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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
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煤炭学报
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  • 作者(Author):高明忠王明耀谢晶高亚楠邓光迪杨本高王飞郝海春谢和平
    关键词(KeyWords):深部开采原位力学扰动力学放顶煤真三轴试验

    摘要:深部开采是我国矿产资源获取的主要途径,然而目前深部资源的开发现状是工程领先倒逼理论创新,时效性差,灾害频发。系统探索深部岩体原位力学行为已经成为了深部矿产资源高效开采亟待攻关的基础科学问题。以深部煤炭开采为工程背景,通过现场井下实测捕捉深部岩体所经历的应力路径,进而考虑扰动应力路径、深度原位赋存环境等因素,开展深部煤岩原位力学与破坏特征的模拟测试,主要结论有:① 赋存深度是深部原位岩体力学行为的重要影响因素。岩体强度随赋存深度非线性增长,浅部(低围压)岩体的强度受载荷速率影响较小,加卸载速率对深部(高围压)岩体力学特征影响存在特定范围。② 工程扰动是深部原位岩石力学特性的重要影响因素。扰动应力路径下岩体较常规三轴强度降低,且与常规三轴力学试验不同的是出现低初始应力作用下的体积膨胀和高围压作用下的体积收缩现象。③ 原位扰动应力路径下,随深度增加岩体破坏后表面微裂纹数量减少,由“半Y”型拉-剪复合破坏向“半X”型纯剪切破坏过渡。④ 建议的煤岩原位岩石力学测试方法可以较为真实模拟地下工程扰动形成的三向不等压力学状态,能有效在实验室条件下揭示深部开采扰动下煤岩体力学行为。
  • 作者(Author):何富连何文瑞陈冬冬谢生荣李辉何常西
    关键词(KeyWords):弹-塑性基础基本顶初次破断板结构薄板

    摘要:建立考虑煤体弹-塑性变形的基本顶板结构初次破断力学模型,依据有限差分原理和主弯矩破断准则,系统计算研究了弹-塑性基础边界基本顶板结构初次破断位置、破断顺序以及全区域破断形态特征的影响因素及权重关系,并阐述了该力学模型的工程意义,得到如下结论。① 基本顶厚度h、弹性模量E较大,而弹性煤体基础系数kt及悬顶跨度较小时,基本顶的破断位置及顺序为:开采悬顶区中部下表面→深入未塑化的弹性煤体区上表面→短边深入未塑化的弹性煤体区上表面,在弹性煤体区上覆形成“O”型断裂圈;反之,基本顶的破断位置及顺序为:深入塑化煤体区上表面→开采悬顶区中部下表面→短边深入塑化煤体区上表面,在塑化煤体区上覆形成“O”型断裂圈,最终均形成“O-X”型破断形态;② 煤体塑化范围b0及塑化程度增大时,基本顶断裂线深入煤体的距离与基本顶各个区域的主弯矩绝对值均增大,即基本顶悬顶跨度会减小;③ b0及浅部塑化煤体基础系数k0较大时,基本顶的破断位置及顺序为:开采悬顶区中部下表面→长边深入塑化煤体区上表面→短边深入塑化煤体区上表面,在塑化煤体区上覆形成“O”型断裂圈;b0,k0较小时,基本顶的破断位置及顺序为:长边深入弹性煤体区上表面→开采悬顶区中部下表面→短边深入弹性煤体区上表面,在弹性煤体区上覆形成“O”型断裂圈,最终均形成“O-X”型破断形态;④ k0与kt为任意比值不变且kt与h3为任意比值不变时,基本顶的主弯矩大小、位置及破断规律不变。
  • 作者(Author):杨胜利王家臣李良晖
    关键词(KeyWords):关键岩层中厚板理论孤岛工作面剪切破断破断模式

