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A new apparatus for investigating stress,deformation and seepage coupling properties of rock fractures 被引量:2
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作者 刘才华 陈从新 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS 2011年第5期1662-1666,共5页
A true triaxial apparatus which is composed of three units was presented.The apparatus allows for investigations on deformation and seepage behaviors of a single rock fracture subjected to lateral stress and normal st... A true triaxial apparatus which is composed of three units was presented.The apparatus allows for investigations on deformation and seepage behaviors of a single rock fracture subjected to lateral stress and normal stress.The first unit has three jacks which can apply loads independently in three orthogonal directions.The second unit is used to supply water inflow,control seepage pressure and measure flow velocity in real time.The third unit is for measuring the normal deformation of rock fractures.Some tests for investigating the normal deformation and seepage behaviors of rock fractures subjected to normal and lateral loads on hard granite specimens with an artificial persistent fracture,were introduced.The results show that both the normal deformation and the hydraulic conductivity are influenced not only by the normal stress but also by the lateral stress.It is also shown that the aperture and the hydraulic conductivity decrease with the increasing normal stress but increase with the increasing lateral stress and both the aperture and the hydraulic conductivity obey exponential relationships with the normal stress and the lateral stress. 展开更多
关键词 true triaxial apparatus rock fractures normal stress lateral stress normal deformation seepage properties hydraulic conductivity
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Ground stability of underground gateroad with 1 km burial depth: A case study from Xingdong coal mine, China 被引量:15
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作者 ZHANG Guang-chao HE Fu-lian +1 位作者 LAI Yong-hui JIA Hong-guo 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第6期1386-1398,共13页
This paper presents an integrated investigation of the ground stability of a deep gateroad with a 1 km burial depth based on a field test, case studies, and numerical modelling. In situ stress measurements and mechani... This paper presents an integrated investigation of the ground stability of a deep gateroad with a 1 km burial depth based on a field test, case studies, and numerical modelling. In situ stress