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废弃油气藏气体能源存储过程中不同浸润界面类型的断层活化试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 75-89页

作者：胡明慧刘日成李树忱朱欣杰邱凯中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

通过开展干燥、湿润和原油3种类型岩石结构面卸载诱发滑移的三轴力学试验,探究界面类型对岩石结构面活化过程的影响机制,揭示活化过程中结构面微观特征和宏观特性之间的内在关系。试验结果表明,岩石结构面的活化分为3阶段:稳定阶段、活... 详细信息

通过开展干燥、湿润和原油3种类型岩石结构面卸载诱发滑移的三轴力学试验,探究界面类型对岩石结构面活化过程的影响机制,揭示活化过程中结构面微观特征和宏观特性之间的内在关系。试验结果表明,岩石结构面的活化分为3阶段:稳定阶段、活化阶段和动态滑移失稳阶段。岩石结构面剪断剥落的岩屑随剪切滑动而产生层理状积聚,滑动面边缘损伤程度大于滑动面内部损伤程度。干燥界面试样试验后结构面的JRC降低了62%,大于湿润界面(33.6%)和原油界面(30.5%)试样。在干燥界面状态下,结构面上的微凸体自锁能力强,稳滑时的平均速率较低(0.13μm/s),黏滑时表面微凸体以脆性破坏为主,具有突发性,平均滑移速率为9.7μm/s,是稳滑时平均速率的74倍;在湿润界面状态下,水的存在促进了黏滑,黏滑时表面微凸体以延性破坏为主,速率的迁跃具有明显的爬坡和回落特征,剪切滑移期间产生的岩屑和水混合,增大了岩石上下表面接触面积,提高了分子间吸附力,强化了岩石结构面的摩擦强度;在原油界面状态下,岩石表面会附着一层胶质原油层,作为延性断层泥充填了岩石结构面上的凹凸空间,劣化了表面微凸体的硬度,降低了岩石结构面的摩擦强度。原油条件下结构面摩擦强化效果弱,自锁能力差,容易发生动态滑动。界面类型控制着摩擦因数增长幅度和动态滑移的起始速率,干燥、湿润和原油类型的岩石结构面在活化期间摩擦因数分别增长了5%,11.2%和0.7%,动态滑移的起始速率分别为1.1,0.27和0.023 mm/s。研究结果可为评价油气藏不同界面类型结构面的断层不稳定性提供理论依据,并对深入了解注采扰动诱发断层活化具有重要意义。

关键词：岩石力学界面类型摩擦强度滑移速率

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

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岩土力学 2023年第9期44卷 2757-2766页

作者：蔚立元杨瀚清王晓琳刘日成王蓥森中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪... 详细信息

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,归一化渗透系数随雷诺数变化规律与Zimmerman等提出的预测公式相吻合,且本研究数值模拟计算结果与其公式的拟合系数趋近1,公式中的Fochheimer系数β随剪切位移增大而减小,随循环次数增大而增大。

关键词：循环剪切剪切渗流雷诺数归一化渗透系数

中国露天煤矿70年成就回顾及高质量发展架构体系

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煤炭学报 2024年第1期49卷 235-260页

作者：才庆祥陈彦龙中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

露天煤矿作为我国煤炭工业的重要组成部分,具有生产能力大、开采成本低、安全条件好等优势,近年来在建设规模、生产总量、开采工艺及技术装备等多方面均取得了跨越式的发展,有力保障了煤炭作为国家能源安全稳定供应的“压舱石”地位。... 详细信息

