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硅油控制自旋射流钻头转速下的黏性力矩特性

煤炭学报 2024年第11期49卷 4542-4552页

作者：葛兆龙张娣卢义玉周哲崔予怀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全国重点实验室重庆400044

利用转速可控自旋射流钻头破煤钻孔,可提高水力喷射树状钻孔技术的煤层气开发效率。在钻头有界环空内填充硅油产生的黏性力矩可有效控制钻头转速,但黏性力矩特性仍不明晰。量化分析了不同黏度硅油流变特性;基于自主搭建的流体有界环空... 详细信息

利用转速可控自旋射流钻头破煤钻孔,可提高水力喷射树状钻孔技术的煤层气开发效率。在钻头有界环空内填充硅油产生的黏性力矩可有效控制钻头转速,但黏性力矩特性仍不明晰。量化分析了不同黏度硅油流变特性;基于自主搭建的流体有界环空受迫流动动力学测试装置,获得了不同转速和有界环空内径下硅油的黏性力矩;阐明了硅油在有界环空内的流动状态,推导了黏性力矩模型并进行了适用性讨论。结果表明:硅油依黏度不同可近似为牛顿流体(黏度≤5 Pa·s)和以Cross流变模型描述的剪切稀化流体。牛顿型硅油在有界环空内受迫流动时表观黏度基本不变,因此其黏性力矩随自身黏度和转速线性增加,随内径增加增速加快,这有利于多压力梯度下的转速控制。Cross型硅油的剪切应力随剪切速率呈现为增加、减小、再增加趋势,导致其黏性力矩存在由转速和内径协同控制的峰值,且硅油黏度越大,黏性力矩取得峰值时的转速和内径组合越多;为避免Cross型硅油控速时因黏性力矩减小而发生钻头转速失控,需根据转速控制范围合理选择硅油黏度和有界环空内径。在84%的测试转速和内径组合下,Cross型硅油黏性力矩大于相同条件下的牛顿型硅油,表明前者更适合高压力下的转速控制,后者更适合低压力。本次实验条件下,硅油在有界环空内的受迫流动为层流,推导的牛顿型和Cross型黏性力矩模型分别在内径不超过14.5 mm和等于14.5 mm下具有较高的可靠性,最大误差为14.3%。

关键词：煤层气自旋射流钻头转速控制流变特性牛顿流体剪切稀化流体

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不同粒径煤颗粒孔隙特征及动态润湿行为

采矿与安全工程学报 2024年第5期41卷 1058-1068页

作者：胡千庭郑雪雯李全贵张跃兵宋明洋邓羿泽刘继川赵政舵余长君胡良平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

为揭示煤尘润湿机理和改进抑尘效果,研究了粒径影响下煤颗粒的动态润湿行为。将煤样破碎筛分为5种不同粒径的煤颗粒,通过低温液氮法和压汞法联合表征煤颗粒孔隙特征,分析不同粒径煤颗粒孔隙分形特征,借助低场核磁共振(LF-NMR)技术从时... 详细信息

为揭示煤尘润湿机理和改进抑尘效果,研究了粒径影响下煤颗粒的动态润湿行为。将煤样破碎筛分为5种不同粒径的煤颗粒,通过低温液氮法和压汞法联合表征煤颗粒孔隙特征,分析不同粒径煤颗粒孔隙分形特征,借助低场核磁共振(LF-NMR)技术从时间和空间尺度分别描述水在润湿煤颗粒过程中的状态变化及动态润湿过程。结果表明:粒径减小,过渡孔、微孔孔径占比增多;粒径过大或过小时,过渡孔、微孔的分形特征不明显;低场核磁共振T2谱图反映了润湿过程中煤颗粒孔隙吸附的水、煤颗粒表面吸附的水和流动的自由水3种状态,定量分析水的时空演变特征,将润湿煤颗粒过程分为煤表面扩散、润湿表面孔隙及持续扩散3个阶段。润湿阶段的明确为提高煤尘润湿效率提供了参考。

