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加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1414-1431页

作者：张保勇赵国建高霞吴强黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022

为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~... 详细信息

为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~0.425(40~60目)、0.180~0.250 mm(60~80目);3种饱和度:40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%~83.3%(20~40目)、61.5%~95.0%(40~60目)、81.8%~90.9%(60~80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%~86.1%。②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°~63.9°降至0.2°~38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体加卸载应变渗透率

不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律

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煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 21-34页

作者：祝威高霞张保勇吴强黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力-应... 详细信息

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力-应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明:(1)含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2)当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3)能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4)围压16、20MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5)煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体三轴压缩试验能量特征

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煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

煤炭学报 2024年第2期49卷 720-738页

作者：吴强张保勇黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤... 详细信息

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为:(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物分解,有助于水合物的稳定存在。需要注意的是,瓦斯水合固化技术防突的可靠度仍需大量重复试验验证,以建立普适化的数据库。综合现有研究结果,对水合固化防突研究目前仍存在的局限性与挑战进行了讨论,并且给出了进一步的研究方向。

关键词：煤与瓦斯突出瓦斯水合固化含瓦斯水合物煤体力学性质离散元

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蜂窝夹层结构缺陷红外热成像检测及缺陷分类

红外与激光工程 2024年第3期53卷 72-83页

作者：唐庆菊谷卓妍卜红茹徐贵鹏黑龙江科技大学机械工程学院黑龙江哈尔滨150022

为实现GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构常见缺陷的准确分类,基于红外热成像无损检测技术,采用卷积神经网络及迁移学习技术建立GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构缺陷的分类模型,比较微调的VGG16、MobileNetV2、ResNet50、InceptionV3、DenseNet201模型对... 详细信息

为实现GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构常见缺陷的准确分类,基于红外热成像无损检测技术,采用卷积神经网络及迁移学习技术建立GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构缺陷的分类模型,比较微调的VGG16、MobileNetV2、ResNet50、InceptionV3、DenseNet201模型对于缺陷的分类效果,结果表明以上模型针对GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构蒙皮脱粘缺陷、夹层脱粘缺陷、积水缺陷、堵胶缺陷及健康区域均可实现准确的识别分类,其准确率均在94%以上。其中基于VGG16的两种迁移学习模型及ResNet50的迁移学习模型对于此数据集的分类效果优于其余几种经典模型的迁移学习网络,其准确率分别达到99.94%、99.10%、98.95%,五个类别φ值得分均高于96%,可实现缺陷区域及健康区域的有效分类。

关键词：红外热成像缺陷分类迁移学习蜂窝夹层结构

碳化物特征对GH3536合金冷变形损伤的影响及控制

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金属学报 2024年第4期60卷 464-472页

作者：余华李昕江河姚志浩董建新北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

为了研究碳化物对GH3536合金冷变形损伤的影响并加以控制,通过薄带材的冷轧变形和圆柱试样的压缩变形,观察了碳化物破裂以及基体局部开裂的现象,并结合有限元模拟结果,进一步探讨了碳化物形貌与分布特征对组织损伤的影响。结果表明,当... 详细信息

为了研究碳化物对GH3536合金冷变形损伤的影响并加以控制,通过薄带材的冷轧变形和圆柱试样的压缩变形,观察了碳化物破裂以及基体局部开裂的现象,并结合有限元模拟结果,进一步探讨了碳化物形貌与分布特征对组织损伤的影响。结果表明,当碳化物尺寸较大、形状不规则且呈团聚分布时,其内部应力与破裂倾向较大,而小尺寸圆形碳化物的情况与之相反。碳化物的团聚与条带状分布是引起基体应力和开裂倾向增加的主要原因。热处理结果表明,通过将热处理温度提高到1150℃以上,可以明显改善小尺寸碳化物的团聚和条带状分布特征,但对于10μm以上的大尺寸碳化物改善效果不明显。

关键词： GH3536合金冷变形热处理碳化物破裂

初始组织及冷轧压下量对工业低牌号电工钢相变织构及磁性能的影响

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金属学报 2024年第3期60卷 377-387页

作者：杨平马丹丹顾晨顾新福北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

有相变的低牌号电工钢连铸坯中普遍存在的{100}柱状晶显示了连铸过程中强烈的相变滞后及相变被抑制的特性。这时,热轧加热温度的变化会造成热轧组织与织构的多样性,并对后续冷轧退火组织与织构产生影响。本工作在前期初步考察热轧工艺... 详细信息

有相变的低牌号电工钢连铸坯中普遍存在的{100}柱状晶显示了连铸过程中强烈的相变滞后及相变被抑制的特性。这时,热轧加热温度的变化会造成热轧组织与织构的多样性,并对后续冷轧退火组织与织构产生影响。本工作在前期初步考察热轧工艺对工业低牌号电工钢相变织构影响的基础上,结合连铸坯中柱状晶相变滞后现象,提出了亚稳态铁素体热轧保留{100}织构从而提高磁性能的思路,进一步考察了冷轧前不同初始组织及冷轧压下量对相变织构的影响,并探索了织构遗传的规律。结果表明,低温加热热轧的热轧板中存在较多{100}取向的形变晶粒,冷轧及相变退火后显示了明显的{100}织构遗传规律,有效改善了磁性能。压下量的提高削弱了{100}相变织构。分析认为,虽然工业低牌号电工钢中的Al、P元素阻碍了表面效应诱发的{100}相变织构,但低温热轧产生有利的初始{100}织构促进了最终遗传型相变织构。此外,高退火温度下得到的相变织构仍优于低退火温度下得到的再结晶织构。

