吸能锚杆支护设备研究现状及展望 被引量：2

1

作者 肖晓春 徐政茂 +3 位作者 樊玉峰 张文萍 李子阳 陈晓燕 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期54-64,共11页

吸能支护是地下岩体工程领域中用于提高围岩稳定性和避免冲击地压等灾害发生的一种重要的防治技术。吸能支护技术的核心原理是通过特定的结构设计,使支护体系在岩体发生位移或变形时能够有效吸收或消耗能量,从而减少由冲击载荷引发的工... 吸能支护是地下岩体工程领域中用于提高围岩稳定性和避免冲击地压等灾害发生的一种重要的防治技术。吸能支护技术的核心原理是通过特定的结构设计,使支护体系在岩体发生位移或变形时能够有效吸收或消耗能量,从而减少由冲击载荷引发的工程破坏和事故。吸能锚杆是吸能支护的一种常见形式,此技术通过锚杆将表面围岩与深部稳定岩体相结合,并在围岩内部产生预应力吸收或耗散能量从而避免矿山灾害的发生。吸能锚杆这种柔性支护方式适用于多种环境的巷道支护,现已被广泛应用于矿山灾害的防治。综述自1968年以来30余种具有代表性意义的吸能锚杆设计方式,以结构和材料2大类型为切入点进行划分,着重分析8种典型吸能锚杆的工作原理与设计优势,并以此指出现有吸能锚杆支护在应用中存在的安全性与智能性等方面的不足。结合前人研究成果与目前深部矿井支护高强度与智能化等需求,提出一种智能预警负泊松比结构吸能锚杆。该锚杆利用负泊松比吸能结构实现增阻效果,具有双向恒阻吸能与双向监测预警等特性,能够满足复杂的非线性软岩巷道强阻支护、可视化预警等需求,有助于加快支护体系一体化,促进安全、智慧矿山的发展。最后,对吸能锚杆支护设备的优化革新趋势进行了展望。 展开更多

关键词 矿山灾害 巷道支护 吸能锚杆 监测预警 智慧矿山

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周期性混杂多胞结构填充纳米化薄壁管防冲特性研究

2

作者 张文萍 肖晓春 +2 位作者 丁鑫 樊玉峰 徐军 《振动与冲击》 北大核心 2025年第17期179-192,共14页

针对当前巷道防冲液压支架控制围岩深度浅,防治巷道围岩冲击破碎效果差难题,提出一种新型周期性混杂多胞结构填充纳米化薄壁管构件,以增强防冲液压支架的抗冲击性能和围岩控制效果。利用有限元软件探究了冲击荷载下其变形模式、承载能... 针对当前巷道防冲液压支架控制围岩深度浅,防治巷道围岩冲击破碎效果差难题,提出一种新型周期性混杂多胞结构填充纳米化薄壁管构件,以增强防冲液压支架的抗冲击性能和围岩控制效果。利用有限元软件探究了冲击荷载下其变形模式、承载能力以及吸能特性的动态响应规律,并与传统多胞结构进行了对比。在此基础上,分析了多胞结构截面角度、壁厚,纳米化布局、程度等几何参数对其结构的影响。研究结果表明,周期性混杂多胞结构填充纳米化薄壁管具有优异的防冲吸能特性,表现出较高的初始峰值力、平均压溃力和吸能量,且变形模式更稳定。随冲击速度的提高,增大壁厚、纳米化程度均使结构在受到轴向冲击载荷时承载能力和吸能更优。此外,基于Wierzbicki理论和Gibson-Ashby理论建立周期性混杂多胞结构填充纳米化薄壁管的平均压溃力预测模型,可有效预测冲击过程平均荷载变化。 展开更多

关键词 巷道支护 多胞结构 纳米化薄壁管 防冲特性 参数分析 理论预测

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单向卸载条件下组合煤岩力学特性及声发射演化规律 被引量：7

3

作者 肖晓春 刘海燕 +2 位作者 丁鑫 徐军 樊玉峰 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期71-83,共13页