measurements and mechanical properties tests were first conducted in the test site. Then, the deformation behavior, stress and yield zone distributions, as well as the bolts load of the gateroad, were simulated using FLAC3D software. The model results demonstrated that the soft rock properties and high in situ stress were the main factors for the deep gateroad instability, and the shear slip failure induced by the high stress was the primary failure model for the deep rock mass. In addition, the unsuitable support patterns, especially the relatively short bolts/cables with low pre-tensions, the lack of high-strengthen secondary supports and the unsupported floor strata, also contributed to the gateroad instability. Subsequently, a new combined supporting strategy, incorporating longer bolts/cables, yielding ring supports, and grouting measures, was proposed for the deep gateroad, and its validity was verified via field monitoring. All these could be a reference for understanding the failure mechanism of the gateroad with 1 km burial depth. 展开更多
关键词 deep coal mine soft rock burial depth failure mechanism deformation behavior support strategy
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海相细粒陆源碎屑岩主要沉积构造类型及页岩气意义 被引量:4
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作者 施振生 张亚雄 +3 位作者 曾番惠 周天琪 郭伟 黄浩勇 《古地理学报》 北大核心 2025年第1期32-54,共23页
沉积构造不仅能揭示海相细粒陆源碎屑岩的形成环境和沉积时的古水动力条件,还影响到页岩气储集层的渗透性及可压裂性。文中通过系统总结国内外相关研究成果,明确了海相细粒陆源碎屑岩沉积构造的主要类型及成因。海相细粒陆源碎屑岩主要... 沉积构造不仅能揭示海相细粒陆源碎屑岩的形成环境和沉积时的古水动力条件,还影响到页岩气储集层的渗透性及可压裂性。文中通过系统总结国内外相关研究成果,明确了海相细粒陆源碎屑岩沉积构造的主要类型及成因。海相细粒陆源碎屑岩主要发育物理成因、化学成因和生物成因3类沉积构造:物理成因构造主要有流动成因构造和软沉积物变形构造,前者包括交错纹理、水平层理(纹理)、块状构造、递变纹理和复合纹理,后者包括滑塌—滑移构造、负载构造、火焰状构造、球—枕构造、包卷层理、扭曲纹理、碎裂纹理和坠石;化学成因构造包括碳酸盐结核和黄铁矿结核;生物成因构造主要有生物遗迹构造和生物扰动构造。该3类沉积构造主要为细粒浊流沉积、等深流沉积和远洋—半远洋沉积成因,少数为沉积物变形成因。沉积构造类型直接影响页岩气储集层的渗透性、水力裂缝的生成及延展方向。 展开更多
关键词 海相细粒陆源碎屑岩 水平纹理 交错纹理 递变纹理 软沉积物变形 沉积构造 可压裂性
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基于Talbol理论的破碎岩石压缩变形及分形特征试验研究 被引量:1
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作者 孙文斌 田殿金 +2 位作者 薛彦超 张志 陈其勇 《矿业安全与环保》 北大核心 2025年第1期61-69,共9页
为研究侧限条件下不同轴向荷载、饱水状态及粒径级配3种因素对断层破碎岩体的压缩变形及分形特征的影响,以山东星村煤矿非导水断层取出的断层岩石为试样,利用自主研制的破碎岩石变形—渗流试验系统,开展侧限条件下不同Talbol幂指数n的... 为研究侧限条件下不同轴向荷载、饱水状态及粒径级配3种因素对断层破碎岩体的压缩变形及分形特征的影响,以山东星村煤矿非导水断层取出的断层岩石为试样,利用自主研制的破碎岩石变形—渗流试验系统,开展侧限条件下不同Talbol幂指数n的级配破碎岩石压缩变形试验。研究结果表明:随着轴向载荷逐级增大,破碎岩石轴向位移量增大,压缩碎胀系数和压实度变小;相同侧限轴向荷载条件下,饱水状态试样的轴向位移量和加载终点位移累积变形量比干燥状态的更大;随着级配指数增大,加载终点位移累积变形量变大;破碎岩石的质量分布系数C随Talbol幂指数n增大而增大,且随轴向荷载的增大而减小;破碎岩石分形维数D随Talbol幂指数n增大而减小,试验后分形维数增量随Talbol幂指数n增大而增大,即岩石破碎程度愈加剧烈。根据破碎岩体力学特征与分形特征将其变形过程划分为松散堆积、错位挤压、变形开裂、研磨破碎4个阶段,在加载前期岩石变形以颗粒滑动位移为主,加载后期变形以颗粒研磨破碎为主。 展开更多