关键词：粒径动态润湿孔隙结构低场核磁共振

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

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岩土力学 2023年第3期44卷 771-783页

作者：张平任松张闯吴斐隆能增李凯鑫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

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明:循环扰动和高温对砂... 详细信息

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明:循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。

关键词：循环扰动高温砂岩力学特性岩爆倾向性破坏特征

碳酸盐矿物溶蚀对页岩孔隙的改造作用及其意义——以川东地区下志留统龙马溪组页岩为例

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天然气工业 2021年第1期41卷 93-101页

作者：梁运培陈强廖志伟林丹煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室·重庆大学重庆大学资源与安全学院成都大学

碳酸盐矿物与页岩气储层的孔隙结构密切相关,探讨二者之间的定量关系有助于深化对页岩岩石学定量表征与微米/纳米尺度孔隙改造等的认识。为此选取四川盆地东部彭水地区下志留统龙马溪组页岩,开展了稀盐酸—页岩酸岩反应实验;综合利用场... 详细信息

碳酸盐矿物与页岩气储层的孔隙结构密切相关,探讨二者之间的定量关系有助于深化对页岩岩石学定量表征与微米/纳米尺度孔隙改造等的认识。为此选取四川盆地东部彭水地区下志留统龙马溪组页岩,开展了稀盐酸—页岩酸岩反应实验;综合利用场发射电镜、微CT以及低压氮气吸附方法,表征溶蚀前后孔隙结构;研究碳酸盐矿物对页岩储层孔隙结构的影响,进而探讨溶蚀孔的地质、工程指示意义。研究结果表明:①常温下酸岩反应120 h,碳酸盐矿物完全溶蚀而其他矿物则无明显变化;②碳酸盐矿物完全溶蚀后,出现大量孔径介于3.9~62.5μm的溶蚀孔,溶蚀孔总体积分数占比为6.8%,与样品酸溶率数值6.9%接近,同时纳米孔的形态、体积、孔径、表面积等参数未发生明显的变化;③碳酸盐矿物完全酸溶后仅产生微米孔,而在纳米尺度未表现出增孔、扩孔现象,表明碳酸盐晶粒处于微米尺度。结论认为,基于微米级溶蚀孔的图像统计参数,可以有效反演碳酸盐矿物的微观分布、形貌、数量、粒径等特征参数,为页岩岩石学定量研究提供了一种新的方法,同时该溶蚀孔协同水力压裂缝网,有助于加速页岩气的产出。

关键词：碳酸盐矿物溶蚀改造作用页岩储集层孔隙结构酸岩反应溶蚀孔四川盆地东部下志留统龙马溪组

不同主应力方向下隧洞围岩应力分布及塑性区特征分析

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采矿与安全工程学报 2023年第1期40卷 135-144页

作者：赵宏刚尹光志黄滚蒋长宝重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源与安全学院重庆400030

隧洞开挖过程中主应力方向发生改变,造成围岩应力分布与塑性区随之产生变化,显著影响着隧洞围岩的稳定及支护。以椭圆形隧洞为例,模拟不同主应力方向下隧洞围岩的破坏,基于复变函数和强度准则建立不同主应力方向下不同深度的围岩应力解... 详细信息

隧洞开挖过程中主应力方向发生改变,造成围岩应力分布与塑性区随之产生变化,显著影响着隧洞围岩的稳定及支护。以椭圆形隧洞为例,模拟不同主应力方向下隧洞围岩的破坏,基于复变函数和强度准则建立不同主应力方向下不同深度的围岩应力解析解和塑性区模型,结果显示:主应力方向与椭圆形隧洞非共面时,围岩应力呈“斜哑铃状”分布,最大切向应力处于顶底部与侧帮之间的位置,且随着距临空面深度的增大,最大切向应力逐渐靠近水平主应力方向;随着主应力方向与隧洞夹角的增大,洞壁处的最大切向应力集中点由隧洞侧帮逐渐靠近隧洞顶底部,且洞壁破坏范围逐渐减小;随着主应力方向与隧洞夹角的增大,椭圆形隧洞围岩塑性区逐渐远离侧帮中心处,塑性区范围和最大深度逐渐减小。不同主应力方向下围岩塑性区最大深度所处位置平行或近似平行于水平主应力方向。

