氧在散体煤中的分形反应动力学研究

定义了散体煤的概念,分析了散体煤的结构,应用分形几何理论,分析了氧气在分形散煤体中的运移规律,推导了散体煤粒度分布维数、孔隙分形维数和粒度与孔隙分维的关系表达式.引入分形概率密度的概念,建立了氧气在散体煤中的分形扩散方程和散体煤颗粒分形表面氧气吸附速率方程.     

各向异性散体介质中的渗流场分析研究

在多孔介质地下水动力学的基础上,从矿堆散体介质的渗透特性出发,分析了堆浸工艺中溶浸液渗流运动的规律以及应力场变化对渗流场的影响机理,建立了有关各向异性散体中非稳定渗流的偏微分方程,推导了渗流运动与散体孔隙比的变化关系,得出应力场通过影响散体的体积应变和孔隙率而影响散体的渗透率,从而最终影响渗流场的结论。     

大孤山铁矿排土场散体粒度分形特征的分析研究

排土场大量堆存的散体容易诱发泥石流、滑坡等地质灾害,研究散体的物理力学性质是分析排土场边坡稳定性的重要环节。该文应用分形几何理论和现场原位大面积直剪试验,通过对大孤山铁矿排土场散体粒度和抗剪强度进行分析研究,建立了不同级配散体抗剪强度指标c值、φ值与分维数D之间的关系,初步论证了分形几何理论在联系散体微观构成与宏观力学性质中的作用。     

汝箕沟煤田火区裂隙介质分形渗流探析

煤田火区是复杂裂隙介质,更是热、流、固耦合的复杂动力系统,目前煤田火区裂隙介质渗流尚未有完整的理论。利用扫描电镜成像观察汝箕沟煤田火区裂隙介质微观结构,分析了作为流动通道的裂隙特征。用分形渗流的思想来研究这一复杂动力系统。论证了汝箕沟煤田火区裂隙介质具有分形特性,用量规法计算了裂缝的迂曲分维,并建立了火区煤样单一裂隙的分形渗流模型。     

饱和散体的分形行为与振动液化

饱和散体结构复杂, 在振动作用下会发生液化现象。利用分形几何学分析得出散体粒度分布、孔隙分布和颗粒比表面积都具有分形特征, 服从标度律。振动过程中, 时间序列、功率谱密度、振动脉冲积分分布、时间序列的自相关函数均服从幂律关系,具有分形特征。振动液化的稳态发展过程服从幂律, 在振动过程中显示出自组织临界性, 随着循环次数达到一定程度, 饱和散体应力急剧减小或完全丧失, 应变急剧增加, 已不能再承受荷载, 出现“雪崩” 现象。     

岩体断裂面渗流特性的分形研究

应用分形理论，建立了描述岩石断裂面的自仿射随机分形理论模型，根据该模型探讨了单一裂隙渗流水力参数与自仿身分形维数之间的关系，对影响断裂面渗流特性的诸因素进行了分析，研究表明，分形维数作为定量刻划断裂面的参数亦可用于定量描述断裂面的水力参数。     

露天矿排土场散体岩石粒度分布的分形特征

应用分形几何理论研究了露天矿排土场散体岩石粒度分布的分维特征。研究表明：排土场岩石块度分布具有良好的分形结构，分维数大小随着排土场高度的增加而增加，但不超过3，当分形量测尺度一定时，分维数越大，散体中细颗粒含量越多，平均粒径也越小；当维数D一定时，粒级粗细将随分形量测尺度范围发生变化，分维数与散体剪切强度参数之间存在一定的相关关系，分维数是定量描述岩块粒度粗细含量的一个重要的参数，可用于排土场粒度资料的统计分析。图2，表3，参10。     

