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基于颗粒流的倾斜厚煤层坚硬顶板运动失稳规律及水力弱化参数研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3428-3438页

作者：梁运培李其罡黄旭超武兆鹏陈亮瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

为了探究倾斜厚煤层坚硬顶板的运动失稳规律,基于PFC^(2D)离散元颗粒流分析软件建立倾斜厚煤层采动覆岩的数值模型,并针对倾斜厚煤层坚硬顶板大面积悬露问题进行水力弱化方案设计,分析不同压裂参数对倾斜厚煤层坚硬顶板水力弱化效果的影... 详细信息

为了探究倾斜厚煤层坚硬顶板的运动失稳规律,基于PFC^(2D)离散元颗粒流分析软件建立倾斜厚煤层采动覆岩的数值模型,并针对倾斜厚煤层坚硬顶板大面积悬露问题进行水力弱化方案设计,分析不同压裂参数对倾斜厚煤层坚硬顶板水力弱化效果的影响,并提出一种水力弱化参数优选方法。研究表明:倾斜厚煤层的坚硬顶板初次来压以一种“堤坝体”的岩块结构破断,采空区上覆岩层垂向应力表现出非对称特征,在纵向上随工作面推进呈阶梯状垮落;针对倾斜厚煤层大面积悬露提出4种不同压裂角度,3种不同压裂高度的水力弱化方案,结果表明压裂角度为“直角”,压裂高度为基本顶厚度一半的弱化方案可以达到预期弱化效果,坚硬顶板水力弱化影响区域来压强度整体降低,来压峰值压力降低约42%,来压步距降低约52%;综合考虑施工难度和成本,基于弱化程度和压裂角度、高度之间的关系,对倾斜厚煤层坚硬顶板水力弱化参数进行优化,提出一种倾斜厚煤层坚硬顶板非充分定向水力弱化参数的优选方法,于1E201工作面进行工业性试验并取得了良好的顶板弱化效果。

关键词：采矿工程倾斜厚煤层坚硬顶板颗粒流水力压裂弱化参数

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纳米氧化铝改性地面井固井水泥水化机制研究

煤炭科学技术 2024年第7期52卷 68-78页

作者：梁运培刘莹邹全乐王鑫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国家重点实验室重庆400044

随着地面井固井技术发展加快,工程现场对于地面井固井水泥浆的早期流动性及凝结性能有了更高的要求。为了提高固井工程注水泥作业的顶替效率,改善固井工程现场作业应用情况,提出了纳米氧化铝颗粒改性固井水泥的方法,利用核磁共振技术对... 详细信息

随着地面井固井技术发展加快,工程现场对于地面井固井水泥浆的早期流动性及凝结性能有了更高的要求。为了提高固井工程注水泥作业的顶替效率,改善固井工程现场作业应用情况,提出了纳米氧化铝颗粒改性固井水泥的方法,利用核磁共振技术对质量分数为0、0.05%、0.10%、0.15%及0.20%的纳米氧化铝改性水泥浆(水灰比为0.44)在不同水化龄期的水化反应变化特征进行了研究,探究了纳米氧化铝改性水泥的水相分布、物理结合水总信号量变化、峰形指数及迁移速率。结果表明:纳米氧化铝改性水泥浆在水化阶段的T2图谱会出现3个弛豫峰,分别对应絮凝结构填充水(0.1~10 ms)、毛细水(10 ms)、自由水(800~1000 ms);其物理结合水总信号随纳米氧化铝质量分数增加而逐步减少,其中质量分数为0.20%的纳米氧化铝改性水泥浆信号量减少速率最快;峰形指数呈现先上升后下降的趋势,当水化反应进行至600 min时,质量分数为0.20%的改性水泥浆变化速率最快,弛豫峰向短弛豫方向移动速率加快;结合迁移速率将纳米氧化铝改性固井水泥水化反应阶段划分,其水化机制分别作用在4个水化时期:①初始水化期(5~60 min),水化速率未发生明显改变;②加速水化期(60~600 min),纳米氧化铝使水泥浆中物理结合水转化为化学结合水所经历时间变短,水化进程加快,达到促进水泥水化的效果;③稳定水化期(600~1200 min),水泥体系趋于稳定;④延缓水化期(1200~1800 min),物理结合水转化为化学结合水速率变慢,水泥水化进程减慢。研究结论得到,纳米氧化铝改性水泥浆水化时期可以划分为4个阶段,分别起到物理填充、加速、稳定、延缓的作用。在加速期,纳米氧化铝促进水泥的早期流动,有利于水泥浆的泵送及流动,在延缓期,纳米氧化铝延缓水泥的进一步水化进程,利于发展早期强度。其中,质量分数为0.20%的纳米氧化铝改性水泥浆对于水泥水化进程影响最大,促进填充水向结合水的转化,在加速水化期间对于水泥浆水化反应加速程度最大,以此作为依据对现场固井水泥的制备及应用提供指导。

