基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征 被引量：27

1

作者 王登科 张航 +5 位作者 魏建平 吴岩 张宏图 姚邦华 付建华 赵立桢 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期3550-3564,共15页

为探索瓦斯压力影响下的含瓦斯煤裂隙动态演化特征及其规律,利用受载煤岩工业CT扫描系统开展了三轴压缩条件下的含瓦斯煤原位工业CT扫描试验,获取了不同变形阶段的含瓦斯煤原始CT图像和应力-应变曲线等测试结果,通过三维重构技术得到了... 为探索瓦斯压力影响下的含瓦斯煤裂隙动态演化特征及其规律,利用受载煤岩工业CT扫描系统开展了三轴压缩条件下的含瓦斯煤原位工业CT扫描试验,获取了不同变形阶段的含瓦斯煤原始CT图像和应力-应变曲线等测试结果,通过三维重构技术得到了含瓦斯煤的数字化模型,运用图像分析处理软件对数字化模型进行了裂隙结构的精确提取,实现了含瓦斯煤内部裂隙结构空间形态的可视化展布,并结合分形理论对含瓦斯煤内部裂隙结构进行了定性和定量分析。研究结果表明:围压一定时,不同瓦斯压力下受载含瓦斯煤的全应力-应变曲线变化趋势大致相同,均经历了5个变形阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段和残余变形阶段,含瓦斯煤的峰值强度、弹性模量和残余强度均随瓦斯压力的增大而线性减小;全应力-应变过程中,在瓦斯压力作用下,含瓦斯煤二维裂隙的分形维数和裂隙像素比变化趋势基本一致,呈现出先减少(或不变)后加速增大再增速放缓的变化规律;含瓦斯煤三维裂隙的裂隙率、裂隙密度和三维分形维数变化趋势基本一致,均呈现出缓慢下降、缓慢增长和急剧增长的三阶段式演化规律;破坏失稳后,含瓦斯煤裂隙像素比和二维分形维数随瓦斯压力的增加而线性增大,并且含瓦斯煤的裂隙密度、裂隙率和三维分形维数也随之线性增加;瓦斯气体的存在促进了受载含瓦斯煤的裂隙扩展和贯通,二维裂隙和三维裂隙的数量及网络复杂程度随着瓦斯压力的升高均增大;吸附瓦斯的非力学作用和游离瓦斯的气楔膨胀作用共同导致了含瓦斯煤力学性质的整体弱化。 展开更多

关键词 裂隙动态演化 瓦斯压力 工业CT扫描 三维数字重构 分形维数

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裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究 被引量：25

2

作者 魏建平 姚邦华 +3 位作者 刘勇 王登科 崔鹏飞 姚帅 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期204-212,共9页

研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程... 研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程,构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。其次,利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验,对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后,在理论模型的基础上,根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件,对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究,结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下,煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积,裂隙不断被充填,导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。 展开更多

关键词 裂隙煤体 浆液扩散 变质量 渗流模型

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含瓦斯煤渗透率各向异性研究 被引量：20

3

作者 王登科 吕瑞环 +3 位作者 彭明 魏建平 姚邦华 刘勇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期1008-1015,共8页

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分... 为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。 展开更多

关键词 含瓦斯煤 渗透率各向异性 瓦斯渗流 应力敏感 煤层瓦斯抽采

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煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用 被引量：18

4

作者 姚邦华 王连成 +2 位作者 魏建平 李振华 刘小杰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期2007-2013,共7页

为揭示煤矿陷落柱突水机理并为其突水防治提供理论依据,基于双重孔隙介质渗流理论,将陷落柱视为由岩块骨架、流体、裂隙充填物3种介质构成,分别推导了其运动控制方程,给出了裂隙演化控制方程,建立了多场耦合的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀... 为揭示煤矿陷落柱突水机理并为其突水防治提供理论依据,基于双重孔隙介质渗流理论,将陷落柱视为由岩块骨架、流体、裂隙充填物3种介质构成,分别推导了其运动控制方程,给出了裂隙演化控制方程,建立了多场耦合的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀力学模型。结合研究矿区地质条件,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,模拟研究了陷落柱内裂隙开度、颗粒体积浓度、涌水量等随时间的变化规律,数值再现了煤矿底板承压陷落柱突水发展的全过程。研究结果表明:(1)数值模拟得到的陷落柱涌水量曲线与实测数据吻合较好,验证了本文建立的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀耦合模型的正确性。(2)在骨架变形-水渗流-充填物颗粒冲蚀迁移耦合作用下,陷落柱内充填物颗粒液化并迁移流失,部分裂隙不断扩展并贯通发展成为优势导水通道,导致陷落柱涌水量急剧增大并引发了突水事故。 展开更多

