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多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

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岩石力学与工程学报 2013年第5期32卷 966-975页

作者：刘东许江尹光志王维忠梁永庆彭守建重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动... 详细信息

自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在:(1)箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2)地应力加载方式复杂,可实现"三向四级"加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3)最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。

关键词：采矿工程煤矿动力灾害模拟瓦斯压力数据采集多场耦合

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静水压力对原煤瓦斯解吸影响的试验研究

岩石力学与工程学报 2016年第9期35卷 1837-1843页

作者：刘超黄滚宋真龙李铭辉赵宏刚张驰边光重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

运用自主研制的煤岩热流–固–耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行不同静水压力条件下煤体瓦斯解吸试验。基于物理假设,以理想气体状态方程为桥梁,分析密闭环境中解吸瓦斯压力的变化规律。研究结果表明：随着静水压力的上升,封闭系统... 详细信息

运用自主研制的煤岩热流–固–耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行不同静水压力条件下煤体瓦斯解吸试验。基于物理假设,以理想气体状态方程为桥梁,分析密闭环境中解吸瓦斯压力的变化规律。研究结果表明：随着静水压力的上升,封闭系统中煤体瓦斯压力升高0.277%～0.750%。煤中瓦斯压力的变化量δP由两部分组成：孔裂隙压缩引起瓦斯压力的变化量δPV和瓦斯解吸引起瓦斯压力的变化量δPd。随着静水压力的上升,瓦斯解吸引起的瓦斯压力变化量所占总瓦斯压力变化的比例ψ减小,煤体中瓦斯解吸压力所占初始瓦斯压力的比例ω增大,煤与瓦斯突出等煤矿动力灾害也越容易发生。

关键词：岩石力学静水压力理想气体状态方程瓦斯压力解吸煤与瓦斯突出

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

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岩土力学 2011年第6期32卷 1613-1619页

作者：尹光志蒋长宝李晓泉王维忠蔡波重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变... 详细信息

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。

关键词：岩石力学采矿工程渗流全应力-应变型煤瓦斯

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含瓦斯煤剪切破裂过程细观演化

煤炭学报 2014年第11期39卷 2213-2219页

作者：许江冯丹程立朝张先萌谭皓月刘婧重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

运用自主研发的煤岩细观剪切实验装置,开展了不同成型压力条件下含瓦斯煤剪切破裂过程研究。研究含瓦斯煤剪切破裂过程中微细观裂纹的开裂、扩展、贯通演化规律,对比分析成型压力对含瓦斯煤抗剪强度及剪切破裂最终形态的影响。研究发现... 详细信息

运用自主研发的煤岩细观剪切实验装置,开展了不同成型压力条件下含瓦斯煤剪切破裂过程研究。研究含瓦斯煤剪切破裂过程中微细观裂纹的开裂、扩展、贯通演化规律,对比分析成型压力对含瓦斯煤抗剪强度及剪切破裂最终形态的影响。研究发现:随成型压力增加含瓦斯煤密实度增大,抗剪强度增大;剪切破裂过程裂纹扩展速率与开裂位置偏离预定剪切面距离有关,预定剪切面上剪应力大扩展速率快,偏离预定剪切面扩展裂纹受力减小,扩展速率低,甚至会终止扩展而不能贯通;裂纹扩展形态与成型压力有关,成型压力小,密实度低,抗剪强度低,裂纹容易扩展,剪切带范围小,成型压力大,密实度高,抗剪强度高,裂纹不容易扩展,剪切带范围大;含瓦斯煤剪切破裂过程左侧固定右侧受剪切荷载作用,容易形成雁行排列,为实现最终贯通,破坏雁行排列之间会有张拉牵引裂纹产生。

关键词：含瓦斯煤剪切细观成型压力雁行排列

三轴压缩条件下饱水岩石破坏后区荷载速率效应试验研究

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岩土力学 2018年第S2期39卷 72-82页

作者：彭守建王哲许江大久保诚介汤杨陈灿灿马天宇重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

采用三轴压缩交替荷载速率试验,对3种饱水岩石破坏后区荷载速率效应进行研究,探讨围压对破坏后区荷载速率效应的影响规律。研究结果表明,(1)岩石在峰值处的荷载速率效应系数n值随围压的升高而逐渐增大,表明岩石在峰值处的荷载速率效应... 详细信息

采用三轴压缩交替荷载速率试验,对3种饱水岩石破坏后区荷载速率效应进行研究,探讨围压对破坏后区荷载速率效应的影响规律。研究结果表明,(1)岩石在峰值处的荷载速率效应系数n值随围压的升高而逐渐增大,表明岩石在峰值处的荷载速率效应随围压的升高逐渐减弱;(2)岩石在破坏后区也呈现明显的荷载速率效应,且随着围压的升高,田下凝灰岩和荻野凝灰岩在破坏后区的荷载速率效应变得越来越明显,而井口砂岩在破坏后区的荷载速率效应则逐渐减弱;(3)运用4种荷载速率效应系数对破坏后区应力-应变曲线进行修正,其与高荷载速率对应的破坏后区应力-应变曲线重合性均较好,表明4种荷载速率效应系数均能用于量化分析岩石破坏后区荷载速率效应,但基于岩石卸载模量求取的nd最适合用于对岩石破坏后区荷载速率效应进行量化分析。