关键词：地面井固井水泥纳米氧化铝核磁共振水化反应弛豫时间

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逆断层控制带含煤地层地应力分布规律

煤炭学报 2024年第9期49卷 3918-3931页

作者：王晓东罗永江石佳林梁运培胡千庭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

为深化对逆断层控制下含煤地层的地应力分布特征的认识,运用自主研发的大型真三轴仪器“矿山地质构造模拟实验系统”,基于相似原理,开展考虑深度、断层倾角、落差等影响因素的物理模拟实验。结合数值模拟,分析不同条件下扰动区宽度和地... 详细信息

为深化对逆断层控制下含煤地层的地应力分布特征的认识,运用自主研发的大型真三轴仪器“矿山地质构造模拟实验系统”,基于相似原理,开展考虑深度、断层倾角、落差等影响因素的物理模拟实验。结合数值模拟,分析不同条件下扰动区宽度和地应力分布规律。研究结果表明:①断层上盘的应力扰动宽度大于下盘,且2者都随深度的增加而减小。倾角45°断层的扰动宽度比60°断层小,在500、1000、1500 m深度处,前者分别为35.72、27.33、10.71 cm,后者分别为47.03、32.15、17.85 cm。②临近断层处最大水平应力(σ_(H))有明显的应力集中现象。当断层倾角大于45°时,倾角越大,应力集中程度越大。45°断层下盘临近断层处的4号测点在500、1000、1500 m深度的应力集中系数分别为为0.95、0.94、1.15,与区域应力场接近。而60°断层的4号测点在500、1000、1500 m深度的应力集中系数分别为1.11、1.44、1.42。③在远离断层处的未受扰动区,σ_(H)偏转角度较小,几乎都小于15°。在扰动区,σ_(H)偏转角度受倾角控制,σ_(H)偏转角度最大达到约90°。倾角45°断层中,σ_(H)偏转角度最大的区域在下盘临近断层处;在倾角60°断层,这一区域则出现在距离断层有一定距离的上盘中。④当落差大于煤层厚度时,扰动宽度(尤其上盘扰动区宽度)明显变大。应力集中区域出现在弹性模量更大的地层中,煤层中各测点σ_(H)离散性很大。

关键词：地应力分布含煤地层逆断层应力集中应力转向

典型铅锌矿区土壤重金属含量高光谱反演模型研究

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光谱学与光谱分析 2024年第6期44卷 1740-1750页

作者：吴艳花赵恒谦毛继华金倩王雪飞李美钰中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 煤炭资源与安全开采国家重点实验室(中国矿业大学) 北京100083 河北省地质实验测试中心河北保定071051 河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室河北保定071051

矿区开采造成的土壤重金属污染严重影响作物产量、引发人体疾病;有效预防土壤重金属污染对健康的损害非常重要。高光谱快速、动态获取地物连续光谱信号的特点,为发展基于遥感的土壤重金属含量监测提供了新的思路。针对河北省涞源县典型... 详细信息

