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保温时间对二次炭化型煤微结构的影响与力学-渗流特性强化研究

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 111-122页

作者：甘青青许江彭守建蔡果良耿加波江西理工大学应急管理与安全工程学院江西赣州341000 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037

物理模拟试验是煤矿瓦斯灾害发生机制与防控的一种有效方法。目前开展煤矿瓦斯灾害物理模拟试验所用型煤材料其力学强度、渗透率与原煤差异性较大,如何改善型煤(BC)的抗压强度、渗透率是型煤成型过程中面临的关键问题。基于此,采用热压... 详细信息

物理模拟试验是煤矿瓦斯灾害发生机制与防控的一种有效方法。目前开展煤矿瓦斯灾害物理模拟试验所用型煤材料其力学强度、渗透率与原煤差异性较大,如何改善型煤(BC)的抗压强度、渗透率是型煤成型过程中面临的关键问题。基于此,采用热压成型方法制作了若干不同保温时间下二次炭化型煤,并采用SEM、NMR、XRD、FTIR、MTS-815岩石力学试验系统和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对不同保温时间下二次炭化型煤进行测试分析,分析了不同保温时间对其表面形貌、T2谱形态、孔隙度、微晶结构、基本结构单元芳香烃、烷基侧链和各种官能团演化规律,厘清了不同保温时间下二次炭化型煤的力学及渗流特性,并确定最优的保温时间。结果表明:随着保温时间的增加,二次炭化型煤表面粗糙度、孔径逐渐变大,且增至6.7 h后,BC表面有裂隙出现,保温时间越长,裂隙越明显;BC累计孔隙度及中孔孔隙度逐渐增大,而微孔孔隙度逐渐减少;芳香层间距(d_(002))呈先减后增,而微晶直径(L_(a))和微晶高度(L_(c))均先增后减;脂肪链的长度减少,芳香环的缩合程度(A_(ar)/A_(al))呈先增大后减小;单轴抗压强度呈先增大后减小,渗透率呈先减小后增加。在保温时间为5.3 h为最佳保温时间,此时热压BC的单轴抗压强度和弹性模量都最大、泊松比和渗透率最小,其力学强度、渗透率和密度依次为9.85 MPa,1.49×10^(-15)m^(2)和1.127 g/cm^(3)。该研究为提高煤矿瓦斯灾害发生机制与防控基础试验中的真实还原性,有效预防控制煤矿瓦斯灾害事故具有重要的现实指导意义。

关键词：煤矿瓦斯灾害微结构力学特性渗流特性二次炭化型煤

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煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

煤炭学报 2024年第8期49卷 3453-3467页

作者：刘鹏赵渝龙聂百胜柳先锋邓博知何珩溢曹明伟重庆大学资源与安全学院重庆400044 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测... 详细信息

煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性,具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验,研究了4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明,实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物,不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显,煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明:①煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高,会导致煤样表面力学性质越强,压痕深度越小;②煤样表面的组分越复杂,煤的非均质性越明显,表面微观力学性质分布的离散程度越高;③煤的煤阶越高,变质程度越高,外部孔隙越发育,导致断裂韧度提高;④对压痕试验结果进行拟合,发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系,并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

关键词：煤体力学性质纳米压痕表面形貌峰值载荷坚固性系数弹性模量断裂韧度

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基于拓扑图论的煤岩裂隙网络分形渗透率模型

煤炭学报 2024年第8期49卷 3561-3570页

作者：罗亚飞朱永建黄飞夏彬伟湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

错综复杂的裂隙网络为煤层气渗流提供了主要通道,其结构特征显著影响着煤层气产能。针对现有煤层气渗流模型未考虑裂隙网络连通性这一不足,基于拓扑图论分析了煤岩裂隙网络的连通性,推导了裂隙分支长度的幂律关系表达式。结合分形几何,... 详细信息