针对深部巷道开挖卸荷扰动引起的冲击地压灾害问题,开展不同卸载条件下巷道围岩的变形破裂机理研究。以组合煤岩为研究对象,采用岩石力学真三轴试验机和声发射监测系统进行了恒轴压卸侧压的单向卸载试验,探究了卸载初始侧向应力及卸载... 针对深部巷道开挖卸荷扰动引起的冲击地压灾害问题,开展不同卸载条件下巷道围岩的变形破裂机理研究。以组合煤岩为研究对象,采用岩石力学真三轴试验机和声发射监测系统进行了恒轴压卸侧压的单向卸载试验,探究了卸载初始侧向应力及卸载速率影响下组合煤岩的力学特性,通过声发射信号特征反演了组合煤岩内部不同类型裂纹扩展规律,结合振铃计数特征参数量化了组合煤岩加卸载过程的损伤程序。结果表明:单向卸载条件下组合煤岩表现出明显的张剪复合破坏特征,煤体宏观上以剪切破坏为主,岩石以张拉破坏为主,卸载初始侧向应力的增加导致组合煤岩破坏程度加剧,卸载速率的提高促进了岩石试样应力卸载方向张拉裂纹的扩展;声发射参数RA–AF的变化准确描述了组合煤岩内部不同类型裂纹的占比,组合煤岩加卸载过程中大多以剪切裂纹的形式扩展,应力卸载阶段剪切裂纹的占比随卸载初始侧向应力的增加而降低,卸载速率的提高促进张拉裂纹占比的增加,剪切裂纹占比降低;通过研究声发射振铃计数标定的损伤发现卸载初始侧向应力和卸载速率是影响组合煤岩卸载阶段损伤发育程度的主要因素,卸载初始侧向应力超过20 MPa后其对组合煤岩卸载阶段的损伤基本不产生影响。研究成果可为深部巷道开挖冲击地压的发生机制与灾害防治提供参考。 展开更多

关键词 应力路径 卸荷速率 组合煤岩 剪切裂纹占比 声发射演化规律

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单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究 被引量：6

4

作者 丁鑫 高梓瑞 +4 位作者 肖晓春 樊玉峰 王爱文 吴迪 潘一山 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期2194-2206,共13页

新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理... 新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。 展开更多

关键词 含瓦斯煤岩 单面卸荷 力学特性 声发射 盈余能

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岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制 被引量：11

5

作者 樊玉峰 肖晓春 +3 位作者 丁鑫 徐军 王爱文 雷云 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期1487-1501,共15页

为明确组合煤岩力学行为及其冲击倾向性与岩煤间接触面力学性质关系,开展了组合煤岩单轴压缩试验,分析了岩煤间4种不同力学性质的接触面对组合煤岩强度、弹性模量、应变软化现象、声发射特征信号、能量累积耗散特征和冲击倾向性的影响规... 为明确组合煤岩力学行为及其冲击倾向性与岩煤间接触面力学性质关系,开展了组合煤岩单轴压缩试验,分析了岩煤间4种不同力学性质的接触面对组合煤岩强度、弹性模量、应变软化现象、声发射特征信号、能量累积耗散特征和冲击倾向性的影响规律,研究了接触面黏结属性和破坏情况所引起的端面效应对煤岩局部变形特征及强度的影响机制。研究结果表明:接触面力学性质对组合煤岩的力学性质有一定影响,完整的接触面增强了组合煤岩的强度和弹性模量,提高了弹性能累积能力,抑制了峰前阶段的煤岩破裂,削弱了峰后的应变软化阶段;接触面的破坏降低了端面效应的影响作用,提高了组合煤岩的破坏程度,延长了峰后的应变软化过程;无黏结型组合煤岩试样的各项力学指标均低于其余3种接触面;建立了组合煤岩本构关系并提出了考虑接触面破坏的组合煤岩强度估算方法和接触面断裂的判定方法;理论计算结果与实验结果较为一致;随着岩煤间接触面力学性质的提高,组合煤岩弹性能占比提高,塑性能占比降低;厘清了岩煤间接触面力学性质对组合煤岩冲击倾向性的影响规律,认为接触面和煤岩相对力学性质是引起组合煤岩冲击倾向性各项指标冲突的重要影响因素。 展开更多

关键词 力学行为 组合煤岩 岩煤接触面 冲击倾向性 端面效应

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基于P波到时拾取的分析法与遗传算法联合定位方法与应用 被引量：2

6

作者 肖晓春 丁振 +3 位作者 丁鑫 徐军 樊玉峰 李子阳 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期2195-2207,共13页

