本书基于煤矿深部开采过程中存在的煤自燃问题，通过研究同一水平应力集中区煤层或深部高地应力煤层开采和反复开采过程中煤层赋存的应力状态，开展了原煤在不同初始应力和反复加卸荷应力状态下不同工况卸荷后的升温氧化实验，并对比不同氧化煤样微观结构的演化特性，以探讨深部开采煤层采动卸荷后煤体氧化规律，其对于深部卸荷煤体氧化自燃的防治具有重要意义。本书共分12章，主要介绍煤矿开采煤力学及自燃研究现状、不同应力作用下煤体物性参数变化、微观活性结构变化、孔裂隙结构变化、不同应力-温度下煤体氧化特性研究、不同应力下遗煤二次氧化自燃特性研究、反复加卸荷煤体氧化特性研究、不同围岩地温下卸荷煤体氧化特性研究、基于煤体氧化力学特性差异分析其氧化机理、基于氧化和热损伤的煤体力学特性变化、深部煤氧化诱灾机理及自燃灾变机理研究和工程实践、含瓦斯煤氧化特性及力学特性研究、采空区抽采条件瓦斯-煤自燃共生耦合致灾机制及防治关键技术等。
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入选河南省高校科技创新团队带头人、河南省杰出青年基金获得者、全国煤炭青年科技奖获得者、河南省教育厅学术技术带头人、全国煤炭青年科学技术奖，主持国家自然科学基金项目3项，国家重点研发子课题1项。
目录
序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 煤岩体力学特性研究现状 2
1.2.2 煤体氧化自燃特性研究现状 4
1.2.3 煤自燃及其复合灾害研究现状 4
第2章 氧化煤的物化特性及孔隙结构变化规律 6
2.1 氧化煤体物理性质 6
2.1.1 氧化煤体物理参数测试结果 6
2.1.2 不同氧化程度煤物理参数变化规律 8
2.2 氧化煤体化学性质 13
2.2.1 氧化煤体的微晶结构及测试结果 13
2.2.2 氧化煤体微晶结构变化规律 14
第3章 煤氧化微观活性结构演化特性 17
3.1 实验设备及步骤 17
3.1.1 实验设备 17
3.1.2 实验方案及步骤 19
3.2 深部煤氧化官能团变化的测试与分析 19
3.3 深部煤氧化过程中主要官能团变化规律 25
3.3.1 含氧官能团的变化规律 25
3.3.2 脂肪烃的变化规律 31
3.3.3 芳香烃的变化规律 33
3.4 本章小结 35
第4章 煤氧化孔裂隙结构发育特性 36
4.1 实验设备及步骤 36
4.1.1 实验设备 36
4.1.2 实验方案及步骤 41
4.2 深部煤氧化的孔裂隙发育特征 42
4.2.1 深部煤氧化的微观裂隙发育特性 42
4.2.2 深部煤氧化的微观孔隙发育特性 47
4.3 深部煤氧化的孔裂隙结构演化特性 52
4.3.1 深部煤氧化过程中 T2谱的变化特性 53
4.3.2 深部煤氧化过程中孔隙度的变化特性 59
4.4 深部煤氧化孔裂隙结构分形特性 64
4.4.1 分形理论及计算 64
4.4.2 热作用对分形维数的影响 65
4.4.3 氧作用对分形维数的影响 68
4.5 本章小结 71
第5章 力热耦合作用对煤氧化热特性的影响研究 72
5.1 煤样的制备及实验流程 72
5.2 应力-温度作用下煤低温氧化特征参数分析 72
5.2.1 CO浓度分析 72
5.2.2 CO2浓度分析 74
5.2.3 耗氧速率分析 75
5.3 应力-温度作用对煤氧化热特性的影响研究 77
5.3.1 应力-温度作用下煤氧化升温热流值曲线分析 77
5.3.2 应力-温度作用下煤氧化放热阶段特征分析 83
5.4 应力-温度作用下煤的微观结构特征分析 93
5.4.1 应力-温度作用下煤官能团测试结果 93
5.4.2 煤中主要官能团分析 95
5.4.3 应力-温度作用下煤中官能团的演变规律分析 97
5.5 本章小结 110
第6章 不同应力下遗煤二次氧化自燃特性研究 111
6.1 不同应力条件下遗煤二次氧化指标性气体衍生规律 111
6.2 不同应力条件下遗煤二次氧化热特性研究 115
6.2.1 不同应力条件下遗煤低温氧化热过程随温度变化规律 115
6.2.2 不同应力条件下遗煤低温氧化热过程随温度变化的分段特征 116
6.2.3 不同应力条件下遗煤低温氧化放热量随温度的变化特征 120
6.2.4 不同应力条件下遗煤二次氧化热分析动力学 121
6.3 本章小结 125
第7章 基于氧化损伤和热损伤的煤体力学特性变化规律 126
7.1 实验条件及实验过程 126
7.2 氧化煤体单轴压缩实验结果 127
7.2.1 氧化煤体单轴压缩应力-应变曲线 128
7.2.2 氧化煤体单轴压缩力学特性 130
7.2.3 氧化煤体单轴压缩应变特性 134
7.2.4 氧化煤体单轴压缩破坏特征 135
7.3 氧化煤体巴西劈裂实验结果及分析 136
7.3.1 氧化煤体巴西劈裂实验结果 136
7.3.2 氧化煤体巴西劈裂应力-变形曲线 137
7.3.3 氧化煤体巴西劈裂破坏特征 140
7.4 氧化煤体三轴压缩实验结果及分析 141
7.4.1 氧化煤体三轴压缩实验结果 141
7.4.2 氧化煤体三轴压缩应力-应变曲线特征 143
7.4.3 氧化煤体三轴实验力学参数变化规律 145
