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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... 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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基于拓扑图论的煤岩裂隙网络分形渗透率模型

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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

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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45卷 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

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... 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,可将卸荷岩体分为压密岩体、低损岩体和高损岩体3类;随着卸载应力水平的升高,损伤砂岩由塑-弹-塑性体变形特征过渡为塑-弹性体变形特征最后转变为弹-黏性体变形特征;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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风送式喷雾抑尘装置雾化特性研究

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安全与环境学报 2024年第12期24卷 4714-4723页

作者：王鹏飞王家玉韩涵湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411100 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411100

为了掌握风送式喷雾抑尘装置的喷雾特性,以JJPW-G100型风送式喷雾抑尘装置为原型建立物理模型,并采用Fluent软件对该装置的喷雾基本特性及其影响因素进行了全面考察。结果表明:当喷雾距离增大时,雾滴的平均粒径先增大后减小并渐渐趋于... 详细信息

为了掌握风送式喷雾抑尘装置的喷雾特性,以JJPW-G100型风送式喷雾抑尘装置为原型建立物理模型,并采用Fluent软件对该装置的喷雾基本特性及其影响因素进行了全面考察。结果表明:当喷雾距离增大时,雾滴的平均粒径先增大后减小并渐渐趋于稳定状态;雾滴粒径和雾滴浓度均随着喷嘴安装角度的增加而增加,且45°喷嘴安装角度为喷雾降尘的最佳角度;风筒角度的增加会导致坠落中的雾滴粒径变大,风筒在20°角度下可以最大限度地扩大喷嘴的喷雾射程和降尘范围。

关键词：安全卫生工程技术风送式喷雾抑尘装置雾化特性喷雾场数值模拟

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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年第10期24卷 3827-3838页

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湖南湘潭411201 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

由于瓦斯抽采钻孔周围稳定性较差,受扰动影响易致钻孔周围煤岩体产生新的裂隙,进而降低瓦斯抽采效率,为填补现有材料颗粒大、胶结能力差的缺陷,引入纳米材料和高分子聚合物材料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,受扰动影响易致钻孔周围煤岩体产生新的裂隙,进而降低瓦斯抽采效率,为填补现有材料颗粒大、胶结能力差的缺陷,引入纳米材料和高分子聚合物材料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(Polyvinyl Alcohol,PVA)纤维复掺于水泥基注浆材料中的宏微观强度特征。采用单因素试验探究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,并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:两类添加剂均对水泥基注浆材料抗压强度展现出有效的提升作用,尤其是当氧化石墨的质量分数为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聚乙烯醇(PVA)纤维力学强度水泥基材料

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高流态封孔注浆材料力学性能及水化机制

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中国安全科学学报 2024年第2期34卷 168-175页

作者：郭鑫鲁义施式亮李贺李大芳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

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展... 详细信息

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展力学性能试验研究、结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等一系列试验的结果,揭示新型高流态封孔注浆材料水化机制。结果表明:高流态封孔注浆材料在水化初期就生成大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)晶体;随着水化反应的持续,水化产物的凝胶粒子充填材料中的孔隙。与普通水泥封孔注浆材料相比,材料的水化反应更迅速、更充分、整体结构致密,比普通水泥封孔注浆材料抗压强度提高3.68%,更有利于保持瓦斯抽采钻孔的稳定性,提高瓦斯抽采效率。

关键词：高流态封孔注浆材料抽采钻孔水化反应水化产物

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煤岩裂隙网络水气运移特性数值模拟研究

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矿业科学学报 2025年第1期10卷 125-136,150页

作者：林强伟朱永建罗亚飞李鹏王平李豹湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 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

为了研究煤岩真实裂隙网络中水驱气的运移特性,采用体视显微镜提取现场煤样的二维裂隙结构,二值化后导入COMSOL软件中进行水驱气数值模拟,采用相场法对水气两相界面进行追踪,探讨水驱气过程中封闭气形成原因,分析不同裂隙数量与裂隙开... 详细信息

