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《中国矿业大学》 2009年
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煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究

黄炳香  
【摘要】: 煤岩体水力致裂弱化技术是改善坚硬厚(高瓦斯)顶煤冒放性、处理坚硬顶板、防治冲击矿压、改善煤层透气性和防治煤与瓦斯突出等的有效技术途径,是一项煤矿安全高效开采的保障技术。本文以煤岩体强度弱化(结构改造)为工程背景,采用实验研究、理论分析、数值模拟和现场试验等研究方法对煤岩体水力致裂弱化的理论和技术进行了较为系统的研究,具有重要理论意义和广泛工程应用前景。 研制了4000kN真三轴岩体水力致裂模拟实验系统。能实现试块尺寸最大为500×500×500mm的真三轴地应力场模拟。设计了具有增压功能的油水加载转换器。实验分析了煤岩力学性质及含水量的影响。基于与煤岩体的全应力应变曲线形态等相似,确定了型煤(煤∶水泥∶石膏)和水泥砂浆的材料配比。 应用大尺寸真三轴水力致裂模拟实验系统开展了煤岩体水力致裂裂缝扩展规律研究。实验结果表明,水力致裂裂缝的前沿为椭圆形态,且以钻孔致裂段为中心;水压裂缝前沿椭圆曲线方程(x~2)/(a~2)+ (y~2)/(b~2) = 1的长短轴之比a/b保持不变。水力致裂裂缝垂直于最小主应力方向扩展。当中间主应力越接近最小主应力,则钻孔孔底水压裂缝越易向垂直于中间主应力的方向偏转;且其扩展方向平行于σ_2和σ_3确定的矢量面。发现了孔底水压裂缝存在分叉现象,分叉后水压裂缝破裂面的走向与σ_3、σ_2均垂直。煤岩体水力致裂除了水压主裂缝形成主破裂面外,渗透水压力对主裂缝两侧煤体形成渗透水楔作用,裂隙和层理面等发生了张开和扩展。同时,由于节理裂隙等缺陷的存在,煤体水力致裂破裂面的粗糙度明显比一般岩石材料要大。考虑水力致裂过程水向岩石内的渗透滤失引起的孔隙水压力(水力梯度)作用,使水压裂缝尖端扩张的净水压力等于缝尖水压力减去滤失水压力和原岩孔隙流体压力。采用流体力学分析得出了钻孔和水压裂缝内的水力衰减规律。当原生裂隙与最小主应力夹角大于一定值,且水压翼型裂纹与水压主裂缝间的岩桥较短时,水压裂缝沿原生裂隙及其翼型分支裂纹继续向前扩展。 固液耦合作用下裂隙煤岩体细观结构破坏研究。在调查煤层裂隙分布规律的基础上,基于断裂力学得出了煤岩体内水压裂隙起裂的最小裂隙水压力与水压翼型分支裂纹的扩展长度。采用RFPA软件模拟了成组原生裂隙条件下,水力致裂弱化的结构改造形态。在岩块为各向同性的前提下,基于能量耗散损伤得出了裂隙煤岩体细观结构破坏与宏观力学性能弱化的关系。 煤岩体水力致裂弱化的控制技术研究。结合水力割缝和水力致裂的优势,提出预先水力割缝定向致裂技术。基于钻孔及钻孔水压力的叠加影响,通过多钻孔及其注液方式的组合来控制水压裂缝的扩展方向。结合水压爆破和水力致裂的优点,采用水压爆破致裂对煤岩体的结构进行改造,使裂隙煤岩体形成多个水压主裂缝和沿水压主破裂面的致裂裂缝带。在爆生压力作用下,煤岩体节理裂隙张开扩展,导致结构面的粘结力降低,煤岩体切割加剧,弱化了煤岩体的整体力学性能。实验证明是一种增加水压裂缝数目和改善煤层透气性的有效方法。 采动煤岩体水力致裂弱化的时空关系研究。实验研究了煤体自然吸水湿润与时间的关系,分析了干燥煤样和自然煤样的吸水湿润差异。依据渗流的起始水力坡度和水力致裂径向水力坡度衰减规律,得出了水力致裂弱化注水的渗透半径。水力致裂弱化水压主裂缝扩展阶段必须超前支承压力峰值区完成。 高瓦斯坚硬厚顶煤弱化的现场试验表明,水力致裂弱化了煤体的整体力学性能,顶煤破碎块度明显降低,工作面回收率提高了23%;预先释放瓦斯,降低了工作面瓦斯浓度,粉尘浓度降低21%,抑制了煤自然发火。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TD32

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄炳香;程庆迎;刘长友;魏民涛;付军辉;;煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架[J];采矿与安全工程学报;2011年02期
2 付军辉;黄炳香;刘长友;杨伟;王龙飞;;煤试样巴西劈裂的声发射特征研究[J];煤炭科学技术;2011年04期
3 康红普;冯彦军;;定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律[J];煤炭学报;2012年12期
4 白新华;吴财芳;耿仪;唐旋;孙明闯;苏永敏;;高突低渗煤层立体网状穿层压裂防突技术试验研究[J];煤炭学报;2013年02期
5 李贤忠;林柏泉;翟成;李全贵;倪冠华;;单一低透煤层脉动水力压裂脉动波破煤岩机理[J];煤炭学报;2013年06期
6 吴学松;邓广哲;;煤体渗透性试验研究[J];煤矿安全;2013年06期
7 赵宁;戴广龙;;煤矿坚硬顶板弱化策略分析[J];矿业工程研究;2013年02期
8 冯彦军;;水力压裂技术在煤矿坚硬顶板控制中的应用[J];煤矿支护;2014年01期
9 黄桂;杨文明;边彦胜;张继业;;坚硬煤层条件下放顶煤液压支架的设计[J];矿山机械;2014年05期