关键词 破碎岩石 轴向荷载 分形维数 Talbol指数 压缩变形
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断陷盆地深层煤岩储层特征、发育主控因素及其勘探领域——以海拉尔盆地呼和湖凹陷白垩系南屯组二段为例 被引量:1
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作者 高庚 谢颖逸 +8 位作者 侯蓓蓓 马文娟 徐慧 王玉杰 霍迎冬 张景远 刘世超 赵威 梁源 《石油实验地质》 北大核心 2025年第1期89-103,共15页
近年来,深层煤岩气勘探不断取得重大突破,揭示了深层煤岩气良好的勘探前景,已成为继致密油气、页岩油气之后的非常规油气勘探开发新热点。海拉尔盆地呼和湖凹陷白垩系南屯组二段(简称南二段)深层煤岩叠置发育、厚度大,深层煤岩气资源潜... 近年来,深层煤岩气勘探不断取得重大突破,揭示了深层煤岩气良好的勘探前景,已成为继致密油气、页岩油气之后的非常规油气勘探开发新热点。海拉尔盆地呼和湖凹陷白垩系南屯组二段(简称南二段)深层煤岩叠置发育、厚度大,深层煤岩气资源潜力大,是重要的勘探接替领域。明确深层煤岩储集层特征、主控因素及发育规律,能够进一步指导东北富煤断陷盆地深层煤岩气勘探与开发。基于呼和湖凹陷的钻井、地震资料,通过岩心、薄片观察与实验分析数据,对南二段深层煤岩优质储集层特征及发育主控因素进行了研究。呼和湖凹陷南二段煤岩储集层具有低灰分、特低水分、中高挥发分的特点,储集空间以有机孔、裂缝和无机矿物质孔为主,孔隙度主要分布在4.5%~7.6%之间,平均为6.0%,渗透率平均为0.45×10^(-3)μm^(2),孔隙结构以微孔为主,宏孔占比高,更易于游离气赋存。沼泽化滨浅湖广泛分布,控制煤岩大面积发育,为深层煤岩气成藏提供物质来源及储集空间。优质煤岩储集层主要发育于沼泽化滨浅湖广泛分布的洼槽带和陡坡带,形成的煤岩主要为光亮—半亮型原生结构煤,割理、有机孔、微裂缝发育,有机孔沟通微裂缝,孔隙连通率高,物性更佳,含气性更优,更富“游离气”,南部洼槽区和陡坡区更易于形成多种有利源储配置关系,成藏条件优越,预测资源量超万亿立方米,是呼和湖断陷深层煤岩气勘探的有利突破区,有望成为海拉尔盆地第一个万亿立方米深层煤岩气田的突破地。 展开更多
关键词 深层煤岩 沼泽化滨浅湖 微裂缝 游离气 洼槽区和陡坡区 南屯组二段 呼和湖凹陷 海拉尔盆地
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大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律 被引量:1
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作者 解盘石 黄宝发 +5 位作者 伍永平 罗生虎 朱明建 易磊磊 徐辉 陈建杰 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期12-26,共15页
大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制,定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景,采用数值计算、现场... 大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制,定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景,采用数值计算、现场实测与理论分析相结合的研究方法,在厘定覆岩空间移动变形规律的基础上,引入三维曲率、岩体空隙率及分形几何理论定量描述了采场不同区域破断岩块的运移–堆砌–铰接特征及岩体裂隙分布规律,实现了大倾角大采高工作面开采过程中三维结构组成及采动裂隙场空间占位的动态精细定量表征。研究表明,大倾角大采高破断顶板在采场空间发生了多维度耦合的非均衡运动,中、上部顶板以垂直岩层运动为主,下部顶板演变为倾向下滑。顶板破坏形式沿倾向、走向、垂向呈现三维区域异化,上部破断岩块错层、跨层迁移形成倾斜砌体结构,采空区后方存在“非均匀矸石–弯曲悬臂梁–破断岩块”承载结构形成非均匀空顶区域,承载结构相互约束,随倾向位置、覆岩层位不同发生动态演化。支架阻力分区波动性分布,中部阻力>上、下部,走向非同步来压。曲率分布呈“横、竖O–X”形态,“O”型内部垮落岩块非平行同步下沉,倾向、反倾向堆砌结构并存,正负曲率不一,岩块间形成弱铰接结构。随覆岩层位升高,离层破坏区域向中下部和采空区中部偏移,岩体空隙率和分形维数呈现先增大后减小的现象。研究结果揭示了采空区内部覆岩三维破断运移规律,丰富了大倾角煤层岩层控制理论,也为顶板岩层运移规律的精细定量分析提供了新方法。 展开更多
关键词 大倾角煤层 大采高 覆岩破断运移 三维曲率 空隙率 分形特征
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深层煤岩压裂改造效果评估方法研究进展
7
作者 郭建春 曾杰 +2 位作者 赵志红 张涛 翟利晓 《钻采工艺》 北大核心 2025年第3期36-47,共12页
水力压裂是深部煤层气高效开发的重要手段,但目前仍然面临不同储层地质条件下压裂改造技术适应性差,压后生产效果差异大等难题,迫切需要建立科学、有效的压裂效果评估方法体系,为深部煤层压裂设计优化和高效开发提供支撑。文章全面回顾... 水力压裂是深部煤层气高效开发的重要手段,但目前仍然面临不同储层地质条件下压裂改造技术适应性差,压后生产效果差异大等难题,迫切需要建立科学、有效的压裂效果评估方法体系,为深部煤层压裂设计优化和高效开发提供支撑。文章全面回顾了压裂改造效果的评估方法。首先,对压裂效果实时评估方法进行了系统总结,涵盖了微地震监测法、广域电磁法、分布式光纤传感监测技术、施工曲线分析、基于停泵压降的裂缝参数反演法、高频压力监测以及远探测声波监测;其次,详细介绍了基于施工参数拟合的评估方法,主要对净压力拟合分析解释、施工曲线拟合模拟裂缝扩展以及水力压裂-油藏模拟与人工智能相结合的地质工程一体化评价方法进行对比分析;此外,对基于生产数据的压后评估方法进行详尽分析和总结,包括不稳定试井、基于返排数据的裂缝参数反演等。深入对比分析了不同评估方法的优势和局限。最后,总结了当前压裂效果评估方法面临的挑战,并对深部煤层压裂改造效果评估方法的发展及应用进行了展望,以期为压裂效果科学评估体系建立和推动压后评估向智能化发展提供参考。 展开更多
