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高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2660-2674页

作者：阴伟涛冯子军太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体,含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填,这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发,利用太原理工大学自主研制600℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽... 详细信息

深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体,含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填,这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发,利用太原理工大学自主研制600℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽山花岗岩母岩(Ⅰ类花岗岩)、热液充填体(Ⅱ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面横向贯通试样花岗岩(Ⅲ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面纵向贯通试样花岗岩(Ⅳ型花岗岩)等4类花岗岩高温(500℃)高压(20 MPa围压)条件下的热力学特性。研究得出4类花岗岩热膨胀系数随温度升高可分为低温缓慢波动段、中低温快速增加段以及中高温快速减小段3个阶段。4类花岗岩弹性模量随温度升高先缓慢增加后快速降低,溶蚀孔隙结构以及低键合强度矿物的存在导致热液充填体弹性模量最低。此外,得出裂缝充填花岗岩体内原生裂缝闭合的临界温度大约为200℃;胶结界面附近充填体恢复弱面结构特性的临界温度为250℃左右。最后,得出了4类花岗岩高温高压条件下的破坏形式。裂缝充填花岗岩体内的母岩粗晶粒边界处、热液充填体溶蚀孔隙处和胶结界面处极有可能会在水力压裂建造储层过程中形成大范围高效导水通道,为干热岩地热开采储层建造理论和技术提供新的思路。

关键词：裂缝充填花岗岩高温高压微观结构矿物特征热力学特性干热岩地热开发

基于PFC^(3D)的花岗岩剪切破裂细观裂隙与能量演化规律探究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 60-70页

作者：郭纪哲冯增朝李学成太原理工大学原位改性采矿教育部重点试验室山西太原030024

为了探究法向应力对岩石剪切过程中细观损伤演化的影响,开展了不同法向应力作用下的花岗岩直剪试验与PFC^(3D)数值模拟试验,结合声发射信号监测及声发射信息特征值RA(上升时间与振幅的比值)与AF(声发射振铃计数与持续时间的比值)的分析... 详细信息

为了探究法向应力对岩石剪切过程中细观损伤演化的影响,开展了不同法向应力作用下的花岗岩直剪试验与PFC^(3D)数值模拟试验,结合声发射信号监测及声发射信息特征值RA(上升时间与振幅的比值)与AF(声发射振铃计数与持续时间的比值)的分析,对花岗岩在不同法向应力作用下剪切变形过程中细观微裂纹及能量演化特征进行了研究,研究结果表明:基于平行黏结接触模型建立的PFC^(3D)模型,不仅在宏观力学参数与破坏模式上与岩石物理试验相近,而且在岩石细观裂纹与能量演化规律上也与岩石物理试验基本一致;花岗岩剪切破坏过程中主要产生张拉裂纹,峰值应力点前产生的微裂纹只占裂纹总数的10%~30%,且法向应力越大,峰值应力点前岩石内部产生的微裂纹数量越少;花岗岩剪切变形过程中,声发射信号可以分为平静期、稳定期和加速期,法向应力越大,平静期越明显,即法向应力对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中,声发射累计振铃计数与岩石内部微裂纹总数均逐渐增大;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中产生的剪切裂纹数量及其占微裂纹总数的比例均逐渐增加;花岗岩剪切变形过程中外力做功转化为弹性能与耗散能,随着法向应力增大,岩石剪切破坏所需总能量逐渐增大,弹性能与耗散能近似线性增大,且其中耗散能所占的比例逐渐增大。

关键词：岩石力学细观裂隙花岗岩直剪试验 PFC^(3D)模拟

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煤矸石井下原位智能分选充填技术研究进展

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 12-27页

作者：梁卫国郭凤岐于永军张泽寒闫俊才太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源... 详细信息

传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离。为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环。为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述。所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路。

关键词：低碳开采智能化煤矸识别原位分选充填采选充一体化

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煤岩体剪切破裂“缓释”构造及其演进特征

岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 170-183页

作者：刘向御柴肇云肖畅沈玉旭辛子朋李天宇孙浩程闫珂刘新雨段碧英太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