露天煤矿作为我国煤炭工业的重要组成部分,具有生产能力大、开采成本低、安全条件好等优势,近年来在建设规模、生产总量、开采工艺及技术装备等多方面均取得了跨越式的发展,有力保障了煤炭作为国家能源安全稳定供应的“压舱石”地位。首先回顾了新中国成立后我国露天煤矿70年来的发展历程,将其划分为起步恢复阶段(1949—1979年)、快速发展阶段(1980—1999年)、综合发展阶段(2000—2020年)和智能化初级发展阶段(2021年以后)4个时期;系统总结了每个时期的产量与数量规模、开采理论与技术、开采工艺与装备、资源开发与环境保护方面取得的突出成就。然后,探讨了现阶段露天煤矿发展面临的4个方面的主要问题,包括发展布局不均衡、可持续发展面临瓶颈、关键技术难题需深入攻关、人才短缺培养机制不完善。最后,提出构建以“安全、高效、绿色、低碳、智能”为总体目标的全链条、全周期、全要素露天煤矿高质量发展架构体系,其内涵特征包括以时效边坡理论、开采扰动指数理论、绿色开采理论、生态型开采理论、零碳负碳开采理论、智能化开采理论6种学术思想为理论基础,以灾害安全监测防控、复杂条件协同保障、生态源头减损开采、节能减污清洁利用、数字-自动-智能同建5类技术体系为核心支撑,以透明地质模型动态重构、边坡蠕滑全程精准预测、深大孔低扰动控制爆破、采空区超前探测与处置、粉尘抑制及煤自燃防治等30项关键技术为重点突破,以设计理念先进化、安全保障标准化、建设规模大型化、生产工艺综合化、开采装备智能化、核心制造国产化、矿区生态绿色化、煤炭利用清洁化、组织管理科学化、人才队伍国际化的“十化型”露天矿山为建设任务;同时给出了以规划引领为基础,以科技创新为驱动,以人才培育为保障的露天煤矿高质量发展实现路径。最终为推动我国露天煤矿向持续健康高质量方向发展提供指导。

关键词：露天煤矿建设历程高质量发展煤炭工业架构体系实现路径

综合机械化放顶煤充填开采技术构想及理论框架研究

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 469-482页

作者：张强张吉雄杨康巨峰黄鹏王云搏吕浩南中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

放顶煤开采具有一次采出空间大、矸石排放量高、采放工艺繁杂等特征.其中,矸石高排放与生态建设矛盾显著突出,充填开采是解决二者矛盾的有效途径之一.然而,放顶煤工作面充填开采相关理论技术研究尚属空白,为了促进该理论技术形成与发展... 详细信息

放顶煤开采具有一次采出空间大、矸石排放量高、采放工艺繁杂等特征.其中,矸石高排放与生态建设矛盾显著突出,充填开采是解决二者矛盾的有效途径之一.然而,放顶煤工作面充填开采相关理论技术研究尚属空白,为了促进该理论技术形成与发展,详细介绍了现有充填技术发展历程,从充填位置、工作面布置、充填动力、充填材料及工艺配合5个方面划分了现有充填技术体系,结合放顶煤与充填开采的技术特征,提出了综合机械化放顶煤充填开采构想,分析了该方法的技术难题,凝炼了可充填空间演化规律、放顶煤充填围岩变形与控制特征2个关键科学问题,构建了涵盖采放充一体化工艺、高稳定性充填装备研发、充填空间探测、充填效果监测及放顶煤智能充填控制系统5个方面的核心技术.放顶煤充填开采方法创新了厚煤层一次采全高矸石固废规模处置新技术,丰富了现有充填开采技术体系,拓展了充填开采技术应用范围,为煤矿企业可持续发展、生态环境保护提供了全新技术途径.

关键词：放顶煤充填开采固废处置生态保护理论体系关键技术

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孔隙水实时作用下冻结饱水砂岩的三轴压缩试验

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 836-844页

作者：冯梅梅袁抗生中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室力学与土木工程学院江苏徐州221116

为研究孔隙水压力实时作用下冻结饱水砂岩的力学特性,开展了4个地应力梯度下砂岩常温(20℃)和负温(-5℃)、有孔隙水压力和无孔隙水压力条件下的三轴压缩力学特性研究,并对冻结前后砂岩试样进行微观扫描电镜测试。结果表明:低温冻结可以... 详细信息

