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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

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，受扰动影响致钻孔周围煤岩体产生新的裂隙，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?纳米材料和高分子聚合物材料来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... 详细信息

由于瓦斯抽采钻孔周围稳定性较差，受扰动影响致钻孔周围煤岩体产生新的裂隙，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?纳米材料和高分子聚合物材料来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纤维（Polyvinyl Alcohol Fibres，PVA）复掺于水泥基注浆材料中的宏微观强度特征。采用单因素探究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，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：两类型添加剂均展现出对水泥基注浆材料抗压强度的有效提升作用，尤其是当氧化石墨的含量为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 PVA纤维力学强度水泥基材料

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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

微纳米气泡-表面活性剂协同强化驱替煤中瓦斯效应与机理

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煤炭学报 2024年

作者：陈勇王鹏飞刘荣华刘开新邬高高王新喆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

为实现煤体瓦斯减阻增渗与强化驱替，基于微纳米气泡、表面活性剂与水介质共存特性获得了液气耦合介质，通过环管流量、旋转粘度表征了液气耦合协同增效特征，基于渗流瞬时流量、气测渗透率量化了微纳米气泡-表面活性剂协同强化驱替煤... 详细信息

为实现煤体瓦斯减阻增渗与强化驱替，基于微纳米气泡、表面活性剂与水介质共存特性获得了液气耦合介质，通过环管流量、旋转粘度表征了液气耦合协同增效特征，基于渗流瞬时流量、气测渗透率量化了微纳米气泡-表面活性剂协同强化驱替煤中瓦斯效应，借助达西渗流揭示了微纳米气泡-表面活性剂协同增效作用下驱替机理。结果表明：微纳米气泡-表面活性剂协同增效后，轴压/围压3、5MPa渗流驱替时，相对蒸馏水介质，无烟煤瞬时流量分别增大1.61、2.44倍、气测渗透率分别增大1.61、2.39倍，长焰煤瞬时流量分别增大1.43、1.67倍、气测渗透率分别增大1.44、1.68倍；相对含表面活性剂介质，无烟煤瞬时流量分别增大1.08、1.21倍、气测渗透率分别增大1.08、1.13倍，长焰煤瞬时流量分别增大1.07、1.11倍、气测渗透率分别增大1.08、1.11倍。相同变质程度煤体在蒸馏水介质、含表面活性剂介质、液气耦合介质渗流驱替时，瞬时流量、气测渗透率逐渐增大，且长焰煤相对无烟煤呈现出更为明显的增强效应。随轴压/围压的增大，不同介质渗流驱替强度均呈现一定幅度的降低；但微纳米气泡-表面活性剂协同增效作用显现，相同载荷条件下，液气耦合介质渗流强度均大于蒸馏水介质与含表面活性剂介质，且不同轴压/围压之间的渗流差异明显缩小。微纳米气泡-表面活性剂协同增效衍生减阻性能与边界滑移，提供了瓦斯渗流驱替作用动力，基于孔隙渗流与边界滑移特征，将煤体内部孔隙结构类比圆管孔隙建立了减阻渗流模型，借助达西渗流表征了液气耦合介质对煤体注水渗流驱替界面特性与作用机制。微纳米气泡-表面活性剂液气耦合协同增效为煤层注水渗流驱替与增透抽采提出了新的技术方向。

关键词：微纳米气泡表面活性剂煤体瓦斯液气耦合协同增效强化驱替

三轴卸荷损伤砂岩单轴再承载力学特性及其破坏机制

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岩土力学 2024年第10期 3047-3057页

作者：魏明星朱永建任恒李鹏王希之王平唐成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湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室

深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境，卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件，采用RMT-150C岩石力学加载系统和... 详细信息

