不同含水状态下煤样蠕变实验研究 被引量：1

1

作者 武洋 姚强岭 +2 位作者 吴宝杨 尚晓贝 王路军 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2024年第3期72-77,共6页

通过保持结构完整性浸水装置、X射线衍射仪及电液伺服加载煤岩体三轴蠕变渗流实验平台,实验得到上湾煤矿煤样的饱水曲线、不同含水状态下微观组分变化及蠕变特征。实验结果表明:煤样含水率与浸水时间呈负指数函数关系,含水率变化可分为... 通过保持结构完整性浸水装置、X射线衍射仪及电液伺服加载煤岩体三轴蠕变渗流实验平台,实验得到上湾煤矿煤样的饱水曲线、不同含水状态下微观组分变化及蠕变特征。实验结果表明:煤样含水率与浸水时间呈负指数函数关系,含水率变化可分为加速增长、减速增长及稳定3个阶段;1次饱和过程中,随着含水率增加,煤样石英含量几乎保持不变,而高岭石等黏土矿物含量在这一过程中减少较多;干湿循环过程中,煤样石英含量衰减与循环次数成正比;随着含水率及干湿循环次数增加,煤样进入稳态蠕变及加速蠕变所需轴向荷载降低。 展开更多

关键词 煤样 含水率 干湿循环 饱水曲线 矿物组分 蠕变特性

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浸水煤体单轴压缩能量破坏机理及层理效应 被引量：2

2

作者 刘小玲 张泽天 +4 位作者 张茹 曹志国 任利 孙紫琬 查尔晟 《工程科学与技术》 北大核心 2025年第1期189-200,共12页

煤矿地下水库煤柱坝体存在显著的浸水渐进灾变力学响应,揭示浸水煤体单轴压缩能量演化特性的层理效应对煤柱坝体设计优化及安全控制具有重要意义。采用岩石多轴加载力学试验系统TEST 60,开展垂直及平行两种层理在不同浸水时间(0、2、4、... 煤矿地下水库煤柱坝体存在显著的浸水渐进灾变力学响应,揭示浸水煤体单轴压缩能量演化特性的层理效应对煤柱坝体设计优化及安全控制具有重要意义。采用岩石多轴加载力学试验系统TEST 60,开展垂直及平行两种层理在不同浸水时间(0、2、4、16 d)下煤样的单轴压缩试验,获取浸水煤样单轴压缩全应力–应变曲线及物理力学参数,探究煤样单轴压缩加载全过程能量演化特征,分析不同层理浸水煤样单轴压缩能量演化机理。结果表明:1)长时间浸水后,垂直层理和平行层理煤样均发生了明显的水软化,抗压强度明显变小,且各能量指标均较未浸水时有明显降低;浸水16 d的平行层理、垂直层理煤样峰值应力处对应的总能量分别为未浸水时的56%、53%。2)浸水4 d内,平行层理煤样受水软化作用的影响不显著;垂直层理煤样的抗压强度先增加后降低,弹性能变化趋势与抗压强度保持一致,总能量、耗散能随着浸水时间的增加逐渐降低。3)相同浸水时间下,垂直层理煤样的强度及变形破坏过程中的各能量指标均高于平行层理煤样;未浸水垂直层理煤样的峰值总能量约为平行层理的2倍。4)由于不同层理方向煤样的吸水能力及其破坏面与层理面的关系有差异,导致在短时间浸水作用后不同层理煤样单轴压缩能量演化存在差异。研究结果丰富了已有对浸水煤体受载破坏过程能量演化规律的认识,为指导煤矿地下水库的安全建设与稳定运行提供参考和依据。 展开更多

关键词 浸水时间 层理 煤样 单轴压缩 能量演化

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基于Hough检测的节理岩体迹线信息快速识别方法与应用研究 被引量：4

3

作者 王培涛 刘智超 +3 位作者 马驰 彭阿晓 任奋华 蔡美峰 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期2887-2897,共11页