为研究孔隙水压力实时作用下冻结饱水砂岩的力学特性,开展了4个地应力梯度下砂岩常温(20℃)和负温(-5℃)、有孔隙水压力和无孔隙水压力条件下的三轴压缩力学特性研究,并对冻结前后砂岩试样进行微观扫描电镜测试。结果表明:低温冻结可以强化砂岩试样的三轴抗压强度,冻结后形成的孔隙冰可以隔绝孔隙水的流动;孔隙水压力在常温和负温情况下均会弱化砂岩三轴抗压强度,且在常温状态下更为显著;随着地应力的增大,常温情况下孔隙水压力对砂岩试样三轴抗压强度的弱化作用逐渐变强,负温情况下则相反;有孔隙水压力冻结的砂岩弹性模量普遍低于同地应力条件下无孔隙水压力冻结砂岩试样,且弹性模量随着地应力的增大先增长然后逐渐衰弱;砂岩试样在常温条件下加载破坏面多为平滑的剪切破坏,冻结之后破坏面多呈“S”状;有孔隙水压作用的砂岩试样微观结构中有更多的冻结散落颗粒和碎屑,冻结条件下更为显著。

关键词：冻结砂岩孔隙水压力三轴压缩强度演化规律微观结构

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锚杆支护吸能调控效应理论解析与数值模拟

中南大学学报（自然科学版） 2024年第9期55卷 3426-3440页

作者：孟庆彬辛学奎宋子鸣程争民宋洋中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

为揭示锚杆的支护吸能调控效应及巷道围岩能量场分布规律,采用理论分析、数值模拟方法研究了锚杆支护巷道围岩能量分布特征。首先,采用经典的弹塑性理论及能量守恒定律,分析了支护巷道围岩弹性变形能、耗散能和外力功之间的关系,给出了... 详细信息

为揭示锚杆的支护吸能调控效应及巷道围岩能量场分布规律,采用理论分析、数值模拟方法研究了锚杆支护巷道围岩能量分布特征。首先,采用经典的弹塑性理论及能量守恒定律,分析了支护巷道围岩弹性变形能、耗散能和外力功之间的关系,给出了锚杆吸能表达式;其次,基于有限差分FLAC3D软件及内嵌的Fish语言编程,开发了能量单元模块,模拟揭示了锚固体的预应力扩散和释能特性;再次,通过单元网格遍历循环的方式计算了巷道围岩中各岩体单元的能量,获得了巷道围岩总变形能、弹性变形能和耗散能的数值及分布特征;最后,揭示了开挖与锚杆支护条件下巷道围岩能量场分布规律,从能量调控角度确定了锚杆合理的长度、间排距等支护参数。研究结果表明:锚杆主要以提高围岩体力学参数及转化吸收能量的方式来调控巷道围岩能量场的分布和耗散特征;随着锚杆间排距缩小和锚杆长度增大,巷道围岩最大耗散能密度呈降低趋势。

关键词：锚杆支护吸能调控理论解答 FLAC3D数值模拟能量模型

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公路隧道装配式仰拱接头变形破坏规律

中国公路学报 2024年第7期37卷 58-69页

作者：王迎超徐杭雷雅婷周鑫郝英中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

接头部位是公路隧道装配式仰拱受力最薄弱的部位,研究接头的力学性能意义重大。首先,预制仰拱采用弯螺栓连接,通过室内试验研究不同轴力分级加载过程中接缝张开量、竖向位移、接头附近表面混凝土应变等变化规律。然后,建立装配式仰拱接... 详细信息