黔西地区煤样孔隙综合分形特征及对孔渗性的影响

为了定量描述煤储层孔隙结构的复杂程度,基于压汞试验测试结果,运用分形理论,对黔西地区不同煤阶的32个煤样进行了分形特征研究,并探讨了分形几何参数与煤储层孔渗性的关系。结果表明:煤储层孔隙分形维数可分为渗流分形维数和扩散分形维数,利用不同分形段的孔隙体积比作为权值,通过加权求和方法可得到综合分形维数;渗流分形维数随变质程度增加而减小,扩散分形维数和综合分形维数均随变质程度增加而增大;分形界限、扩散孔隙体积分数及总孔体积都与综合分形维数、扩散分形维数具有较好的相关性,而且3个指标参数与综合分形维数的相关系数均高于与扩散分形维数的相关系数;综合分形维数、分形界限及扩散孔隙体积分数与煤储层孔隙度之间为负幂指数相关关系,总孔体积与煤储层孔隙度为线性正相关关系,与渗流分形维数和扩散分形维数相比,综合分形维数更有利于表征煤储层渗透性。     

构造煤裂隙及渗流孔隙分形特征研究

构造煤的孔裂隙系统对煤层气吸附、运移以及瓦斯突出均具有控制作用,选取淮北朱仙庄矿12块不同变形类型构造煤进行显微镜观测和压汞测试,并利用分形方法对样品裂隙系统、渗流孔孔隙系统及二者的关联性进行研究,结果表明:样品显微裂隙信息维数分布于1.2~1.9,孔隙分形维数分布于2.6~3.0;随着煤体变形程度增强,显微裂隙分形维数Dl线性增大,渗流孔隙分形维数Dk在脆性变形阶段变化不大,脆-韧性和韧性变形阶段呈线性减小。Dl增大,样品渗流孔孔容和比表面积呈指数增大,平均渗流孔孔隙直径减小,渗流孔发育程度提高,渗透性增强。孔隙分形维数随裂隙分形维数增大呈抛物线形式减小,以Dl=1.6为界,可根据Dl值将变形环境分为小于1.6的脆性变形环境以及大于1.6的脆-韧性/韧性变形环境。     

不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响,通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构,利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征,结合煤样吸附常数,研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明,煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征,渗流孔分形维数D_1和吸附孔分形维数D_2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响,渗流孔分形维数D_1与吸附常数b呈良好的线性关系,与极限吸附瓦斯量a的关联性不大,表明渗流孔分形维数D_1对吸附瓦斯速率影响较大,对吸附能力影响较小;吸附孔分形维数D_2与极限吸附量a呈正相关关系,与吸附常数b关联关系不明显,说明吸附孔分形维数D_2对瓦斯吸附能力影响较大,对吸附瓦斯速率影响不明显。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

破碎岩体非达西渗流的非线性动力学分析

基于多孔介质的有效应力原理,建立起饱和破碎岩体非达西渗流流固耦合的非线性动力学模型,并对其一维解耦动力学方程进行无量纲变换,通过逐次亚松弛迭代法,得到其收敛于平衡态的孔隙压力及渗流速度时间序列.分析了系统在不同控制参数下的动力学响应,并给出了其相轨线图案.研究表明,渗流速度时间序列曲线存在周期2轨道,当非线性项参数递增或系统远离平衡态时,系统会发生渐进失稳,引发水渗流动力灾害.     

基于分形理论的全覆盖式多台阶超高排土场边坡稳定性研究（增刊）

以广东省粤东地区某全覆盖式多台阶超高排土场为工程背景,基于分形几何理论对排土场散体物料的粒度分布规律进行研究,在此基础上,借助多维度稳定性分析方法对该排土场进行边坡稳定性开展研究,结果发现:排土场散体物料的分布具有良好的分形结构,且对于全覆盖式多台阶超高排土场的每个台阶其散体粒度分布规律相似,可以用一个剪切强度值来代替整个排土体的剪切强度;采用多维度边坡稳定性分析方法能更清晰的反映出排土场的稳定性情况。     

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础，提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法，针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题，在二维情况下，通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律．结果表明，在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下，随着裂隙数量、分形维数增加，连通团个数对应的孔隙率点由30％逐渐降低到20％左右；当孔隙率高于35％时，裂隙数量分形维数高于1．45以后，最大连通团孔隙比增加较快，低于此值时，所有连通团包含的孔隙数均极小，这就是煤体低渗透的本质．     