关键词 深层煤岩 水力压裂 压裂效果评估
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基于VRA-UNet网络的煤岩组合体裂隙识别与三维重构
8
作者 王登科 王龙航 +6 位作者 秦亚光 位乐 曹塘根 李文睿 李璐 陈旭 夏玉玲 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期96-108,共13页
在煤岩组合体裂隙三维重构中,针对传统阈值分割方法无法准确确定煤岩之间的阈值大小从而导致裂隙分割效果不佳的问题,基于深度学习理论提出了一种新型VRA-UNet煤岩组合体裂隙精确识别模型,为煤岩组合体裂隙精确识别提供了一种优化解决... 在煤岩组合体裂隙三维重构中,针对传统阈值分割方法无法准确确定煤岩之间的阈值大小从而导致裂隙分割效果不佳的问题,基于深度学习理论提出了一种新型VRA-UNet煤岩组合体裂隙精确识别模型,为煤岩组合体裂隙精确识别提供了一种优化解决方案。为了提升模型的泛化能力和防止初始化模型参数过于随机,使用VGG16模块作为骨干特征提取网络。针对煤岩组合体裂隙拓扑结构复杂,非均匀性强等问题,在上采样部分引入使用残差连接且具有空间维度和通道维度的注意力模块(ResCBAM)增强模型特征提取能力,缓解模型梯度消失的问题。在下采样的末端加入了利用不同尺度卷积核的非对称空洞金字塔模块(AC-ASPP),通过多尺度的特征提取,提高模型对不同大小裂隙的识别能力。同时,利用煤岩组合体CT扫描图像数据集验证了模型的有效性。研究结果表明:VRA-UNet模型在裂隙提取和识别方面性能良好,平均交并比、像素平均值及识别精度分别为85.22%、90.80%和91.95%;与主流的分割网络UNet、PSPNet、DeeplabV3+、FCN和SegNet相比,VRA-UNet模型的平均交并比分别提高了6.05%、16.7%、10.77%、6.87%和6.4%,像素平均值分别提高了7.13%、13.29%、12.84%、7.4%和7.53%,识别精度分别提高了3.82%、14.45%、7.4%、5.58%和4.31%;VRA-UNet识别出的裂隙结构分形维数与原始CT扫描裂隙结构分形维数保持了良好的一致性,真实还原了煤岩组合体内部裂隙结构的分布特征。 展开更多
关键词 煤岩组合体 裂隙识别 裂隙重构 卷积神经网络 分形维数
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复合煤岩受载变形破裂微震电压演化规律
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作者 李鑫 刘志勇 +5 位作者 杨桢 李昊 周婧 卜婧然 王艺儒 颛孙忠明 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期930-943,共14页
受载复合煤岩在变形破裂过程中由于裂隙生成与扩展会有微小震动的产生,其变化特征与煤岩应力以及破裂形变之间有着紧密的联系。通过利用波动原理、震–电转化原理等相关理论并采用PVDF压电薄膜与相关信号放大滤波技术相结合,自主研发将... 受载复合煤岩在变形破裂过程中由于裂隙生成与扩展会有微小震动的产生,其变化特征与煤岩应力以及破裂形变之间有着紧密的联系。通过利用波动原理、震–电转化原理等相关理论并采用PVDF压电薄膜与相关信号放大滤波技术相结合,自主研发将微小震动转化成电压信号并采集的新型设备,在不同加载速率与不同煤层占比的条件下对复合煤岩进行单轴压缩试验,研究受载复合煤岩变形破裂过程中各个阶段的微震电压演化规律,得到复合煤岩体在变形破裂过程中微震特性以及其与煤岩体破裂之间的关联。结果表明:自研微震电压采集设备具有较高的准确性和灵敏性,采集到的电压数据能够作为描述受载煤岩微震特征的依据;受载复合煤岩在不同加载速率的条件下,应力变化过程与微震电压变化呈正相关,微震电压对于加载速率的变化相比应力更加敏感;各应力阶段微震电压演化规律不同,压密阶段微震电压的幅值由低缓慢上升,弹性阶段微震电压变化在前中期呈不规则的小幅度波动,后期微震电压出现由低到高的波动变化,屈服阶段微震电压波动幅值加剧,末期出现破裂前兆特征,破裂阶段微震电压出现与应力峰几乎同步最大的脉冲幅值,当煤岩完全破裂后迅速恢复到平稳状态;复合煤岩组合比例的增加导致微震电压主体幅值分布范围和平均幅值增大,峰值电压下降,煤岩破裂瞬间电压的幅值数量减少,整体分布由稠密变稀疏。将复合煤岩受载变形破裂过程产生的微小震动转化为电压信号并分析其演化规律,得到复合煤岩微震特征与煤体内部结构变化的关联,为煤矿行业的安全生产和可持续发展提供新的技术方法。 展开更多
关键词 煤岩 变形破裂 微震电压 演化规律 单轴压缩
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煤岩斜巷穿层掘进长短锚索协同支护及围岩控制机理研究
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作者 尹博 王睿 +3 位作者 张连昆 杨俊峰 李先峰 杨瑞宙 《金属矿山》 北大核心 2025年第2期13-23,共11页