针对岩石力学震源定位问题,提出了一种在P波到时精确拾取的基础上通过分析法过滤异常到达传感器和遗传算法(genetic algorithms,简称GA)求解联合定位方法,并将其应用于岩石材料的破裂面定位以及采矿工程中。为了消除传感器到时精度、传... 针对岩石力学震源定位问题,提出了一种在P波到时精确拾取的基础上通过分析法过滤异常到达传感器和遗传算法(genetic algorithms,简称GA)求解联合定位方法,并将其应用于岩石材料的破裂面定位以及采矿工程中。为了消除传感器到时精度、传统迭代法及迭代初值选择对定位的影响,基于时频分析的改进长短时窗(short-term average/long-term average,简称STA/LTA)法拾取P波到时,求解不同传感器组合分析解的逻辑概率密度函数过滤异常到达,引入遗传算法对到达清晰的震源进行定位。通过断铅、含夹层组合煤岩单轴压缩试验及定点爆破试验对该方法进行验证。结果表明:在对信号预先带通滤波后进行变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)精确滤波的基础上结合改进STA/LTA法可以大幅提升到时拾取精度;通过分析法过滤异常到达对定位精度的影响,结合具有全局性、不受初值影响的遗传算法对震源定位,应用于岩石材料试验以及采矿工程中可以较准确的对震源进行定位,该方法较传统迭代法、线性定位法等更具有工程实际应用价值。 展开更多

关键词 滤波 改进STA/LTA法 到时拾取 声发射震源定位 分析法―遗传算法

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矿用超前液压支架吸能构件仿真及试验研究 被引量：3

7

作者 肖晓春 李子阳 +3 位作者 丁鑫 徐军 朱恒 丁振 《煤炭科学技术》 CSCD 北大核心 2024年第12期247-258,共12页

为了提高液压支架的能量吸收性能以解决巷道冲击地压发生时支架立柱爆缸等问题,提出了将一种方管与圆管互相嵌套的多胞管吸能构件与立柱串联应用于液压支架中。基于简化的超折叠单元理论剖析了多胞管的能量耗散途径,推导出了不同截面形... 为了提高液压支架的能量吸收性能以解决巷道冲击地压发生时支架立柱爆缸等问题,提出了将一种方管与圆管互相嵌套的多胞管吸能构件与立柱串联应用于液压支架中。基于简化的超折叠单元理论剖析了多胞管的能量耗散途径,推导出了不同截面形状多胞管的等效轴向载荷预测公式;采用数值模拟获得了不同截面形状多胞管在轴向压溃作用下的能量吸收性能及其屈曲变形形态,发现多胞方管(SS类型)具备相对吸能优势,并通过试验验证了数值模拟的可靠性,同时将数值模拟与试验得到载荷均值与理论预测的等效轴向载荷进行对比,验证了等效轴向载荷预测公式具有较高的预测精度;依托课题组多胞方管中泡沫铝填充方式研究基础,选择具备相对吸能优势的25%填充率的填充方式,开展不同孔隙度泡沫铝填充多胞方管的轴向准静态压缩试验。结果表明:泡沫铝的填充有助于提升多胞方管抵抗变形的能力,其中71.18%孔隙度泡沫铝填充多胞方管载荷波动最小,有效变形长度和吸能量最大,能量吸收效果最好,可使吸能让位过程更加稳定;当冲击速度保持不变时,在不同冲击能量条件下,泡沫铝填充多胞方管防冲支架与未添加吸能构件的传统液压支架相比,支架部分的塑性能降低了87%左右,冲击时间延长了307%左右,让位距离增加了282%左右,通过吸能构件的屈曲变形有效减少了防冲支架的塑性变形,为支架立柱安全阀的开启提供了充足的时间。泡沫铝填充多胞方管的应用减小了支架立柱发生爆缸的危险性,提高了立柱的抗冲击性能。 展开更多

关键词 冲击地压 吸能构件 多胞方管 泡沫铝 防冲支架

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岩体中应力波传播衰减规律研究进展

8

作者 肖晓春 刘坤龙 张文萍 《辽宁工程技术大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2024年第5期581-592,共12页

