法向扰动下裂隙砂岩的剪切力学性质与细观演化特征

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作者 张洁 冯国瑞 +5 位作者 郭军 文晓泽 冯文明 张旭 张亮 DIAS Daniel 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期178-193,共16页

为探究裂隙岩体在扰动作用下的剪切力学行为和细观演化特征,开展了恒定作用下裂隙砂岩的直剪试验,采用PFC^(2D)建立了不同裂隙角度离散元模型,分析了法向恒定和扰动作用下试样的剪切强度和破坏特征;基于剪切过程中细观演化规律,揭示了... 为探究裂隙岩体在扰动作用下的剪切力学行为和细观演化特征,开展了恒定作用下裂隙砂岩的直剪试验,采用PFC^(2D)建立了不同裂隙角度离散元模型,分析了法向恒定和扰动作用下试样的剪切强度和破坏特征;基于剪切过程中细观演化规律,揭示了扰动作用下裂隙砂岩的裂纹扩展规律和能量耗散机理。研究结果表明:①预制裂隙使岩石剪切强度显著降低,两种加载模式下不同裂隙角度的剪切强度降幅分别为9.79%~20.28%和11.12%~16.78%;随着裂隙角度增加,应力–应变曲线斜率降低,剪切强度和峰值位移呈现出先增大后减小的趋势,具有明显的角度效应,剪切强度与裂隙角度成三次函数关系;法向扰动削弱了角度效应的影响,使岩石抵抗剪切变形的能力减弱,破坏提前。②在剪切过程中,岩石内部力链呈现出与荷载方向一致的演化趋势,微裂纹主要从试样两端和预制裂隙两端萌生和发育;微裂纹倾角主要分布在20°~80°,破坏后剪切裂纹占比为78%~81%,扰动作用使该过程中产生的各类裂纹增多,起裂位移减小,剪切裂纹占比增大。③AE振铃计数的发展可分为平静期、缓增期、爆发期和稳定期,扰动作用下“平静期”较短,且在“缓增期”呈现出阶梯性增长趋势。④扰动作用下的剪切试验,试样失效点的总能量较低;直至试样破坏,大部分输入能都以弹性应变能的形式储存在试样中,且在扰动作用下的弹性能显著低于恒定作用下的,降幅达到9.87%~13.94%;扰动使试样储能能力降低,耗散能增加,更容易产生裂纹从而破坏。 展开更多

关键词 裂隙岩体 法向扰动 剪切特性 细观演化 能量耗散

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CO_(2)养护压力对赤泥−粉煤灰基注浆材料储碳−力学性能的影响

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作者 吴国威 冯国瑞 +3 位作者 白锦文 韩艳娜 吴凡 马俊彪 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期153-165,共13页

固体废弃物堆积与CO_(2)排放是制约能源行业清洁高效发展的2大关键问题。采用制铝工业副产品拜耳法赤泥和粉煤灰制备赤泥−粉煤灰基地聚物注浆材料,测试不同CO_(2)养护压力下材料的碳化深度、碳化面积、CO_(2)吸收量和单轴抗压强度,并利... 固体废弃物堆积与CO_(2)排放是制约能源行业清洁高效发展的2大关键问题。采用制铝工业副产品拜耳法赤泥和粉煤灰制备赤泥−粉煤灰基地聚物注浆材料,测试不同CO_(2)养护压力下材料的碳化深度、碳化面积、CO_(2)吸收量和单轴抗压强度,并利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜−能量色散光谱(SEM−EDS)和低场核磁(LF−NMR)等微观表征技术,揭示注浆材料储碳−力学性能演化机制。结果表明:CO_(2)养护压力从0.2 MPa增至1.8 MPa,材料的碳化深度从2.07 mm增加至4.27 mm,CO_(2)吸收率从1.10%提升至2.86%。碳化养护结束后,碳酸盐对材料强度的贡献优于水化硅铝酸钠/钙(N(C)−A−S−H)凝胶,使得材料单轴抗压强度随CO_(2)压力升高而增加,当养护压力达到1.4 MPa时,其强度超过未碳化养护的对照组。在继续养护至28 d的过程中,由于前期碳酸化反应消耗了材料中的游离碱及生成地质聚合产物所需的Ca^(2+)、Na^(+),导致这一阶段的地质聚合反应受限。同时材料整体处于低钙体系,不利于碳酸钙晶体的持续生长发育,最终造成材料孔隙率增加。与对照组相比,28 d强度均表现为劣化。研究可为指导采空区CO_(2)储库构筑与井下碳封存提供理论基础。 展开更多

