料,以法布里-珀罗(F-P)微腔作为光学谐振腔,基于DNA分子的G-四链体结构研究FRET光微流激光的偏振特性。实验上,研究了5种不同K+浓度的DNA(其分子两端分别标记... 详细信息

将一对可以产生荧光共振能量转移(FRET)的荧光分子分别作为供体染料和受体染料,以法布里-珀罗(F-P)微腔作为光学谐振腔,基于DNA分子的G-四链体结构研究FRET光微流激光的偏振特性。实验上,研究了5种不同K+浓度的DNA(其分子两端分别标记了一对可以产生FRET的荧光染料)溶液,用线偏振的泵浦光对其进行激发,将受体在平行偏振方向(平行于泵浦光偏振方向)的激光阈值曲线斜率和垂直偏振方向(垂直于泵浦光偏振方向)的激光阈值曲线的斜率的比值作为受体激光偏振度的检测信号。实验结果表明,随着DNA溶液中K+浓度的增加,受体激光的泵浦阈值逐渐降低,能量转换效率逐渐增加,而受体激光的斜率比逐渐变小,即偏振度逐渐降低。

关键词：荧光共振能量转移光微流激光法布里-珀罗微腔激光偏振

抽采钻孔孔周破裂煤体瓦斯径向渗透流态转捩特征试验研究

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 295-303页

作者：张天军刘荣涛潘红宇庞明坤武晋宇西安科技大学安全科学与工程学院西安科技大学理学院

钻孔孔周煤体瓦斯径向渗流流态是反映抽采瓦斯渗流运动的重要因素之一。为探究钻孔孔周煤体的不同孔隙结构和瓦斯压力对瓦斯径向渗流运动特征的影响，分别制作了5种不同级配的含孔试样，利用自主设计的瓦斯径向渗流试验系统，采用稳态... 详细信息

钻孔孔周煤体瓦斯径向渗流流态是反映抽采瓦斯渗流运动的重要因素之一。为探究钻孔孔周煤体的不同孔隙结构和瓦斯压力对瓦斯径向渗流运动特征的影响，分别制作了5种不同级配的含孔试样，利用自主设计的瓦斯径向渗流试验系统，采用稳态渗流法对含孔试样进行径向渗流试验研究，分析Forchheimer数和非Darcy误差随渗流速度与级配的变化规律，运用Hazen-Dupuit-Darcy方程和雷诺数理论得到了不同流态的流速区间和雷诺数范围。结果表明：(1)通过对Forchheimer数和非Darcy误差随渗流速度变化曲线的分析可知，Forchheimer数随渗流速度呈二次多项式曲线增加，而非Darcy误差呈线性增加，Forchheimer数和非Darcy误差与孔隙结构密切相关，2者都随级配的增大而变大，说明渗流速度和孔周煤体的孔隙结构是瓦斯渗流偏离线性渗流的重要因素；(2)利用Hazen-Dupuit-Darcy方程对瓦斯径向渗透流态进行表征和划分，随着渗流速度的增大，瓦斯径向渗流运动依次出现前达西、达西和Forchheimer流态，且n=0.2与n=0.4的小级配含孔试样易发生达西层流，而n=0.6、n=0.8和n=1.0的含孔试样却更易于发生Forchheimer流态；(3)通过对达西定律应用时压力梯度的相对误差曲线分析可知，相对误差随渗流速度的增大呈现减小、保持稳定、再增大的变化规律，与瓦斯渗流流态随渗流速度的变化规律相吻合；(4)在双对数坐标中分析了瓦斯渗流不同流态与雷诺数的关系，得出了不同流态的雷诺数区间，发现瓦斯径向渗流运动符合达西层流的雷诺数为0.001 2～0.002 5。研究结果可为煤层瓦斯预抽工作中依据钻孔孔周煤体瓦斯渗流运动流态变化规律确定钻孔抽采影响范围，从而设计钻孔布孔参数提供重要的理论依据。

关键词：孔周煤体径向渗流流态转捩孔隙结构

Catastrophic mechanism of coal and gas outbursts and their prevention and control

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Mining Science and Technology 2010年第2期20卷 209-214页

作者： LI, Shugang zhang, tianjun college of energy xi'an university of science and technologyxi'an 710054china college of science xi'an university of science and technologyxi'an 710054china

Based on the engineering observations of coal and gas outbursts during mining processes and the experimental results,we built a thin plate mechanical model for layered and spalled coal *** studied the mechanical mechanism of outbursts,due to instability,of thin plates of coal rocks under the action of in-plane load and normal load,by using the catastrophe *** total potential function is derived for the layered rock system,the cusp catastrophe model for the system is established,the bifurcation set that makes the system unstable is given,the process in which gradual change of action forces leads to catastrophic change of state is analyzed,and the effect of movement path of point(P,q) in the control space on the stability of rock plate is *** study results show that during the process of coal mining,the stability of the layered coal bodies depends not only on its physical properties and dimensions but also on the magnitudes and changing paths of the in-plane load and the normal *** the gas in the coal bodies ahead of the mining face is pre-drained,the gas pressure can be reduced and the normal load q can be ***,disasters such as coal and gas outbursts can be effectively prevented.