10 付军辉;黄炳香;林府进;武文宾;;煤层水力致裂对采场围岩应力扰动的影响[J];山东科技大学学报(自然科学版);2012年03期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 尹立明;深部煤层开采底板突水机理基础实验研究[D];山东科技大学;2011年
2 程庆迎;低透煤层水力致裂增透与驱赶瓦斯效应研究[D];中国矿业大学;2012年
3 张乐中;煤矿深部开采底板突水机理研究[D];长安大学;2013年
4 袁志刚;煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究[D];重庆大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 李传辉;急倾斜特厚煤层水平分段综采顶煤弱化机理研究[D];西安科技大学;2011年
2 牛新团;非饱和煤样浸水软化性的超声波试验研究[D];西安科技大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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7 宋维源,章梦涛,潘一山,张智慧;煤层注水中的水渗流规律研究[J];地质灾害与环境保护;2004年02期
8 李同林,乌效鸣,屠厚泽;煤岩力学性质测试分析与应用[J];地质与勘探;2000年02期
9 陈宝华,史磷华,骆永妙;水压致裂试验过程中的地电效应研究[J];地震学报;1989年03期
10 李应平;微震分析水压致裂的破裂过程[J];地震学报;1996年03期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 罗天雨;水力压裂多裂缝基础理论研究[D];西南石油大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 方从严;;加锚岩体力学效应的研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2011年03期
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3 赵阳升;;我国煤矿安全面临的重大难题及其思考[J];兵工安全技术;1999年06期
4 王青松,金龙哲,孙金华;煤层注水过程分析和煤体润湿机理研究[J];安全与环境学报;2004年01期
5 陈雄,刘俊杰,吴寅,张震斌;矿井水资源化与生态环境安全探讨[J];安全与环境学报;2004年S1期
6 冯启言;杨天鸿;于庆磊;唐春安;冷雪峰;;基于渗流-损伤耦合分析的煤层底板突水过程的数值模拟[J];安全与环境学报;2006年03期
7 余陶;卢平;朱贵旺;肖峻峰;李军舰;;穿层钻孔水力压裂强化抽采瓦斯消突技术应用研究[J];安全与环境学报;2010年06期
8 李建林;三峡工程岩石拉剪断裂特性的试验研究[J];地下空间;2002年02期
9 熊继有,钱声华,孙文涛,王希勇;石油工程中岩石裂纹扩展与破坏机理研究[J];地下空间;2002年02期
10 贾东远,阴可,李艳华;岩石边坡稳定性分析方法[J];地下空间;2004年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王学武;杨正明;齐亚东;李海波;熊生春;;利用核磁共振研究特低渗透油藏微观剩余油分布[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 刘先珊;朱德武;;考虑渗流应力耦合作用的裂隙岩体渗透特性研究[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
3 高红梅;兰永伟;赵继涛;于秀娟;马强;;温度和应力耦合条件下岩石渗透规律实验研究[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
4 刘建军;刘先贵;;油气储层裂缝扩展的动力学模型[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2001年
5 秦飞;李英;;水压作用下裂纹的边界元分析[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2003年
6 杨栋;薛晋霞;康志勤;刘中华;;抚顺油页岩干馏渗透实验研究[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(一)[C];2007年
7 王俊光;梁冰;;不同裂隙水压力作用下岩石强度变化分析[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(二)[C];2007年
8 胡秀宏;伍法权;孙强;;基于双参负指数分布的改进的岩体本构关系[A];中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(下)[C];2011年
9 伍法权;伍劼;祁生文;;关于脆性岩体岩爆成因的理论分析[A];中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(下)[C];2011年
