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流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 189-199页

作者：陈军涛李昊贾东秀马庆李文昕山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590 山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿山东德州251105 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样... 详细信息

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。

关键词：注浆加固裂隙长度流固耦合渗透率起裂强度

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非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

煤炭学报 2024年第2期49卷 801-832页

作者：魏建平蔡玉波刘勇余大炀黄逸李兴高梦雅河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主... 详细信息

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主要因素。在极端地质条件下,以刀具为基础的岩石破碎技术由于刀具磨损快、岩石破碎效率低,已成为遏制深地战略顺利实施的关键技术瓶颈,为解决深地岩石高效破碎难题,保障深地战略的顺利实施,迫切需求革命性的岩石破碎技术。无刀具破岩技术作为刀具破岩技术的重要补充,是突破刀具破岩技术瓶颈的可行性思路。为此,将无刀具破岩技术归纳为冲击破岩、热应力破岩和冲蚀磨损破岩3类技术体系,系统分析了水射流、激光和磨料空气射流等16种岩石破碎技术,总结了每种技术的发展历史和技术原理,分析了其破岩优势和技术瓶颈。得出,目前非刀具破岩技术没有在资源开采和地下空间建设中广泛应用的主要原因为破岩能耗高、适用较差和技术装备复杂等。相比刀具破岩,非刀具破岩技术破岩能量利用率较低,水射流破岩比能耗为刀具的40~70倍。微波、激光和等离子体等技术对施工环境要求较高,无法适用于钻井、隧道掘进等受限和恶劣环境。为解决极端地质条件岩石破碎难题,提出多种非刀具破岩技术协同破岩的思路,充分发挥每一种非刀具破岩的技术优势,构建了以射流切缝卸除高地应力、粒子冲击体积破碎坚硬岩体的破岩理念,最大限度降低岩石破碎能耗,简化系统装备,为岩石破碎技术向非刀具化发展提供理论支撑。

关键词：岩石破碎非刀具破岩刀具破岩硬岩破碎深地空间

层理方向对含预制裂纹页岩Ⅰ型断裂特性的影响

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矿业安全与环保 2024年第1期51卷 1-6页

作者：李勇胡双杰桂辉高孙传猛甘涛李银重庆大学资源与安全学院重庆400044 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 中北大学电气与控制工程学院山西太原030051

层状页岩受内部层理方位分布特征的影响,其力学性质常表现出明显的各向异性特征。为了探究层理方向对层状页岩Ⅰ型断裂特性的影响,针对不同层理倾角β、预制裂纹角度为0°的半圆盘试件开展三点弯曲静态压缩试验和数值模拟试验。试验结... 详细信息

层状页岩受内部层理方位分布特征的影响,其力学性质常表现出明显的各向异性特征。为了探究层理方向对层状页岩Ⅰ型断裂特性的影响,针对不同层理倾角β、预制裂纹角度为0°的半圆盘试件开展三点弯曲静态压缩试验和数值模拟试验。试验结果表明,试件的Ⅰ型标准化应力强度因子YⅠ会随着层理倾角的变化呈现出明显的差异性,并与层理倾角呈现出良好的三次函数关系,且仅在层理倾角β为0°和90°时,试件表现为纯Ⅰ型断裂模式,即层理倾角的变化会改变试件的断裂模式。同时,试件的Ⅰ型断裂韧度随着层理倾角的增大而逐渐减小,并与层理倾角呈二次函数关系;当层理倾角与预制裂纹角度垂直时,试件的Ⅰ型断裂韧度最大;而当层理倾角和预制裂纹角度平行时,试件的Ⅰ型断裂韧度最小。另外,基于扩展有限元法(XFEM),对半圆盘层状页岩试件的破断机制进行研究,验证了试验和计算结果的准确性。

关键词：页岩层理方向 Ⅰ型断裂断裂韧度扩展有限元法裂纹扩展

超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合试验系统研制与应用

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煤田地质与勘探 2024年第6期52卷 12-20页

作者：刘佳佳张云龙聂子硕高志扬许文松河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037

【目的】为了有效强化煤层气抽采效果,将脉动压裂与超临界CO_(2)压裂相结合,提出了利用超临界CO_(2)脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统,介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能... 详细信息

