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基于纳米压痕的构造煤与原生煤结构面力学特性

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 509-523页

作者：郭敬杰李伟韩祥凯花春雨邓东中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出等矿井动力灾害严重威胁矿井安全高效生产,不同煤体的微观强度、变形和流变特性的研究对矿井高效生产和灾害防治具有重要意义.本文采用纳米压痕技术对典型的构造煤和原生煤试样的结构面进行了测试,研究了构造煤与原生煤的... 详细信息

煤与瓦斯突出等矿井动力灾害严重威胁矿井安全高效生产,不同煤体的微观强度、变形和流变特性的研究对矿井高效生产和灾害防治具有重要意义.本文采用纳米压痕技术对典型的构造煤和原生煤试样的结构面进行了测试,研究了构造煤与原生煤的微观强度、变形、加卸载速率敏感性和蠕变特性.结果表明:相同载荷条件下构造煤变形能力比原生煤更强,弹性恢复能力更弱,构造煤的变形耗散能约为原生煤的2倍,二者结构面存在部分相似的特性.随加卸载速率降低弹性能占比升高,耗散能、弹性模量、刚度下降;载荷加卸载速率小于100μN/s时,强度特性存在较大的波动,载荷加卸载速率大于100μN/s时,强度特性随着速率变化波动变小,当载荷加载速率远大于卸载速率时会出现初始卸载时刻出现应力滞后现象.构造煤在不同载荷条件下蠕变变形能力均大于原生煤,伯格斯模型可以描述煤体纳米压痕条件下蠕变趋势,但不能很好地描述弹性恢复现象,分数阶麦克斯韦模型可以精确描述纳米压痕条件下煤体的蠕变过程.

关键词：纳米压痕构造煤结构面率相关蠕变煤与瓦斯突出

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构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤炭学报 2024年第2期49卷 645-663页

作者：程远平王成浩煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学人工智能研究院江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(... 详细信息

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。

关键词：煤与瓦斯突出构造煤煤体变形能瓦斯膨胀能释放机制

基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1447-1462页

作者：李伟邓东郭敬杰周梦琦王海锋程远平煤矿灾害防控全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素,现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立,而对于黏弹性煤层介质不适用,需要建立适合煤层属性的地应力分布模型。煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性,基于此,构建了黏弹性煤层... 详细信息

地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素,现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立,而对于黏弹性煤层介质不适用,需要建立适合煤层属性的地应力分布模型。煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性,基于此,构建了黏弹性煤层分数阶麦克斯韦应力松弛数学模型,对扩展伊顿模型中构造应力项改进为黏弹性煤层的应力松弛项,建立了黏弹性煤层地应力分布模型。结果表明,在地质时间尺度内,煤层黏弹性对差应力有显著影响,煤体蠕变和应力松弛程度随黏性系数和分数阶因子的增加而增加;并随弹性模量下降,泊松比、构造比及瓦斯压力增加,煤层应力特征表现为静水压力状态分布趋势,其中弹性模量和泊松比对垂直主应力与水平应力之间差异贡献较大,构造比对水平应力之间差异贡献较大,瓦斯压力对3个主应力贡献相等,应力松弛效应可改变最大、最小水平主应力相对大小及降低应力各向异性。基于临界应力模型,在不同地应力状态下同样获得了摩擦因数降低及瓦斯压力升高的煤层趋近静水压力分布。构造煤力学属性更有利于在地质时间尺度中趋向于静水压力状态。运用地应力模型验证了现场实测结果,并对构造煤瓦斯富集和渗透率降低提出了新的认识。

关键词：地应力分布模型黏弹性煤层应力松弛构造煤煤与瓦斯突出

考虑孔弹性效应的煤岩微纳米孔隙瓦斯表观渗透率模型及其在瓦斯抽采中的应用

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 587-599页

作者：李伟杨康邓东王海锋中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对其产气量具有重要影响,而目前微纳米孔隙中渗透率模型很少考虑此因素。为了探究煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对气体流动机制的影响,基于微纳米孔隙中孔弹性效应与多种机制流动模型,构建一种考虑孔径动态变... 详细信息

煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对其产气量具有重要影响,而目前微纳米孔隙中渗透率模型很少考虑此因素。为了探究煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对气体流动机制的影响,基于微纳米孔隙中孔弹性效应与多种机制流动模型,构建一种考虑孔径动态变化的瓦斯表观渗透率模型,并分析动态表观渗透率模型的主控流动机制与微纳米孔隙中滑脱效应对瓦斯开采产量的贡献程度。研究结果表明:孔弹性效应通过影响孔径演化,改变滑脱效应、表面扩散效应对表观渗透率的贡献程度。随着孔隙压力增大,动态表观渗透率比值依次受到气体滑脱效应、孔弹性效应主控,滑脱效应对表观渗透率比值(孔弹性效应影响的表观渗透率与初始表观渗透率的比值)的贡献程度在低压时随着孔隙压力增大迅速下降,在高压时缓慢下降。深部低渗透率煤层瓦斯开采过程中,滑脱效应对瓦斯开采产量的贡献程度分别呈现初期时快速增大,中期时缓慢下降及后期时缓慢增加的趋势。微纳米孔隙平均孔径越低时,滑脱效应对瓦斯开采产量贡献程度越大。

关键词：采矿工程瓦斯表观渗透率孔弹性效应滑脱效应微纳米孔隙瓦斯抽采

急速卸压条件下构造煤体应力释放规律试验研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 634-644页

作者：蒋静宇史孝宁程远平沈润生马建军王成浩中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部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 河南神火煤电股份有限公司薛湖煤矿河南永城476600 中山大学土木工程学院广东广州510275

为研究构造煤在急速卸压条件下的应力释放规律,开展了不同卸围压速度条件下的型煤试样三轴试验,对比分析了构造煤在不同应力路径下的应力⁃应变曲线和力学特性演化特征,并通过数据拟合分析了急速卸压条件下的应力释放规律。结果表明:卸... 详细信息

为研究构造煤在急速卸压条件下的应力释放规律,开展了不同卸围压速度条件下的型煤试样三轴试验,对比分析了构造煤在不同应力路径下的应力⁃应变曲线和力学特性演化特征,并通过数据拟合分析了急速卸压条件下的应力释放规律。结果表明:卸围压速度越快,构造煤破坏时的变形程度和峰值应力越小。卸围压降低了煤体的内聚力,劣化程度为14.02%~21.95%,卸围压速度越快,劣化作用越强。卸围压降低了煤体变形模量和泊松比,表明卸围压加剧了煤体损伤,降低了煤体抵抗变形的能力。当卸围压速度趋近于急速时,峰值应力的劣化程度为17.84%,内聚力的劣化程度为21.95%,表明急速卸压条件下构造煤更易失稳破坏,应力释放控制瓦斯膨胀能的非稳态释放,从而导致构造煤突出的连续发展。

关键词：构造煤急速卸压卸围压速度应力释放煤与瓦斯突出

卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用

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煤炭学报 2024年

作者：蒋静宇史孝宁王成浩程远平黄一鸣中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学人工智能研究院中国矿业大学贵州研究院

煤与瓦斯突出（简称突出）多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。煤体在突出连续发展阶段中将经历卸压过程，为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理，本文以平煤十三矿突出煤层煤样为研究... 详细信息

煤与瓦斯突出（简称突出）多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。煤体在突出连续发展阶段中将经历卸压过程，为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理，本文以平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象，开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴破碎试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能，提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。结果表明：卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用，卸压速度越大，弱化作用越强。随着卸压速度的提高，煤样破碎后的粉化程度增强，瓦斯解吸量亦随之增高，导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从0.01 MPa/s增大至0.1 MPa/s时，破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了21.05%～40.00%。研究表明卸压速度控制瓦斯膨胀能的正反馈循环过程是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。