10 王杰;;原位岩体抗拉强度的测量方法[A];全国第三次工程地质大会论文选集(下卷)[C];1988年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 袁东升;近距离保护层开采多场演化及安全岩柱研究[D];河南理工大学;2010年
2 赵同彬;深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D];山东科技大学;2009年
3 陈启文;双鸭山矿区煤的自燃特性及预防技术基础研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
4 郭保华;循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究[D];河南理工大学;2010年
5 肖知国;煤层注水抑制瓦斯解吸效应实验研究与应用[D];河南理工大学;2010年
6 邓华锋;库水变幅带水—岩作用机理和作用效应研究[D];武汉大学;2010年
7 郭佳奇;岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D];北京交通大学;2011年
8 康富中;深埋超大规模地下铁路车站结构方案及关键支护参数优化研究[D];北京交通大学;2011年
9 郭红玉;基于水力压裂的煤矿井下瓦斯抽采理论与技术[D];河南理工大学;2011年
10 马海春;锚固洞室抗爆能力现场实验研究[D];中国科学技术大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘浩;高煤级煤储层水力压裂的裂缝预测模型及效果评价[D];河南理工大学;2010年
2 陈攀;水分对构造煤瓦斯解吸规律影响的实验研究[D];河南理工大学;2010年
3 桑培淼;注水强化松软煤壁稳定性的规律及工艺参数研究[D];河南理工大学;2010年
4 黄春光;大倾角“三软”不稳定厚煤层放顶煤开采矿压规律研究[D];河南理工大学;2010年
5 潘建武;含单一天然弱面岩石试样的力学特性研究[D];河南理工大学;2010年
6 李波;义安矿水力冲孔卸压增透消突技术研究[D];河南理工大学;2010年
7 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
8 刘超;聚氨酯膜预防综放巷道煤层自燃技术的研究[D];山东科技大学;2010年
9 张彦奇;超细水泥渗透特性微观试验研究及理论分析[D];山东科技大学;2010年
10 姜世元;缺陷法控制冲击地压的力学分析及应用[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王青松,金龙哲,孙金华;煤层注水过程分析和煤体润湿机理研究[J];安全与环境学报;2004年01期
2 刘保县;赵宝云;姜永东;;单轴压缩煤岩变形损伤及声发射特性研究[J];地下空间与工程学报;2007年04期
3 朱万成;魏晨慧;张福壮;杨天鸿;;流固耦合模型用于陷落柱突水的数值模拟研究[J];地下空间与工程学报;2009年05期
4 司海宝;杨为民;吴文金;徐辉;;煤层底板突水的断裂力学模型[J];北京工业职业技术学院学报;2005年03期
5 张延新,蔡美峰,王克忠;三维初始地应力场计算方法与工程应用[J];北京科技大学学报;2005年05期
6 尹尚先;武强;;陷落柱概化模式及突水力学判据[J];北京科技大学学报;2006年09期
7 王金安;李大钟;尚新春;;采空区坚硬顶板流变破断力学分析[J];北京科技大学学报;2011年02期
8 李祥春;聂百胜;何学秋;;振动诱发煤与瓦斯突出的机理[J];北京科技大学学报;2011年02期
9 鲁连军,孙逢春,安申法,肖海华;水力裂缝内流场分布的有限元分析[J];北京理工大学学报;2004年01期
10 胡修文,朱瑞赓,程康;P波与沟槽充填介质的作用研究[J];爆破;2002年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 何满潮;;深部开采工程岩石力学现状及其展望[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 乔伟;矿井深部裂隙岩溶富水规律及底板突水危险性评价研究[D];中国矿业大学;2011年
2 张文泉;矿井(底板)突水灾害的动态机理及综合判测和预报软件开发研究[D];山东科技大学;2004年
3 罗天雨;水力压裂多裂缝基础理论研究[D];西南石油大学;2006年
4 杨天鸿;岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究[D];东北大学;2001年
5 杨永杰;煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究[D];山东科技大学;2006年
6 江涛;基于细观力学的脆性岩石损伤—渗流耦合本构模型研究[D];河海大学;2006年
7 杨逾;垮落带注充控制覆岩移动机理研究[D];辽宁工程技术大学;2007年
8 马东民;煤层气吸附解吸机理研究[D];西安科技大学;2008年