煤系沉积岩多重分形维数计算及影响因素分析

为表征煤系沉积岩的孔隙结构与分形特征,选取中侏罗统页岩、泥岩和砂岩3种典型沉积岩进行了X射线衍射(XRD)分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形理论讨论了NMR分形维数与矿物组成、物性参数之间的相互关系。结果表明:①基于弛豫时间截止值T_2C,可将页岩、泥岩NMR分形维数划分为吸附孔隙分形维数D_A(T₂≤3 ms)和渗流孔隙分形维数D_S(T₂>3 ms)。②储层物性方面,NMR分形维数D_f与孔隙率、渗透率、储层质量指数呈良好的线性负相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量岩石物性的重要指标。③矿物成分方面,石英、长石含量与分形维数D_f呈弱负相关关系,黏土矿物由于受到沉积环境、理化性质和矿物本身含量等多因素作用,对分形维数的影响差异较为显著。     

三峡库区巴东斜坡区沟谷水系的分形几何特征研究

沟谷水系具有自相似性的分布特征,可以用分形理论进行描述和研究。该文应用分形理论对巴东斜坡区的沟谷水系特征进行研究,分析水系的发育程度及其所处的地貌侵蚀发育阶段。研究表明,分维值较好地反映了沟谷水系的复杂程度以及水系的切割深度和受构造活动性影响的强弱;巴东斜坡区水系所处流域地貌处于侵蚀发育的幼年期,水系尚未充分发育,河网密度小,河流深切侵蚀剧烈,河谷呈“V”字型。     

新建煤矿矸石山自然发火的数学模型及其模拟分析

煤矿矸石山自燃是导致矸石山自燃爆炸灾害事故和造成矿区周围环境污染的主要原因。将矸石山看作一大体积多孔介质,运用多孔介质流体渗流理论并结合达西定律和渗流连续性方程,建立了煤矿矸石山自然发火的数学模型,并在此基础上对新建煤矿运输区矸石山内部漏风风流的流动规律进行了研究,提出了矸石山自然发火的防治途径。     

深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

在煤炭开采中,煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程,以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象,通过低场核磁共振成像设备在线测试了3个原煤试样在不同注水压力下的T₂谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T₂谱进行分析,获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术,初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化,可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程,更深入地理解不同煤样T₂谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T₂谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法,定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T₂谱进行了孔裂隙的分形维数计算,定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现:平煤十二矿深部煤样注水过程中T₂谱表现出三峰特点,中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔,注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差,不存在明显的优势渗流通道时,提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中;但当煤样中部分孔隙连通性较好形成优势渗流通道时,提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。     

三维渗流有限元法在地下厂房防渗系统有效性评估中的应用

应用渗流场三维有限元分析方法,对密集排水孔复杂渗流水力行为进行直接精细模拟,对某地下厂房厂区洞室群围岩区三维渗流场进行了有限元求解分析,对其防渗排水系统效果进行了评估。计算表明,该防渗排水系统具有强大的排水能力,同时在其外侧的防渗帷幕也具有很强的防渗抗渗能力,在工程投资范围内该防渗排水系统能够消除绝大部分地下水对地下厂房结构安全的影响,对工程有效防渗,地下厂房的建设和维护有着重大的工程意义。     

铁法长焰煤储层煤层气三级渗流数值模拟

基于煤矿井下宏观裂隙观察、显微裂隙电镜测量、孔隙压汞实验，构建了铁法盆地大兴煤矿7号煤层的三元孔、裂隙结构系统；分析了长焰煤储层宏观裂隙、显微裂隙和煤基质块（孔隙）三级压力降和三级渗流/扩散特征，建立了煤层气三级渗流/扩散场物理模型；通过等温吸附、渗透率和扩散系数实验，数值模拟了铁法盆地DT3井上煤组在排水降压开发煤层气的第3阶段的三级渗流/扩散能力分别为2 126，2 951，149 398 m³/d，指出长焰煤储层煤层气产能受制于宏观裂隙渗流场.