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中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 79-92页

作者：辛亚军杨俊鹏褚尉荃张东营高忠国任金武董红娟河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 河南理工大学资源环境学院河南焦作454000 黔西金坡煤业有限公司贵州毕节551700 河南能源集团永华能源有限公司河南洛阳471000 内蒙古科技大学矿业研究院内蒙古包头014010

不同pH值水溶液浸润煤体受应力集中扰动后强度、变形与裂隙发展复杂.文中分析了不同pH值水溶液浸润煤样裂隙扩展特征,建立了基于破坏应力比浸润煤样分形维数求解模型与分形维数-抗拉强度回归方程,分析了不同pH值水溶液浸润煤样循环加载... 详细信息

不同pH值水溶液浸润煤体受应力集中扰动后强度、变形与裂隙发展复杂.文中分析了不同pH值水溶液浸润煤样裂隙扩展特征,建立了基于破坏应力比浸润煤样分形维数求解模型与分形维数-抗拉强度回归方程,分析了不同pH值水溶液浸润煤样循环加载不同应力比下应力-应变特征与梯度加载破裂失稳机制,对比了分形维数-抗拉强度理论模型、线性回归与二值处理吻合性,预测了浸润煤样破坏瞬间分形维数.结果表明:分形维数可以刻画浸润煤样力学行为,建立了基于尺度比、应力比的抗拉煤(岩)样表面分形维数求解方程,推导出了分形维数-抗拉强度回归模型;无浸润煤样循环加载均值抗拉强度、峰值应变相比单轴无循环分别提升了1.13与1.36倍,不同pH值水溶液浸润煤样加载循环次数(抗拉强度)由多(高)到少(低)表现为pH=7>pH=11>pH=3;应力水平梯度越多,同级应力水平梯级应变增量越小,无浸润煤样抗拉强度是pH=7、pH=11与pH=3水溶液浸润煤样的1.26,1.32与1.85倍,抗拉强度与峰值应变特征均表现为无浸润、中性、碱性、酸性依次减小;煤样破坏形态表现为单一主控面拉伸劈裂失稳、多面无序拉剪失稳与近“X”型(或单斜)主控面斜剪失稳;理论计算、线性回归、二值处理的分形维数-抗拉强度曲线均呈微凹型且较为吻合,相关性均值达到了0.975 8,0.958 0,0.992 0,浸润煤样破坏瞬间分形维数预测理想.

关键词：浸润煤样应力比分形模型回归方程循环加载强度特征破坏模式

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不同pH浸润煤样三维分形力学特征与失稳机制

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采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1301-1314页

作者：姬红英褚尉荃张东营辛亚军高忠国河南理工大学资源环境学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作年454000 黔西金坡煤业有限责任公司贵州毕节551700 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000

水环境是影响煤体强度和孔隙发展的重要因素。基于不同pH浸润条件对煤样内部孔隙的影响,分析了不同浸润煤样三维分形与含水率关系,建立了浸润煤样三维分形与强度、弹性模量数学模型,开展了不同pH浸润条件下4组共12个煤样动态浸润试验,... 详细信息