关键词 陷落柱 突水 冲蚀作用 耦合模型 数值模拟

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煤矿陷落柱突水主控因素研究 被引量：11

5

作者 史红邈 姚邦华 +1 位作者 温志辉 马庆庆 《煤矿安全》 CAS 北大核心 2020年第12期232-236,共5页

研究煤矿底板承压导水陷落柱冲蚀突水主控因素对于揭示陷落柱突水机理并指导其突水防治具有重要意义。建立陷落柱冲蚀突水力学模型,利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,考虑陷落柱内裂隙的非均匀分布特性,模拟研... 研究煤矿底板承压导水陷落柱冲蚀突水主控因素对于揭示陷落柱突水机理并指导其突水防治具有重要意义。建立陷落柱冲蚀突水力学模型,利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,考虑陷落柱内裂隙的非均匀分布特性,模拟研究冲蚀作用下陷落柱突水的全过程,分析水压、初始裂隙分布以及裂隙发育程度等主控因素对陷落柱突水的影响。结果表明:含水层水压和初始裂隙开度越大,陷落柱涌水量增加越快,发生突水的危险性越大;初始裂隙分布主要影响最终突水通道的分布情况,对突水时间和涌水量的影响不大;在承压含水层水力冲蚀作用下,陷落柱内充填物颗粒液化并迁移流失,部分裂隙不断增大和贯通并发展成为数条优势导水通道,最终造成陷落柱涌水量的急剧增大和突水事故的发生。 展开更多

关键词 陷落柱 突水 主控因素 冲蚀作用 数值模拟

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气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响 被引量：6

6

作者 王登科 庞晓非 +6 位作者 魏建平 张宏图 姚邦华 位乐 郭玉杰 袁明羽 唐家豪 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期183-192,共10页

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比... 利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。 展开更多

关键词 气体压力 微裂隙 裂隙扩展 工业CT扫描 吸附劣化

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瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型 被引量：9

7

作者 张宏图 李阳 +1 位作者 姚邦华 王冕 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第10期52-59,共8页

为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征,根据注浆流固耦合理论,考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响,提出了瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,采用COMSOL数值模拟研究了不同注浆... 为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征,根据注浆流固耦合理论,考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响,提出了瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,采用COMSOL数值模拟研究了不同注浆压力下的浆液扩散分布特征与考虑浆液黏度时变性对注浆扩散范围结果的影响,并在新义煤矿开展现场试验验证。研究结果表明:①瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型,综合考虑了浆液黏度时变性以及注浆压力对煤体形变的影响,可以更全面地对注浆时浆液扩散特性进行预测;②水灰比为0.9时,水泥砂浆注浆效果较好,对应的水泥浆黏度随时间增大逐渐增大,呈指数函数关系增长;③浆液黏度时变性对浆液扩散范围有直接影响,考虑浆液黏度时变性较将浆液黏度考虑为常数时浆液扩散范围更小;④通过瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型的现场实际验证效果可知,最优封孔注浆压力为1.4 MPa。研究结果可为进一步优化水泥砂浆注浆封孔方案和提高瓦斯抽采钻孔封孔质量提供理论支撑。 展开更多

关键词 注浆压力 黏度时变性 浆液扩散半径 扩散模型 瓦斯抽采

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基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究 被引量：8

8

作者 王登科 田晓瑞 +5 位作者 魏建平 张宏图 姚邦华 付建华 尚政杰 吴岩 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第2期387-395,共9页

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义。开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过... 煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义。开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段;基于CT扫描技术的裂隙重构真实客观反映了含瓦斯煤三维裂隙场的演化过程;含瓦斯煤渗透率大小与其内部裂隙发育和扩展密切相关,并随变形表现出了先减小后增加,再减小再增加的变化特征。采用格子Boltzmann方法模拟重现了含瓦斯煤全应力-应变过程中内部渗流场的演化规律,并预测了含瓦斯煤的渗透率,预测渗透率平均误差为11.11%。与含瓦斯煤内部裂隙发育程度及演化过程高度吻合,有效揭示了裂隙控制下的含瓦斯煤渗透性演化过程和特征。研究结果可为裂隙煤体瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑。 展开更多

关键词 含瓦斯煤 格子BOLTZMANN方法 CT扫描 裂隙演化 瓦斯渗流

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底板承压水作用下断层破碎带岩体冲蚀-渗流灾变规律研究 被引量：4