为解决浅埋多煤层斜巷穿层掘进过程中软硬复合顶板变形大、易离层、支护难等问题,以淖尔壕煤矿2-3煤辅运斜巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,通过对比分析无支护和现有支护条件下巷道围岩塑性区及软硬复... 为解决浅埋多煤层斜巷穿层掘进过程中软硬复合顶板变形大、易离层、支护难等问题,以淖尔壕煤矿2-3煤辅运斜巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,通过对比分析无支护和现有支护条件下巷道围岩塑性区及软硬复合顶板易离层区特征,发现现有支护参数下仍不能有效预防局部冒顶发生,为此提出了长短锚索协同支护优化设计方案。结果表明:煤岩斜巷穿层掘进中,当距离软硬复合顶板较近时,巷道受剪切破坏与张拉破坏共同作用,导致围岩塑性区探入顶板离层区内,极易引发冒顶。另外,按照等长锚索布置时,虽可提高支护效果,但塑性破坏区范围未完全处于锚杆、锚索的锚固范围内,仍存有冒顶事故发生可能。根据斜巷掘进层位与局部冒顶易发区的复合顶板特征将现有支护的等长锚索布置方式变为长、短锚索相间布置后,顶板下沉量进一步减小至40 mm,塑性区范围处于锚杆、锚索支护范围内。长短锚索协同支护优势在于长锚索锚固端若处不稳定岩层,则以短锚索补强,确保始终存在锚固与稳定岩层中的锚索。从而有效控制围岩,防止冒顶事故的发生。结合现场监测分析结果,巷道围岩变形明显减小,稳定性升高,可以有效地提高巷道的稳定性和安全性。研究结果将为巷道围岩稳定性分析及巷道穿层支护设计提供参考依据。 展开更多
关键词 浅埋多煤层 穿层掘进 围岩变形 局部冒顶 协同支护
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煤炭开采地质体复合损害与减损保障 被引量:2
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作者 王双明 孙强 +8 位作者 胡鑫 耿济世 侯恩科 王生全 周书涛 师庆民 袁士豪 陈凯 宋世杰 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第1期1-11,共11页
【目的和背景】煤炭长期处于我国主体能源地位。随着近年开采规模和强度的增大,煤炭开采区岩石、土壤、水圈、生态环境的关联程度得到强化,急需从地球系统科学的理念出发,理解煤炭安全开采和绿色开采中围岩移动变形、冲击地压、煤与瓦... 【目的和背景】煤炭长期处于我国主体能源地位。随着近年开采规模和强度的增大,煤炭开采区岩石、土壤、水圈、生态环境的关联程度得到强化,急需从地球系统科学的理念出发,理解煤炭安全开采和绿色开采中围岩移动变形、冲击地压、煤与瓦斯突出、涌突水、地面沉陷、水土流失、生态环境损害等之间的耦合关系和链生特征。【方法和结果】提出基于地质结构控制和岩体结构采动响应的地质体复合损害科学研究内容、关键问题与减损地质保障思路,包括:(1)开展煤矿区煤−岩−水−土−生态圈层组合关系与动态响应特征研究,剖析复合损害形成的地质基础条件,厘清开发背景下各圈层采前、采中、采后地质条件动态演化特征,建立煤−岩−水−土−生态环境动态耦合演化模型。(2)建立复合损害协同驱动模型,精准识别量化各要素的关键状态参量,查明损害类型及其主控因素,揭示采动多场耦合响应规律与复合损害演化过程。(3)基于煤炭开采下多圈层损害之间的关联性,关注复合损害动态演化过程与对应关键状态参量变化,建立煤矿区复合损害协同预测监测与防控体系。(4)构建“五体系一平台”(精准勘探体系、智能感知体系、快速解译体系、风险评估体系、工程减损体系和采动复合损害综合分析平台),科学分析煤炭埋藏条件、岩体结构条件、水文地质条件、生态环境条件等自然因素及岩−水−土−生态环境多圈层响应规律等地质信息,实现地质结构条件透明化、评价模型及方法有效化、煤炭开发模式优选化、风险动态预测超前化、地质保障策略科学化。煤矿围岩复合损害地质保障研究能够为煤炭减损开采提供科学指导,服务煤炭绿色安全开采与生态环境保护。 展开更多
关键词 岩体形变 多圈层响应 复合损害 时空演化 地质减损 煤炭
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综放工作面过空巷超前支护技术研究与应用 被引量:2
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作者 王栋晨 孙华清 +6 位作者 冯伟斌 王代峰 秦艳华 陈井龙 吕金龙 李然 曹峰 《中国煤炭》 北大核心 2025年第1期132-145,共14页
在遗煤复采过程中,工作面前方常存在与其推进方向交叉的空巷,为提高过空巷时辅运巷和回风巷围岩的安全稳定,实现煤炭的安全高效开采,在长壁放顶煤过空巷的开采基础上,结合SolidWorks、Rhino-Griddle、FLAC 3D软件,建立了液压支架支护、... 在遗煤复采过程中,工作面前方常存在与其推进方向交叉的空巷,为提高过空巷时辅运巷和回风巷围岩的安全稳定,实现煤炭的安全高效开采,在长壁放顶煤过空巷的开采基础上,结合SolidWorks、Rhino-Griddle、FLAC 3D软件,建立了液压支架支护、锚杆支护、锚杆+支架支护这3种不同的超前支护方式,对比分析了3种超前支护方式对围岩矿压及变形的影响,并给出了最优支护方式,同时探讨了过空巷时液压支架的承载特征。研究结果表明,邻近空巷时,液压支架支护方式能有效分担两帮压力和控制围岩变形,但在巷道顶部会出现开采扰动和空巷的应力叠加;锚杆支护方式通过破坏围岩的几何形态对两者的叠加效果进行了有效减弱,但围岩变形控制较差;锚杆+支架支护方式综合两者优势,支护效果最好。 展开更多
关键词 综放工作面 超前支护 过空巷 围岩变形 数值模拟
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深部煤层(岩)气渗吸置换开发机理及其实践意义 被引量:1
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作者 周立宏 闫霞 +9 位作者 刘洪涛 熊先钺 王峰 李曙光 张纪远 刘川庆 胡雄 袁朴 马千理 朱学光 《煤炭学报》 北大核心 2025年第7期3534-3551,共18页
鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气(又称煤岩气)先导试验水平井吉深6-7平01井首试大规模水力压裂,实现了重大突破,带动了全国深部煤层气勘探开发,已成为非常规天然气增储上产重要领域,但水力压裂除增强渗流能力外,其对甲烷产出作用机理尚未理... 鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气(又称煤岩气)先导试验水平井吉深6-7平01井首试大规模水力压裂,实现了重大突破,带动了全国深部煤层气勘探开发,已成为非常规天然气增储上产重要领域,但水力压裂除增强渗流能力外,其对甲烷产出作用机理尚未理清,现场试验代价高且存在一定盲目性,制约了深部煤层气技术攻关方向和高效开发。通过物理试验与理论模拟相结合方法,开展了深部煤润湿性特征与界面分子作用机制分析,采用在线核磁共振扫描、真实深煤大分子建模、水相侵入驱替分子动力学模拟、不同含水条件煤岩等温吸附、不同矿化度条件渗吸试验、扫描电镜等手段,揭示了深部煤层气压裂改造背后的“压驱-渗吸-置换”作用机理,证实在大规模水力压裂过程中已发生气水渗吸置换、吸附态甲烷转为新的游离气产出的客观事实,促成了深部煤层气井初期“游离气为主”高产现象。即大规模压裂除了煤层增渗作用之外,更重要的是相当一部分吸附气通过气水“渗吸-置换”转为“新的游离气”,与原始游离气一起,共同被驱替出来。研究结果表明:基于矿物分析、高温高压润湿性试验及深煤真实大分子建模测试,深部煤岩因亲水性黏土矿物充填及含氧官能团的存在,呈现宏观整体亲水、微观局部强亲水特性;基于等温吸附试验与高温高压在线核磁共振扫描试验,压裂液能够显著削弱甲烷与煤分子间作用力,含水率每增加1%,最大吸附量平均降低1.82 m3/t;在液气压差为5 MPa的条件下,压裂液即可侵入岩心驱替出70.84%的游离气,并通过竞争吸附置换出10.42%的吸附气,推测高压差条件下置换和驱替率将更高;基于分子动力学模拟,在高压差驱动下,压裂液侵入纳米孔隙产生活塞式驱替效应,促使吸附态甲烷转化为游离态,能够将97.8%的甲烷驱替出纳米孔隙;基于不同尺寸毛管力试验分析发现,当煤基质孔径小于5 nm后,气液毛管力呈现陡增趋势,在原位和压后增压条件下,2 nm的强亲水(润湿角30°)和弱亲水(润湿角70°)孔隙中的毛管力可分别超过40.1和15.8 MPa,形成强烈的渗吸驱动力;基于矿化度分析与渗吸试验,因压裂液和地层水间的高矿化度差异,形成化学势梯度导致的渗透压作用可进一步强化渗吸作用,渗吸量提升46.4%以上;基于不同尺寸煤岩解吸试验,煤岩越碎,越容易解吸,煤岩尺寸由1.3 cm增加到5.0 cm时,解吸到达平衡时间延长14倍以上,吨煤累产气量下降了15.6%;基于试验和模拟结果,揭示了深部煤层气大规模压裂过程中压驱-渗吸-置换机理,耦合了“造(延伸)缝-增渗、增大接触面积、连通微孔、自发渗吸+置换、加压渗吸+置换、高压驱替”等多种促产出作用,明确了深部煤层气井产气贡献4个来源及阶段主力贡献,并依此提出了构建“密织缝网+增强连通性”压裂工艺、差异化焖井以强化渗吸置换作用效能、适时注润湿反转剂以调控减缓水锁效应、控压延长高压排采期等4项生产策略,同时明确了下一步3大攻关方向。研究成果可为深部煤层气井压裂改造技术攻关、排采制度优化和提高单井产量提供重要科学理论依据。 展开更多
关键词 深部煤层气 煤岩气 压驱 渗吸 置换 水力压裂 开发机理
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深部碎裂岩体巷道变形破坏机制与支护效应连续-非连续分析 被引量:1
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作者 张世瑞 江权 +3 位作者 邱士利 周小平 寇永渊 刘建坡 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期82-93,共12页
金川二矿深部碎裂岩体具有“岩块强度高,岩体强度低”的显著特点,巷道围岩具有显著的大变形特征,导致喷锚网或衬砌等支护结构破坏频繁,严重威胁采矿生产安全。以该矿深部巷道现场工程为背景,首先,通过现场调查和实测确定该矿深部巷道围... 金川二矿深部碎裂岩体具有“岩块强度高,岩体强度低”的显著特点,巷道围岩具有显著的大变形特征,导致喷锚网或衬砌等支护结构破坏频繁,严重威胁采矿生产安全。以该矿深部巷道现场工程为背景,首先,通过现场调查和实测确定该矿深部巷道围岩具有典型层状、碎裂状和复合结构特征,冒落和底臌为典型的破坏形式;其次,结合室内试验和现场监测数据,基于连续-非连续数值模拟分析方法 (FDEM)提出一种可破Voronoi块体模型和离散裂隙网络模型模拟巷道开挖过程,捕获围岩损伤破裂特征;最后,结合实体单元和锚杆单元模拟支护结构响应,探讨深部碎裂岩体变形破坏机制和支护效应。研究结果表明,结构面间距和倾角显著影响应力释放区的位置和压力拱的形成,导致围岩变形各向异性和破裂非均匀性;锚杆、混凝土喷层+锚杆及U型钢拱架+锚杆3种支护结构对于限制围岩变形具有显著差异性,加入锚杆和衬砌能有效抑制冒落区,限制顶拱位移,但不能有效抑制底板隆起;超前注浆、加长锚杆和钢拱架是控制深部碎裂岩体巷道大变形的重要措施。研究结果可为深部碎裂岩体巷道变形控制与支护设计提供理论参考。 展开更多
关键词 碎裂岩体 大变形 深部巷道 连续-非连续分析 支护方式
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煤矿采空区间隔条带充填CO_(2)矿化封存及其关键技术 被引量:1
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作者 朱梦博 刘浪 +5 位作者 王双明 蔚保宁 荣若愚 张文忠 庄登登 贾奇锋 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第6期143-155,共13页