9 景锋;中国大陆浅层地壳地应力场分布规律及工程扰动特征研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2009年
10 赵延林;裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究[D];中南大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 张宁;岩体初始地应力场发育规律研究[D];浙江大学;2002年
2 王开;普采工作面坚硬顶板控制及其研究[D];太原理工大学;2006年
3 程滨;初始地应力场拟合方法研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2005年
4 高朋杰;节理岩石透水机理的试验研究[D];西安科技大学;2008年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王莉;谭卓英;周喻;张晓平;;煤样巴西劈裂试验中声发射特性的细观模拟[J];北京科技大学学报;2014年03期
2 翟成;许彦明;李全贵;倪冠华;彭深;余旭;向贤伟;;多孔并联式压风排水技术的研究及其在瓦斯抽采中的应用[J];矿业安全与环保;2014年04期
3 袁志刚;王宏图;胡国忠;范晓刚;刘年平;;穿层钻孔水力压裂数值模拟及工程应用[J];煤炭学报;2012年S1期
4 康红普;冯彦军;;定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律[J];煤炭学报;2012年12期
5 张泽天;刘建锋;王璐;杨昊天;张茹;;煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究[J];煤炭学报;2013年06期
6 陈珂;贾松磊;卢全督;何世勇;;低透突出煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采联合消突技术应用[J];中国安全生产科学技术;2013年05期
7 郭德勇;商登莹;吕鹏飞;王升宇;王金明;;深孔聚能爆破坚硬顶板弱化试验研究[J];煤炭学报;2013年07期
8 王志军;张瑞林;张森;赵丹;;含瓦斯煤体定向水力压裂裂隙导控的数值分析[J];河南理工大学学报(自然科学版);2013年04期
9 梁春豪;李进鹏;;近距离突出煤层群无煤柱开采及立体抽采技术[J];煤炭科学技术;2013年12期
10 王金华;;特厚硬煤层综采技术应用现状及发展趋势[J];煤炭科学技术;2014年01期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 程庆迎;低透煤层水力致裂增透与驱赶瓦斯效应研究[D];中国矿业大学;2012年
2 庞绪峰;坚硬顶板孤岛工作面冲击地压机理及防治技术研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
3 李柱和;临江地铁冻结工程事故机理及修复技术研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
4 付江伟;井下水力压裂煤层应力场与瓦斯流场模拟研究[D];中国矿业大学;2013年
5 陆银龙;渗流—应力耦合作用下岩石损伤破裂演化模型与煤层底板突水机理研究[D];中国矿业大学;2013年
6 陈向军;外加水分对煤的瓦斯解吸动力学特性影响研究[D];中国矿业大学;2013年
7 袁志刚;煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究[D];重庆大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 孙敏娜;水力压裂提高煤层气采收率技术研究[D];西安石油大学;2012年
2 段昌晨;厚硬顶板直覆采场覆岩破断及支架工作阻力研究[D];安徽理工大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 金龙哲,宋存义,蒋仲安,李天昕;压力渗流润湿煤体的实验研究[J];安全与环境学报;2001年05期
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5 冷雪峰,唐春安,杨天鸿,李连崇;岩石水压致裂过程的数值模拟分析[J];东北大学学报;2002年11期
6 李宏,徐曾和,王泳嘉;弹性流体一维耦合渗流的计算机代数解[J];东北大学学报;1998年02期
7 罗天雨;王嘉淮;赵金洲;郭建春;;多裂缝防治措施研究[J];断块油气田;2006年06期
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9 王恩元,何学秋;煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究[J];地球物理学报;2000年01期