关键词： coal and gas outbursts catastrophe theory instability

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有效应力下连续级配煤体的渗透特性试验

煤炭学报 2024年第9期49卷 3872-3883页

作者：张磊杨世华武晋宇刘荣涛潘红宇张天军西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的应力变化是影响其渗透特性的重要因素之一。为研究瓦斯抽采孔周不同破碎程度的煤体渗透特性,采用连续级配法制备不同粒径区间的煤颗粒组合试样,开展不同Talbol幂指数n的三轴渗透试验,分析有效应力对破碎煤样孔隙... 详细信息

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的应力变化是影响其渗透特性的重要因素之一。为研究瓦斯抽采孔周不同破碎程度的煤体渗透特性,采用连续级配法制备不同粒径区间的煤颗粒组合试样,开展不同Talbol幂指数n的三轴渗透试验,分析有效应力对破碎煤样孔隙结构和渗透特性的影响。结果表明:在加载过程中,轴向应力通过改变破碎煤体孔隙率从而影响渗透率,其随轴向应力升高呈幂指数降低。加载初期,轴向应力升高使得煤样体积压缩,其内部空隙闭合,引起孔隙率减小及渗透作用减弱,导致渗透率降低。当轴向应力加载到孔隙率趋于0.1时,煤样内部密实使得渗透率趋于稳定;破碎煤体Talbol幂指数n从0.1到1.0增大的过程中,渗透率k呈现出缓慢、线性、指数3个增长阶段,分别受低级粒径、粒径比例、高级粒径的影响。渗流速度受Talbol幂指数、压力梯度、围压和轴向应力的共同影响,但压力梯度的作用更为显著,表现出Talbol幂指数和压力梯度越大,围压和轴向应力越小,渗流速度越大,存在渗流速度的Talbol幂指数促进效应和渗流速度的轴向应力及围压抑制效应;有效应力能较好地表征渗流速度的轴向应力及围压抑制效应,不同Talbol幂指数的破碎煤体渗透率随着有效应力的增大总体上呈指数衰减,但Talbol幂指数增大对渗透率的促进作用逐步减弱,而有效应力对渗透率的抑制作用和幅值效应逐渐强化。有效应力与渗透率的关系方程参数变化存在与渗透率曲线对应的3个阶段。随着Talbol幂指数n增大,关系方程参数a逐渐减小,有效应力的抑制作用增强;而b逐渐增大,幅值效应逐渐强化。

关键词：连续级配渗透特性有效应力渗透率轴向应力

Tailoring Porosity and Titanium Species of TS-1 Zeolites via Organic Base-assisted Sequential Post-treatment

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Chemical Research in Chinese Universities 2022年第1期38卷 50-57页

作者： XU Wenjing LI Li zhang tianjun YU Jihong State Key Laboratory of Inorganic Synthesis&Preparative Chemistry Jilin UniversityChangchun 130012P.R.China International Center of Future Science Jilin UniversityChangchun 130012P.R.China

The exploration of high-efficient catalysts based on hierarchical Ti-containing zeolites with optimized active titanium species distribution is of great value in enhancing the epoxidation of bulky olefins. Herein, hierarchical TS-1(MFI) zeolite with an extra-large external surface area(210 m2/g) and highly active octahedral- coordinated Ti species was prepared via organic base-assisted sequential post-treatment. Such a catalyst afforded a high turnover number value(TON, 114) in 1-octene epoxidation reaction, which was over twice than that(53) of the untreated conventional microporous TS-1 parent. According to the detailed characterization results, we revealed the hierarchical porosity construction effect of tetrapropylamonium hydroxide(TPAOH) treatment(first step) and the octahedral-coordinated Ti species fabrication effect of ethylamine(EA) treatment(second step) under hydrothermal condition. Such a facile post-treatment strategy reported in this work may provide guidance for the rational synthesis of TS-1 zeolite with enhanced catalytic activity.

关键词： Post-treatment Hierarchical zeolite TS-1 Ti species Epoxidation

Zeolite-encaged Ultrasmall Pt-Zn Species with Trace Amount of Pt for Efficient Propane Dehydrogenation

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Chemical Research in Chinese Universities 2023年第6期39卷 870-876页

作者： QU Ziqiang zhang tianjun YIN Xichen zhang Junyi XIONG Xiaoyun SUN Qiming Innovation Center for Chemical Science College of ChemistryChemical Engineering and Materials ScienceJiangsu Key Laboratory of Advanced Negative Carbon TechnologiesSoochow UniversitySuzhou 215123P.R.China College of Chemistry and Materials Science Hebei UniversityBaoding 071002P.R.China PetroChina Lanzhou Petrochemical Company Lanzhou 730000P.R.China Lanzhou Petrochemical Research Center Petrochemical Research InstitutePetroChinaLanzhou 730000P.R.China

Propane dehydrogenation(PDH)has become a globe-welcoming technology to meet the massive demand for propylene,but the most commonly used Pt-based catalysts suffer from quick sintering,poor selectivity for propylene,and unsatisfied Pt ***,a series of Silicalite-1(S-1)zeolite-encaged ultrasmall Pt-Zn clusters with a trace amount of Pt[40—180 ppm(parts per million)]were developed by using a one-pot ligand-protected direct H_(2) reduction ***,the extremely low amount of Pt can significantly promote the activity of zeolite-encaged Zn catalysts in PDH *** to the high Pt dispersion,the synergy between Pt and Zn species,and the confinement effect of zeolites,the optimized PtZn@S-1 catalyst with 180 ppm Pt and 1.88%(mass fraction)Zn,exhibited an extraordinarily high propane conversion(33.9%)and propylene selectivity(99.5%)at 550℃with a weight hourly space velocity(WHSV)of 8 h^(-1),affording an extremely high propylene formation rate of 340.7 mol_(C_(3)H_(6))·g_(Pt^(-1))·h^(-1).This work provides a reference for the preparation of zeolite-encaged metal catalysts with high activity and noble metal utilization in PDH reactions.

关键词： Propane dehydrogenation Zeolite Confinement effect Bimetallic catalyst Pt-Zn