含煤建造的成层及层理特性使得围岩更多地体现为剪切灾变。为进一步探究循环荷载条件下煤岩体的剪切破坏行为,采用等幅循环与逐级一次循环加卸载方式,并联合CT扫描开展了砂质泥岩的单轴压缩试验。通过岩样破裂形态及全过程应力–应变曲... 详细信息

含煤建造的成层及层理特性使得围岩更多地体现为剪切灾变。为进一步探究循环荷载条件下煤岩体的剪切破坏行为,采用等幅循环与逐级一次循环加卸载方式,并联合CT扫描开展了砂质泥岩的单轴压缩试验。通过岩样破裂形态及全过程应力–应变曲线,分析了岩样剪切破坏显现的“多米诺骨牌”构造及其演进特征。结果表明:单轴等幅、逐级一次循环加卸载下,岩样均发生剪切破坏,且逐级一次加卸载循环下岩样破坏形成的剪切破碎带包括若干呈“多米诺骨牌”构造的应变局部化带,破坏过程对应的应力–应变曲线呈特殊的滞回–往复–滞回–往复状振荡波动;应变局部化带呈现成核、启裂、外扩、衰损、传导的演化过程;具有“多米诺骨牌”构造的碎裂块体发生旋转–回旋运动,使峰后输入能量及弹性储能在块体相互摩擦中多级耗散,延长了破坏时长,具有显著的“缓释”效应。剪切破裂形态演化与应力–应变隐蔽信息相互协同,共同将剪切破坏过程划分为6个破坏阶段,分别为:裂缝启裂微扩展(Ⅰ)、裂缝初始扩展(Ⅱ)、主剪切裂缝扩展(Ⅲ)、裂缝扩展亚稳态(Ⅳ)、裂缝快速扩展(Ⅴ)和加速破坏(Ⅵ)。“多米诺骨牌”构造是剪切破坏的一种特有形式,其所起到的能量“缓释”效应可能是煤矿巷道利用围岩自身结构进行卸压护巷的一个新思路。

关键词：岩石力学剪切破裂 “多米诺骨牌”构造应变局部化循环荷载

基于分子动力学的升温条件下煤中锂吸附扩散特性研究

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地质学报 2024年第8期98卷 2499-2508页

作者：张俊爽张彬孙蓓蕾刘超太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学煤科学与技术教育部重点实验室山西太原030024

煤是特殊的沉积有机岩石,在其形成过程中可以富集战略性金属,并在煤系中形成大型或超大型金属矿床,成为矿产资源勘探的重要领域。温度是影响煤化作用及其过程中锂等关键金属赋存方式变化的重要因素。为了研究升温过程对煤中锂吸附特征... 详细信息

煤是特殊的沉积有机岩石,在其形成过程中可以富集战略性金属,并在煤系中形成大型或超大型金属矿床,成为矿产资源勘探的重要领域。温度是影响煤化作用及其过程中锂等关键金属赋存方式变化的重要因素。为了研究升温过程对煤中锂吸附特征的影响,本文以内蒙古准格尔煤田典型高锂煤为研究对象,构建锂-煤可视化模型,通过分子动力学方法计算了不同温度点锂在煤结构中的径向分布函数、扩散系数,分析了锂与有机大分子结构和高岭石相互作用能的变化,探讨了煤结构对锂的吸附特征。结果表明:锂在吸附过程中与氮原子、有机结构中的氧原子和硅原子存在较强的相互作用,与其他原子相互作用较弱或者不存在相互作用。锂与氮原子和有机结构中的氧原子主要是通过氢键作用吸附,而与硅原子则存在静电力和范德华力作用。从20℃升温到300℃的过程中,锂扩散系数受到温度和煤结构变化的影响,呈现出先升高后降低的趋势;煤结构对锂的吸附作用能以静电能为主。

关键词：准格尔煤田锂分子动力学升温吸附特征

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基于改进A^(*)算法的矿用机器人救援路径规划及仿真分析