关键词：低牌号电工钢相变柱状晶织构磁性轧制

Ti预处理的SiC_(f)/SiC与镍基高温合金复合铸件的界面组织与强度

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材料工程 2024年第2期52卷 164-171页

作者：林国标朱付虎赵斯文北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_... 详细信息

由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_(f)/SiC与K403镍基高温合金的一体化成形和界面的牢固结合。结果表明:Ti预处理层平均厚度为17μm左右,Ti向SiC_(f)/SiC渗透、扩散和反应,形成含TiC,Ti3SiC2,Ti5Si3Cx,SiC相的显微组织;经过与高温镍基金属液复合铸造后,预处理层演变成厚约120μm的界面反应层,其典型界面组织为Ni2Si+C+Al4C3+MC(M主要含Ti及少量的Cr,Mo,W)。预处理层的存在减轻Ni与SiC的有害石墨化反应,缓解高温金属液对SiC_(f)/SiC的热冲击,形成的界面反应层降低热膨胀系数失配造成的热应力,使得SiC_(f)/SiC与K403一体化铸件结合界面的室温剪切强度达到63.5 MPa。

关键词： SiC_(f)/SiC K403 镍基高温合金一体化铸造复合铸造 Ti预处理层

柔性边界三轴压缩条件下含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2691-2710页

作者：高霞王楠楠秦程张保勇蒋静宇吴强黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

为探究不同边界条件下围压对含瓦斯水合物煤体的宏细观力学性质影响规律,对饱和度80%的煤样进行围压12、16、20 MPa下双轴离散元试验。首先,考虑颗粒形状效应、水合物胶结作用以及热缩管的影响,选取抗滚动阻力线性模型和平行黏结模型,... 详细信息

为探究不同边界条件下围压对含瓦斯水合物煤体的宏细观力学性质影响规律,对饱和度80%的煤样进行围压12、16、20 MPa下双轴离散元试验。首先,考虑颗粒形状效应、水合物胶结作用以及热缩管的影响,选取抗滚动阻力线性模型和平行黏结模型,分别构建了刚性边界和柔性边界的含瓦斯水合物煤体双轴数值模型。其次,通过与室内试验结果(偏应力−轴向应变曲线、体积应变−轴向应变曲线、内摩擦角、黏聚力以及试样破坏模式)对比,验证了数值模型的可靠性,并发现柔性边界能更好地反映试样轴向应变−偏应力特征、剪胀特性以及强度特性。基于所建数值模型,从试样内部位移场、力学平均配位数、平均孔隙率、接触力链以及水合物黏结破坏角度揭示围压和边界条件对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质的影响规律。结果表明:①随着围压的增大,刚性边界的破坏型式多表现为单斜面剪切破坏;柔性边界的破坏型式由单叉型剪切破坏转变为单斜面剪切破坏。②随着围压的增加,2种边界的力学平均配位数均呈增大趋势,平均孔隙率均呈减少趋势,试样更密实,试样强度增加。③随着围压的增加,颗粒间法向接触力继续增加,试样强度增加,分布在轴向附近的法向接触力随之增大,而在水平向附近的法向接触力变化较小,竖向与水平向法向接触力差异越明显,各向异性更突出;在峰值强度处,随着围压从12 MPa增加到20 MPa,柔性边界法向接触力增加了54.50%,刚性边界法向接触力增加了45.70%。④在不同围压和边界条件下,试样产生张拉和剪切2种不同破坏形式,试样内部起裂主要以水合物和煤间剪切裂纹为主导;随着围压的增大,2种边界内部剪切裂纹数量呈逐渐减小趋势。研究结果从细观尺度上揭示围压对含瓦斯水合物煤体强度变形破坏等宏观力学特性的影响机制。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体离散元三轴压缩试验围压柔性边界

通过调控表面石墨烯-环氧树脂复合涂层的仿生界面和取向以提高镁合金的防腐和热/电性能

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第1期34卷 157-170页

作者：隋普升刘成宝张爱猛孙聪崔蓝月曾荣昌山东科技大学材料科学与工程学院青岛266590 郑州大学材料科学与工程学院郑州450002

通过旋涂方法制备具有“砖泥”结构的仿生石墨烯−环氧树脂复合涂层。合成咪唑基离子液体修饰的石墨烯(GI)以改善石墨烯(G)和环氧树脂之间的界面相容性。通过扫描电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱观察和分析其表面... 详细信息

通过旋涂方法制备具有“砖泥”结构的仿生石墨烯−环氧树脂复合涂层。合成咪唑基离子液体修饰的石墨烯(GI)以改善石墨烯(G)和环氧树脂之间的界面相容性。通过扫描电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱观察和分析其表面形貌和化学结构,利用热成像仪记录表面温度变化,通过体积表面积电阻率测试仪和激光闪点法分别测定涂层的表面电阻率和导热系数,通过电化学阻抗谱和盐雾腐蚀试验表征其耐蚀性。复合涂层中的GI层呈现出近似平行的取向,从而提高热传导和静电耗散效率。穿过平面的导热系数和表面电阻率分别为0.77 W·m^(−1)·K^(−1)和1.6×10^(6)Ω·cm。电化学阻抗谱测试表明,经过40 d的浸泡,涂层的低频模量达到6.76×10^(10)Ω·cm^(2),比纯环氧涂层提高约2个数量级,表现出优异的耐腐蚀性。

关键词：仿生结构复合涂层镁合金石墨烯取向耐蚀性