关键词：主应力方向复变函数切向应力洞壁破坏塑性区

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二次炭化温度对热压型煤力学性质及微观结构影响的试验研究

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岩土力学 2021年第5期42卷 1221-1229,1244页

作者：彭守建王瑞芳许江甘青青蔡果良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

为了使型煤试件与原煤的性质更加接近,提高相关物理模拟试验研究与工程实际的吻合度,通过改变温度条件制备二次炭化热压型煤,对其单轴压缩力学特性、渗流特性及微观结构进行了测试分析,考察温度对二次炭化热压型煤力学性质及微观结构特... 详细信息

为了使型煤试件与原煤的性质更加接近,提高相关物理模拟试验研究与工程实际的吻合度,通过改变温度条件制备二次炭化热压型煤,对其单轴压缩力学特性、渗流特性及微观结构进行了测试分析,考察温度对二次炭化热压型煤力学性质及微观结构特性的影响。结果表明:(1)随着炭化温度升高,二次炭化热压型煤试件的单轴抗压强度表现出先升高后降低的趋势,在300℃炭化温度条件下其单轴抗压强度与原煤较为接近;(2)在三轴压缩条件下,二次炭化热压型煤试件的渗透率随轴压增大呈现先减小后增大的演化规律,其初始渗透率和最小渗透率均随着炭化温度升高而增大;(3)二次炭化热压型煤与原煤在FT-IR有机官能团测试中的特征峰位置基本保持一致,但所对应的特征峰强度有所差异,且在300℃和450℃炭化温度条件下二次炭化热压型煤红外谱图的官能团响应与原煤最为接近;(4)二次炭化热压型煤相较于原煤,其孔径分布更为均匀,微孔占比少,比表面积小,且随着炭化温度升高,二次炭化热压型煤的平均孔径和比表面积呈现先降后增的趋势,并在300℃炭化温度条件下其孔径和比表面积相对最小。研究成果可为二次炭化热压型煤成型条件优化及二次炭化型煤力学特性研究提供参考。

关键词：型煤二次炭化炭化温度力学性质渗流特性

酸性干湿循环下泥质砂岩劣化及声发射演化特征识别研究

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岩土力学 2024年第9期45卷 2653-2668页

作者：隆能增任松吴斐陈征陈国庆张平张闯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

为深入探究降雨−蒸发干湿循环效应及酸雨腐蚀对泥质砂岩边坡运营稳定性的影响,基于不同酸性干湿循环下泥质砂岩单轴压缩、三轴压缩及声发射监测试验研究了其力学参数劣化规律及损伤破坏演化特征。研究结果表明:泥质砂岩的单轴抗压强度... 详细信息

为深入探究降雨−蒸发干湿循环效应及酸雨腐蚀对泥质砂岩边坡运营稳定性的影响,基于不同酸性干湿循环下泥质砂岩单轴压缩、三轴压缩及声发射监测试验研究了其力学参数劣化规律及损伤破坏演化特征。研究结果表明:泥质砂岩的单轴抗压强度σ、弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角φ的劣化度与干湿循环次数正相关,而劣化速率与干湿循环次数负相关,围压延缓了其劣化过程,酸性环境则会加剧岩样的劣化。σ对于酸性干湿循环的敏感度最高,在不同pH值条件下力学参数与干湿循环次数均呈较强的对数关系。声发射振铃累计计数及能量演化特征可分为初始活跃期、稳定增长期和高峰陡增期,并且在稳定增长期表现出较为明显的突变破坏前兆。随着酸性干湿循环的耦合作用效应持续增强,RA-AF张拉裂纹信号持续下降,声发射定位事件特征由中部轴向聚集逐步演变为斜向随机分布,损伤破坏特征由张拉破坏向剪切破坏转变。基于声发射数据驱动的泥质砂岩损伤状态识别模型的综合识别准确率达到93.33%,振铃累计计数和最大能量特征贡献率为81.63%,表明所建模型可较为准确地识别损伤状态等级与声发射数据间的内在关联特征。