关键词：煤与瓦斯突出卸压速度粉化作用瓦斯膨胀能正反馈循环

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论露天矿区近自然生态修复

煤炭学报 2024年第4期49卷 2021-2030页

作者：雷少刚夏嘉南卞正富程伟中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心江苏徐州221116

露天矿区生态修复面临着重建生态系统自维持力低、维持成本高,尤其是修复后“采矿痕迹”明显等问题,亟待协调好人工修复与自然恢复的关系,升级发展传统生态修复模式,促进露天矿区人与自然和谐共生。在长期的理论方法研究和应用实践经验... 详细信息

露天矿区生态修复面临着重建生态系统自维持力低、维持成本高,尤其是修复后“采矿痕迹”明显等问题,亟待协调好人工修复与自然恢复的关系,升级发展传统生态修复模式,促进露天矿区人与自然和谐共生。在长期的理论方法研究和应用实践经验总结基础上,①提出了露天矿区近自然生态修复的必要性及其理论内涵与技术框架。近自然矿山生态修复是参照本地自然地貌、水文、土壤、植被、景观及其演变规律,使修复后的矿业斑块达到与周边自然生态系统近似的结构与功能状态,并与周边自然地貌、水系、景观相融合的修复模式,是对传统生态修复模式的升级,逼近“采矿无痕”是其追求的理想状态。②近自然生态修复是露天矿生态化设计的重要构成,其技术环节主要包括,参照生态系统学习、近自然地貌重塑、水文衔接与调控、矿山活土层重构、植被重建与多样性重组等。参照生态系统学习为后续各个修复环节提供修复目标与参数。近自然地貌重塑是近自然生态修复的核心与基础,包括内排土场全生命周期近自然地貌重塑、外排土场近自然地貌重塑、邻近自然问题地貌协同重塑等。水文衔接与调控要解决河道沟道的优化布局、矿区上下游水系的衔接、以蓄代排径流调控等。矿山活土层重构包括矿山土物理结构重组、微生物和养分循环过程重构等内容;植被重建与多样性重组包括近自然的植物群落与多样性配置,以及近自然的植株空间布局等。③实践分析表明,露天矿近自然生态修复有助于减少土壤侵蚀,提高地貌稳定性,增强重建生态系统的自维持能力,有利于实现露天矿区“采矿无痕”,促进人与自然和谐共生。

关键词：露天开采矿山生态生态化设计自然修复地貌重塑

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含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 362-371页

作者：张村王磊王潇杰刘金保崔舒畅陈见行中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)厚煤层绿色智能开采教育部工程研究中心北京100083

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈... 详细信息

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明:干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使声发射强度降低。

关键词：废弃矿井含水率巴西劈裂抗拉强度声发射弱化机制

叠合采动下围岩破坏区非均匀扩展机理及巷道稳定控制

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 522-532页

作者：刘洪涛韩子俊韩洲霍天宏罗茗罗紫龙彭佳琛张红凯中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 煤炭行业巷道支护与灾害防治工程研究中心北京100083

为揭示叠合采动影响下围岩的变形破坏特征,以羊场湾矿160206工作面为工程背景,通过现场监测、理论分析计算、数值模拟和现场工程试验的综合研究方法,研究叠合采动应力场下回风巷围岩的应力场演化规律和塑性区形态分布特征,揭示煤层巷道... 详细信息

为揭示叠合采动影响下围岩的变形破坏特征,以羊场湾矿160206工作面为工程背景,通过现场监测、理论分析计算、数值模拟和现场工程试验的综合研究方法,研究叠合采动应力场下回风巷围岩的应力场演化规律和塑性区形态分布特征,揭示煤层巷道在叠合采动影响下的非均匀扩展机理。结果表明:上下区段的叠加采动影响导致160206工作面前方回风巷处于高偏应力环境,这是造成回风巷发生非对称破坏的主控因素;叠合采动巷道在高偏应力作用下塑性区呈蝶形形态,且蝶叶向采空区一侧偏转,围岩塑性区形态呈煤壁帮顶板及煤柱帮底板破坏范围大的非均匀扩展特征。据此,提出采用非对称长短锚杆索协调加强支护、超前单元支架及钻孔卸压的联合支护技术,在叠合采动影响区域进行工业性试验,取得良好的效果。

关键词：围岩控制塑性区采空区非均匀破坏叠合采动