煤氧化的力學(xué)特性及應(yīng)用

目錄
序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 煤巖體力學(xué)特性研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 煤體氧化自燃特性研究現(xiàn)狀 4
1.2.3 煤自燃及其復(fù)合災(zāi)害研究現(xiàn)狀 4
第2章 氧化煤的物化特性及孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 6
2.1 氧化煤體物理性質(zhì) 6
2.1.1 氧化煤體物理參數(shù)測試結(jié)果 6
2.1.2 不同氧化程度煤物理參數(shù)變化規(guī)律 8
2.2 氧化煤體化學(xué)性質(zhì) 13
2.2.1 氧化煤體的微晶結(jié)構(gòu)及測試結(jié)果 13
2.2.2 氧化煤體微晶結(jié)構(gòu)變化規(guī)律 14
第3章 煤氧化微觀活性結(jié)構(gòu)演化特性 17
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及步驟 17
3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 17
3.1.2 實(shí)驗(yàn)方案及步驟 19
3.2 深部煤氧化官能團(tuán)變化的測試與分析 19
3.3 深部煤氧化過程中主要官能團(tuán)變化規(guī)律 25
3.3.1 含氧官能團(tuán)的變化規(guī)律 25
3.3.2 脂肪烴的變化規(guī)律 31
3.3.3 芳香烴的變化規(guī)律 33
3.4 本章小結(jié) 35
第4章 煤氧化孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特性 36
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及步驟 36
4.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 36
4.1.2 實(shí)驗(yàn)方案及步驟 41
4.2 深部煤氧化的孔裂隙發(fā)育特征 42
4.2.1 深部煤氧化的微觀裂隙發(fā)育特性 42
4.2.2 深部煤氧化的微觀孔隙發(fā)育特性 47
4.3 深部煤氧化的孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特性 52
4.3.1 深部煤氧化過程中 T2譜的變化特性 53
4.3.2 深部煤氧化過程中孔隙度的變化特性 59
4.4 深部煤氧化孔裂隙結(jié)構(gòu)分形特性 64
4.4.1 分形理論及計(jì)算 64
4.4.2 熱作用對分形維數(shù)的影響 65
4.4.3 氧作用對分形維數(shù)的影響 68
4.5 本章小結(jié) 71
第5章 力熱耦合作用對煤氧化熱特性的影響研究 72
5.1 煤樣的制備及實(shí)驗(yàn)流程 72
5.2 應(yīng)力-溫度作用下煤低溫氧化特征參數(shù)分析 72
5.2.1 CO濃度分析 72
5.2.2 CO2濃度分析 74
5.2.3 耗氧速率分析 75
5.3 應(yīng)力-溫度作用對煤氧化熱特性的影響研究 77
5.3.1 應(yīng)力-溫度作用下煤氧化升溫?zé)崃髦?線分析 77
5.3.2 應(yīng)力-溫度作用下煤氧化放熱階段特征分析 83
5.4 應(yīng)力-溫度作用下煤的微觀結(jié)構(gòu)特征分析 93
5.4.1 應(yīng)力-溫度作用下煤官能團(tuán)測試結(jié)果 93
5.4.2 煤中主要官能團(tuán)分析 95
5.4.3 應(yīng)力-溫度作用下煤中官能團(tuán)的演變規(guī)律分析 97
5.5 本章小結(jié) 110
第6章 不同應(yīng)力下遺煤二次氧化自燃特性研究 111
6.1 不同應(yīng)力條件下遺煤二次氧化指標(biāo)性氣體衍生規(guī)律 111
6.2 不同應(yīng)力條件下遺煤二次氧化熱特性研究 115
6.2.1 不同應(yīng)力條件下遺煤低溫氧化熱過程隨溫度變化規(guī)律 115
6.2.2 不同應(yīng)力條件下遺煤低溫氧化熱過程隨溫度變化的分段特征 116
6.2.3 不同應(yīng)力條件下遺煤低溫氧化放熱量隨溫度的變化特征 120
6.2.4 不同應(yīng)力條件下遺煤二次氧化熱分析動(dòng)力學(xué) 121
6.3 本章小結(jié) 125