【目的】为了有效强化煤层气抽采效果,将脉动压裂与超临界CO_(2)压裂相结合,提出了利用超临界CO_(2)脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统,介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能,然后开展了室内真三轴条件下超临界CO_(2)脉动压裂-渗流试验及超临界CO_(2)脉动压裂-声发射监测试验。该系统结合独立伺服系统与中央数字系统控制三向应力,采用双泵型恒速恒压泵脉动给压,具有高精度、全过程、真三轴、承载高温、高压及高应力的特点。【结果和结论】试验结果表明:超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统可以实现良好的脉动压裂功能。超临界CO_(2)脉动压裂后,煤体渗透率较压裂前呈增大趋势,增大了2~9倍,且煤体渗透率皆呈现良好的指数变化规律。在声发射-超临界CO_(2)脉动压裂时期,煤体产生了新的裂隙通道,该通道由压裂孔中心直接贯穿至煤样表面,且可观测到超临界CO_(2)流体直接从煤中喷出,故超临界CO_(2)脉动压裂具有一定的扩展和连通裂隙的作用,能够有效提高煤层气的抽采效果。研究成果为强化深部低渗煤层增透技术提供了一定的试验支撑。

关键词：超临界CO_(2) 脉动压裂真三轴渗流特性声发射

白云鄂博矿床烧绿石族矿物的化学成分变化特征

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中国稀土学报 2024年

作者：罗晓锋曹钊王振江王其伟王艳艳胡庆成内蒙古科技大学矿业与煤炭学院内蒙古自治区矿业工程重点实验室内蒙古自治区煤炭安全开采与利用工程技术研究中心内蒙古煤炭绿色开采与绿色利用协同创新中心包头稀土研究院白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室内蒙古科技大学工程训练中心

白云鄂博REE-Nb-Fe矿床中铌资源储量丰富，烧绿石族矿物是该矿床主要的铌矿物。本文针对东部接触带的霓石-萤石-少量白云石-铁矿物组成的条带状矿石中的烧绿石族矿物，利用场发射扫描电镜（FE-SEM）和电子探针（EPMA）对其结构特征和化... 详细信息

白云鄂博REE-Nb-Fe矿床中铌资源储量丰富，烧绿石族矿物是该矿床主要的铌矿物。本文针对东部接触带的霓石-萤石-少量白云石-铁矿物组成的条带状矿石中的烧绿石族矿物，利用场发射扫描电镜（FE-SEM）和电子探针（EPMA）对其结构特征和化学成分进行了研究。背散射（BSE）电子图像显示其具有弱条带结构。EPMA分析表明，相对于其理想化学式的理论值和世界其它产地的烧绿石，白云鄂博的烧绿石Nb2O5含量较高，其质量分数为61.32%～65.10%，平均63.84%。按新定义，该烧绿石应为氟钙烧绿石，化学式为(Ca1.20Na0.78RE0.07Fe2+0.01)2.06(Nb1.78Ti0.22)2.00O6.32F0.68，Ca过剩Na亏损。矿物成分中部分阳离子之间存在选择性类质同象置换，Ca选择Nd、La，Th选择Pr。Nb与矿物成分中各元素具有不同的相关性，与Ti呈很好的负相关关系。其稀土配分模式呈“倒U式”，最大值为Pr或Nd。球粒陨石标准化（La/Nd）N的变化范围为0.49～0.58，表明白云鄂博烧绿石为相对La衰减和Nd富集矿物。δEu=0.96～0.99，Eu弱负异常，δCe=1.07～1.22，Ce弱正异常。烧绿石族矿物的化学成分变化主要受晶体结构控制和流体成分变化影响。

关键词：烧绿石族矿物化学成分白云鄂博电子探针

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放顶煤工作面以孔代巷合理布孔参数

科学技术与工程 2024年第15期24卷 6225-6233页

作者：李杰中煤科工集团沈阳研究院有限公司抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室抚顺113122 重庆大学资源与安全学院重庆400044

为了解决刘家梁矿2号煤层低含量赋存高强度开采引发工作上隅角瓦斯问题,缓解矿井因岩巷掘进造成采掘接替紧张的局面,提出了采用大直径高位走向长钻孔代替工作面低位岩石抽采巷的瓦斯治理技术,结合矿井2号煤层顶板煤岩物理力学参数,通过... 详细信息

为了解决刘家梁矿2号煤层低含量赋存高强度开采引发工作上隅角瓦斯问题,缓解矿井因岩巷掘进造成采掘接替紧张的局面,提出了采用大直径高位走向长钻孔代替工作面低位岩石抽采巷的瓦斯治理技术,结合矿井2号煤层顶板煤岩物理力学参数,通过理论分析、UDEC、FLUENT数值模拟的方法,分别从工作面裂隙带发育、工作面采空区流场分布等不同的专业角度,分析、研究了瓦斯流通通道及赋存规律,为定向高位钻孔合理布孔层位选择提供理论支撑;结合1号钻场瓦斯抽采效果,修正工作面煤岩赋存资料,优化2号钻场抽采设计,调整钻孔布置参数,以工作面瓦斯抽采纯量、上隅角瓦斯浓度为指标,对不同条件下瓦斯治理效果进行对比,实践证明:走向高位长钻孔能够取代低位岩石抽采巷,用于低含量赋存、高强度开采的放顶煤工作上隅角瓦斯治理,治理效果显著,上隅角瓦斯浓度维持在0.6%以下。