关键词 赤泥−粉煤灰基注浆材料 碳酸化反应 地质聚合反应 CO_(2)养护压力 微观结构

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跨煤柱开采覆岩运动与载荷传递特征三维相似模拟研究

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作者 曹丁园 潘瑞凯 +4 位作者 白锦文 冯国瑞 屈锦波 李浩男 李宇飞 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第3期477-488,共12页

下层煤工作面跨上覆遗留煤柱开采(简称“跨煤柱开采”)过程中,遗留煤柱承受高支承压力,可能导致下层煤工作面发生冒顶、压架、巷道损坏以及冲击地压等灾害。采用三维相似模拟试验研究跨煤柱开采时覆岩的运移规律和煤柱载荷传递特征。结... 下层煤工作面跨上覆遗留煤柱开采(简称“跨煤柱开采”)过程中,遗留煤柱承受高支承压力,可能导致下层煤工作面发生冒顶、压架、巷道损坏以及冲击地压等灾害。采用三维相似模拟试验研究跨煤柱开采时覆岩的运移规律和煤柱载荷传递特征。结果表明:随着遗留煤柱两侧工作面的开采,层间岩层应力分布发生显著变化,单侧采空时煤柱应力影响角约为7°,两侧采空时应力影响角增大至39°,工作面距离遗留煤柱约32 m时开始受煤柱集中应力影响;下层煤工作面进入煤柱下方开采后,采空区的煤柱逐渐发生屈服卸压,将覆岩载荷传递至工作面前方完整煤柱,形成载荷集中,在工作面推出煤柱5 m位置时,层间岩层断裂并诱发主关键层失稳,发生强矿压显现。 展开更多

关键词 煤柱 跨煤柱开采 岩层控制 三维相似模拟 覆岩载荷传递

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黏土矿物材料在煤矿注浆领域的研究进展与前景展望 被引量：4

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作者 冯国瑞 姚鑫 +4 位作者 王帅 姚顺 韩艳娜 黄丽 侯凯 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第19期104-114,共11页

我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料... 我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料领域。近年来,国内外学者开发了纯黏土注浆材料、水泥-黏土复合注浆材料以及有机物-黏土复合注浆材料,并阐明了各类材料的用途及黏土矿物作为外加填料的强化机理。本文基于对黏土矿物结构、特性、表征及应用的阐述,综合近年来国内外科研人员对煤矿含黏土注浆材料的研究,归纳了含黏土注浆材料的开发现状,探讨了黏土矿物用于煤矿注浆的必要条件和共性特征,指出了当前煤矿含黏土注浆材料研究中存在的问题,并对今后含黏土注浆材料的开发提出了展望。 展开更多

关键词 黏土矿物 注浆材料 复合材料 煤矿开采

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浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制 被引量：18

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作者 冯国瑞 朱卫兵 +3 位作者 白锦文 余丹 谢建林 李竹 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期114-125,共12页

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式... 工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律,发现了超前煤柱群的回弹变形现象,开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验,研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征,分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程,揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明:(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征,即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象,之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此,反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏,引起载荷的转移,加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度,进而发生链式斜切破坏。在此过程中,覆岩持续沉降,裂隙也不断发育,形成剪切贯通断裂面,发生破断回转,促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳,引发层间岩层的全厚切落,带动更大规模房采煤柱群的链式失稳,并造成下伏工作面动压灾害的发生。(3)浅埋近距离下伏煤层开采“煤柱群-覆岩”的失稳垮塌过程可以细分为:关键柱斜切破坏阶段、关键柱邻近部分煤柱群破坏阶段、超前煤柱群回弹冲击失稳阶段、覆岩垮塌与层间岩层切落致灾阶段。(4)浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳是“煤柱群回弹变形”与“覆岩联动垮塌”共同作用且互馈影响的动态过程。该研究可以解释柱式采空区下伏近距离煤层开采超前动载矿压的显现原因,有望为超前动载矿压的预测和控制提供理论指导,并进一步保障近距离煤层群的安全绿色高回收率开采。 展开更多

关键词 关键柱 煤柱群 回弹变形 冲击失稳 岩层切落 动载矿压

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遗留群柱中关键柱判别方法与软件 被引量：7

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作者 白锦文 宋诚 +7 位作者 王红伟 戚庭野 冯国瑞 曹光明 王凯 郭军 史旭东 崔博强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期651-661,共11页