错综复杂的裂隙网络为煤层气渗流提供了主要通道,其结构特征显著影响着煤层气产能。针对现有煤层气渗流模型未考虑裂隙网络连通性这一不足,基于拓扑图论分析了煤岩裂隙网络的连通性,推导了裂隙分支长度的幂律关系表达式。结合分形几何,在经典立方定律的基础上构建了考虑裂隙网络结构特征的渗透率模型,模型表明裂隙网络渗透率是分形维数、裂隙率、迂曲度分形维数、比例系数、连通性、最大裂隙分支长度、方位角、倾角以及特征长度的函数。开展了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗流试验,分析了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率演化规律;试验结果表明:随着主应力σ_(1)、σ_(2)和σ_(3)的升高,煤岩中的裂隙逐渐被压缩,气体的渗流通道变窄,裂隙网络渗透率随着主应力σ_(1)、σ_(2)和σ_(3)的升高均呈现出了负指数降低的趋势。从试验规律和结果出发,将构建的煤岩裂隙网络分形渗透率模型和S&D模型(Shi-Durucan)相结合,建立了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率计算模型,并通过试验数据验证了模型的有效性,获得的渗透率变化趋势与加载3个主应力的过程相吻合,能够体现出三向应力的变化对渗透率的影响趋势,相比S&D模型更能反映煤岩裂隙网络渗透率的各向异性特征。

关键词：裂隙网络渗透率拓扑连通性真三轴煤层气

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低阶煤体瓦斯减阻增渗与强化驱替实验研究

煤炭学报 2024年

作者：陈勇王鹏飞刘荣华王俏刘开新湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室煤矿灾害防控全国重点实验室中煤科工集团重庆研究院有限公司

为实现低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替，基于煤体多孔介质本真属性下瓦斯吸附与驱替机理，首先利用水介质、表面活性剂CTAB、微纳米气泡的共存特性获得了液气耦合介质，以环管流量、旋转粘度表征了液气耦合介质的优化性能与提质增效... 详细信息

为实现低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替，基于煤体多孔介质本真属性下瓦斯吸附与驱替机理，首先利用水介质、表面活性剂CTAB、微纳米气泡的共存特性获得了液气耦合介质，以环管流量、旋转粘度表征了液气耦合介质的优化性能与提质增效特征；之后结合渗流瞬时流量、气测渗透率量化了液气耦合介质对低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替效应。结果表明：质量分数0.05%的表面活性剂CTAB可有效降低液相表面张力50.41%，微纳米气泡可平均降低液相表面张力5.50mN·m-1；基于表面活性剂CTAB与微纳米气泡的表面活性，液气耦合介质环管流量相对蒸馏水介质、含表面活性剂介质分别增大1.44、1.27倍；转速100、200、300、600转/分时液气耦合介质旋转粘度相对蒸馏水介质分别降低60%、71.43%、50%、45.45%，相对含表面活性剂介质分别降低42.86%、60%、37.5%、25%。煤体分别在蒸馏水介质、含表面活性剂水介质、液气耦合介质平衡作用下甲烷渗流驱替时，随着介质环管流量的增大和旋转粘度的降低，瞬时流量与气测渗透率呈现逐渐增大的趋势。基于液气耦合介质良好的减阻性能与流动性能，对长焰煤分别在轴压3/5MPa、围压3/5MPa瓦斯驱替时时，瞬时流量相对蒸馏水介质分别增大1.43、1.67倍，气测渗透率相对蒸馏水介质分别增大1.44、1.68倍，且不同轴压/围压之间的渗流差异明显缩小。液气耦合介质进一步活化了表面性能，在高流量、低粘度作用下强化对低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替，尤其对煤体增渗解吸与抽采达标、高产工作面瓦斯涌出防治具有明确的工程导向。

关键词：液气耦合减阻增渗强化驱替旋转粘度瞬时流量渗透率

液态CO_(2)-水循环作用下煤体的物理改性规律及增润减尘效应

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1463-1474页

作者：王和堂王辉谭江龙王豪杰杨景皓何军中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施,也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点,传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此,利... 详细信息

煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施,也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点,传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此,利用液态CO_(2)具有的低温冷冻、高渗透性、相变自增压、酸化解堵等优异特性,提出液态CO_(2)-水循环作用致裂增润煤体的新思路,研制了液态CO_(2)循环冷浸试验系统,联合低场核磁共振仪研究了液态CO_(2)-水循环作用对煤孔隙结构的影响规律,联用电液伺服压力实验机探究了循环作用对煤体力学特性的改变机理,运用截齿破碎煤岩产尘试验系统研究了循环作用后煤体破碎过程的产尘特性。结果表明:液态CO_(2)-水循环作用使煤体有效孔隙度(φ_(NF))增加,增幅与循环作用次数呈正相关,煤体内部束缚流体变少,自由流体增多,T2截止值(T_(2cutoff))随之降低,结合分形理论发现基于渗流孔隙的分形维数Ds具有明显的分形特征,煤体原生孔隙经历了“扩容”的过程,微裂隙与原始裂隙形成贯通,循环作用增强了有效渗流通道连通性,优化了煤的孔隙网络与渗流条件。随着循环次数的增加,煤的最大应力σ_(c)呈指数衰减至4.93 MPa,应变ε_(c)线性增加至2.29×10^(-2),煤的抗压强度减弱,变形能力增加,循环作用改变了煤基质间联结状态,产生的冻胀力对煤体施加挤压作用加剧了裂隙的扩展,脆性指数B5最大降幅为34.71%,显著减弱了煤体脆性,具有了更好的抗动载荷或冲击能力;煤体对外加能量的存储能力弱化,改变了煤在截割过程中的破坏形式,试验条件下煤体破碎过程全尘产尘率降低了74%,呼吸性粉尘占比下降至2%,大幅减弱了粉尘危害性。

关键词：液态CO_(2)-水循环作用孔隙结构力学特性物理改性减尘效应

瓦斯隧道压入式通风风管漏风对瓦斯分布的影响

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科学技术与工程 2024年第12期24卷 5179-5184页

作者：安俊杰黄飞王少龙黄小亮靳星晨杨采俪中交二公局萌兴工程有限公司西安710119 湖南科技大学南方煤矿顶板及煤与瓦斯突出灾害预防控制应急管理部重点实验室湘潭411201 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地焦作454003

压入式通风风管漏风对瓦斯隧道施工中的瓦斯分布规律影响颇大。以何家坡高瓦斯隧道通风为工程背景,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法模拟风管漏风工况下的瓦斯隧道通风案例,分析漏风面积与漏风位置对隧道瓦斯... 详细信息

压入式通风风管漏风对瓦斯隧道施工中的瓦斯分布规律影响颇大。以何家坡高瓦斯隧道通风为工程背景,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法模拟风管漏风工况下的瓦斯隧道通风案例,分析漏风面积与漏风位置对隧道瓦斯分布的影响规律。结果表明:风管出风口的射流作用导致掌子面靠近风管一侧无瓦斯聚集,而掌子面与出风口之间的涡流作用导致该区域出现大量瓦斯聚集;风管漏风面积越大,漏风处上游涡流强度和下游射流强度越大,因此上游瓦斯聚集程度与下游瓦斯稀释程度越明显,两者均随着漏风面积的增加呈线性增加;风管漏风位置越靠近掌子面漏风处上游瓦斯聚集的程度越明显,瓦斯聚集的增量随轴向距离呈指数减小的关系,风管位置越远离掌子面漏风处下游瓦斯的稀释与扩散程度越显著,瓦斯浓度减小的程度随轴向距离呈指数增大的关系。研究成果可为瓦斯隧道施工中的瓦斯监测及传感器布置提供一定的理论借鉴。

关键词：瓦斯隧道漏风数值模拟瓦斯分布

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金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透效应研究

煤炭学报 2024年第2期49卷 785-800页

作者：李树清吕晨辉黄飞钱运来黄向韬赵天哲汤铸杨凤玲王晨湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 六盘水师范学院矿业与土木工程学院贵州六盘水553004

为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应,首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型,分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性,然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验,分析不... 详细信息

