主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

康红普:煤炭开采与岩层控制中的多尺度研究

2020-03-05

  煤炭开采与岩层控制是研究采煤技术、工艺、装备及岩层移动、破坏和控制的学科,其基础学科为地质学、岩石力学及采矿学等,研究对象从全球煤炭资源分布、区域地质构造与地应力分布、大型煤田与矿区规划、矿井开拓部署、采煤工艺与装备、采场岩层控制、巷道支护、钻孔钻进,到煤岩体矿物成分与组织结构、微孔隙裂隙等,空间尺度从10-10~ 107m,从全球尺度到煤体中的极微孔,共跨17个量级。


  不同尺度研究的内容、研究的方法不同,康红普院士以空间尺度为主线,介绍了煤炭开采与岩层控制在不同尺度范围内的主要研究内容、研究方法和典型实例,分析了不同尺度之间的关系。


  不同尺度研究的内容不同。在全球尺度上可研究地壳运动、板块构造、地应力分布等与煤层赋存条件的关系;在矿区尺度上,可根据矿区煤炭资源分布、地质构造及地面条件等,合理划分井田尺寸与边界,实现矿区的高效开发;在微纳米尺度上,可分析煤岩体颗粒、孔隙与裂隙分布对煤岩体物理力学特性的影响。


  不同尺度研究方法不同。在煤田尺度上,可采用地质勘探方法研究煤田中煤炭资源分布、储量及大中型地质构造等,从空间与时间上规划煤田的开发;在工作面与巷道尺度方面,可采用力学理论、实验室试验、数值模拟及井下实测等方法开展研究;对于肉眼看不到的研究对象,需要借助各种显微镜、CT扫描法、核磁共振法及一些间接法开展研究。


  岩层结构只能出现在一定尺度内。如巷道顶板中形成的梁、拱、层等结构的尺度一般为10-1 ~100 m;长壁工作面采空区岩石形成的梁、拱、壳等结构尺度大多在100 ~102 m范围内。远离这些尺度,岩层结构无法形成。相似材料模型试验可缩小原型的尺度,便于在实验室进行研究,但应保证模型与原型的各个参数尽量相似。


  岩层控制研究中一些问题必须从微观开始研究。如软岩遇水软化与膨胀的机理,应了解软岩的矿物成分和微结构,矿物颗粒与水、阳离子的相互作用;对于煤层的渗透性,就需要测试与分析煤体中的微纳米孔隙、裂隙的分布。而对于岩层控制研究中的另一些问题,一般只需了解煤岩层的宏观物理力学性质即可。如在研究巷道或采场围岩的应力场与位移场分布时,只需建立力学模型,将所需煤岩体的宏观参数输入后分析计算即可,没必要了解煤岩体中的微结构尺度与分布。


  研究最后,康红普院士指出:岩层控制中从宏观、细观到微观的多尺度研究方法已得到广泛应用,不同尺度之间的相互联系显得非常重要。例如,如何将实验室小尺度煤岩样的试验参数与井下原位大尺度的煤岩体参数相联系?如何将煤体中的微纳米孔隙、裂隙分布与煤层的渗透性、强度、刚度及完整性等宏观参数相联系?这些问题还有待于做更深入细致的研究。


  这项研究以《煤炭开采与岩层控制的空间尺度分析 》(点击查看)为题发表于《采矿与岩层控制工程学报》2020年第2期。


物理学与采矿工程研究的空间尺度分布


我国典型煤田空间尺度

  责任编辑:宫在芹
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男,1979年4月生,山西长治人,教授,工学博士,力学博士后,现任太原理工大...

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