关键词：酸性干湿循环泥质砂岩声发射劣化特征识别数据驱动

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井下原位加热强化开采冰冻型水合物实验

中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 1069-1081页

作者：韦文娜李波陈玲玲张婷婷万青翠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

基于青海等多年冻土区地质特点及环境条件,运用井下原位加热技术,在冰点以下进行纯降压法、纯电加热法、降压联合电加热法和热吞吐法的冰冻型甲烷水合物开采实验,分析冰冻型水合物的分解特性,探究降压幅度、加热模式以及热吞吐加热时间... 详细信息

基于青海等多年冻土区地质特点及环境条件,运用井下原位加热技术,在冰点以下进行纯降压法、纯电加热法、降压联合电加热法和热吞吐法的冰冻型甲烷水合物开采实验,分析冰冻型水合物的分解特性,探究降压幅度、加热模式以及热吞吐加热时间对开采效果的影响,并评价不同开采方法下对于冰冻型水合物的商业化开采价值。研究结果表明:要实现冰点以下冰冻型水合物的持续分解,必须额外注入热量,而热量主要依靠冰、水合物以及多孔介质颗粒之间的导热进行传递;纯降压法不能消除水合物自保护效应,无法实现冰冻型水合物的有效分解;采用持续电加热和降压联合电加热的井下原位加热技术对于破坏冰点以下冰冻型水合物的自保护效应更具优势;纯电加热法和热吞吐法无法完全分解冰冻型水合物,且纯电加热法的产气速率最慢,累积产气量最低;热吞吐法中对流强化传质作用造成明显的水合物二次生成,阻碍了水合物的快速分解。在原位井下加热的基础上,降压驱动力对于冰冻型水合物的分解起到了明显促进作用。对原位井下加热开采的能量收益效率分析,综合能量效率、热效率、获得最大能量的时间以及水合物分解率等指标,认为降压联合电加热法对于冰冻型水合物的商业化开采更有优势。

关键词：冰冻型甲烷水合物降压井下原位加热自保护效应能量收益

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我国煤与瓦斯突出预测与预警研究现状

煤炭学报 2023年第8期48卷 2976-2994页

作者：梁运培郑梦浩李全贵毛树人栗小雨李建波周俊江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

煤与瓦斯突出是制约煤矿安全生产的重大灾害之一。我国煤层赋存环境复杂多变。针对时有发生的突出灾害事故,为了进一步提高突出预测和预警的准确率。梳理了突出发生机理的研究进展,指出地应力、瓦斯、煤体物理力学性质仍是防治突出的关... 详细信息

煤与瓦斯突出是制约煤矿安全生产的重大灾害之一。我国煤层赋存环境复杂多变。针对时有发生的突出灾害事故,为了进一步提高突出预测和预警的准确率。梳理了突出发生机理的研究进展,指出地应力、瓦斯、煤体物理力学性质仍是防治突出的关键三要素,预测和预警的指标仍以此为基础;总结了突出预测的发展现状,指出预测的方法主要有单指标法、综合指标法和多属性指标法。主要存在预测位置局部、预测时间不连续、适应性差等不足;分析了突出预警的关键进展,指出基于突出孕育过程中的地应力、瓦斯、煤体演化机理,主要有声发射监测、电磁辐射监测、微震监测、瓦斯浓度时序监测,以及声电瓦斯综合监测预警方法。由于监测数据精度低、预警结果准确率低等不足而影响现场应用效果。基于当前突出预测和预警现状,以及煤矿安全智能化的需求,提出未来研究展望:突出预测应在启动判据与强度预测上,同时发展精细化、可量化指标;突出预警应跟踪指标的非线性变化,发展基于理论指标的趋势预警,基于事故经验的匹配预警,以及基于监控数据挖掘的前兆预警。通过组合预警模型,将定性与定量预警相结合,形成基于理论-经验-数据多重驱动组合预警模型,进一步提高预警准确率。同时发展矿山数字孪生建设,形成整体、连续、准确的煤矿突出灾害可视化智能预警。

关键词：煤与瓦斯突出突出机理突出预测突出预警煤体物理力学性质