矿区开采造成的土壤重金属污染严重影响作物产量、引发人体疾病;有效预防土壤重金属污染对健康的损害非常重要。高光谱快速、动态获取地物连续光谱信号的特点,为发展基于遥感的土壤重金属含量监测提供了新的思路。针对河北省涞源县典型铅锌矿区,实地采集矿区及周边土壤样本,基于SVC HR-1024i地物光谱仪(350~2500 nm)获取土壤光谱反射率,通过对光谱数据进行平滑、一阶导数、多元散射校正、标准正态变换、多元散射校正后一阶导数、标准正态变换后一阶导数六种光谱数据组合变换,使用差值指数、比值和归一化方法从六种预处理数据中提取光谱指数,通过实验室化学测试分析得到土壤重金属镉、铅、锌含量,对不同重金属元素使用不同光谱变换方式进行预处理,得到不同类型重金属元素的最优光谱变换方式。采用差值指数、比值指数和归一化植被指数,提取不同光谱指数下的最优波段组合,从而得到用于不同重金属元素建模使用的最优自变量。基于随机森林和偏最小二乘回归法分别构建重金属元素反演模型。研究表明,通过对光谱数据预处理,可以有效地降低噪声,增强光谱特征。从结果来看,经过预处理后光谱数据与重金属含量相关性有所提高。对不同重金属元素建模选择对其最优的光谱指数自变量,增加了反演建模的有效特征。对三种重金属镉、铅、锌利用随机森林算法和偏最小二乘回归法建立预测模型,最优模型的R 2分别达到了0.90、0.91、0.84,证实了该方法的有效性。该研究可为铅锌矿区土壤重金属含量反演建模提供依据,为矿区土壤重金属含量检测提供方法参考。

关键词：矿区重金属污染光谱变换光谱指数反演模型

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海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响

爆炸与冲击 2024年第3期44卷 103-115页

作者：李勇雒泓宇冯晓伟胡宇鹏张军李海涛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 中国工程物理研究院总体工程研究所四川绵阳621999

为有效表征不同海拔坑道内爆炸冲击波的传播特征,利用非线性显式动力学有限元软件AUTODYN,研究了海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响规律,探讨了高海拔环境对坑道内冲击波传播的影响,基于量纲分析,建立了适用于不同海拔高度典型... 详细信息

为有效表征不同海拔坑道内爆炸冲击波的传播特征,利用非线性显式动力学有限元软件AUTODYN,研究了海拔高度对长直坑道内爆炸冲击波传播的影响规律,探讨了高海拔环境对坑道内冲击波传播的影响,基于量纲分析,建立了适用于不同海拔高度典型坑道内冲击波峰值超压的计算模型,并通过数值计算进行了验证。结果表明:随着海拔高度升高,坑道内爆炸冲击波波阵面传播速度与径向的冲击波参数偏差增大,平面波形成距离增加,冲击波峰值超压降低;在0~4000 m范围内,海拔高度每升高1000 m,冲击波冲量降低约0.91%。结合Sachs无量纲修正方法和量纲分析,推导出不同海拔高度冲击波峰值超压的理论分析模型,模型计算结果与数值计算结果的相对偏差不大于10%,能够为高海拔环境下坑道内爆炸冲击波的传播提供理论依据。

关键词：海拔高度坑道爆炸冲击波量纲分析传播特性

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有效应力恢复条件下水力压裂后煤层气分区渗流特征

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天然气工业 2024年第3期44卷 152-163页

作者：张村刘晨熙王永乐徐伍艳赵毅鑫宋子玉中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室安徽理工大学煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心

目前煤层气单井主要通过水力压裂技术来提高产量,但水力压裂技术会导致煤层裂缝出现分区现象,在有效应力作用下不同裂缝分区的渗流特征将直接影响煤层气抽采效果。为了更好地研究有效应力对不同裂缝分区渗流特征的影响,以沁水盆地煤样为... 详细信息