关键词：高位定向钻孔以孔代巷上隅角水平布孔范围钻孔参数

新疆难解吸煤可溶有机质对瓦斯吸附解吸特征的影响研究

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矿业安全与环保 2024年第1期51卷 43-50页

作者：梁运培吕学伟罗永江朱家锌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 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

新疆焦煤公司煤层瓦斯难解吸,导致抽采难度增大。而煤中可溶有机质对瓦斯的吸附解吸有重要影响。为了研究其影响,使用四氢呋喃对煤中的可溶有机质进行抽提,采用低温氮吸附测试抽提前后煤的孔隙结构,利用煤岩高压瓦斯吸附装置进行抽提前... 详细信息

新疆焦煤公司煤层瓦斯难解吸,导致抽采难度增大。而煤中可溶有机质对瓦斯的吸附解吸有重要影响。为了研究其影响,使用四氢呋喃对煤中的可溶有机质进行抽提,采用低温氮吸附测试抽提前后煤的孔隙结构,利用煤岩高压瓦斯吸附装置进行抽提前后煤样的吸附解吸实验。研究结果表明:经过四氢呋喃抽提后,发现所有煤样的平均孔径、孔体积和比表面积均有不同程度的增大,认为煤中的可溶有机质被溶解,形成了新的微孔,同时原孔隙被扩大;4^(#)煤、5^(#)煤和6^(#)煤的吸附常数a分别减小了2.73%、16.09%、14.57%,4^(#)煤和5^(#)煤吸附常数b分别增大了12.18%、2.58%,6^(#)煤的吸附常数b减小了8.59%,煤的吸附能力降低,解吸速度增大,可溶有机质促进了煤对瓦斯的吸附。

关键词：煤可溶有机质孔隙结构极限瓦斯吸附量吸附速度解吸速度吸附抑制率

重质油高温快速热解自动反应网络的动力学建模

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化工学报 2024年第7期75卷 2644-2655页

作者：姚宏哲黄飞宇杨松钟梅代正华新疆大学化工学院省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室新疆煤炭清洁转化与化工过程重点实验室新疆乌鲁木齐830017 华东理工大学资源与环境工程学院上海市煤气化工程技术研究中心上海200237

重质油高温快速热解过程模型对提高产品收率、附加值及降低能耗具有重要意义。利用自动反应网络生成器RMG(reaction mechanism generator)构建重质油高温快速热解的机理模型。选择了分步构建方法,最终合并的模型包含230种物质和1468个... 详细信息

重质油高温快速热解过程模型对提高产品收率、附加值及降低能耗具有重要意义。利用自动反应网络生成器RMG(reaction mechanism generator)构建重质油高温快速热解的机理模型。选择了分步构建方法,最终合并的模型包含230种物质和1468个反应。采用高频炉对二十烷、十氢萘、乙苯和不同质量比例混合物(二十烷、乙苯和十氢萘)进行快速热解实验验证,结果表明:机理模型可准确模拟出重质油高温快速热解主要气体产物生成结果,当重质油中链烷烃含量较多时和芳烃含量较多时,分别控制温度在1300℃左右和800℃左右有利于乙烯的生产。

关键词：重质油高温快速热解自动反应网络生成器高频炉

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倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 177-192页

作者：冉启灿梁运培邹全乐张碧川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 太原理工大学原位改性教育部重点试验室山西太原030024

倾斜煤层群“三场”(应力场、位移场和裂隙场)演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获... 详细信息

倾斜煤层群“三场”(应力场、位移场和裂隙场)演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明:倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力−倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展−低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小−快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化规律的裂隙带瓦斯抽采靶点区判定流程。现场瓦斯抽采效果良好,保证了工作面安全高效回采。研究结果为倾斜煤层群卸压瓦斯精准抽采提供了理论参考,旨在提高倾斜煤层群瓦斯抽采量,防止上隅角瓦斯超限,实现倾斜煤层群安全高效开采。

关键词：倾斜煤层群覆岩移动采动裂隙非对称特征瓦斯抽采