7.5 氧化煤体力学变化及能量耗散研究 148
7.5.1 不同氧化煤力学参数变化规律 148
7.5.2 不同氧化煤力学破坏特征变化规律 156
7.5.3 不同氧化煤能量耗散规律 157
7.6 氧化煤体冲击倾向特性分析 161
7.6.1 氧化煤体冲击倾向参数实验结果 162
7.6.2 氧化煤体冲击倾向性参数分析 163
7.6.3 氧化煤体冲击倾向性划分 167
7.7 本章小结 172
第8章 氧化煤体力学特性及氧化特性差异机理研究 174
8.1 基于孔隙结构的煤氧化差异性分析 174
8.1.1 不同应力下卸荷煤体氧化特性变化规律 174
8.1.2 孔隙结构对卸荷煤体氧化特性影响分析 175
8.1.3 深部卸荷煤体氧化特性分析 177
8.2 氧化煤体力学特性差异分析 179
8.2.1 氧化煤体的损伤因子变化规律 179
8.2.2 基于单轴压缩实验的氧化煤体力学模型构建 180
8.2.3 基于Mohr-Coulomb准则的三轴破坏判据 183
8.3 氧化煤体破坏过程的能量机制 185
8.3.1 氧化煤体块度统计损伤本构模型构建 185
8.3.2 氧化煤体破坏过程能量转化分析 188
8.3.3 氧化煤体破坏过程能量耗散规律 190
8.4 氧化煤体块度分形损伤演化本构模型构建及验证 193
8.4.1 氧化煤体破碎筛分结果及分析 194
8.4.2 氧化煤体破碎块度分形分析 202
8.4.3 块度分形与氧化程度的关系 203
8.4.4 基于Abaqus的数值模拟验证 206
8.5 本章小结 208
第9章 煤氧化的力学特性及自燃灾变机理研究 209
9.1 深部煤自燃内在相互关联机制 209
9.1.1 深部煤自燃综合特性对比分析 209
9.1.2 深部煤自燃特性的内在关联作用机制 211
9.2 深部煤自燃的动态数学模型 212
9.2.1 基本定理 212
9.2.2 基本方程 213
9.2.3 煤自燃及其蔓延现象的基础模型 213
9.2.4 温度分布数学模型 215
9.2.5 深部煤自燃动态变化数学模型 217
9.3 深部煤自燃灾变机理 219
9.3.1 深部煤自燃温度分布规律及原因 219
9.3.2 深部煤自燃过程中高温蔓延的条件 222
9.3.3 深部煤自燃高温蔓延方向 223
9.3.4 深部煤自燃高温蔓延的数值模拟结果 223
9.3.5 深部煤自燃灾变机理分析 228
9.4 本章小结 228
第10章 氧化煤体诱灾机理及防治——以煤柱为例 230
10.1 煤体氧化损伤的力学效应分析 231
10.1.1 煤体局部氧化后应力分布特征 231
10.1.2 煤自燃与冲击地压灾害共生分析 232
10.2 氧化煤体对煤柱稳定性影响的理论分析 234
10.2.1 基于煤体局部弱化的煤柱应力分布特征 234
10.2.2 煤柱自燃机理 238
10.3 氧化煤体对煤柱稳定性影响的数值模拟研究 241
10.3.1 数值模拟方案及模型建立 242
10.3.2 数值模拟结果及分析 243
10.3.3 深部氧化煤体诱灾的防治技术 252
10.4 本章小结 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 含瓦斯煤物性演化机理分析 258
11.1.2 含瓦斯煤力学特性分析 259
11.2 含瓦斯煤升温氧化研究 273
11.2.1 含瓦斯煤氧化热效应变化 274
11.2.2 含瓦斯煤氧化气体衍生变化 275
11.3 含瓦斯煤热解特性研究 277
11.4 不同含瓦斯煤粒径对热效应的影响 279
11.5 瓦斯对煤自燃的作用机理分析 280
第12章 采空区抽采条件瓦斯-煤自燃共生耦合致灾机制及防治关键技术 282
12.1 抽采负压环境下煤体氧化自燃气体产物特性 282
12.1.1 不同风量条件下CO、CO2产物分析 282
12.1.2 不同风量条件下烃类产物分析 283
12.2 采空区赋存环境煤自燃与瓦斯灾害模拟模型 284
12.2.1 物理模型设定 285
12.2.2 数学模型设定 288
12.2.3 边界条件设定和模型验证 291
12.3 采空区多物理流场分布模拟 292
12.3.1 采空区不同赋存风量条件下模拟结果分析 292
12.3.2 采空区不同瓦斯抽采条件下模拟结果分析 298
12.4 采空区煤自燃与瓦斯灾害演化特征 306
12.4.1 工作面风流与瓦斯分布特征分析 306
12.4.2 煤自燃与瓦斯灾害演化规律分析 308
12.5 瓦斯与煤自燃耦合致灾分析及风险预警 310
12.5.1 抽采条件下瓦斯与煤自燃耦合致灾分析 310
12.5.2 瓦斯与煤自燃风险早期预警系统 312
12.5.3 瓦斯抽采条件下煤自燃预防 320
12.6 采空区抽采条件瓦斯-煤自燃耦合灾害防治关键技术 322
12.6.1 煤自燃预测预报系统 322
12.6.2 工作面氮气防灭火系统 324
12.6.3 固化封堵防灭火新材料研发与应用 326
参考文献 333
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