关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的... 关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法,优化了遗留煤柱自身强度的计算方法;其次,引入应力扩散的最大距离L,改进了遗留煤柱承担载荷的计算公式;然后,分别确定了待研究区域内各个遗留煤柱的安全系数,并将安全系数最小的遗留煤柱判别为关键柱;最后,形成了遗留群柱中关键柱判别的技术方法,并运用Python语言开发了关键柱智能判别的KPDS软件。结果表明:(1)最小等效宽度为不同形态遗留煤柱的最小实用承载宽度;内切圆法、最短边法、辅助线法和短轴线法可以用于确定采空区规则/不规则形态遗留煤柱的最小等效宽度;(2)内切圆法适用于确定横截面为三角形和正多边形遗留煤柱的最小等效宽度;最短边法适用于确定“横截剖面存在最短边且其邻近2边相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;辅助线法适用于确定“横截剖面存在最短边且其2条邻边不相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;短轴线法适用于确定半圆形遗留煤柱、圆形遗留煤柱和椭圆形遗留煤柱的最小等效宽度;(3)遗留煤柱承担的载荷不只是从属面积上覆岩的载荷,还包括邻近范围覆岩所传递扩散过来的载荷;考虑应力扩散最大距离可以更加准确计算遗留煤柱承担的载荷;(4)基于最小等效宽度和载荷扩散最大距离,能够确定待研究采空区内安全系数最小的遗留煤柱,可以进一步判别出关键柱,并形成关键柱判别的技术流程;(5)关键柱判别KPDS软件是Key Pillar Determination Software的简称,主要包括:登录界面、参数导入界面、强度计算界面、承载与安全系数计算界面和关键柱判别界面;该软件可以快速智能地判别出遗留群柱体系中关键柱。该研究可以实现遗留群柱体系中关键柱位置的超前识别,有望指导遗留群柱链式失稳和围岩联动破坏的科学防控,并进一步促进煤矿岩层控制理论与技术的发展。 展开更多

关键词 关键柱 最小等效宽度 载荷扩散距离 判别方法 智能软件

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高静应力与低频扰动耦合作用下砂岩的力学响应特征 被引量：5

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作者 文晓泽 冯国瑞 +5 位作者 王朋飞 郭军 钱瑞鹏 白锦文 樊一江 朱林俊 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3426-3436,3473,共12页

低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学... 低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学响应特征的影响。结果表明:(1)高应力状态砂岩不会在小幅扰动荷载作用过程中破坏,但扰动损伤会降低岩样抗拉强度,基于层间岩层静态力学特性的上行开采稳定性分析中应纳入合适的折减系数;(2)高静应力砂岩破坏前的扰动荷载循环次数随幅值升高而降低,幅值为5.0、7.5、10 kN组岩样破坏前的扰动荷载循环次数均值分别为157、70、3;(3)引入描述流体状态的“紊流”形象化表达扰动荷载作用过程中附加能量的快速输入与输出,呈“紊流”状态的附加能量弱化了砂岩裂纹扩展的有序性,诱使砂岩破坏瞬间发生大规模裂纹扩展。该研究成果可为残采区上行开采稳定性分析提供一定参考。 展开更多

关键词 高静应力 动静载耦合 动态响应 上行开采

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柱旁单侧充填煤充结构体的破坏响应特征与失稳机制 被引量：3

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作者 崔博强 白锦文 +6 位作者 冯国瑞 王善勇 王凯 史旭东 郭军 杨欣宇 宋诚 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期2431-2446,共16页

为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发... 为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发射特征的BP煤充结构体单轴压缩损伤模型;最后,揭示BP煤充结构体单轴压缩的失稳机制。研究结果表明:随着煤体元件体积占比的增加,BP煤充结构体的承载能力逐渐减小,弹性模量先减小后增大,而峰值应变先增大后减小。BP煤充结构体试样在单轴加载过程中,应变集中带首先出现在煤-充界面,其次出现在体积占比较大的元件中,最后出现在体积占比较小的元件中;最大声发射能量均出现在体积占比较大的元件中。BP煤充结构体试样的损伤会经历一个渐进损伤过程,主要包括初始损伤阶段、损伤发展阶段和损伤衰减阶段;煤体元件体积占比越大,BP煤充结构体损伤值增长越迅速,也更易造成结构体突然失稳;相反,充填体元件体积占比的增大会延缓BP煤充结构体试样的损伤速度。BP煤充结构体试样的失稳最早由煤-充界面的剪切破坏或拉伸破坏所引发,之后煤体元件或充填体元件发生联动破坏,导致BP煤充结构体试样丧失整体承载能力,并引发最终失稳。 展开更多

关键词 柱旁单侧充填 煤充结构体 单轴加载 破坏响应 失稳机制

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陕蒙深部矿区基于防冲的区段煤柱宽度研究 被引量：4

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作者 王博 冯国瑞 姜福兴 《太原理工大学学报》 CAS 北大核心 2023年第3期443-450,共8页