为揭示地质构造变化或爆破等产生的应力波在不同影响因素条件的衰减机制,学者们借助位移不连续法和等效连续介质法等理论方法,针对完整传播过程的入射、传播和透射3个不同阶段,开展了应力波传播衰减规律影响的研究。研究结果表明波形、... 为揭示地质构造变化或爆破等产生的应力波在不同影响因素条件的衰减机制,学者们借助位移不连续法和等效连续介质法等理论方法,针对完整传播过程的入射、传播和透射3个不同阶段,开展了应力波传播衰减规律影响的研究。研究结果表明波形、岩体性质和节理性质均会对其衰减特性产生显著影响。总结以上研究方法,讨论各方法之间的联系和异同点,在此基础上提出亟待解决的问题和研究方向,为充分了解应力波传播过程中的衰减变化规律、完善波动理论和提高实际工程安全性提供参考。 展开更多

关键词 岩体 应力波 衰减特性 节理裂隙 力学特性

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覆岩承压含水层疏水应力场演化规律电荷监测研究 被引量：1

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作者 王岗 于晓杰 +6 位作者 王爱文 肖晓春 王永 丁鑫 王维斌 徐赠俊 杜璐璐 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期106-118,共13页

【目的】针对我国内蒙古、陕西、山东和甘肃等深部煤炭开采矿区面临水文地质条件复杂,导致顶板疏水量大,覆岩承压含水层疏水诱发的冲击地压灾害日益凸显的问题,开展了覆岩承压含水层疏水过程中煤层应力场演化规律研究。【方法】通过实... 【目的】针对我国内蒙古、陕西、山东和甘肃等深部煤炭开采矿区面临水文地质条件复杂,导致顶板疏水量大,覆岩承压含水层疏水诱发的冲击地压灾害日益凸显的问题,开展了覆岩承压含水层疏水过程中煤层应力场演化规律研究。【方法】通过实验室分级加载条件下的煤体电荷感应试验与煤矿现场顶板疏水前后的电荷参数监测相结合的方法,系统研究了不同应力水平下煤体感应电荷的变化特征,以及顶板疏水过程中应力场的动态转移规律。【结果和结论】实验室研究表明,随着加载应力的逐级增大,煤样感应电荷量呈现非线性增长趋势,有效反映了煤体所受的应力水平。现场监测则揭示了顶板疏水过程中,富水区内电荷量均值和变异系数减小,而富水区外一定范围内电荷量先增后减,出现峰值点,表明应力从富水区边缘向外动态转移,并存在转移范围阈值;此外,基于富水区外各测点电荷量峰值的出现时间,得出了不同疏水量下的应力转移特征,即缓慢转移–快速转移–缓慢转移三个阶段。最后,通过大直径钻孔卸压试验,验证了该技术在降低顶板疏水条件下应力集中、防治冲击地压方面的有效性。研究成果可为顶板富水矿井冲击地压的预测与防治提供了理论依据和技术支持。 展开更多

关键词 承压含水层 疏水 应力转移 冲击地压 电荷监测 钻孔卸压

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含泡沫铝填充多胞方管吸能立柱防冲特性数值研究 被引量：10

10

作者 肖晓春 朱恒 +3 位作者 徐军 樊玉峰 李子阳 雷云 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期302-311,共10页

针对吸能防冲支架已有吸能构件防冲性能不足的问题,提出了一种泡沫铝填充多胞方管结构,根据泡沫材料填充薄壁结构轴向吸能理论得出其压溃平均载荷公式,采用ABAQUS/Explicit完成了普通方管、多胞方管和泡沫铝填充多胞方管轴向冲击仿真,... 针对吸能防冲支架已有吸能构件防冲性能不足的问题,提出了一种泡沫铝填充多胞方管结构,根据泡沫材料填充薄壁结构轴向吸能理论得出其压溃平均载荷公式,采用ABAQUS/Explicit完成了普通方管、多胞方管和泡沫铝填充多胞方管轴向冲击仿真,并在此基础上对比研究了普通立柱与吸能立柱的抗冲击性能。结果表明:相对于普通方管和多胞方管,泡沫铝填充多胞方管产生了压溃形态理想的轴对称渐进叠缩变形,变形中初始承载峰值、载荷均值与吸能量均明显提高,有效变形距离减小,载荷波动降低,承载效率提高。随泡沫铝填充率增加,构件有效变形距离与吸能量减小;随泡沫铝孔隙度降低,构件载荷均方差降低,吸能量与承载效率提高。25%填充率下60%孔隙度泡沫铝填充多胞方管是较为理想的吸能防冲构件。普通立柱受冲击后载荷激增,弯曲变形严重,立柱依靠自身变形吸收冲击能量,支护效果较差;而吸能立柱受冲击后吸能构件启动变形让位吸能,大幅度降低了立柱的载荷,吸收了外界大部分的冲击能量,避免了立柱的弯曲变形,提高了支架的抗冲击性能。 展开更多