第7章 基于氧化損傷和熱損傷的煤體力學(xué)特性變化規(guī)律 126
7.1 實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)過程 126
7.2 氧化煤體單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果 127
7.2.1 氧化煤體單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變*線 128
7.2.2 氧化煤體單軸壓縮力學(xué)特性 130
7.2.3 氧化煤體單軸壓縮應(yīng)變特性 134
7.2.4 氧化煤體單軸壓縮破壞特征 135
7.3 氧化煤體巴西劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 136
7.3.1 氧化煤體巴西劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果 136
7.3.2 氧化煤體巴西劈裂應(yīng)力-變形*線 137
7.3.3 氧化煤體巴西劈裂破壞特征 140
7.4 氧化煤體三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 141
7.4.1 氧化煤體三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果 141
7.4.2 氧化煤體三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變*線特征 143
7.4.3 氧化煤體三軸實(shí)驗(yàn)力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律 145
7.5 氧化煤體力學(xué)變化及能量耗散研究 148
7.5.1 不同氧化煤力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律 148
7.5.2 不同氧化煤力學(xué)破壞特征變化規(guī)律 156
7.5.3 不同氧化煤能量耗散規(guī)律 157
7.6 氧化煤體沖擊傾向特性分析 161
7.6.1 氧化煤體沖擊傾向參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 162
7.6.2 氧化煤體沖擊傾向性參數(shù)分析 163
7.6.3 氧化煤體沖擊傾向性劃分 167
7.7 本章小結(jié) 172
第8章 氧化煤體力學(xué)特性及氧化特性差異機(jī)理研究 174
8.1 基于孔隙結(jié)構(gòu)的煤氧化差異性分析 174
8.1.1 不同應(yīng)力下卸荷煤體氧化特性變化規(guī)律 174
8.1.2 孔隙結(jié)構(gòu)對卸荷煤體氧化特性影響分析 175
8.1.3 深部卸荷煤體氧化特性分析 177
8.2 氧化煤體力學(xué)特性差異分析 179
8.2.1 氧化煤體的損傷因子變化規(guī)律 179
8.2.2 基于單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的氧化煤體力學(xué)模型構(gòu)建 180
8.2.3 基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的三軸破壞判據(jù) 183
8.3 氧化煤體破壞過程的能量機(jī)制 185
8.3.1 氧化煤體塊度統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型構(gòu)建 185
8.3.2 氧化煤體破壞過程能量轉(zhuǎn)化分析 188
8.3.3 氧化煤體破壞過程能量耗散規(guī)律 190
8.4 氧化煤體塊度分形損傷演化本構(gòu)模型構(gòu)建及驗(yàn)證 193
8.4.1 氧化煤體破碎篩分結(jié)果及分析 194
8.4.2 氧化煤體破碎塊度分形分析 202
8.4.3 塊度分形與氧化程度的關(guān)系 203
8.4.4 基于Abaqus的數(shù)值模擬驗(yàn)證 206
8.5 本章小結(jié) 208
第9章 煤氧化的力學(xué)特性及自燃災(zāi)變機(jī)理研究 209
9.1 深部煤自燃內(nèi)在相互關(guān)聯(lián)機(jī)制 209
9.1.1 深部煤自燃綜合特性對比分析 209
9.1.2 深部煤自燃特性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)作用機(jī)制 211