关键词：三轴压缩交替荷载速率破坏后区荷载速率效应

高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制

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岩石力学与工程学报 2014年第7期33卷 1329-1335页

作者：黄飞卢义玉刘小川敖翔李良伟重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角α冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取α=0°,45°,90°研究冲击夹角... 详细信息

基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角α冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取α=0°,45°,90°研究冲击夹角对岩石破碎规律的影响;选择具有良好横观各向同性的砂岩开展不同夹角的冲击实验。理论分析与实验研究表明:水锤压力导致横观各向同性岩石产生冲击破碎坑,滞止压力诱发岩石内部裂纹的产生与扩展;水射流以垂直于、倾斜于、平行于层理冲击横观各向同性岩石导致其分别产生横向裂纹、倾斜裂纹和劈裂裂纹。

关键词：岩石力学水射流冲击荷载横观各向同性岩石破碎

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瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究

岩石力学与工程学报 2017年第A1期36卷 3239-3246页

作者：赵宏刚张东明李文璞边光刘超张驰重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力... 详细信息

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力下,含瓦斯岩石的应变较大。瓦斯压力对岩石的力学特性起到了弱化作用,使三轴抗压强度表现出一定的非线性特征。采用抛物线型、Hoek-Brown(H-B)等型式的强度准则对岩石的非线性强度特征进行研究,提出考虑瓦斯压力作用的修改型H-B强度准则,经验证修正后的强度准则与试验数据吻合良好,可以作为瓦斯压力作用下岩石破坏的强度判据。

关键词：岩石力学瓦斯压力力学特性弱化作用非线性特征强度准则

双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性研究

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岩石力学与工程学报 2015年第S1期34卷 2659-2664页

作者：许江刘义鑫刘婧程立朝冯丹重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

为深入研究双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性,利用自主研发的煤岩双面剪切试验装置及PCI–2型声发射系统,分析砂岩声发射特性随含水率增高声发射特性曲线变化趋势。试验结果表明:砂岩试件在不同含水率条件下,其剪应力随时间变... 详细信息

为深入研究双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性,利用自主研发的煤岩双面剪切试验装置及PCI–2型声发射系统,分析砂岩声发射特性随含水率增高声发射特性曲线变化趋势。试验结果表明:砂岩试件在不同含水率条件下,其剪应力随时间变化趋势一致,剪应力达到峰值所需时间随含水率增加呈减少趋势;双面剪切荷载作用下,砂岩的Hit率–时间曲线、累计Hit数–时间曲线均可分为3个阶段,且Hit率峰值滞后于剪应力峰值;砂岩在双面剪切荷载作用下,内部微裂纹萌生、扩展主要始发生于剪应力达到抗剪强度的1/2时,此时砂岩试件处于微破裂稳定发展阶段;砂岩声发射事件幅值由低到高随剪应力增加呈阶梯状分布;砂岩内部微裂纹扩展方式以绕晶而过为主,穿晶破裂为辅。

关键词：岩石力学含水率双面剪切荷载声发射

多层叠置含气系统煤层气合采储层流体动态响应特征

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煤炭科学技术 2021年第11期49卷 30-37页

作者：贾立彭守建许江陈捷仁吴斌重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

为研究多层叠置含气系统煤层气合采过程中储层流体动态响应特征,利用具有自主知识产权的多层叠置含气系统煤层气合采物理模拟试验装置,开展层间压差分别0.2、0.4和0.6 MPa的合采试验,分析了合采过程中的储层流体动态响应特征。研究结果... 详细信息

为研究多层叠置含气系统煤层气合采过程中储层流体动态响应特征,利用具有自主知识产权的多层叠置含气系统煤层气合采物理模拟试验装置,开展层间压差分别0.2、0.4和0.6 MPa的合采试验,分析了合采过程中的储层流体动态响应特征。研究结果表明:储层压力演化具有阶段性变化特征,储层压力变化曲线分为骤降型、屏蔽型和倒灌型。合采初期会发生层间干扰,使得流体运移呈现离心流变化特征,表明煤层气发生反向流动。在进行合采时,井筒连通了不同的能量体,煤储层系统之间能量动态平衡状态遭到破坏,使得流体从高能量含气系统向低能量含气系统转移,使得流体运移被抑制或屏蔽,而随着含气系统间流体能量差异的增大,则高能量系统的流体倒灌进入较低能势系统中。层间压差增大,层间干扰现象显著,合采兼容性变差,储层压力回升幅值增大,储层流场离心流范围增大,储层伤害面积增广。层间压差分别从0.2 MPa增加至0.4 MPa和0.6 MPa时,煤层气倒灌量分别从0.42 L增加至3.73 L和7.97 L,合采累积流量从218.74 L减小至208.61 L和192.21 L。

关键词：多层叠置含气系统煤层气合采储层压力层间干扰流体倒灌