水环境是影响煤体强度和孔隙发展的重要因素。基于不同pH浸润条件对煤样内部孔隙的影响,分析了不同浸润煤样三维分形与含水率关系,建立了浸润煤样三维分形与强度、弹性模量数学模型,开展了不同pH浸润条件下4组共12个煤样动态浸润试验,研究了不同pH浸润煤样含水率、分形维数、孔洞分数与抗拉强度、峰值应变、弹性模量的关系,探讨了不同pH浸润煤样细观裂隙扩展规律与宏观失稳破裂机制。结果表明:水-煤作用下,煤样孔隙结构增大主要由矿物成分膨胀消蚀和圆润颗粒带走所致,酸性浸润对孔隙影响最大,碱性次之,中性最小;浸润煤样分形维数可通过含水率进行表征,分形维数与煤样抗拉强度、弹性模量呈近似反向线性关系;浸润煤样含水率、分形维数与时间呈幂函数关系,且前期含水率、分形维数增加较快,后期趋势相对稳定,相同浸润时间、3种pH浸润下,煤样分形维数及增幅均为pH=5>pH=9>pH=7,浸润12d煤样分形维数为2.041~2.163;孔洞分数增量与分形维数呈正线性关系,随着分形维数(孔洞分数增量)的增加,不同pH浸润煤样的抗拉强度、峰值应变和弹性模量均呈降低趋势;浸润煤样较未浸润煤样的峰值抗拉强度降低超过28.37%,所对应的峰值应变降低超过16.55%,弹性模量降低超过14.21%;酸性浸润易导致多含量CaMg(CO_(3))_(2)快速溶蚀搬运,碱性浸润易导致少含量NaAlSi3O8溶蚀搬运,不同pH环境对浸润煤样微裂隙扩展和劣化度表现为pH=5>pH=9>pH=7,不同pH浸润煤样破坏形态可分为中轴拉伸破坏(pH=7)、多裂隙拉剪破坏(pH=5)、偏中轴拉伸-拉剪破坏(pH=9);分形维数-抗拉强度、弹性模量关系试验结果与理论曲线较为吻合,相关系数分别为0.950和0.997。

关键词：浸润煤样分形维数力学模型强度特征破坏形态

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基于三维分形pH浸润煤样力学行为及渗透特征

基于三维分形pH浸润煤样力学行为及渗透特征

引用

作者：褚尉荃河南理工大学

学位级别：硕士

水环境是影响煤体孔隙发展、强度和渗透特性的重要因素,探究不同水质条件下煤体孔隙发展规律、强度特征及渗透特性对含水矿井煤炭安全生产具有重要意义。本文基于不同pH浸润条件对煤样内部孔隙的影响,建立了浸润煤样三维分形理论模型,... 详细信息

水环境是影响煤体孔隙发展、强度和渗透特性的重要因素,探究不同水质条件下煤体孔隙发展规律、强度特征及渗透特性对含水矿井煤炭安全生产具有重要意义。本文基于不同pH浸润条件对煤样内部孔隙的影响,建立了浸润煤样三维分形理论模型,开展了煤样动态浸润试验、弧形抗拉试验及渗透试验,研究了不同pH浸润煤样力学衰减和渗透变化规律。主要研究结论如下:(1)基于分形理论和浸润煤样含水率建立了含水率-分形模型,以煤样力学参数与浸润时间的关系为基础,分别建立了分形维数-抗拉强度和分形维数-弹性模量关系模型,基于渗透理论构建了浸润煤样渗透分形模型。(2)利用二值化处理方法计算了不同pH浸润煤样孔洞分数,得出了孔洞分数增量与分形维数呈正线性关系,煤样含水率、分形维数与时间均呈幂函数关系。(3)pH=5、7、9浸润煤样较未浸润煤样峰值抗拉强度、峰值应变、弹性模量分别降低了76.70%、28.37%、56.40%,56.83%、16.55%、35.67%,50.39%、14.21%、30.23%,pH=5、7、9浸润煤样破坏形态分别为多裂隙拉剪破坏、中轴拉伸破坏、偏中轴拉伸-拉剪破坏。(4)在围压3、4MPa条件下,pH=3、5、7浸润煤样的渗流过程包含缓慢增加-快速增加-增速减缓三个变化阶段,分析了pH=3、5、7浸润煤样在pH值、水压、围压影响下的渗透变化规律。(5)试验研究了不同pH浸润煤样抗拉强度、弹性模量、渗透率与分形维数的关系,试验曲线与理论曲线吻合度分别达到0.950、0.997、0.906,构建的抗拉强度-分形模型、弹性模量-分形模型、渗透率-分形模型合理。图39副,表21个,参考文献117篇。

关键词：浸润煤样水-煤相互作用分形维数力学模型细观孔隙强度特征渗透特性

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