工程岩体中结构面的存在直接影响其强度与变形特征及破坏模式,结构面分布信息调查和产状分析是开展工程岩体稳定性评价的基础。针对岩体光滑揭露面的节理分布,提出了一种基于Hough检测原理的节理岩体表面迹线信息快速识别方法。该方法... 工程岩体中结构面的存在直接影响其强度与变形特征及破坏模式,结构面分布信息调查和产状分析是开展工程岩体稳定性评价的基础。针对岩体光滑揭露面的节理分布,提出了一种基于Hough检测原理的节理岩体表面迹线信息快速识别方法。该方法主要通过图像边缘检测获得迹线图后进行自动识别迹线,实现了节理迹线的产状信息识别。研究结果表明,该方法能够有效地实现不同左/右倾、交叉直线图像的信息识别;以离散节理网络模型和工程岩体实例为对象进行算法分析对比,有效地识别出主要节理迹线的产状分布信息,探讨了Hough检测关键参数k值的敏感性,验证了Hough检测方法在节理岩体迹线信息识别的可行性。提出的Hough检测方法能够为岩体节理迹线识别和信息分析提供一种新的工程应用方法。 展开更多

关键词 岩石力学 岩石节理 Hough检测 迹线识别 产状分析

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煤矿覆岩裂隙地下水渗流特征的试验研究 被引量：11

4

作者 李海祥 曹志国 +2 位作者 吴宝杨 池明波 张保 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期168-176,共9页

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素,特别是煤矿地下水库修建区,覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态,具有良好的储水和导水能力,也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下... 覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素,特别是煤矿地下水库修建区,覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态,具有良好的储水和导水能力,也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下,地下水库形成垂向补给,分析地下水在覆岩裂隙中的渗流特征为煤矿地下水库安全运营及地下水资源保护提供科学依据。此次研究通过固−液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育稳定规律及导通含水层后地下水渗流特征,分析得出延伸远空间大的离层裂隙和微裂隙多以储水为主,贯穿多个岩层的垂向裂隙具有很强的导水能力,离层裂隙间的水力联系主要靠两侧区域的垂向裂隙形成。垂向补给条件下,地下水先以非饱和方式沿垂向裂隙进行入渗,由上及下覆岩裂隙逐渐区域饱和,最终形成稳定的饱和入渗形式。在此基础上建立饱和渗流状态的地下水渗流数学模型,并依靠数值法求解,与相似模拟试验相互验证得出垂向裂隙是主要的导水通道,其导水量占比最大可达到97%,与此同时垂向裂隙中地下水的运移速度也远超出离层裂隙中的多个数量级。最后通过敏感性分析得出垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关,与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下水的运移时间与裂隙发育程度、岩石渗透性和总涌水量均呈负相关。 展开更多

关键词 地下水库 覆岩裂隙 地下水渗流 运移时间 优势通道

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台格庙矿区地下水水化学特征与演变规律研究 被引量：5

5

作者 李海祥 曹志国 +4 位作者 王路军 池明波 胡博文 张锁 周爱霞 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期284-291,共8页

台格庙矿区煤炭资源丰富,但水资源匮乏、生态环境脆弱,利用水文地球化学方法,开展矿区全流域地下水化学特征与演变规律研究,能为矿区绿色开采提供科学支撑。利用Piper三线图分析白垩系地下水、侏罗系地下水、河水和湖水类型,其水化学特... 台格庙矿区煤炭资源丰富,但水资源匮乏、生态环境脆弱,利用水文地球化学方法,开展矿区全流域地下水化学特征与演变规律研究,能为矿区绿色开采提供科学支撑。利用Piper三线图分析白垩系地下水、侏罗系地下水、河水和湖水类型,其水化学特征满足湖水由河水和不断演变的地下水混合后形成的条件;通过Gibbs图分析得出,白垩系和侏罗系地下水在循环演变过程中受岩石和蒸发作用控制;离子比值端元法进一步表明,白垩系和侏罗系地下水受硅酸岩盐和岩盐控制为主,同时伴随离子交换;最后通过质量平衡模拟得出,白垩系地下水循环演变过程中溶解白云岩、石膏、岩盐矿物质,吸收CO_(2),析出方解石,伴随离子交换,可与不同比例河水混合形成湖水,但侏罗系地下水只能混合少量河水或不混合河水。河水占红碱淖湖水补给量83%,侏罗系地下水不能为其主要补给来源,红碱淖湖水主要来源白垩系地下水和河水。结合矿区水文地质条件,将矿区地下水流系统分为南侧白垩系地下水流系统、北侧的白垩系地下水流系统和深部的侏罗系地下水流系统,煤炭开采直接影响侏罗系地下水流系统,在保障两个白垩系地下水流系统不被破坏的前提下,当采煤排水只袭夺侏罗系边界流出水量或少量侏罗系补给红碱淖水量时,采煤对红碱淖及周边河流的影响降至最小。 展开更多