为了研究煤岩真实裂隙网络中水驱气的运移特性,采用体视显微镜提取现场煤样的二维裂隙结构,二值化后导入COMSOL软件中进行水驱气数值模拟,采用相场法对水气两相界面进行追踪,探讨水驱气过程中封闭气形成原因,分析不同裂隙数量与裂隙开度对驱替效果的影响。结果表明:当裂隙延伸方向与驱替方向一致时,驱替速度更快,易形成优势通道,经过狭窄喉道时速度和压力增加;在驱替平衡时,易形成盲端封闭气、“H”型封闭气、变径封闭气和绕流封闭气4种封闭气类型,其形成主要受裂隙形态、毛细管力及润湿性影响;裂隙数量减少时,水气两相平均速率增大,平均压力与剩余瓦斯量减小;裂隙开度较小时,平均速率和压力升高,剩余瓦斯量增加。

关键词：裂隙网络煤层注水数值模拟剩余气运移特性

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倾斜厚层坚硬顶板条件下沿空留巷稳定性控制

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第3期54卷 956-966页

作者：朱永建任恒王平李鹏王希之魏明星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 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

针对倾斜厚层坚硬顶板条件下综采工作面沿空留巷技术难题,采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段,揭示倾斜厚层坚硬顶板采场覆岩运移规律,分析预留巷道多次扰动影响下倾向及走向方向顶板垂直应力分布特征。根据切顶留巷围岩应力分布规... 详细信息

针对倾斜厚层坚硬顶板条件下综采工作面沿空留巷技术难题,采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段,揭示倾斜厚层坚硬顶板采场覆岩运移规律,分析预留巷道多次扰动影响下倾向及走向方向顶板垂直应力分布特征。根据切顶留巷围岩应力分布规律,将沿空巷道分为“原岩应力区、超前应力增高区、滞后应力增高区、滞后应力稳定区”4个区域,提出巷内围岩支护原则,并基于区域特征,设计分区支护留巷方案,并成功应用于柏林煤矿-2446(k26)沿空巷道。研究结果表明:优化岩块B长悬臂梁结构是留巷成功的关键,通过切顶卸压留巷技术手段,可减小巷旁支护体及实体煤帮压力,沿空巷道支护效果良好,证明倾斜厚层坚硬顶板切顶留巷关键技术是可行的。

关键词：顶板预留巷道垂直应力切顶卸压围岩控制

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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

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深部高应力煤巷围岩径向梯度损伤特征试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第11期42卷 2643-2654页

作者：朱永建李鹏王平任恒陶玮梅成成王希之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 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

为了研究深部回采煤巷开挖扰动引起的围岩径向梯度损伤特征,以平顶山十一矿深井工程为背景,对现场煤样开展不同围压条件下三轴压缩试验和三轴损伤试验,结合三轴压缩轴向应力–应变曲线研究煤样的变形特征;利用MATLAB软件识别并分析三轴... 详细信息

为了研究深部回采煤巷开挖扰动引起的围岩径向梯度损伤特征,以平顶山十一矿深井工程为背景,对现场煤样开展不同围压条件下三轴压缩试验和三轴损伤试验,结合三轴压缩轴向应力–应变曲线研究煤样的变形特征;利用MATLAB软件识别并分析三轴损伤煤样的破裂特征。结果表明:轴向应力达到屈服强度后,煤样出现明显的应变软化特性,峰值应力与残余强度随围压呈线性增长,利用M-C强度准则计算出煤样黏聚力c=10.19 MPa,内摩擦角φ=27.26°。煤样表面裂纹对轴压敏感度较高,轴压越大,煤样表面裂纹越复杂,围压的增加在一定程度上可以抑制表面裂纹的扩展,但最终都会向剪切破裂面发展。基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,理论推导了常规三轴下的煤样损伤软化本构模型,结合三轴损伤煤样应力–应变变化关系,采用线性拟合方法对模型参数F0和m进行修正,最终得到了修正的煤样损伤软化本构模型,并基于试验数据验证了修正模型的可靠性。此外,在修正后的煤样损伤软化本构模型基础上对弹性区、塑性软化区以及破碎区围岩应力、应变的关系式展开讨论,建立了一种巷道围岩径向梯度损伤程度的计算方法。

关键词：采矿工程深部高应力应变软化损伤本构模型双向等压径向梯度损伤

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