    摘要:厚且坚硬关键岩层的变形与破断影响着上覆岩层的运动,针对传统“梁”或“薄板”理论在分析厚且坚硬关键岩层受力与破断适应性差的问题,基于中厚板理论对存在厚且坚硬关键岩层的孤岛工作面在初次来压、周期来压时关键岩层的位移及应力分布情况进行了研究,讨论了关键岩层厚度对于切应力分布的影响,揭示了关键岩层的受力与破断特征,提出了关键岩层破断模式判据。结果表明:在覆岩条件一定的条件下,关键岩层厚度越小,越容易发生拉伸破断,随着关键岩层厚度的逐渐增大,破断形式逐渐转变为拉剪混合破断和剪切破断;关键岩层厚度较小时,在破坏时多发生的是拉伸破断,破断后的关键岩层沿支点旋转形成绞接结构,不会对工作面造成太大的载荷;坚硬厚关键岩层则多发生剪切破断,对工作面造成冲击,易发生剪切破断的坚硬厚关键岩层破断位置与传统薄板理论确定的破断位置不同;坚硬厚关键岩层内分布的切应力随着岩层厚度的增加而增大,来压前后,关键岩层内部的应变能峰值由中部向工作面两端转移;坚硬厚关键岩层内部的切应力分布更为集中,将切应力集中分布的这部分区域作为围岩控制的重点,实现工作面灾害分区域、分级防控。
  • 作者(Author):徐祝贺李全生李晓斌张国军杨玉亮何文瑞吴晓宇
    关键词(KeyWords):浅埋高强度开采覆岩结构演化地表损伤

    摘要:为掌握浅埋高强度开采覆岩结构演化规律及不同开采条件下地表损伤规律与损伤机理,采用数值模拟、现场实测、理论分析等手段以神东矿区典型工作面为工程背景开展研究。首先以采空区峰值应力为指标分析了覆岩结构演化规律;其次探究了地表下沉系数和宽深比之间的关系;最后在实测地表裂缝发育特点的基础上开展了工作面中部地表裂缝发育机理研究。结果表明:① 工作面从开切眼至超充分开采状态时上覆岩层大体经历了3个阶段,第Ⅰ阶段:无压力拱阶段;第Ⅱ阶段:单压力拱阶段;第Ⅲ阶段:双压力拱阶段,其又分为Ⅲ1(采空区单拱脚阶段)和Ⅲ2(采空区双拱脚阶段)2个阶段。② 宽深比在0.4~2.0的14个方案研究得出的地表下沉系数和宽深比近似成抛物线关系,选取神东矿区7个工作面的下沉系数实测值和预测值进行对比验证,误差分别为7.6%,14.5%,4.4%,7.5%,9.7%,9.7%,15.3%,其中5个工作面的误差在10%以内,且误差整体较小。③ 工作面中部地表裂缝动态发育具有“双周期+稳定期”的特点,包括5个发育阶段,即裂缝宽度增大阶段、裂缝宽度减小阶段、裂缝宽度稳定阶段、裂缝宽度再增大阶段、裂缝宽度再减小阶段,通过演化模型阐释了工作面中部裂缝的动态发育机理,并建立了裂缝动态发育和地质采矿条件的关系模型。
  • 作者(Author):高超徐乃忠孙万明邓伟男韩科明
    关键词(KeyWords):动态沉陷Bertalanffy时间函数改进三参时间函数拟合优度检验影响函数法

    摘要:常规地表沉陷预计是对工作面回采结束、地表沉陷稳定后最终的静态移动变形预计;当涉及建(构)筑物下保护性开采与地面建(构)筑物加固及动态纠偏治理时,需要掌握该地质采矿条件下的地表动态移动变形规律,同时能够解决区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。首先对常见Knothe,Logistic,Weibull、分段Knothe、幂函数-Knothe与双曲线等时间函数的曲线形态、各时间段的地表动态下沉、下沉速度与下沉加速度进行了优缺点和适用性分析;其次基于东坡煤矿地表移动变形实测数据,针对特厚煤层综放开采条件下地表移动变形的特殊性,引入Bertalanffy时间函数,并基于此函数改进Bertalanffy三参时间函数;分析了各参数对改进Bertalanffy三参时间函数的影响规律,研究了各参数的物理意义以及与地质采矿条件的内在联系规律;最后将该函数用于平朔井工一矿特厚煤层综放开采条件下的地表动态下沉预计,并进行了拟合优度分析和现场应用效果检验。结果表明:基于改进Bertalanffy三参时间函数的各参数物理意义与地质采矿条件具有内在联系;该地表动态沉陷预计模型可塑性强、有着较好地预测精度和应用广度,能够较好地应用于煤矿地表动态变形的预计工作中;提出基于改进Bertalanffy三参时间函数结合影响函数法,该方法可有效地解决特厚煤层区域性限厚开采,如特厚煤层只采不放、煤层厚度赋存不稳定等区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。
  • 作者(Author):高明仕贺永亮陆菜平邵轩杨征
    关键词(KeyWords):内强支护外卸防冲协调机制冲击地压强弱强结构