关键词 台格庙矿区 水化学类型 水岩作用 质量平衡 地下水循环

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煤矿矿井水零排放处理除硬过程影响因素

6

作者 李小端 郭强 +4 位作者 唐佳伟 刘兆峰 蒋斌斌 闫祖喻 李井峰 《洁净煤技术》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期598-604,共7页

软化除硬过程是煤矿高矿化度矿井水零排放处理的重要环节,随着矿井水组成和矿化度的变化,传统双碱法除硬普遍存在投加药剂过量、除硬效果不佳等问题。为了揭示复杂成分体系下高矿化度矿井水的除硬影响机制,通过配制模拟水的方式探究原... 软化除硬过程是煤矿高矿化度矿井水零排放处理的重要环节,随着矿井水组成和矿化度的变化,传统双碱法除硬普遍存在投加药剂过量、除硬效果不佳等问题。为了揭示复杂成分体系下高矿化度矿井水的除硬影响机制,通过配制模拟水的方式探究原水及膜浓缩液化学法除硬在盐类型、矿化度、硬度等方面的影响;分别设计了SO_(4)-Na和Cl-Na两种盐类型,1000~60000 mg/L共4水平的矿化度梯度,及500、1000、2000 mg/L共3水平钙硬(以碳酸钙计)梯度试验。结果表明,矿化度升高对硬度的去除有显著负影响,矿化度低于15000 mg/L的低矿化度矿井水可参考双碱法的控制参数;SO_(4)-Na型矿井水沉淀反应速率较Cl-Na型矿井水显著变缓,高矿化度SO_(4)-Na型矿井水反应时间较传统双碱法需延长至10~20 min。而硬度升高对除硬有正向影响,高矿化度硫酸钠体系除外。探究了浓缩液体系阻垢剂影响下除硬的脱稳方法,结果表明Fe^(3+)、碳酸钙、硫酸钙晶种诱导法可有效改进膜浓缩液除硬效果。本研究建立了零排放工艺中不同水质化学法除硬的影响因素和优化操作建议,为矿井水零排放提供理论与技术支撑。 展开更多

关键词 矿井水 浓缩液 除硬 影响因素 阻垢剂

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煤矿分布式地下水库层间岩体抗震安全性分析

7

作者 马国峰 张勇 +2 位作者 曹志国 方杰 武洋 《煤炭工程》 北大核心 2024年第S1期145-152,共8页

针对煤矿分布式地下水库这一新型地下水工结构,通过动力相似模型试验与数值模拟方法,对极端条件(矿震或地震)下煤矿分布式地下水库建设与运行过程中的安全性展开研究。以大柳塔煤矿地下水库为工程背景,构建上下层煤矿地下水库相似材料... 针对煤矿分布式地下水库这一新型地下水工结构,通过动力相似模型试验与数值模拟方法,对极端条件(矿震或地震)下煤矿分布式地下水库建设与运行过程中的安全性展开研究。以大柳塔煤矿地下水库为工程背景,构建上下层煤矿地下水库相似材料模型试验平台,开展不同烈度下层间岩体稳定性试验,比较不同安全距离对层间岩体安全度的影响。采用摩尔-库仑模型,对上下层水库在不同烈度地震作用下的全过程进行数值仿真,并与相似材料试验结果进行对比分析。同时结合实例评价,探讨特定条件下上下层水库间的合理安全距离,从而为地下水库坝体安全设计提供科学依据。 展开更多