接头部位是公路隧道装配式仰拱受力最薄弱的部位,研究接头的力学性能意义重大。首先,预制仰拱采用弯螺栓连接,通过室内试验研究不同轴力分级加载过程中接缝张开量、竖向位移、接头附近表面混凝土应变等变化规律。然后,建立装配式仰拱接头的三维精细化有限元模型,模拟接头连接形式及接触状态,研究不同轴力-弯矩组合荷载作用下装配式仰拱接头变形、竖向位移以及混凝土应力发展规律。研究结果表明:室内试验和数值模拟获得的弯螺栓抗弯性能具有很好的一致性,且接头破坏过程特征也基本一致,即从接缝靠近施力侧压紧,到对侧张开,再到接头靠近施力侧表面混凝土先产生裂缝,紧接着侧面裂缝斜向上方发展逐渐贯通至顶面,混凝土压坏,最终接头破坏;接缝最大张开量和接头转角随着弯矩的增大,先线性增大后曲线形增大;轴力相同时,接头抗弯刚度随弯矩增加而减小;弯矩一定时,接头抗弯刚度随轴力增加而增加。研究成果可为公路隧道装配式仰拱接头设计及力学性能分析提供参考。

关键词：隧道工程装配式仰拱模型试验破坏特征接头转角

基于计算机视觉的深部软岩巷道变形破裂特征试验研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第9期55卷 3457-3468页

作者：赵万勇李元海于恒徐晓华中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

巷道破裂围岩大变形是深部煤炭开采过程中围岩稳定性控制的难点。针对该问题,本文通过大比例相似模型试验,采用自主研发的计算机视觉量测系统进行围岩全场精细化变形测量和破裂识别表征,探究了深部巷道围岩的碎胀变形演化特征。研究结... 详细信息

巷道破裂围岩大变形是深部煤炭开采过程中围岩稳定性控制的难点。针对该问题,本文通过大比例相似模型试验,采用自主研发的计算机视觉量测系统进行围岩全场精细化变形测量和破裂识别表征,探究了深部巷道围岩的碎胀变形演化特征。研究结果表明:裂隙的数量、长度和面积发育演化可分为径向裂隙发育和环向裂隙发育2个阶段;巷道围岩变形存在位移变化不一致现象,径向裂隙发育阶段以竖向位移为主,环向裂隙发育阶段以水平位移为主;在荷载作用下,有无支护结构巷道围岩均会发生剪切破坏,支护结构能够有效限制剪切破坏后围岩块体相互滑移错动,减小巷道的碎胀变形;深部巷道围岩变形破裂演化具体表现为巷道围岩沿结构面发生剪切破坏,产生径向裂隙切割围岩体;随荷载增加,围岩块体发生错动滑移,产生环向裂隙进而产生碎胀变形。

关键词：深部巷道模型试验计算机视觉碎胀变形裂隙演化

煤铝共采岩层运动与裂隙发育规律的颗粒离散元研究

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采矿与安全工程学报 2024年第1期41卷 58-66页

作者：杨玉贵尚润芃黄炳香赵兴龙刘旺娄坤中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116

通过建立“上煤下铝”资源共采颗粒离散元力学模型,研究了煤层长壁式与铝土矿房柱式共采下覆岩应力叠加规律,揭示了煤层顶板压力拱、煤铝层间压力拱及底板压力拱的成拱机制及叠加传递特征,提出了铝土矿柱稳定、部分矿柱失稳及整体性失... 详细信息

通过建立“上煤下铝”资源共采颗粒离散元力学模型,研究了煤层长壁式与铝土矿房柱式共采下覆岩应力叠加规律,揭示了煤层顶板压力拱、煤铝层间压力拱及底板压力拱的成拱机制及叠加传递特征,提出了铝土矿柱稳定、部分矿柱失稳及整体性失稳下对应的覆岩运动模式,得到了煤铝共采叠加扰动下岩层运移破坏规律。结果表明:采空区两端铝土矿柱受组合应力拱叠加影响易承压过大而发生失效破坏,继而引发邻近矿柱的联动效应,导致铝土矿上覆岩层大范围切落滑移,覆岩矿压显现剧烈。通过分形几何方法对煤铝共采下覆岩裂隙发育规律进行定量表征,发现当铝土矿柱尺寸较小时,铝土矿房覆岩在采空区两端分形盒维数明显大于岩层未受扰动区,表明铝土矿房覆岩裂隙具有向煤层采空区发育贯通演化的特征。

关键词：煤铝共采上覆岩层离散元压力拱裂隙发育