深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境，卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件，采用RMT-150C岩石力学加载系统和东华DHDAS应力应变采集系统，监测三轴卸荷及单轴再加载过程中试件的横向应变和轴向应变。试验结果表明：根据加载前后波速差值可将卸荷岩体分为三类：压密岩体、低损岩体和高损岩体；随着卸载应力水平的升高，损伤砂岩由塑-弹-塑体变形特征过渡为塑-弹体变形特征最后转变为弹-黏体变形特征；压密岩体单轴再加载裂纹体积应变曲线与标准砂岩基本一致，低损岩体弹性变形阶段明显缩短，高损岩体经历极小变形就发生破坏；压密岩体呈现“Y”型斜面剪切破坏特征，低损岩体在卸荷阶段出现的纵向裂缝和裂隙基础上发育并贯通形成主控裂纹造成破坏，高损岩体在“Y”型斜面剪切破裂基础上发育为“X”型斜面剪切破坏；建立了单轴压应力下裂纹力学分析模型，明确了岩石裂纹断裂角θ与裂纹角β和裂纹面摩擦系数f之间的关系。

关键词：损伤砂岩单轴再加载特征强度裂纹体积应变破坏机制

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应力波斜入射下砂岩层裂破坏的试验研究

振动与冲击 2024年第14期43卷 201-210页

作者：王世鸣白云帆王嘉琪吴秋红湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭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

在地下工程结构中,爆破或地震等产生的动载荷会以任意方向作用于围岩,容易导致其发生层裂破坏。为了研究应力波斜入射对砂岩试样层裂破坏特性的影响,利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置开展了应力波在0°、30°、45°和60°入射下砂岩试... 详细信息

在地下工程结构中,爆破或地震等产生的动载荷会以任意方向作用于围岩,容易导致其发生层裂破坏。为了研究应力波斜入射对砂岩试样层裂破坏特性的影响,利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置开展了应力波在0°、30°、45°和60°入射下砂岩试样的层裂试验,并利用高速摄影仪记录试样的层裂破坏过程。试验结果表明,试样初始层裂长度和层裂强度受应力波入射角度影响显著。在相同冲击气压下,试样初始层裂长度随着应力波入射角度的增大而增大;而试样层裂强度随着应力波入射角度的减小而增大。此外,采用离散元代码(particle flow code, PFC)对本次试验进行了数值模拟,模拟结果与试验结果较为吻合。在模拟中,进一步研究了冲击速度对应力波斜入射下砂岩层裂破坏的影响,在较高冲击速度下,应力波垂直入射造成的层裂裂纹数量与较低冲击速度下变化程度不大,而应力波在斜入射下造成的层裂裂纹数量显著增多,且损伤较为明显。

关键词：砂岩应力波斜入射层裂破坏数值模拟

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我国瓦斯隧道施工技术进展及主要问题探讨

隧道建设（中英文） 2024年第1期44卷 53-68页

作者：黄飞钟小凤罗太友李树清罗亚飞刘磊龙其毕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 贵阳景烁安全科技有限公司贵州贵阳550081

基于网络数据资料、期刊论著文献与现场施工资料,全面总结我国瓦斯隧道施工技术的进展与不足。结果表明:1)我国瓦斯隧道具有瓦斯工区里程长、瓦斯等级高、多分布于中西部地区等特征;2)瓦斯隧道施工灾害主要为瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、瓦斯... 详细信息

基于网络数据资料、期刊论著文献与现场施工资料,全面总结我国瓦斯隧道施工技术的进展与不足。结果表明:1)我国瓦斯隧道具有瓦斯工区里程长、瓦斯等级高、多分布于中西部地区等特征;2)瓦斯隧道施工灾害主要为瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、瓦斯突出、瓦斯中毒窒息等事故,年事故发生数量总体呈下降趋势;3)我国瓦斯隧道设计施工规范近20年来得到了较为全面的完善,已颁布了铁路与公路行业标准、贵川渝等地方标准;4)隧道瓦斯工区安全施工主要依赖于超前探测、瓦斯监测、安全通风与揭煤防突等关键技术,在工程实践中各技术的关键施工参数得到了优化完善;5)绝对瓦斯涌出量测定方法与瓦斯工区等级动态调整机制是目前瓦斯隧道施工存在的主要问题,对瓦斯隧道的施工安全与成本控制影响巨大。建议根据隧道施工特征进一步开展隧道瓦斯防治专题研究,完善瓦斯隧道设计施工规范,为我国瓦斯隧道的安全高效施工提供理论与技术支撑。