10 徐兴旺,蔡新平,王杰,张宝林,梁光河;流体构造动力学及其研究现状与进展[J];地球科学进展;2001年03期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 杜卫平;薄层多层压裂应力剖面与压裂裂缝形态研究[D];西南石油学院;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 敖西川;多层水力压裂裂缝延伸数学模型研究与应用[D];西南石油学院;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 撒占友;何学秋;张永亮;王恩元;;煤岩电磁辐射效应及其在煤与瓦斯突出预测中的应用[J];中国矿业;2006年01期
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8 黄炳香;;煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[J];煤炭学报;2010年10期
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10 姚精明;闫永业;税国洪;姚俊伟;李生舟;;煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究[J];岩石力学与工程学报;2010年S2期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 曹建军;马益民;;深井煤岩瓦斯动力灾害发生机理及规律浅析[A];全国煤矿井下安全避险及瓦斯治理技术理论与实践[C];2011年
3 宫伟力;冯旭伟;胡安琪;杜帅;赵政杭;;煤岩瓦斯渗流真三轴物理模拟实验研究[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
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7 高峰;吕进国;;基于HHT方法的微震信号时频分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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2 李爱珍;我省与38个国家建立科技合作关系[N];山西日报;2005年
3 刘筱婕;越是难以预测 越要深入研究[N];中国安全生产报;2011年
4 刘俊恒 张利华 姚润祥;阳煤集团三矿巷道支护有高招[N];山西经济日报;2003年
5 本报记者 杨玉峰 通讯员 康立勋;根植岩土 冠荫三晋[N];山西经济日报;2001年
6 叶青;常村矿推广“松帮卸压”支护技术[N];经理日报;2009年
7 靳晓锋 黄永峰;刀尖上的舞蹈[N];经理日报;2009年
8 本报记者 胡珺;向煤炭深部开采进军[N];中国能源报;2010年
9 山西焦煤集团公司镇城底矿 李文明;浅析低瓦斯矿井的瓦斯管理[N];山西科技报;2002年
10 中国矿业大学安全工程学院硕士研究生 谢绍东;减少煤与瓦斯突出事故的根本[N];中国能源报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曹安业;采动煤岩冲击破裂的震动效应及其应用研究[D];中国矿业大学;2009年
2 苏培莉;裂隙煤岩体注浆加固渗流机理及其应用研究[D];西安科技大学;2010年
3 张世杰;煤岩破坏电磁辐射特征及信号分析处理技术研究[D];中国矿业大学(北京);2010年
4 何江;煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机理研究[D];中国矿业大学;2013年
5 陈刚;煤岩体后破坏的理论研究及预测[D];辽宁工程技术大学;2004年
6 薛东杰;不同开采条件下采动煤岩体瓦斯增透机理研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
7 黄炳香;煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[D];中国矿业大学;2009年
8 邹银辉;煤岩体声发射传播机理研究[D];山东科技大学;2007年
9 常宗旭;水射流非均质破岩理论及其应用[D];太原理工大学;2006年
10 贾慧霖;受载煤岩变形破裂低频电磁信号规律特征与机理研究[D];中国矿业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张兆鹏;老虎台矿煤岩冲击失稳的发生机理及数值模拟研究[D];吉林大学;2013年
2 汪国欣;煤岩射孔段应力分析及扩孔破岩仿真研究[D];长江大学;2012年
3 罗金满;煤岩体防渗堵水加固浆液试验及应用研究[D];西安科技大学;2009年
4 王传朋;煤岩体冲击地压的声发射预测研究[D];山东科技大学;2008年
5 李建功;应力波在弹塑性煤岩体中传播衰减规律研究[D];山东科技大学;2008年
6 罗吉安;立井揭煤过程中的煤岩体受力变化机制研究[D];安徽理工大学;2007年
7 何钒;石门揭煤煤岩力学特性分析与数值模拟[D];安徽理工大学;2009年
8 罗宁;炮采面爆破参数优化的研究[D];安徽理工大学;2007年
9 唐治;煤岩电荷感应信号预测冲击地压研究[D];辽宁工程技术大学;2011年
10 韩高彬;邻近煤层开采下煤岩体结构体系及瓦斯越流规律研究[D];河北农业大学;2013年
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