目前煤层气单井主要通过水力压裂技术来提高产量,但水力压裂技术会导致煤层裂缝出现分区现象,在有效应力作用下不同裂缝分区的渗流特征将直接影响煤层气抽采效果。为了更好地研究有效应力对不同裂缝分区渗流特征的影响,以沁水盆地煤样为例,设计了完整煤样、微裂缝煤样和贯穿裂缝煤样的串、并联多腔体试验方法,分析了水力压裂后煤层气的横向沿区渗流和纵向跨区渗流,构建了有效应力影响下的不同损伤煤岩体串、并联渗透率模型,分析了有效应力恢复过程中水力压裂不同致裂分区的渗流特征,并预测了不同致裂深度和扰动范围下的煤层总体渗透性。研究结果表明:(1)随着有效应力的恢复,串、并联试验的总流量均呈现负指数形式的衰退;(2)在并联试验中,穿过完整煤样的流量占比极少,随着有效应力的恢复,穿过微裂缝煤样的流量占比逐渐增加,而贯穿裂缝煤样的流量逐渐减小,并逐渐趋于相等;(3)纵向渗流总渗透率小于横向渗流,纵向渗流总渗透性的变化受完整煤样的渗透性影响较大,而横向渗流总渗透性取决于贯穿裂缝煤样渗透性;(4)基于横纵向渗透率的大小,可以将煤层气产期曲线划分为单峰型与双峰型。结论认为,提高水力裂缝深度与射孔孔眼周围裂缝宽度有利于提高煤层气的抽采量,该认识可以为煤层气水力压裂参数设计提供参考,有助于推动煤层气的效益开发。

关键词：煤层气水力压裂渗透率损伤分区有效应力裂缝压缩性产能影响因素沁水盆地

盐岩变速率循环试验中的疲劳特性与声发射特征研究

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岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 951-963页

作者：杨镇宇陈结范金洋姜德义王同涛杨春和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 中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071

为研究压气蓄能型盐穴注采气速率变化对围岩疲劳力学特性和细观机制的影响,在声发射监测下对盐岩开展4组变循环速率疲劳试验(加、卸载速率一致),试验中采用不同的上限应力和应力路径。分析循环内的残余应变、声发射累积振铃计数(后续简... 详细信息

为研究压气蓄能型盐穴注采气速率变化对围岩疲劳力学特性和细观机制的影响,在声发射监测下对盐岩开展4组变循环速率疲劳试验(加、卸载速率一致),试验中采用不同的上限应力和应力路径。分析循环内的残余应变、声发射累积振铃计数(后续简称AE计数)和峰频等与循环速率的相关性,结果表明:(1)循环残余应变和循环累积AE计数均具有明显的率相关性(即与循环速率呈明显的幂函数型关系,如ε_(ri)=mv_(i)^(-b)+ε_(l),N_(AE-i)=m'v_(i)^(-b')形式),应力等级和应力因子(幂函数的系数项m,m')正相关,应力等级和蠕变塑性的率相关性(幂函数指数项b)正相关,循环累积AE计数的率相关性则相反(幂函数的指数项b'减小)。率相关性参数(b,b')均能不同程度提前于循环残余应变预示加速破坏阶段的来临。(2)循环累积AE计数加速增长点在循环残余应变发展趋势的一、二阶段过渡点左右,该点在上限应力为19,23,27 MPa试验中大致对应2.382%,3.464%,4.297%的累积残余应变。(3)每循环内低频信号占比随循环速率增大而减小,高频信号占比随速率减小而增大,中频信号占比仅随应力等级提升而增长。(4)快、慢循环分别起到了硬化、软化作用,软化作用使后一循环中有更小起裂应力和更强塑性变形能力(硬化作用则反之),这种机制与慢速循环中更多小尺度裂纹萌生扩展,以及慢速卸载过程中内应力的充分释放有关。研究成果对压气蓄能盐穴注采气频率调节方式和损伤演化分析有一定参考意义。