【目的】煤炭是我国能源安全的压舱石和重要的工业原料,但煤炭开发利用全过程中带来了CO_(2)排放、固废产生和地表沉陷等生态环境问题,需要变革采煤方法,推动煤炭行业绿色低碳可持续发展。【方法】对比分析垮落法、房柱法和充填法的采空... 【目的】煤炭是我国能源安全的压舱石和重要的工业原料,但煤炭开发利用全过程中带来了CO_(2)排放、固废产生和地表沉陷等生态环境问题,需要变革采煤方法,推动煤炭行业绿色低碳可持续发展。【方法】对比分析垮落法、房柱法和充填法的采空区CO_(2)封存条件,结合CO_(2)地质封存技术和煤矿充填开采技术的发展现状,提出了煤矿采空区间隔条带充填CO_(2)矿化封存方法;以陕西某典型煤矿为例,开展间隔条带充填开采上覆低渗厚泥岩层损伤数值模拟试验;基于连续梁模型及地基梁模型,建立盖层岩组力学模型和采动裂隙发育高度模型,最后提出了煤矿间隔条带充填CO_(2)矿化封存关键技术。【结果和结论】(1)垮落法和房/刀柱法采空区的CO_(2)储盖条件较差,泄漏风险高,而充填法可以有效保护盖层岩组的完整性,但是需要预留封存空间;(2)模拟实验显示,充填率0、50%和80%情况下,采空区上覆低渗厚泥岩层3上边界最大下沉量分别为1230、520和105 mm,随着充填率的提高低渗厚泥岩层下沉幅度减缓、塑性变形区大幅度减小,通过优化间隔条带充填工艺与参数可以确保煤层回采过程中盖层岩组的完整性;(3)建立了3轮采充循环情况下的非水平六跨连续梁力学模型,求解了支点反力和弯矩表达式,建立了覆岩上行裂隙发育高度计算模型;(4)煤矿采空区间隔条带充填CO_(2)矿化封存技术的落地,还需突破地质选区、CO_(2)封存储库充填构筑及稳定性调控、CO_(2)矿化协同脱硫/硝充填材料制备、CO_(2)充注模拟与优化等关键技术,形成整体方案,为我国煤炭行业的绿色低碳发展拓展新的途径。 展开更多
关键词 煤矿采空区 CO_(2)矿化 充填开采 盖层岩组 采动裂隙
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爆破荷载作用下煤岩本构模型参数特性研究 被引量:1
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作者 张鑫 刘泽功 +4 位作者 常帅 陈响升 薛勇林 朱家亮 宋鑫 《振动与冲击》 北大核心 2025年第5期263-277,共15页
为探究RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)本构模型和HJC(Holomquist-Johnson-Cook)本构模型在深部煤岩体爆破数值模拟中的适用性,首先基于淮北矿区深部原煤对RHT和HJC两种本构模型参数进行了标定;然后通过单孔爆破室内试验和数值模拟对所标... 为探究RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)本构模型和HJC(Holomquist-Johnson-Cook)本构模型在深部煤岩体爆破数值模拟中的适用性,首先基于淮北矿区深部原煤对RHT和HJC两种本构模型参数进行了标定;然后通过单孔爆破室内试验和数值模拟对所标定参数进行了有效性验证,并添加最大拉伸应力和最大剪切应力的复合失效准则对HJC本构模型进行改进;最后基于两种本构模型对不同地应力状态下单孔爆破进行数值模拟,探讨两种本构模型在模拟损伤区范围和破裂形态方面的适用性。单孔爆破数值模拟结果表明:无地应力加载状态下,RHT本构模型和改进的HJC本构模型都能够较好描述压碎区的形成和裂纹区裂纹演化;不同地应力加载状态下,RHT和HJC两种本构模型数值模拟结果均能体现出地应力对裂纹扩展具有制约作用。当围压为0时,理论裂隙区半径为RHT本构模型的1.11倍,为HJC本构模型的1.20倍,两者差异较小;当围压增加到30 MPa时,理论值裂隙区半径为RHT本构模型的1.31倍,为HJC本构模型的4.13倍,两者相差较大,基于RHT本构模型的数值模拟结果与理论值更接近。根据研究结果,RHT本构模型和改进的HJC本构模型均适用于无地应力状态下爆破问题的数值模拟,对于高地应力状态下爆破RHT本构模型应成为首选。 展开更多
关键词 煤岩体 爆破 本构模型 裂纹扩展 裂隙区范围
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深层煤岩气CO_(2)压裂工艺技术研究及应用 被引量:1
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作者 孙虎 陆灯云 +5 位作者 李泽锋 刘国良 张宏忠 兰建平 司晓冬 叶赛 《钻采工艺》 北大核心 2025年第3期139-146,共8页
中国深层煤岩气储层改造中仍面临着淡水消耗量大、复杂缝网难以形成、储层伤害大等难题,而CO_(2)压裂技术为解决这些难题提供了新思路。为了提高CO_(2)压裂技术在煤岩气储层改造中的适用性,开展了煤岩气藏CO_(2)压裂作用机理研究,开发了... 中国深层煤岩气储层改造中仍面临着淡水消耗量大、复杂缝网难以形成、储层伤害大等难题,而CO_(2)压裂技术为解决这些难题提供了新思路。为了提高CO_(2)压裂技术在煤岩气储层改造中的适用性,开展了煤岩气藏CO_(2)压裂作用机理研究,开发了CO_(2)压裂参数优化设计软件,改善了CO_(2)泡沫压裂液体系,并结合施工案例分析了CO_(2)压裂技术应用效果。理论研究和现场试验结果表明,研发的CO_(2)压裂优化设计软件计算效率提高50%;开发的CO_(2)泡沫压裂液体系泡沫半衰期达194 min,泡沫质量超75%,具有良好的耐温耐剪切性能和携砂性能;CO_(2)压裂作业后煤岩气储层形成了复杂缝网,导流能力优于常规水力压裂;CO_(2)前置压裂井平均试气产量比常规水力压裂井增产约15%;CO_(2)泡沫压裂井增产约18%,平均每口井节水50%以上。CO_(2)压裂技术实现了造复杂缝、增产、节水、减排的目的,在煤岩气绿色高效开发中具有广阔的应用前景。 展开更多