9

作者 安泰龙 姚邦华 +3 位作者 李硕 杜锋 李振华 王戈 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第2期354-360,共7页

针对断层突水问题,将研究对象细分为固体、充填物颗粒以及流体3部分,建立了考虑冲蚀作用的断层突水的流固耦合数学模型。以此为基础,利用COMSOL Multiphysics软件将理论模型数值化,数值模拟研究了断层充填物颗粒运移流失及渗透性演化规... 针对断层突水问题,将研究对象细分为固体、充填物颗粒以及流体3部分,建立了考虑冲蚀作用的断层突水的流固耦合数学模型。以此为基础,利用COMSOL Multiphysics软件将理论模型数值化,数值模拟研究了断层充填物颗粒运移流失及渗透性演化规律。研究结果表明:底板承压水作用下断层冲蚀突水过程可以划分为两个主要阶段,在缓慢渗流阶段,断层的裂隙开度和涌水量缓慢增加;在渗流突变阶段,裂隙开度和涌水量急剧增加。在冲蚀作用下,随着断层内部可冲蚀颗粒的液化、迁移和流失,流体中充填物颗粒体积分数呈现先增大后减小的趋势。在承压水冲蚀作用下,部分裂隙不断扩张和贯通并发展成为数条优势导水通道,最终造成了断层涌水量的急剧增大和突水事故的发生。研究结果对于揭示断层渗流灾变机理并指导其突水防治具有重要理论意义。 展开更多

关键词 断层突水 冲蚀作用 渗流灾变 数值模拟

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采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制 被引量：1

10

作者 姚邦华 李硕 +4 位作者 杜锋 李振华 张勃阳 曹正正 王戈 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期2212-2221,共10页

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工... 随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。 展开更多

关键词 断层突水 采动岩体 冲蚀作用 突水通道

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倾斜煤层水力冲孔有效影响半径数值模拟研究 被引量：7

11

作者 华明国 姚邦华 李建伟 《工矿自动化》 北大核心 2020年第2期88-93,共6页

针对目前水力冲孔技术研究较少考虑倾斜煤层水力冲孔卸压范围随方向变化的特点及煤层倾角对水力冲孔卸压有效半径影响的问题,以某煤矿3号煤层为研究对象,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics对倾斜煤层水力冲孔有效影响半... 针对目前水力冲孔技术研究较少考虑倾斜煤层水力冲孔卸压范围随方向变化的特点及煤层倾角对水力冲孔卸压有效半径影响的问题,以某煤矿3号煤层为研究对象,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics对倾斜煤层水力冲孔有效影响半径进行了数值模拟,研究了不同方向上的钻孔有效抽采半径。数值模拟结果表明:在冲孔作用下,抽采影响范围随抽采时间的增加而不断扩大,但扩展速度随时间下降;在冲孔卸压作用下,煤层渗透性大大增加,钻孔周边影响范围呈近似椭圆形分布;连续抽采90 d后,上部方向的影响半径为6 m左右,下部方向的影响半径为4 m左右,水平方向的影响半径为5 m左右;为了确保抽采达标,该煤层水力冲孔钻场横向钻孔布置间距设定为3.5 m左右,纵向钻孔布置间距为4.0 m左右。该研究结果对于优化水力冲孔工艺参数、指导抽采钻孔的准确布置、提升矿井的瓦斯治理效果具有重要的现实意义。 展开更多

关键词 煤炭开采 倾斜煤层 瓦斯抽采钻孔 水力冲孔 有效影响半径 煤体变形-渗流气固耦合模型

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水力驱动柔性刀具破煤关键参数及实验研究

12

作者 姚邦华 郜英俊 +5 位作者 魏建平 刘勇 张宏图 苑永旺 代硕 郭鑫辉 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期588-596,共9页