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太原理工大学学报 2024年第2期55卷 231-241页

作者：段碧英柴肇云辛子朋闫珂肖畅刘向御李天宇刘新雨太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室太原030024

【目的】煤矿井下灾后现场情况复杂,针对传统A^(*)算法的煤矿机器人救援路径规划存在路径不安全、效率低等问题,结合栅格地图及救援机器人可沿任意方向移动的特点,多方面对传统A^(*)算法进行改进。【方法】首先,引入了机器人尺寸叠加到... 详细信息

【目的】煤矿井下灾后现场情况复杂,针对传统A^(*)算法的煤矿机器人救援路径规划存在路径不安全、效率低等问题,结合栅格地图及救援机器人可沿任意方向移动的特点,多方面对传统A^(*)算法进行改进。【方法】首先,引入了机器人尺寸叠加到障碍物的概念,以确保路径的安全性。其次,通过优化启发函数,降低偏离最佳路径节点的扩展数量,减少冗余节点与路径转折,降低了计算复杂度。最后,采用动态调整算法将路径转折角圆弧化,对所得路径平滑处理,提高了路径的可操作性。最终获得路径代价更小、耗时更短、转弯次数更少的优化路径。基于改进的A^(*)算法,利用MATLAB开展了不同尺寸及不同障碍物覆盖率下救援机器人路径规划的仿真模拟试验。【结果】结果表明:相较于传统A^(*)算法,在崎岖环境地图中改进的A^(*)算法使搜索节点降低了26.51%、计算时长减少了80.42%、路径长度缩短了31.85%、转向次数减少了44.44%,提高了路径的搜索效率和平滑程度。【结论】改进的A^(*)算法为复杂工况环境下煤矿机器人的救援工作提供了一定的理论基础。

关键词： A^(*)算法优化煤矿救援机器人路径规划启发函数动态调整算法

超临界CO对无烟煤力学强度劣化机制及其微观结构演变特征

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煤炭科学技术 2024年

作者：贾毅超杨栋黄旭东孙丁伟何立国太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室

为揭示深部煤层注入CO2过程中，超临界CO2对无烟煤力学强度与微观结构的影响规律，以无烟煤为研究对象，对两种恒定温度(40℃、60℃)条件下超临界CO2对煤体劣化特性进行探究，利用自主研制的超临界CO2浸泡设备搭配煤体单轴加载装置对其... 详细信息

为揭示深部煤层注入CO2过程中，超临界CO2对无烟煤力学强度与微观结构的影响规律，以无烟煤为研究对象，对两种恒定温度(40℃、60℃)条件下超临界CO2对煤体劣化特性进行探究，利用自主研制的超临界CO2浸泡设备搭配煤体单轴加载装置对其力学强度进行初步测定，借助CT扫描系统表征孔裂隙等结构，通过分析不同浸泡天数(0d、1d、3d、5d、7d)对孔、裂隙的物化效应，揭示超临界CO2浸泡后无烟煤宏观强度损失与微观结构演变的内在联系试验。结果表明：超临界CO2对无烟煤宏观强度的劣化具有一定的时间效应，伴随着浸泡时间的增加，劣化效应逐渐减弱，逐渐趋于某一定值，其劣化主要时期为浸泡0～5d内，同时破坏模式改变，破坏颗粒的平均尺寸逐渐增大。同比恒温60℃，恒温40℃状态下的超临界CO2对煤体劣化作用较为明显；借助CT 扫描系统发现，经超临界CO2浸泡后白色矿物质消失，“溶蚀孔洞”逐渐扩大，新生孔裂纹不断发育，裂隙开度增加。煤样内部孔裂隙在0～5d内迅速发育成较为连续的孔隙团，此后内部孔裂隙缓慢发育，逐渐趋于稳定；超临界CO2侵入煤体内部，其通过萃取煤基质中的有机物与溶蚀碳酸盐矿物组分，形成“溶蚀孔洞”，破坏晶体结构，导致内部孔隙团逐渐发育。伴随着比表面积的增大，煤体吸附能力增加，其“溶胀效应”进一步增加孔裂隙发育，最终导致宏观力学强度的改变；由宏观强度损失数学模型分析得到，煤体经过超临界CO2浸泡后，强度包络线向右偏移，摩尔应力圆向左偏移，内摩擦角与内聚力均变小，最终导致煤体宏观强度的损失。