关键词 煤岩气 CO_(2)压裂 复杂缝网 增产 节约水资源
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鄂尔多斯盆地深层煤岩气储层改造增产关键技术与应用
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作者 张燕明 蔺小博 +7 位作者 周长静 马占国 肖元相 古永红 王历历 惠波 刘欣佳 刘晓瑞 《中国石油勘探》 北大核心 2025年第4期160-170,共11页
鄂尔多斯盆地深层本溪组8号煤岩资源丰富,是我国非常规天然气增储上产的现实接替。与浅层煤层气相比,深层煤岩气具有“基质致密、孤立孔占比高、割理裂隙发育、游离气—吸附气共存”的特征,大规模压裂改造是降低深层煤岩游离气渗流阻力... 鄂尔多斯盆地深层本溪组8号煤岩资源丰富,是我国非常规天然气增储上产的现实接替。与浅层煤层气相比,深层煤岩气具有“基质致密、孤立孔占比高、割理裂隙发育、游离气—吸附气共存”的特征,大规模压裂改造是降低深层煤岩游离气渗流阻力、促进吸附气解吸的有效手段。通过三轴力学压缩、地应力测试、大物理模拟裂缝扩展等实验,明确8号煤岩割理发育、低杨氏模量、高泊松比、纵向应力差大的力学性质,以及高排低黏和低排高黏模式下的裂缝扩展特征。通过多参数地质工程甜点识别方法与差异化精细分段分簇布缝技术,形成以“多段少簇、交替注入、组合加砂”为核心的经济规模压裂技术,其要点为:(1)段内少簇聚能量,实现缝口聚能,开启割理裂隙;(2)交替注入扩带宽,高低黏液体交替注入,提高裂缝的复杂程度;(3)组合加砂提导流,实现多尺度裂缝有效支撑。该技术在矿场累计应用完试19口井,初期日产气4.9×10^(4)m^(3),具有较好的试气效果,为深层煤岩气的效益开发提供了重要的技术支撑。 展开更多
关键词 鄂尔多斯盆地 深层煤岩气 本溪组 压裂改造技术 应用成效
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煤系岩层真三轴水力压裂裂缝扩展规律研究
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作者 马军强 李学华 +4 位作者 张佳琦 姚强岭 种照辉 杨森 袁钰鑫 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第4期28-53,共26页
为掌握水力裂缝遇到岩层界面时由于岩性突变引起的裂缝扩展轨迹变化规律,通过真三轴水力压裂试验和直流电阻率法反演,研究了不同岩性组合模式下煤系岩层水力裂缝的扩展行为,揭示了地应力、岩性强度差异和岩层界面强度对水力裂缝扩展轨... 为掌握水力裂缝遇到岩层界面时由于岩性突变引起的裂缝扩展轨迹变化规律,通过真三轴水力压裂试验和直流电阻率法反演,研究了不同岩性组合模式下煤系岩层水力裂缝的扩展行为,揭示了地应力、岩性强度差异和岩层界面强度对水力裂缝扩展轨迹的影响机制。研究结果表明:煤系岩层水力裂缝形态具有明显的非对称特征,有单一、交叉、“T”形、“十”形、“工”形、“干”形和复杂裂缝7种模式。水力压裂压力曲线可划分为快速增大至起裂压力、压力突降、稳定波动和停泵后压力降低4个阶段,水力裂缝延伸遇到天然裂缝或岩层界面时压力曲线会出现明显的波动,压力突降值与水力裂缝的复杂程度呈负相关。地应力对水力裂缝的控制作用与最大主应力方向和垂直应力差异系数有关,当垂直应力为最大主应力时,垂直应力差异系数越大,水力裂缝越易穿过界面继续垂向扩展。岩性强度差异对水力裂缝扩展轨迹的影响表现为当水力裂缝由软岩中起裂扩展至岩层界面时,其扩展轨迹多为停止和沿着岩层界面扩展;当水力裂缝在硬岩中起裂时,岩性强度差异ΔS越大,越容易穿过岩层界面继续垂向扩展,反之,则易沿着岩层界面扩展。 展开更多
关键词 煤系岩层 水力压裂 岩性组合模式 岩层界面 裂缝扩展
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深层煤岩脉冲水力压裂裂缝扩展与疲劳损伤机理
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作者 杨睿月 陆美全 +4 位作者 李敖 成浩瑾 井美洋 黄中伟 李根生 《石油勘探与开发》 北大核心 2025年第4期948-958,共11页
融合室内物模实验与机器学习主控因素分析,探索深层煤岩脉冲水力压裂可行性,揭示脉冲压裂煤岩裂缝扩展规律及脉冲载荷的作用机制。研究表明:脉冲水力压裂通过诱发煤体疲劳破坏,可有效降低破裂压力,提升裂缝网络体积。低垂向应力差异系数... 融合室内物模实验与机器学习主控因素分析,探索深层煤岩脉冲水力压裂可行性,揭示脉冲压裂煤岩裂缝扩展规律及脉冲载荷的作用机制。研究表明:脉冲水力压裂通过诱发煤体疲劳破坏,可有效降低破裂压力,提升裂缝网络体积。低垂向应力差异系数(小于0.31)、低峰值压力比(小于0.9)与高水平应力差异系数(大于0.13)、高脉冲幅度比(大于等于0.5)、高脉冲频率(大于等于3 Hz)利于降低破裂压力;高垂向应力差异系数(大于等于0.31)、高脉冲幅度比(大于等于0.5)与低水平应力差异系数(小于等于0.13)、低峰值压力比(小于0.9)、低脉冲频率(小于3Hz)利于促进复杂缝网形成。垂向应力和峰值压力是影响脉冲水力压裂改造效果最主要的地质和工程参数。煤阶不同,其地质力学特征和天然裂缝发育情况也不同,脉冲水力压裂的主控机制也不同,低阶煤主要表现为基质强度的劣化,高阶煤以激活天然裂缝和层理面为主,中阶煤则基质强度劣化与微裂缝连通并存。脉冲水力压裂通过“劣化基质强度+提升缝网连通度”双机制形成复杂缝网。 展开更多
关键词 深层煤岩气 脉冲水力压裂 煤阶 疲劳损伤 基质强度劣化 破裂压力 微裂缝连通 复杂缝网
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