关键词：岩石力学压气蓄能盐岩疲劳试验声发射

复杂结构内爆炸冲击波传播的大规模计算方法研究

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北京理工大学学报 2024年第1期44卷 39-50页

作者：王成王雪桃李涛张志刚孙伟福北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039 煤矿灾害防控全国重点实验室重庆400039

为研究爆炸冲击波在矿井巷道等复杂地下密闭空间内的传播过程及衰减规律,提出了一种基于数据流的分块续算方法.该方法解决了计算资源的大量浪费问题,实现了大尺寸复杂地下密闭空间内冲击波传播的大规模、高效率、高精度数值模拟.方形坑... 详细信息

为研究爆炸冲击波在矿井巷道等复杂地下密闭空间内的传播过程及衰减规律,提出了一种基于数据流的分块续算方法.该方法解决了计算资源的大量浪费问题,实现了大尺寸复杂地下密闭空间内冲击波传播的大规模、高效率、高精度数值模拟.方形坑道内爆过程的数值结果与实验结果基本一致,证明了该计算方法的准确性.标准模型算例全尺寸计算与分块续算数值模拟结果的误差在0.33%以内,且续算方法在给定算例下相比普通全尺寸计算节约了88.68%的计算核时,证明该方法不仅能保证计算过程的准确性,而且还极大地提高了计算效率.同时,对一个包含长方体型工房和圆柱形分叉泄压洞的大尺寸复杂结构内的爆炸问题进行了数值模拟,结果表明:冲击波超压在泄压洞内是以波动衰减的趋势逐渐减小的,且其衰减速度比在自由场的小;T型分流时管道间采用直角交汇或缩小管道直径在一定程度上有利于冲击波超压的衰减.数值模拟结果表明,基于数据流的分块续算方法可用于地下空间等大尺度复杂结构防爆抗爆设计的理论指导.

关键词：爆炸冲击波复杂结构数值模拟分块续算

超临界CO2作用下无烟煤孔隙结构演化时间效应规律

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天然气工业 2024年第7期44卷 97-108页

作者：葛兆龙张翔宇刘浩侯昱东符文宇贾云中煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室·重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室·重庆大学重庆朝阳气体有限公司

CO2地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，但煤层孔隙结构在CO2注入后的变化具有时间效应，其演化规律将直接影响CO2地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况，提高CO2地质封存量计算精... 详细信息

CO2地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，但煤层孔隙结构在CO2注入后的变化具有时间效应，其演化规律将直接影响CO2地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况，提高CO2地质封存量计算精度，通过对重庆市南桐矿区无烟煤进行超临界CO2吸附实验、低温氮气吸附实验、X射线衍射测试、核磁共振测试、扫描电镜测试等实验，研究了不同超临界CO2作用时间对该区域内煤样孔隙结构的演化规律。研究结果表明：（1）超临界CO2作用后煤样孔隙度的变化主要发生在7 d内，处理7 d后煤样孔隙度增加了3.20%,7～14 d内煤样孔隙度仅增加了0.05%；（2）随作用时间增加，煤样孔隙的比表面积增加但变化量逐渐减小，7 d内日均增长19.74%～24.50%,7～14 d内日均增长2.37%～4.60%，其变化规律近似呈对数函数关系；（3）超临界CO2与煤产生的化学反应引起矿物质的溶解，增大了煤体的表面粗糙度，表征煤样粗糙度的分形维数随着作用时间的增加持续增大；（4）超临界CO2作用后能有效改变煤样的孔隙度及表面形貌，为CO2吸附提供了更多吸附点位，超临界CO2对孔隙结构的改造效果在7 d内比较明显。结论认为，超临界CO2作用下无烟煤孔隙结构的变化随作用时间增加最终会趋于稳定，研究结果可为无烟煤储层CO2地质封存潜力评价提供理论指导。

关键词：无烟煤超临界CO2 孔隙结构作用时间 CO2地质封存核磁共振分形维数

来源：博看期刊