针对水力冲孔和机械刀臂扩孔增透易塌孔、刀臂收合不畅等问题,提出水力驱动柔性刀具扩孔增透技术思路。理论分析不同压力条件水动力马达扭矩和转速变化规律,建立柔性刀具转动惯量和动能计算模型,确定影响柔性刀具破煤的关键因素。基于... 针对水力冲孔和机械刀臂扩孔增透易塌孔、刀臂收合不畅等问题,提出水力驱动柔性刀具扩孔增透技术思路。理论分析不同压力条件水动力马达扭矩和转速变化规律,建立柔性刀具转动惯量和动能计算模型,确定影响柔性刀具破煤的关键因素。基于自行研制的水力驱动柔性刀具破煤系统,选取赵固二矿煤样,开展扭矩、转速测量实验和不同因素对破煤效率影响实验,确定摩擦损失系数k和b分别为0.67和0.447;研究射流压力、破碎时间和接触长度对柔性刀具破碎质量、平均破碎深度和柔性刀具动能的影响规律,揭示提高破煤效率的关键因素。结果表明:柔性刀具破煤可以分为冲击破坏和磨削破坏2个阶段,其中冲击破坏决定破碎坑体积,而磨削破坏可以为破碎坑体积扩大做前期准备。射流压力对破煤效率影响显著,25 MPa相比10 MPa破碎质量提高11倍,平均破碎深度提高4倍,柔性刀具动能增加3倍。受实际工况限制,适当延长破碎时间对提升破煤效率更有效,接触长度对破碎质量和平均破碎深度的影响规律为先增加后减小并趋于稳定。提出的水力驱动柔性刀具破煤在水力冲孔和机械刀臂扩孔基础上改进,为低透煤层扩孔增透提供了新方法和新思路。 展开更多

关键词 扩孔增透 水力驱动 水动力马达 柔性刀具 破煤

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保护层开采卸压瓦斯运移规律及强化抽采技术研究 被引量：2

13

作者 黄勇 姚邦华 袁本庆 《煤炭技术》 CAS 北大核心 2022年第6期90-93,共4页

为研究保护层开采过程中被保护层动态卸压效果,建立了煤层变形与瓦斯流动的应力-渗流耦合理论模型,数值模拟研究了被保护层的动态卸压效应及瓦斯运移规律,在此基础上,设计了保护层开采条件下的底板穿层钻孔强化抽采方法。研究表明:(1)... 为研究保护层开采过程中被保护层动态卸压效果,建立了煤层变形与瓦斯流动的应力-渗流耦合理论模型,数值模拟研究了被保护层的动态卸压效应及瓦斯运移规律,在此基础上,设计了保护层开采条件下的底板穿层钻孔强化抽采方法。研究表明:(1)被保护层卸压范围随保护层工作面推进逐步扩大,被保护层最大垂直应力降低了30%左右。(2)采动卸压作用下被保护层瓦斯逐渐向采空区流动造成瓦斯压力下降,降幅可达35%。(3)通过保护层开采卸压结合穿层钻孔抽采提高了瓦斯抽采效率,瓦斯抽采浓度由10%左右提升到35%以上,达到了快速消突的目的。 展开更多

关键词 保护层 动态卸压 瓦斯流动 数值模拟

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考虑渗流-扩散的煤层瓦斯流动修正模型 被引量：19

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作者 魏建平 王洪磊 +1 位作者 王登科 姚邦华 《中国矿业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第5期873-878,共6页

为研究煤层瓦斯流动规律,在考虑了不同扩散机制和滑移边界的前提下,建立了考虑渗流-扩散效应的煤层瓦斯流动新模型,分析了同一气体压力条件下扩散质量通量占总质量通量比重、视渗透率和达西渗透率的比值随Knudsen数(Kn)的变化关系.结果... 为研究煤层瓦斯流动规律,在考虑了不同扩散机制和滑移边界的前提下,建立了考虑渗流-扩散效应的煤层瓦斯流动新模型,分析了同一气体压力条件下扩散质量通量占总质量通量比重、视渗透率和达西渗透率的比值随Knudsen数(Kn)的变化关系.结果表明:新模型在描述煤层瓦斯流动规律方面更为合理准确;当Kn>20.000时,瓦斯在煤层中的流动属于自由分子流,流动规律符合扩散定律;当0.020<Kn≤20.000时,煤层瓦斯流动需同时考虑扩散项和渗流项,煤层瓦斯流动属于过渡流;当0.002<Kn≤0.020时,煤层瓦斯流动属于黏性连续流,流动规律满足带滑移边界的达西方程;当Kn≤0.002时,煤层瓦斯流动满足达西方程. 展开更多

关键词 煤层瓦斯 瓦斯扩散 瓦斯渗流 Knudsen数 流动机制

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煤层瓦斯抽采信息化APP智能系统开发与应用研究

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作者 华明国 李安红 +3 位作者 刘扬 赵宇杰 崔宝库 姚邦华 《矿业研究与开发》 CAS 北大核心 2024年第9期186-193,共8页

瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的主要技术手段,数值模拟是指导瓦斯抽采方法选择、评价瓦斯抽采效果的重要方法。而传统的建模流程和所需数学模型非常复杂,导致大部分仿真软件无法大范围普及,为此,基于COMSOL软件开发了综合考虑煤层物理力学参... 瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的主要技术手段,数值模拟是指导瓦斯抽采方法选择、评价瓦斯抽采效果的重要方法。而传统的建模流程和所需数学模型非常复杂,导致大部分仿真软件无法大范围普及,为此,基于COMSOL软件开发了综合考虑煤层物理力学参数和瓦斯参数的瓦斯抽采信息化APP智能系统。研究结果表明:APP智能系统数值模拟得到普通钻孔流量与实测数据的误差为7.7%,水力造穴钻孔流量与实测数据的误差为4.9%,钻孔流量衰减规律与实际情况变化规律基本一致,表明了参数优选的正确性以及APP智能系统数值模拟方法的可靠性;该APP智能系统操作简单,可以对抽采方式、抽采参数、增透措施等进行优化,极大简化了瓦斯抽采不同工况下的模拟工作量。依据APP智能系统数值模型模拟计算了山西某矿3^(#)煤层瓦斯抽采情况,随着抽采时间的增加,瓦斯抽采总量不断增加,产气速率整体上呈现下降趋势。研究成果可为矿井瓦斯抽采方案的制定及相关研究奠定基础。 展开更多

关键词 煤层瓦斯治理 煤层瓦斯抽采信息化 APP智能系统 钻孔流量 数值模拟

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基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性

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作者 司磊磊 师伟峰 +2 位作者 魏建平 刘勇 姚邦华 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期4097-4111,共15页

水泥基材料是煤矿井下最常用的注浆封孔材料,但是受应力扰动、水泥材料失水收缩等影响,传统水泥基材料容易形成再生裂隙,导致钻孔内瓦斯抽采率降低。为了减小再生裂隙对瓦斯抽采效果的影响,研发一种自修复水泥封孔材料,当注浆位置再次... 水泥基材料是煤矿井下最常用的注浆封孔材料,但是受应力扰动、水泥材料失水收缩等影响,传统水泥基材料容易形成再生裂隙,导致钻孔内瓦斯抽采率降低。为了减小再生裂隙对瓦斯抽采效果的影响,研发一种自修复水泥封孔材料,当注浆位置再次产生裂隙后可实现裂隙的自愈合。首先,通过裂隙自修复实验研究了自修复水泥在空气条件下的裂隙自修复性能,采用高倍测量显微镜记录裂隙在不同时间内的宽度变化规律,发现在自然空气条件下,自修复水泥在4 d内能够修复最大宽度为0.46 mm的裂隙,裂隙处生成大量白色矿物,14 d内修复物体积仍有明显增长。刮去修复产物后,仍有白色矿物生成。为进一步研究自修复产物的生成机理,通过SEM-EDS对比分析了自修复水泥以及不加修复剂的净水泥2种水泥水化7、21 d的微观形貌和微观元素分布,并通过XRD、拉曼光谱仪对比分析了2种水泥的物相信息。SEM-EDS结果显示,净水泥中针状物质和絮状物质相互交联,整体结构致密,而自修复水泥中分布大量多孔状物质,结构比较疏松。相较于净水泥,自修复水泥水化产物中C、Na、Al、Si四种元素的质量分数明显较高。裂隙修复物表面分布大量排列紧密的长条状物质,主要元素组成为C、O、Na、Ca。XRD结果显示,和净水泥相比,自修复水泥中出现更多未水化硅酸三钙的衍射峰,相同水化时间,净水泥水化产物主要是氢氧化钙和钙矾石,而自修复水泥中出现了钠长石、沸石等铝硅酸盐矿物。裂隙修复物由沸石、钙霞石、硅灰石等多种硅酸盐矿物以及碳酸钙组成,其中碳酸钙的衍射峰数目最多。拉曼光谱结果显示,同净水泥相比,自修复水泥在2860~2960 cm^(-1)处具有明显拉曼谱峰,水化7 d,净水泥拉曼峰普遍尖锐,而自修复水泥拉曼峰明显更宽。净水泥中出现较多高强度氢氧化钙的拉曼峰,而自修复水泥� 展开更多

关键词 封孔材料 自修复水泥 裂隙自修复 二次水化 碳化作用

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基于CT扫描的受载破裂煤样注浆封堵效应量化研究 被引量：2

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作者 李雁 李兵 +1 位作者 姚帅 姚邦华 《工矿自动化》 北大核心 2022年第4期53-59,共7页

