煤与瓦斯突出三维模拟实验研究

从力学模型入手,按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置,实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程,得出了突出强度同瓦斯压力、煤型强度、三向应力、瓦斯压力关系数学模型,分析认为,应力和煤的力学性质是决定突出强度的主要因素.

大型物理三维模拟实验中传感器布置优化方法研究

针对煤与瓦斯安全共采大型物理三维模拟实验中传感器布置问题,通过数值模拟、理论分析找寻瓦斯运移及压应力变化关键信息点,优化传感器布置参数,提高模拟实验相似性与采集效率;首先通过数值模拟建立瓦斯及压应力分布图谱,通过分析该分布规律中变化关键点信息;再次根据该位置点信息建立分时段、选择性数据采集方案,自主设计分布式通讯采集板卡,实现了单位时间下动态区域数据采集系统,降低了单位时间下数据采集量;最终通过差值算法对采样数据进行处理,获得了不同风速对瓦斯运移影响,并对开采至60 m处瓦斯富集区域进行了推断,与此同时,建立了沿煤层走向各个阶段下垂直应力分布图谱。通过将数据与微震监测结果进行比较,其结果互相吻合。

莺歌海盆地晚第三纪构造特征的三维泥料模拟实验及其动力学意义

莺歌海盆地是发育在古红河断裂带之上的新生代盆地,晚第三纪的构造运动触发了盆地中热流体自超压封存箱向外大规模突破,使热流体及泥质的活动具有规律性成群成带的特征。本次实验基于相似理论,在对盆地的演化史及区域构造应力场充分分析的基础上,进行了晚第三纪盆地构造应力场的三维泥料模拟,证实了红河断裂右旋走滑派生的拉分效应控制了莺歌海盆地晚第三纪的构造活动,而晚第三纪的构造活动又是雁列式断裂展布及底辟体分布的主导因素。

煤与瓦斯共采三维大尺度物理模拟实验系统的研制与应用

为进一步解决煤与瓦斯共采模型实验研究手段不足的问题,自主研制了一套煤与瓦斯共采三维大尺度物理模拟实验系统。该系统采用模块化设计,高度集成机、电、液、气于一体,主要由大尺度箱体(3. 0 m×2. 5 m×1. 8 m)与基座、自动液压开采、柔性加载、自动通风、瓦斯抽采、瓦斯注入以及综合数据采集与控制等7个子单元构成。按几何相似比1∶100计,加载单元可模拟最大采深2 105 m,开采单元可模拟采高0～12 m以及推进距离200 m;通风单元可模拟U型、U+L型、Y型等多种通风方式以及实现不同风量通风;抽采单元可模拟高位巷、高位钻孔、地面抽采等多种立体化抽采方式;瓦斯注入单元采用独立注入方式,实现不同瓦斯涌出量、不同位置的瓦斯涌出;综合数据采集与控制单元实现覆岩裂隙、矿山压力、瓦斯运移、瓦斯抽采等表征参数的采集以及对整个实验系统进行自动控制。该实验系统可进行工作面煤层开采、通风、瓦斯涌出与抽采等功能的模拟,实现煤层开采过程中覆岩裂隙演化、矿山压力分布、卸压瓦斯运移、瓦斯抽采等科学问题的一体同步研究。运用该系统对山西某矿302工作面开采过程进行模拟实验,得到了该矿条件下基本顶初次来压步距45 m,周期来压步距20 m,覆岩破坏在空间上呈椭圆抛物形态等覆岩破断与裂隙演化规律;工作面推进过程中应力峰值不断前移,应力集中系数2. 11～2. 63,超前工作面距离6～11 m等动态应力变化规律;在卸压瓦斯储集与分布规律方面,得到采空区后部76～120 m瓦斯浓度增加较快,120 m之后趋于稳定,采空区上部5～60 m裂隙带中瓦斯浓度逐渐增加,裂隙带最上层瓦斯浓度达到65%～68%。实验结果表明,该系统能够较好进行工作面煤与瓦斯共采全过程的模型实验研究。

对称褶皱形成的三维构造物理模拟实验

依据褶皱形成和演化的三维构造物理模拟实验结果,得到以下认识:在双向挤压应力作用下,在作用应力与受力体边界相互垂直的状态下,且材料的性质为塑性和脆-塑性,各层大致为等厚度,形成的对称褶皱沿x坐标轴由模型中心向两侧近于对称展布,模型最终缩短了初始长度的27％,褶皱核部较两翼有增厚的趋势;但沿x、y、z坐标轴的构造变形是非一致的,浅部变形与深部变形有较大差异,模型下部发育对冲的逆断层,褶皱轴与应力作用边界有大约30°的水平夹角,这一特征与层面的非均匀滑动和材料质点的非均匀位移密切相关。在单向挤压应力作用下,应力由作用边界向无应力作用边界传播,产生反作用力,在作用力和反作用力作用下,形成的褶皱变形明显靠近应力作用边界,层的弯曲随着深度的增加由缓变陡,模型下部发育与应力传播方向一致的逆断层。

陷落柱突水三维大型模拟实验研究

为了深入研究陷落柱突水过程,确定具体的突水通道和临界突水水压,针对骆驼山煤矿16号煤回风大巷掘进导致陷落柱突水,设计了三维大型模拟实验模型,再现了骆驼山煤矿陷落柱突水的过程。研究得出,回风大巷掘进工作面临界突水水压为0.6MPa,突水通道位于陷落柱和巷道迎头处之间,推翻了原来技术人员推测的16煤回风大巷底鼓处的结论。本研究成果可为今后开展陷落柱突水机理实验研究提供技术支撑。