9.2 深部煤自燃的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 212
9.2.1 基本定理 212
9.2.2 基本方程 213
9.2.3 煤自燃及其蔓延現(xiàn)象的基礎(chǔ)模型 213
9.2.4 溫度分布數(shù)學(xué)模型 215
9.2.5 深部煤自燃動(dòng)態(tài)變化數(shù)學(xué)模型 217
9.3 深部煤自燃災(zāi)變機(jī)理 219
9.3.1 深部煤自燃溫度分布規(guī)律及原因 219
9.3.2 深部煤自燃過程中高溫蔓延的條件 222
9.3.3 深部煤自燃高溫蔓延方向 223
9.3.4 深部煤自燃高溫蔓延的數(shù)值模擬結(jié)果 223
9.3.5 深部煤自燃災(zāi)變機(jī)理分析 228
9.4 本章小結(jié) 228
第10章 氧化煤體誘災(zāi)機(jī)理及防治——以煤柱為例 230
10.1 煤體氧化損傷的力學(xué)效應(yīng)分析 231
10.1.1 煤體局部氧化后應(yīng)力分布特征 231
10.1.2 煤自燃與沖擊地壓災(zāi)害共生分析 232
10.2 氧化煤體對煤柱穩(wěn)定性影響的理論分析 234
10.2.1 基于煤體局部弱化的煤柱應(yīng)力分布特征 234
10.2.2 煤柱自燃機(jī)理 238
10.3 氧化煤體對煤柱穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究 241
10.3.1 數(shù)值模擬方案及模型建立 242
10.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析 243
10.3.3 深部氧化煤體誘災(zāi)的防治技術(shù) 252
10.4 本章小結(jié) 257
第11章 含瓦斯煤氧化特性研究 258
11.1 含瓦斯煤物理特性研究 258
11.1.1 含瓦斯煤物性演化機(jī)理分析 258
11.1.2 含瓦斯煤力學(xué)特性分析 259
11.2 含瓦斯煤升溫氧化研究 273
11.2.1 含瓦斯煤氧化熱效應(yīng)變化 274
11.2.2 含瓦斯煤氧化氣體衍生變化 275
11.3 含瓦斯煤熱解特性研究 277
11.4 不同含瓦斯煤粒徑對熱效應(yīng)的影響 279
11.5 瓦斯對煤自燃的作用機(jī)理分析 280
第12章 采空區(qū)抽采條件瓦斯-煤自燃共生耦合致災(zāi)機(jī)制及防治關(guān)鍵技術(shù) 282
12.1 抽采負(fù)壓環(huán)境下煤體氧化自燃?xì)怏w產(chǎn)物特性 282
12.1.1 不同風(fēng)量條件下CO、CO2產(chǎn)物分析 282
12.1.2 不同風(fēng)量條件下烴類產(chǎn)物分析 283
12.2 采空區(qū)賦存環(huán)境煤自燃與瓦斯災(zāi)害模擬模型 284
12.2.1 物理模型設(shè)定 285
12.2.2 數(shù)學(xué)模型設(shè)定 288
12.2.3 邊界條件設(shè)定和模型驗(yàn)證 291
12.3 采空區(qū)多物理流場分布模擬 292
12.3.1 采空區(qū)不同賦存風(fēng)量條件下模擬結(jié)果分析 292
12.3.2 采空區(qū)不同瓦斯抽采條件下模擬結(jié)果分析 298
12.4 采空區(qū)煤自燃與瓦斯災(zāi)害演化特征 306
12.4.1 工作面風(fēng)流與瓦斯分布特征分析 306
12.4.2 煤自燃與瓦斯災(zāi)害演化規(guī)律分析 308
12.5 瓦斯與煤自燃耦合致災(zāi)分析及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警 310
12.5.1 抽采條件下瓦斯與煤自燃耦合致災(zāi)分析 310
12.5.2 瓦斯與煤自燃風(fēng)險(xiǎn)早期預(yù)警系統(tǒng) 312
12.5.3 瓦斯抽采條件下煤自燃預(yù)防 320
12.6 采空區(qū)抽采條件瓦斯-煤自燃耦合災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù) 322
12.6.1 煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng) 322
12.6.2 工作面氮?dú)夥罍缁鹣到y(tǒng) 324
12.6.3 固化封堵防滅火新材料研發(fā)與應(yīng)用 326
參考文獻(xiàn) 333