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球度和扁平度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质影响研究
1
作者 高霞 梅雯艳 +1 位作者 吴强 崔祥龙 《中国安全生产科学技术》 北大核心 2025年第5期86-94,共9页
为探究球度和扁平度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质影响规律,采用PFC 2D建立5种不同球度和扁平度下含瓦斯水合物煤体数值模型,并对其进行三轴压缩模拟试验。研究结果表明:不规则颗粒形状下含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线均呈应变软化... 为探究球度和扁平度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质影响规律,采用PFC 2D建立5种不同球度和扁平度下含瓦斯水合物煤体数值模型,并对其进行三轴压缩模拟试验。研究结果表明:不规则颗粒形状下含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线均呈应变软化型,且随着球度的减小和扁平度的增大,曲线应变软化现象越明显;不同颗粒形状下含瓦斯水合物煤体试样的配位数均随应变增加呈对数增长,扁平度对含瓦斯水合物煤体配位数影响较为显著;不同球度和扁平度下试样的累加法向接触力呈“花生型”分布,试样整体表现为各向异性。研究结果可为研究含瓦斯水合物煤体力学性质和变形机理提供理论参考。 展开更多
关键词 含瓦斯水合物煤体 离散元 球度 扁平度 宏细观力学性质
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颗粒形状对含瓦斯水合物煤体细观力学性质的影响
2
作者 高霞 赵宇贤 +2 位作者 王柏琨 吴强 崔祥龙 《中国安全科学学报》 北大核心 2025年第5期106-115,共10页
为探究和预测含瓦斯水合物煤体三轴压缩作用下试样内部的破坏及失稳特征,首先基于瓦斯水合固化方法进行含瓦斯水合物煤体室内三轴压缩试验;同时根据扫描电镜(SEM)图像构建组合Clump颗粒模板,利用颗粒流离散单元法(DEM)模拟方法建立不同... 为探究和预测含瓦斯水合物煤体三轴压缩作用下试样内部的破坏及失稳特征,首先基于瓦斯水合固化方法进行含瓦斯水合物煤体室内三轴压缩试验;同时根据扫描电镜(SEM)图像构建组合Clump颗粒模板,利用颗粒流离散单元法(DEM)模拟方法建立不同颗粒形状(不规则、圆形)、饱和度(40%、60%、80%)的双轴压缩模型,并开展三轴压缩试验;然后从宏观和细观2个方面对比分析Clump颗粒与圆形颗粒对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响特征。研究表明:不同颗粒形状含瓦斯水合物煤体试样峰值强度随水合物饱和度的增大均提高,在高饱和度条件下峰值强度增长不明显;不规则颗粒试样强度均大于圆形颗粒试样,最高提升142.01%;饱和度和颗粒形状对试样破坏模式影响较小,不同颗粒形状试样均发生鼓胀破坏且剪切带均呈X型分布;圆形颗粒试样发生旋转颗粒数目明显多于不规则试样,发生破坏的范围更大;随着加载进行,不规则颗粒间能够稳定地分担外部荷载;且不规则颗粒模型平均配位数远大于圆形颗粒试样;在表征含瓦斯水合物煤体力学行为方面,不规则颗粒模型更具优越性。 展开更多
关键词 颗粒形状 含瓦斯水合物煤体 力学性质 三轴压缩试验 柔性边界
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基于平行黏结模型的含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质研究 被引量：1
3
作者 王楠楠 高霞 +2 位作者 张吉哲 张保勇 吴强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期314-326,共13页
为了研究围压和饱和度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学特性的影响规律,对它进行三轴压缩试验离散元模拟。首先,利用颗粒流程序PFC3D构建3种不同饱和度的含瓦斯水合物煤试样数值模型,其中水合物的胶结作用通过平行黏结模型进行模拟。其次,... 为了研究围压和饱和度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学特性的影响规律,对它进行三轴压缩试验离散元模拟。首先,利用颗粒流程序PFC3D构建3种不同饱和度的含瓦斯水合物煤试样数值模型,其中水合物的胶结作用通过平行黏结模型进行模拟。其次,通过与室内三轴试验结果进行比较,标定能够反映其力学特性的细观参数。试验结果和模拟结果的应力-应变曲线趋势基本吻合,破坏强度、强度参数误差率均在10%以内,从而验证所建模型的可靠性。进而,对不同围压下含瓦斯水合物煤体三轴试验进行离散元模拟,从应力-应变曲线以及速度场、接触力链、配位数及孔隙率角度分别分析其宏细观力学特征。结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果吻合较好,整体上能够较好模拟试样的应变硬化特征。从速度场变化规律可以发现,低饱和度下试样剪胀程度较高,高围压下试样剪缩程度较高。不同饱和度、围压条件下,破坏强度处的主力链传递方向没有明显区别。随着围压和饱和度的增大,接触力增大,接触力链个数增加;配位数整体呈增大趋势,孔隙率整体呈减小趋势,使得试样强度增强;摩擦是维持试样细观力学体系稳定的重要因素。研究结果从细观尺度上揭示饱和度和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,为含瓦斯水合物煤体三轴试验离散元模拟建模提供理论参考以及为利用水合物技术预防煤与瓦斯突出提供依据。 展开更多
关键词 含瓦斯水合物煤体 围压 饱和度 离散元 细观力学
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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 被引量：1
4
作者 张保勇 赵国建 +1 位作者 高霞 吴强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期1414-1431,共18页
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~... 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。 展开更多
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
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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
5
作者 高霞 王楠楠 +3 位作者 秦程 张保勇 蒋静宇 吴强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2691-2710,共20页
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,... 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。 展开更多
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