大型三维物理相似模拟实验多通道数据采集技术及应用

煤与瓦斯物理相似模拟实验受限于其内部采样点的布置数量,使得实验数据与真实现场相比存在样本点稀疏的问题。研究大型三维物理相似模拟实验多通道数据采集技术,实现大量采集点数据同步高精度采集对物理相似模拟实验具有重要意义。针对该问题,文中基于分布式时钟通讯结构实时获取各个采集板卡数据,实现了多板卡数据交换的时间同步要求,为物理相似模拟实验提供了全面、可靠的监测数据。利用SQL数据库构建数据汇总中心,通过挂载的方式将存储、采集、显示3个单元并行相连,实现了多系统之间的数据同步交换问题。最终以山西某矿为模拟对象,开展物理相似模拟实验。通过本系统的应用,实现了多种开采条件下的物理相似模拟实验,获得了开采过程中的覆岩应力变化分布图与采场各个区域瓦斯浓度变化情况。研究成果将为实现瓦斯精准抽采,解决瓦斯灾害事故防治问题奠定理论与实践基础。

PRCM模型材料在边坡稳定性模拟实验中的应用

模拟材料的力学性能直接影响物理相似模拟实验的可靠性和准确性。以小比例、模拟变质岩等为模型材料研发目的,研制PRCM模型材料,制作标准岩样,对该材料力学参数做进一步的研究,得出PRCM模型材料配比与单轴抗压强度间的定量化关系及水对PRCM模型材料力学性能的影响,并在水厂铁矿高陡边坡稳定性三维物理相似模拟实验中应用,取得了良好的实验效果。

复杂三维地形条件下滑坡–碎屑流运动与堆积特征物理模拟实验研究

为定量化揭示真实复杂三维地形条件对滑坡–碎屑流运动与堆积特征的影响,基于谢家店子滑坡真实三维地形空间分布形态,设计并建立滑坡–碎屑流三维物理模型实验装置,开展相关物理模拟实验研究,获取复杂三维地形条件下,滑坡–碎屑流运动与堆积特征的图像和定量化数据,并依此观察和分析其流态化运动与堆积特征。主要得出以下结论:(1)滑坡运动路径上沟谷转折段等复杂地形的展布,可引起碎屑流动能的快速耗散,运动速度陡降,从而减小碎屑流的运动距离;(2)碎屑流运动过程中,颗粒之间的动量传递作用,可明显促进碎屑流的远程运动;(3)运动路径上沟谷两侧缓坡平台的展布,可导致碎屑流的"分流–汇流"运动,并最终在碎屑流表面形成纵向沟状槽;(4)当碎屑流流动至运动路径的开阔地段时,碎屑流进入一种以碰撞为主的无侧限扩离运动状态,在粒间碰撞–推挤力、重力和地形的共同作用下,形成"X"型共轭堆积脊。

陷落柱突水三维大型模拟实验系统研制及应用

为了对陷落柱突水机理及防治技术研究提供实验技术支撑,开发出陷落柱突水三维大型模拟实验系统.通过力学实验和渗透性实验,配制出具有低强度和低渗透隔水层的相似材料,根据实验对象外形尺寸及受力情况,研制出与三维大型模拟实验配套的水压、围压、轴压控制系统和应力传感器.利用水溶性材料,设计出一种在三维密封条件下模拟巷道掘进及工作面回采的有效方法.结果表明：隔水层相似材料合理骨胶质量比为8∶1,胶结剂质量比为6∶1,水溶性材料合理配比为第3组,压力控制系统可提供压力范围为0.002~2.00MPa.以骆驼山煤矿陷落柱突水过程为模拟对象,验证了实验系统的可靠性.

三维可加载条件下工作面围岩局部变形规律

以苇湖梁煤矿+579E2EB1+2急倾斜特厚综放开采工作面为典型物理原型,系统的进行大型三维立体相似模拟实验,同时利用数字化声发射技术(acoustic em ission,AE)对局部化过程中的动态力学响应参数及其与之对应的微结构演化过程进行实时追踪,从宏观与微观角度揭示不同开采条件下煤岩复合围岩介质局部化变形—演化—失稳规律,为开采扰动区衍生动力学灾变行为预报和控制研究提供线索。

稠油油藏蒸汽驱后期CO2辅助蒸汽驱技术

为了进一步提高稠油油藏蒸汽驱后期采收率和开发效益,以新疆油田J6区块为研究对象,通过室内三维物理模拟实验,分别对全射孔条件下蒸汽驱、CO2辅助蒸汽驱、CO2泡沫辅助蒸汽驱和射开下部油层下半部分条件下蒸汽驱、CO2辅助蒸汽驱进行了实验研究,提出了蒸汽驱后期CO2辅助蒸汽驱开发技术。室内实验表明:蒸汽驱后期调整射孔后的CO2辅助蒸汽驱形成了注汽井中下部蒸汽腔侧向扩展、生产井顶层蒸汽腔超覆重力泄油的开发模式,高温水、油、CO2能够形成稳定的低黏拟单相乳化流体,且CO2在顶部的蒸汽腔起到隔热作用,在蒸汽腔内部降低了蒸汽分压,有效提高了注入蒸汽热效率。根据新疆油田J6区块CO2辅助蒸汽驱设计和应用效果,调整射孔后,与蒸汽驱相比,CO2辅助蒸汽驱将油汽比从0.12提高到0.16,增长34.0%,阶段采出程度从16.1%提高到21.5%,最终采收率可以达到66.5%。

“种群数量变化”——建构型教学设计

叙述了根据创设的种群数量变化的具体情景，首次通过“三维模拟实验”，引导学生通过标志重捕法，自行绘制J型曲线、S型曲线并结合创设情景及实验数据分析总结各模型的条件、增长特点，构建种群增长的数学模型，取得了较好的教学效果。