关键词：瓦斯隧道通风揭煤防突瓦斯工区等级评价动态调整机制

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深部顶板夹煤层巷道变形破坏分析及其控制

中国安全科学学报 2024年第1期34卷 158-165页

作者：袁越张峰彬尚玺刘兆强彭刚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 毛田镇人民政府湖南湘乡411406

为了探究深部顶板夹煤层软岩巷道大变形破坏问题,以平煤六矿三水平戊二胶带运输巷为工程背景,开展夹煤层巷道围岩破坏分析及控制对策的研究。首先,构建原支护体系组合拱力学模型,推导出直墙半圆拱形巷道稳定判别式;其次,提出“锚网索-梁... 详细信息

为了探究深部顶板夹煤层软岩巷道大变形破坏问题,以平煤六矿三水平戊二胶带运输巷为工程背景,开展夹煤层巷道围岩破坏分析及控制对策的研究。首先,构建原支护体系组合拱力学模型,推导出直墙半圆拱形巷道稳定判别式;其次,提出“锚网索-梁-注浆-组合砂浆锚索”联合返修控制对策,即沿戊8煤层顶板进行巷道扩刷,采用锚网索、梯子梁完成基本支护,对围岩进行深浅孔注浆加固、顶板及两帮关键部位布置组合砂浆锚索等加强支护,并通过数值模拟分析返修前后应力、位移场分布特征;最后,开展工业性试验,并监测矿压。结果表明:两帮及顶底板最大收敛量分别为93、112 mm,后期变形速率均低于1 mm/d,围岩变形得到有效控制,返修效果良好。

关键词：顶板夹煤层围岩变形破坏控制方案软岩巷道组合拱

阴离子表面活性剂SDBS强化喷雾降尘试验研究

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安全与环境学报 2024年第6期24卷 2261-2268页

作者：邬高高王鹏飞蒋逸丹刘岩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治理安全生产实验室湖南湘潭411201

为有效治理煤尘对生产环境的污染,以润湿性差的焦煤为试验材料,研究阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate, SDBS)对粉尘润湿性及喷雾降尘的影响。通过研究不同质量分数的SDBS溶液表面张力、接触角、反渗... 详细信息

为有效治理煤尘对生产环境的污染,以润湿性差的焦煤为试验材料,研究阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate, SDBS)对粉尘润湿性及喷雾降尘的影响。通过研究不同质量分数的SDBS溶液表面张力、接触角、反渗透、喷嘴雾滴粒径及降尘效率,展开SDBS强化喷雾降尘试验研究。基于自行设计的喷雾降尘试验平台,采用常用的X形旋流压力喷嘴展开喷雾降尘试验研究。研究结果显示:溶液SDBS质量分数由0逐渐增加至0.005 00%时,溶液表面张力逐渐减小至28.8 mN/m,此后继续增大SDBS质量分数,表面张力减小幅度小于1 mN/m;溶液SDBS质量分数由0逐渐增加至0.500 00%,接触角由75.44°下降至16.71°且呈不断减小的变化规律;煤尘反渗透吸湿量随SDBS质量分数增加呈不断增大的趋势,质量分数为0.500 00%时煤尘吸湿量的增幅最大;随着SDBS质量分数逐渐增加,喷嘴雾滴粒径先减小后增大,降尘效率先增加后降低,且极值点质量分数均为0.005 00%。SDBS最佳喷雾降尘质量分数为0.005 00%。研究结果可为喷雾降尘现场配制SDBS溶液提供理论依据。

关键词：安全卫生工程技术表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS) 煤尘雾滴粒径降尘效率

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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