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不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律 被引量：1
6
作者 祝威 高霞 +1 位作者 张保勇 吴强 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期21-34,共14页
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... 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。 展开更多
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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含瓦斯水合物煤体强度特性三轴试验研究 被引量：22
7
作者 高霞 刘文新 +3 位作者 高橙 吴强 张保勇 王立娜 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第12期2829-2835,共7页
含瓦斯水合物煤体力学性质准确测定是利用水合物技术预防煤与瓦斯突出的重要基础。利用水合固化反应与三轴压缩一体化原位试验装置开展了饱和度变化对含水合物煤体强度特性影响试验。结果表明:随着围压增加(1,2,3 MPa),含瓦斯水合物煤... 含瓦斯水合物煤体力学性质准确测定是利用水合物技术预防煤与瓦斯突出的重要基础。利用水合固化反应与三轴压缩一体化原位试验装置开展了饱和度变化对含水合物煤体强度特性影响试验。结果表明:随着围压增加(1,2,3 MPa),含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线从软化型向硬化型转化,破坏强度显著增加;随着饱和度增加,煤样破坏强度线性增加,饱和度对黏聚力和内摩擦角无明显影响;与含瓦斯煤体的强度特性比较发现,水合物生成提高了煤体破坏强度、变形模量和内摩擦角,而黏聚力没有明显变化。 展开更多
关键词 含水合物煤体 水合物饱和度 三轴压缩 力学性质
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晶体类型对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响 被引量：12
8
作者 吴强 朱福良 +1 位作者 高霞 张保勇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第8期1492-1496,共5页
含瓦斯水合物煤体的力学性质研究,是利用水合原理防治煤与瓦斯突出的基础。以型煤试件为研究对象,利用自主研制融合瓦斯水合固化反应和三轴压缩荷载作用于一体试验装置,合成了含不同晶体类型瓦斯水合物煤体。对含不同晶体类型瓦斯水合... 含瓦斯水合物煤体的力学性质研究,是利用水合原理防治煤与瓦斯突出的基础。以型煤试件为研究对象,利用自主研制融合瓦斯水合固化反应和三轴压缩荷载作用于一体试验装置,合成了含不同晶体类型瓦斯水合物煤体。对含不同晶体类型瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤体进行了三轴压缩试验,获得了2种围压下含瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤的应力-应变关系、强度等特性。基于莫尔-库伦强度准则进行拟合,得到含水合物煤体和含瓦斯煤体的黏聚力和内摩擦角。研究结果表明,煤体含水合物能够提高刚度和黏聚力,含II型瓦斯水合物煤体抵抗破坏能力更强,煤体含水合物的类型对煤体力学性质有不同的影响。 展开更多
关键词 含瓦斯水合物煤体 晶体类型 三轴压缩 应力-应变 力学性质
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卸围压条件下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究 被引量：15
9
作者 张保勇 于洋 +2 位作者 高霞 吴强 张强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期281-290,共10页
随着开采强度和能源需求的增大,煤矿开采深度逐年递增,煤与瓦斯突出等动力灾害愈加频繁,强度也越来越大。瓦斯水合固化防突技术通过中高压注水和向水中添加有利于水合物形成的促进剂的方法,使煤层中大部分瓦斯气体转变为固态水合物,从... 随着开采强度和能源需求的增大,煤矿开采深度逐年递增,煤与瓦斯突出等动力灾害愈加频繁,强度也越来越大。瓦斯水合固化防突技术通过中高压注水和向水中添加有利于水合物形成的促进剂的方法,使煤层中大部分瓦斯气体转变为固态水合物,从而促使煤层赋存瓦斯气体压力降低,同时水合物的生成提高了煤体强度,理论上可减弱或消除煤与瓦斯突出危险性。瓦斯水合固化后突出煤体力学性质测定是瓦斯水合固化技术应用的关键问题之一。此外,大范围煤炭开采对采掘空间煤岩体形成反复扰动,加卸载条件对含瓦斯水合物煤体力学性质影响较大。鉴于此,笔者开展常规三轴、卸围压下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性研究,为瓦斯水合技术在煤与瓦斯突出防治的应用提供一定的理论依据。首先,采用含瓦斯水合物煤体原位生成与力学性质测定一体化装置在3种围压(12,16,20 MPa)和2种饱和度(50%,80%)下开展了含瓦斯水合物煤体常规三轴试验,根据常规三轴试验得到的峰值强度确定卸围压起始轴向应力,之后开展相同条件下含瓦斯水合物煤体卸围压试验。结果表明,相同围压下,较高含水量煤样具有较大的饱和度;卸围压条件下含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线与常规三轴条件下具有显著差异,常规三轴条件下应力-应变曲线呈应变硬化型,而卸围压开始后应力-应变曲线会经历一个应力平台阶段;卸围压条件下含瓦斯水合物煤体能承载的最大应力较低;应力平台时间随围压和饱和度的增加近似线性增大,并且围压和饱和度越小,应力平台持续时间越短,煤体越易发生破坏;建立了饱和度和围压对应力平台持续时间耦合影响的多元线性回归方程,并对方程进行了检验,取得了较高的拟合度;卸围压条件下煤样破坏形式以剪切破坏为主、伴随劈裂破坏;随着围压增大,煤样破坏更为显著。相比于常规三轴下的含瓦斯水合物煤体,卸围压下含瓦斯水合物煤体能承载的最大应力较小,其破坏更具突然性、更易发生、破坏程度也更为剧烈。围压和饱和度越大,煤样应力平台持续时间越长,即煤岩发生破坏失稳前的时间越长,较难发生煤与瓦斯突出等动力灾害。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 应力-应变特性 卸围压 含瓦斯水合物煤体 应力平台
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煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展 被引量：4
10
作者 吴强 张保勇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期720-738,共19页
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... 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。 展开更多
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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