关键词 煤矿地下水库 分布式地下水库 地下水工结构 岩体抗震性 水库坝体 数值模拟

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剪切粗糙裂隙渗流多尺度分形表征 被引量：2

8

作者 薛东杰 侯孟冬 +5 位作者 程建超 贾震 刘殷彤 辛翠 徐颜卓 王路军 《矿业科学学报》 CSCD 2023年第5期663-676,共14页

甘肃北山为高放废物深地质处置库场址的主预选区。针对场址区花岗岩受剪切破坏形成裂隙的渗流特性进行研究,具有重要的工程建设指导意义。为探究北山花岗岩多尺度粗糙裂隙几何特征对非线性渗流场演化的影响规律,对剪切条件下花岗岩裂隙... 甘肃北山为高放废物深地质处置库场址的主预选区。针对场址区花岗岩受剪切破坏形成裂隙的渗流特性进行研究,具有重要的工程建设指导意义。为探究北山花岗岩多尺度粗糙裂隙几何特征对非线性渗流场演化的影响规律,对剪切条件下花岗岩裂隙断面的几何特征及渗流特性进行了分形建模研究。结果表明,粗糙裂隙的粗糙程度和开度在模型尺度变化过程中存在完全的自相似性,二者的分布特征在分布空间尺度变化过程中始终保持一致;渗流速度场、梯度场及散度场只存在局部特征的延续,尤其是不同尺度下对应的数量场均服从于正态分布;随着观察尺度的增大场内空间起伏逐渐减小,三场内的尖锐突变逐渐消失且向平滑过渡,这意味着观察尺度越大,粗糙裂隙渗流被误判为平行板渗流的概率越大,即粗糙断面渗流特性的精准描述依赖于几何尺度。 展开更多

关键词 剪切破坏 粗糙断面 粗糙度 多尺度 分形渗流模型

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煤矿地下水库坝基层间岩体破坏及突渗力学模型 被引量：12

9

作者 王路军 曹志国 +6 位作者 程建超 刘升贵 周宏伟 武洋 王俊光 欧阳迪 薛东杰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期1192-1208,共17页

煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验... 煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验和三轴循环加卸载渗流耦合试验。结果表明:下煤层工作面朝上部水库推进过程中层间岩层发生拉伸剪切破坏,裂隙逐渐向水库坝体方向延伸,采用数字散斑方法观测到坝基岩体裂隙网络由离散局部变形连通形成宏观裂缝,并贯穿至煤柱坝体;从几何和拓扑角度定量地分析了裂隙网络的幂律分布特征,证实了裂隙演化在空间上存在连通概率,岩层的裂隙网络连通属于渐进式,区别于岩石试件裂隙激增式扩展过程。综合考虑原岩应力、初始采动应力、循环加卸载等作用,发现采动应力导致煤体的体胀作用远大于砂岩,砂岩作为硬岩关键层有利于抑制裂隙扩展和渗透增加;采用基于分数阶理论的非达西渗透率公式计算瞬态法测试的渗透率,相比常规计算方法具有更好的灵敏性,渗透率突变伴随着应力突降、体应变激增、破裂信号陡增等行为,揭示了渗透率的本质是裂隙网络的拓扑连接,提出了突渗的力学定义和拓扑定义。采用逾渗理论将裂隙网络连通视为连续相至非连续相的跳跃行为,建立了煤岩体突渗的逾渗模型,经应力渗流、蠕变渗流等试验验证模型有效且形式简单,为突渗力学行为的数学描述奠定了基础。 展开更多

关键词 煤矿地下水库 煤岩体破坏 突渗定义 逾渗模型

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一步固相反应制备铝改性活性炭对矿井水中氟化物的超快去除 被引量：1

10

作者 齐永辉 包一翔 +9 位作者 李俏 王蕾 李井峰 张海琴 吴敏 陈静允 钟金魁 郭强 蒋斌斌 李海祥 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期461-469,共9页