关键词：超临界CO 无烟煤力学特性劣化机制微观结构

热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化规律及机理探究

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煤炭学报 2024年

作者：冯增朝石建行太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室

在原位改性流体化采矿中，利用高温对矿床进行处理是一种有效方法。探明原位条件下有机类矿层的热解特性、细观结构、渗透率、变形等随温度的演化规律对资源的高效开采具有重要意义。本文利用高温高压三轴试验机结合含应力显微CT扫描技... 详细信息

在原位改性流体化采矿中，利用高温对矿床进行处理是一种有效方法。探明原位条件下有机类矿层的热解特性、细观结构、渗透率、变形等随温度的演化规律对资源的高效开采具有重要意义。本文利用高温高压三轴试验机结合含应力显微CT扫描技术，研究了热力耦合作用下三种有机类岩石（油页岩、烟煤及页岩）的渗透率、热解产气、细观结构及轴向变形随温度（≥300℃）的演化规律同时结合热解产气、轴向变形及细观结构对渗透率演化机理进行了探究。结果表明：热力耦合作用下，有机类岩石的渗透率演化存在阈值温度，在轴压10MPa，围压7MPa的应力条件下，油页岩、烟煤及页岩的阈值温度分别为400℃、450℃及500℃；当热解温度小于阈值温度，有机类岩石的渗透率由岩石强度主导，孔裂隙随温度的升高而闭合，渗透率与温度呈负相关变化；当热解温度大于阈值温度，有机类岩石的渗透率由岩石的热解程度主导，孔裂隙随温度的升高逐渐发育并沟通，渗透率与温度呈正相关变化；进行阈值温度前后特性比较，油页岩热解程度与岩石强度在三种岩石中提升幅度最大，有机质热解并排出促进了孔裂隙的新生及连通，岩石强度的增大减弱了应力对岩石孔裂隙的压缩闭合作用，油页岩的渗透率呈现大幅度的提升。研究结果对深部资源的原位改性流体化采矿具有重要的指导价值。

关键词：有机类岩石渗透率细观结构高温高压岩石强度热解程度显微CT扫描

地应力约束下米级油页岩高温蒸汽压裂与渗流-传热特征

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中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 68-78页

作者：王磊张睿赵阳升杨栋孟巧荣张红鸽康志勤太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西晋中030600

为了探明高温蒸汽原位压裂油页岩的过程与机理,评价高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中温压时空演变规律,以大尺寸(米级)油页岩作为研究对象,采用实验室物理模拟的方法研究了在地应力约束下油页岩储层在高温蒸汽持续作用下表现的宏观压... 详细信息

为了探明高温蒸汽原位压裂油页岩的过程与机理,评价高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中温压时空演变规律,以大尺寸(米级)油页岩作为研究对象,采用实验室物理模拟的方法研究了在地应力约束下油页岩储层在高温蒸汽持续作用下表现的宏观压裂-渗流-传热特性.试验结果显示:高温蒸汽压裂需要克服地层应力和热应力叠加的约束作用,起裂压力值高,可达地应力的2倍;油页岩顶底板致密低渗,可以对压裂矿层起到较好的保温和隔热作用,热解区域完全靠蒸汽的流动规律控制;高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中,蒸汽压力(最大0.97 MPa)要远低于地层应力(3.82 MPa),当蒸汽沟通注热井和生产井时,二者的压力表现出协同一致的变化特征.在低地应力油页岩原位注热开采过程中,可以采用高温蒸汽压裂技术,压裂后矿层渗流通道良好,在矿层中注入较低压力的蒸汽便可实现大范围热解,通过注热井和生产井的轮换和调控,可以快速控制热解区域的走向.

关键词：油页岩蒸汽压裂渗流传热热破裂