为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应,首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型,分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性,然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验,分析不同工艺参数绳锯割缝后缝槽上下方煤岩层应力、位移变化规律,基于FLAC^(3D)数值模拟和开发的煤层瓦斯渗透率计算程序,分析随割煤工作面推进缝槽周围煤岩体的应力和渗透率分布特征和周期演化规律。研究表明:绳锯割缝使缝槽周围应力重新分布,缝槽顶板随着割缝工作面的推进经过顶板悬露、顶板触底,连续缓沉3种演化形态;顶板未触底时,缝槽上下方形成“U”形卸压区,最大挠度在顶板中心位置,也是最先触底部位,顶板触底之后,缝槽中间位置出现应力恢复,减弱绳锯割缝的卸压增透效果;串珠绳锯的直径越大,顶板发生触底的极限跨度越大,缝槽触底越晚,卸压效果越好;相同割缝直径增加第2条割缝,两缝槽卸压区连成一起,卸压效果相互促进,减弱两缝作用下的应力恢复现象,增大了卸压范围;缝槽推进距离足够长时,由于顶板触底,缝槽两边的卸压增透效果更好,割缝卸压的影响范围从左到右划分为应力集中区、卸压区、应力恢复区、卸压区、应力集中区,对应的卸压区和应力恢复区都有较好的增透效果。

关键词：绳锯割缝顶板触底金刚石串珠渗透率卸压增透

GO-PVA注浆材料的制备及其强度特征研究

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安全与环境学报 2024年第10期 3827-3838页

作者：郭鑫李大芳鲁义施式亮李贺湖南科技大学资源境与安全工程学院南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室

由于瓦斯抽采钻孔周围稳定性较差，受扰动影响易致钻孔周围煤岩体产生新的裂隙，进而降低瓦斯抽采效率，为填补现有材料颗粒大、胶结能力差的缺陷，引入纳米材料和高分子聚合物材料改善瓦斯抽采钻孔封孔材料的性能，并分析纳米材料氧化... 详细信息

由于瓦斯抽采钻孔周围稳定性较差，受扰动影响易致钻孔周围煤岩体产生新的裂隙，进而降低瓦斯抽采效率，为填补现有材料颗粒大、胶结能力差的缺陷，引入纳米材料和高分子聚合物材料改善瓦斯抽采钻孔封孔材料的性能，并分析纳米材料氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)、高分子聚合物聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)纤维复掺于水泥基注浆材料中的宏微观强度特征。采用单因素试验探究GO最佳质量分数及PVA纤维最佳长度和质量分数，确定最优值后再与普通水泥注浆材料进行复合对比试验，并通过单轴压缩测试不同养护龄期下的强度变化规律，结合蠕变特性、相似模拟和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)图像，探讨复合材料的增强机理。研究结果表明：两类添加剂均对水泥基注浆材料抗压强度展现出有效的提升作用，尤其是当氧化石墨的质量分数为0.04%,PVA质量分数和长度分别为0.2%和3 mm时，其抗压性能达到顶峰，密封性能提升，抵抗外界应力变化的能力得到增强。研究结果可为封孔注浆材料的研发提供基础。

关键词：安全工程氧化石墨烯聚乙烯醇(PVA)纤维力学强度水泥基材料

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风送式喷雾抑尘装置雾化特性研究

安全与环境学报 2024年

作者：王鹏飞王家玉韩涵湖南科技大学资源环境与安全工程学院南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室

为了掌握风送式喷雾抑尘装置的喷雾特性，以JJPW–G100型风送式喷雾抑尘装置为原型建立物理模型，并采用Fluent软件对该装置的喷雾基本特性及其影响因素进行了全面考察。结果表明：当喷雾距离增大时，雾滴的平均粒径先增大后减小并渐渐... 详细信息

为了掌握风送式喷雾抑尘装置的喷雾特性，以JJPW–G100型风送式喷雾抑尘装置为原型建立物理模型，并采用Fluent软件对该装置的喷雾基本特性及其影响因素进行了全面考察。结果表明：当喷雾距离增大时，雾滴的平均粒径先增大后减小并渐渐趋于稳定状态；雾滴粒径和雾滴浓度均随着喷嘴安装角度的增加而增加，且45°喷嘴安装角度为喷雾降尘的最佳角度；风筒角度的增加会导致坠落中的雾滴粒径变大，风筒在20°角度下可以最大程度地扩大喷嘴的喷雾射程和降尘范围。

关键词：安全卫生工程技术风送式喷雾抑尘装置雾化特性喷雾场数值模拟