针对现有注浆煤岩体裂隙结构和注浆效果研究不能定量表征的问题,利用自主搭建的受载煤岩体注浆试验系统开展了不同受载破裂煤样(单轴和劈裂)的注浆试验,采用工业CT扫描设备对破裂煤样注浆前后的裂隙结构进行了CT扫描,应用图像分析软件VG... 针对现有注浆煤岩体裂隙结构和注浆效果研究不能定量表征的问题,利用自主搭建的受载煤岩体注浆试验系统开展了不同受载破裂煤样(单轴和劈裂)的注浆试验,采用工业CT扫描设备对破裂煤样注浆前后的裂隙结构进行了CT扫描,应用图像分析软件VG Studio MAX对CT扫描数据重建模型所得到的数字煤样进行裂隙精准提取,对受载破裂煤样注浆前后三维裂隙形态和结构进行了数字化定量分析。结果表明:①单轴加载破裂煤样主裂隙由煤样顶部两侧贯穿至煤样底部并汇聚,裂隙宽度基本保持不变,煤样主要在剪切应力作用下破裂,整体破碎程度较大,主裂隙网络伴生较多的小裂隙;注浆前后50 mm以上裂隙由1条转为0,总裂隙体积由12000 mm^(3)减小为5700 mm^(3),降幅为52.5%,表明单轴破裂煤样裂隙结构相对不利于浆液扩散流动。劈裂破坏煤样主裂隙由顶部沿竖直方向向下延伸至煤样中下部,裂隙宽度较大,然后向一方倾斜45°继续延伸,裂隙宽度逐渐变小;注浆前后50 mm以上裂隙由2条转为0,总裂隙体积由3430 mm^(3)减小为312 mm^(3),降幅为90.9%,表明劈裂破坏煤样裂隙结构有利于浆液的流动和充填。②注浆前后单轴加载破裂煤样渗透率由57×10^(-14) m^(2)下降到1.2×10^(-14) m^(2),下降了97.9%;注浆前后劈裂破坏煤样渗透率由75×10^(-14) m^(2)下降到1.3×10^(-14) m^(2),下降了98.3%,表明注浆对不同破坏形式煤样均具有显著的堵漏降渗效果。③对比2种煤样注浆前后裂隙体积和渗透率变化情况可以看出,虽然单轴加载破裂煤样注浆浆液仅充填了部分裂隙,但渗透率与原始煤样差别很小,表明通过阻隔漏气通道的连通性,即可有效封堵裂隙并取得良好的注浆封孔效果。研究结果可为破裂煤体注浆量化分析及煤层注浆封堵效果评价提供有益参考。 展开更多

关键词 受载破裂煤体 裂隙结构 单轴加载 劈裂破坏 注浆封堵 煤体渗透性 CT扫描

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地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究 被引量：2

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作者 张宝 华明国 +2 位作者 李建伟 傅国廷 姚邦华 《煤矿安全》 CAS 北大核心 2020年第1期18-21,共4页

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着... 基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。 展开更多

关键词 地面井 预抽瓦斯 地应力 渗透率 应力-渗流耦合 数值模拟

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煤岩单轴压缩氡析出特性试验研究 被引量：2

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作者 魏建平 姚邦华 +2 位作者 王登科 李恩福 李东会 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第4期810-816,共7页

煤岩破裂伴随氡析出特性变化,通过观测煤、岩破裂过程氡析出规律有利于揭示煤岩动力灾害机理及其前兆特征。论文利用自行设计的受载岩石破裂过程氡析出测量试验系统,研究了煤岩单轴压缩氡析出规律。结果表明,煤岩试样单轴压缩不同加载... 煤岩破裂伴随氡析出特性变化,通过观测煤、岩破裂过程氡析出规律有利于揭示煤岩动力灾害机理及其前兆特征。论文利用自行设计的受载岩石破裂过程氡析出测量试验系统,研究了煤岩单轴压缩氡析出规律。结果表明,煤岩试样单轴压缩不同加载阶段的氡析出特征具有显著差异。试样加载初期(孔隙/裂隙压密阶段),氡析出较原始状态大幅增加;试样加载中期(弹性变形阶段),氡析出较加载初期明显回落;试样加载后期(塑性变形阶段),氡析出较原始状态进一步增加;试样破裂后,煤样和岩样的氡浓度较原始水平分别增加了约91%和83%。 展开更多

关键词 氡析出 煤岩 单轴压缩 试验研究

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