关键词 泡沫铝 多胞方管 吸能防冲特性 孔隙度 立柱

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轴向冲击与偏载下吸能防冲构件吸能特性研究 被引量：2

11

作者 肖晓春 朱恒 +3 位作者 徐军 樊玉峰 李子阳 雷云 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期93-100,共8页

针对液压支架中吸能构件吸能防冲性能不足以及在偏载下易出现冲击性失效等问题,利用数值方法探究不同类型防冲构件在轴向冲击和偏载下的吸能特性。研究结果表明:普通圆管和方管变形模式不稳定、能量吸收较低,增加肋板后变形分别转为混... 针对液压支架中吸能构件吸能防冲性能不足以及在偏载下易出现冲击性失效等问题,利用数值方法探究不同类型防冲构件在轴向冲击和偏载下的吸能特性。研究结果表明:普通圆管和方管变形模式不稳定、能量吸收较低,增加肋板后变形分别转为混合模式与渐进叠缩手风琴模式,变形中反力初始峰值、反力均值与吸能量均明显提高;偏载作用下构件易产生非对称变形和失稳,非对称变形下构件初始峰值损失严重,吸能防冲作用基本失效,且失稳下构件初始峰值降低,吸能量减少,反力均方差增大,吸能防冲效果较差;平台有倾角的偏载下构件吸能特性与轴向冲击下几乎相同,吸能防冲效果理想。研究结果可为进一步提高液压支架吸能防冲性能提供理论支撑。 展开更多

关键词 冲击地压 吸能防冲构件 吸能特性 变形模式 偏载

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高温作用下油页岩热解性、裂隙演化与渗流规律研究 被引量：1

12

作者 丁鑫 高菲彤 +1 位作者 崔景智 杜牧 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S02期175-182,共8页

我国油页岩资源丰富,受热后其内部以干酪根为主的有机物转化为页岩油,有望弥补石油资源短缺的能源结构“短板”。探索受热解终温与高温作用时长影响下,油页岩内部孔隙、裂隙演化与流体运移规律对推进我国油页岩原位商业化开采具有重要... 我国油页岩资源丰富,受热后其内部以干酪根为主的有机物转化为页岩油,有望弥补石油资源短缺的能源结构“短板”。探索受热解终温与高温作用时长影响下,油页岩内部孔隙、裂隙演化与流体运移规律对推进我国油页岩原位商业化开采具有重要的科学价值。以油页岩为研究对象,考虑多个热解终温和受热时长影响,运用物理试验方法并引入电子显微镜观测技术(SEM),开展油页岩试样热解及气体渗流试验,研究其热解性、孔裂隙演化规律及渗透率规律。结果表明:随着试样所受热解温度升高,油页岩内部以干酪根为主的有机物热解率呈指数函数增大,受热对油页岩内部结构重塑既存在有机物热解产生的孔洞,也有无机质非均匀变形形成的裂纹;二值化处理的电子扫描结果显示,原本呈离散性斑点状分布的热解区相互联通而深色面积不断扩大,热解与非热解区域物质的不均匀变化在二者交界区域产生裂隙,热解过程具有“小尺度非连续状裂隙—贯穿型分布裂隙—贯穿型主裂隙”的发育过程,提高了油页岩储层内部的裂隙率;受滑脱效应影响,热解后的油页岩试样渗透率随注气压力升高均呈指数函数规律降低,渗透率随着受热温度升高近似呈“S”型增大,其规律几乎与“巴里坤油页岩热解的TG曲线”具有反向变化趋势,在450~500℃范围内油页岩内部有机质具有最高的热解效率且有效渗透能力增强。 展开更多

关键词 油页岩 高温热解 细观观测 孔裂隙演化 渗透率

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