矿井水中(F^(−))超标已成为制约我国西部矿区煤炭绿色开发的主要挑战之一。针对该问题,开发了机械化学法一步固相反应制备Al改性活性炭(AC-Al)的方法,解决了常规水热法改性活性炭产生废液废渣、制备周期长的问题,并实现了矿井水中F^(−)... 矿井水中(F^(−))超标已成为制约我国西部矿区煤炭绿色开发的主要挑战之一。针对该问题,开发了机械化学法一步固相反应制备Al改性活性炭(AC-Al)的方法,解决了常规水热法改性活性炭产生废液废渣、制备周期长的问题,并实现了矿井水中F^(−)的快速、高效去除。研究了Al添加量、pH、共存阴离子和有机物、吸附剂投加量及反应时间等对除氟性能的影响。AC-Al除氟性能与Al添加量成正比,添加量为0.32 g,吸附反应30 s时,水中F^(−)去除率达到80%以上。pH在3~10范围内,F^(−)去除率均大于80%,具有良好的水质适应性。吸附过程更符合Langmuir模型,即为单层吸附,理论饱和吸附量为1.47 mg/g。吸附过程符合准一级动力学模型。硫酸根离子、氯离子和碳酸氢根离子(1000 mg/L时)、腐殖酸对F^(−)去除没有影响,氯离子和碳酸氢根离子质量浓度为3000 mg/L时,除氟率分别降低约21%和11%。AC-Al投加量为10 g/L时,矿井水中F^(−)去除率达84.9%(30 s内),质量浓度从4.85 mg/L降低至0.73 mg/L,满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中F^(−)浓度限值(I、II、III类),矿井水中F^(−)吸附过程同样符合准一级动力学模型。元素面分布表明,Al均匀地负载于活性炭表面;F^(−)均匀吸附在AC-Al上,与Al分布特征相似,证明Al是F^(−)吸附潜在活性位点。X射线光电子能谱结果表明,F^(−)吸附前后,AC-Al表面的Al元素结合能从74.20 eV升高至74.28、77.80 eV等2种状态,说明Al与F结合形成了Al-FOH、Al-F化学键,是快速稳定除氟的直接原因。同时,AC-Al吸附剂上的Al溶出量很低(0.34μg/g)。机械化学法制备的Al改性活性炭除氟效果良好,可为除氟吸附剂制备提供新的普适性技术路径,同时为解决矿井水除氟问题提供技术支撑。 展开更多

关键词 矿井水 吸附除氟 固相反应 活性炭 铝改性

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基于非线性流变理论的煤岩体强时效特征 被引量：2

11

作者 王路军 周宏伟 +2 位作者 曹志国 荣腾龙 张勇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S02期713-720,共8页

深部资源赋存环境具有高地应力、高渗透压和高地温的本真特征,而强扰动和强时效的附属特性对深部多场多相耦合的渗流理论具有重要意义。深部岩体力学理论研究经常涉及时效特征,因此需要对强时效进行科学定义。结合深部岩体赋存特征及资... 深部资源赋存环境具有高地应力、高渗透压和高地温的本真特征,而强扰动和强时效的附属特性对深部多场多相耦合的渗流理论具有重要意义。深部岩体力学理论研究经常涉及时效特征,因此需要对强时效进行科学定义。结合深部岩体赋存特征及资源开采流程给出了深部强时效的含义,并提出强时效包含3个方面内容,分别为加速蠕变、脆延转换和物理力学参数弱化。通过非线性流变理论确定蠕变加速阶段发生条件,从而对深部岩体强时效特征进行研究。根据已有流变理论归纳出岩体发生加速蠕变需达到临界损伤阈值的结论,而临界损伤阈值可以由非弹性体积应变、孔隙率变化或声发射数据确定。岩石单轴或三向应力条件下蠕变实验可从应变加速度判别强时效起始点。针对岩石流变本构模型可通过流变微分方程稳定性判别强时效条件。在分析岩石非线性流变微分方程的基础上提出强时效特征下岩石应变加速度与应变率符合一定的幂率关系,具体参数可由实验数据确定。对岩体应变、应变率及应变加速度曲线分析可知,应变加速度曲线出现的2个拐点即可作为蠕变衰减-稳态和稳态-非稳态阶段转换的临界值。通过深部煤体三轴流变实验数据确定强时效发生的起始位置,并对强时效条件下应变加速度与应变率相关方程中参数进行拟合。依据深部煤体采动应力路径进行了卸围压蠕变-渗流实验,进而分析出强时效阶段煤体渗透率会急剧增大的特点。 展开更多

关键词 深部煤岩体 强时效 加速蠕变 渗透率演化

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