以陕蒙深部矿区纳林河二号井双巷快速掘进条件下首个临空工作面开采为背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,研究了不同宽度区段煤柱应力分布规律,揭示了宽区段煤柱应力叠加诱冲机理,并在此基础上指出下阶段基于防冲的窄区段煤... 以陕蒙深部矿区纳林河二号井双巷快速掘进条件下首个临空工作面开采为背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,研究了不同宽度区段煤柱应力分布规律,揭示了宽区段煤柱应力叠加诱冲机理,并在此基础上指出下阶段基于防冲的窄区段煤柱宽度设计方法。研究结果表明:宽区段煤柱受采空区侧向支承压力、走向支承压力和上覆厚硬岩层破断产生的动载应力等多个因素影响,当形成的叠加应力达到冲击发生的临界应力时,将使冲击显现;下阶段纳林河二号井留设区段煤柱宽度为5~7 m较为合理。陕蒙深部矿区其他类似条件矿井可在此基础上积极探索窄煤柱留设方式,以期降低临空巷道发生冲击地压灾害的可能性。 展开更多

关键词 深部开采 临空 区段煤柱 应力演化 冲击地压防治

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多煤层采动围岩破坏规律及顶板老空水害防治研究 被引量：5

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作者 刘钦 刘午 《太原理工大学学报》 CAS 北大核心 2023年第4期692-699,共8页

【目的】受地下水的持续补给作用,上覆煤层采空区及巷道形成了特殊的地下水存储和循环系统。我国大多数煤矿面临多煤层复合采动条件下顶板老空水害防治技术难题,导致煤矿日常顶板探放水工程量居高不下。【方法】以水文地质条件复杂矿井... 【目的】受地下水的持续补给作用,上覆煤层采空区及巷道形成了特殊的地下水存储和循环系统。我国大多数煤矿面临多煤层复合采动条件下顶板老空水害防治技术难题,导致煤矿日常顶板探放水工程量居高不下。【方法】以水文地质条件复杂矿井的煤层顶底板岩体为研究对象,采用现场电性实验、数值模拟实验、理论分析等手段研究多煤层复合采动条件下煤层间裂隙带的发育规律。【结果】研究结果表明:近距离煤层采动促使煤层采空区充分连通,形成双煤层采空积水区,双煤层底板扰动破坏带深度为15.6 m;随着下伏工作面的不断推进,围岩软弱结构面增多导致电阻率增大区范围扩大,向上扩展至58 m后裂隙带高度逐渐停止发育;当关键阻水层有效厚度不小于20 m时,顶板老空水探放工作量可得到最大程度的优化。【结论】鉴于此,提出了基于煤层层间距及有效关键阻水层的老空水害防治及保水采煤理念,煤矿顶板老空水体下保水采煤应当遵循“查清构造、控制层距、上防下采”的思路。研究成果不仅有效防控顶板老空突水威胁,也降低了煤矿老空区积水探放工作量及生产成本,同时可为受顶板老空水害影响的矿井多煤层保水采煤技术的研究提供借鉴。 展开更多

关键词 老空水 电性实验 裂隙带 数值模拟 保水采煤

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黏土矿物在煤矿矿井水治理领域的研究进展

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作者 姚顺 冯国瑞 +5 位作者 赵德康 刘爱芳 杜娟 王帅 姚鑫 侯凯 《材料导报》 2025年第19期67-76,共10页

随着煤炭开采程度的增加,矿井水问题日益严峻,尤其是在干旱地区,其低利用率加剧了水资源的短缺。黏土矿物因独特的孔隙结构、高比表面积及强亲水性和电负性,成为矿井水治理的理想材料。本文分析了矿井水的来源、组分特征及对环境的危害... 随着煤炭开采程度的增加,矿井水问题日益严峻,尤其是在干旱地区,其低利用率加剧了水资源的短缺。黏土矿物因独特的孔隙结构、高比表面积及强亲水性和电负性,成为矿井水治理的理想材料。本文分析了矿井水的来源、组分特征及对环境的危害,并探讨了黏土矿物的特性及对矿井水中重金属、氟元素及放射性元素的处理机理。具体应用中,黏土基地聚物、膨润土、粉煤灰和凹凸棒土等黏土矿物及其改性材料在处理酸性、碱性及含特殊污染物的矿井水方面展现出显著效果。此外,还介绍了可渗透反应墙、钝化技术及人工湿地技术等在矿井水治理中的工业应用,为推进黏土矿物材料在水处理和矿井水治理领域的研究发展提供思路。 展开更多

关键词 黏土矿物 酸性矿井水 吸附 煤矿

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