    摘要:为探索深部冲击地压巷道稳定性控制技术,解决冲击地压巷道支护与卸压之间的矛盾,以义马矿区常村煤矿21170运输巷为研究对象,依据冲击地压巷道的强弱强结构模型,采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合,分析了强弱强结构消波吸能特性以及内强小结构破坏能量准则和弱结构吸能效应。根据钻孔破碎区力学特征理论推导了多次反复致裂中间弱结构卸压区影响因素,多次反复致裂半径与钻孔半径、初始应力、内摩擦角、弹性模量、降模量、峰值强度和致裂半径修正系数有关。通过数值模拟分析了内强小结构内置钢管支撑护壁技术对巷道围岩的强度和支护体结构完整性控制效果以及周围煤岩体的应力、位移的破坏规律。研究了内强小结构主动支护强化技术,中间卸压防冲弱结构的内置套管反复掏裂致裂方法,并通过微震能量监测验证了弱结构防冲吸能效应。研究结果表明:内置钢管支撑护壁技术在保护内强小结构不受破坏的作用下可以多次进行弱结构致裂,既防内强小结构松动圈裂隙扩展,又防止巷道支护层的整体失稳。工程实践表明:锚杆索主动支护+液压抬棚减跨强力支护+卸压防冲弱结构组成的“内支-外卸”组合技术,微震监测显示震动能量减少了50%,巷道两帮位移和顶板下沉显著较小,有效维护了巷道围岩稳定性,保证了工作面顺利安全回采。
  • 作者(Author):王琦许硕江贝李术才肖宇驰辛忠欣刘博宏
    关键词(KeyWords):地下工程约束混凝土支护设计方法施工工艺现场应用

    摘要:随着我国地下工程的迅速发展,建设规模不断扩大,工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件,导致围岩变形严重、控制困难,联合支护是复杂条件围岩有效控制的必然选择。工程实践表明,拱架作为联合支护的最后一道防线,其承载能力不足导致冒顶、塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点,近年来在矿山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工等方面进行了系统研究。在室内试验方面,进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研究,为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面,建立了拱架内力计算模型,形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面,进行了约束混凝土拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在现场施工方面,形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法,研发了成套关键技术与装备。对上述研究内容进行了总结,同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。
  • 作者(Author):白金超成云海郑强强李峰辉李波吴斐
    关键词(KeyWords):干、湿喷混凝土AE监测破坏机制损伤变量本构模型

    摘要:目前湿喷混凝土正逐步取代干喷混凝土,但相关支护机理及设计依据缺乏研究。为了探究湿喷混凝土的力学特性与破坏机制,基于干、湿喷混凝土的力学试验,采用声发射(AE)装置监测试样的单轴抗压、轴心抗压及巴西劈裂失稳的全过程。获得了试样破坏全过程的声发射能量、撞击数等数据,以及试样破坏点出现的时空特征。根据试验结果,探究干、湿喷混凝土的破坏机制,对比分析了两者不同龄期下的单轴抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度,并进一步研究了两者AE参数中的应力、撞击数、能量与应变4者之间的关系,通过AE试件定位结果定量分析损伤变量与应变之间的关系,建立干、湿喷混凝土损伤变量的本构模型。结果表明:相对于干喷混凝土,湿喷混凝土的早期和长期力学性能均有显著的提升,且均质性也明显提高。以AE能量表示的损伤变量随应变的增加而增大,在各自特定的应变下试样内部裂纹均开始逐步贯通,但在达到峰值应变前湿喷混凝土损伤变量的增长率较为缓慢,而在达到峰值应变后增长率则较快。通过对比干、湿喷混凝土的试验曲线和计算曲线,表明该本构模型可以适用于干、湿喷混凝土破裂能量的损伤比较。
  • 作者(Author):王云飞焦华喆李震宿辉
    关键词(KeyWords):白砂岩卸围压速率强度变形破坏特征

    摘要:为了探讨白砂岩卸围压强度变形特征,利用RMT岩石力学试验系统进行了常规三轴、恒轴压卸围压应力路径试验,分析了白砂岩卸围压强度、变形、稳定时间和损伤破坏特征。获得以下主要结论:相同初始围压下,卸围压速率越大,屈服段越小,相同卸围压速率下初始围压越大屈服特性越明显;相同初始围压下,随着卸围压速率的减小,白砂岩破坏时的轴向变形增大,表明脆性减弱而延性增强,破坏时的内部损伤越严重;随着卸围压速率的减小,同一初始围压下破坏时围压增加,围压降减小而围压比增大;初始围压越大白砂岩稳定时间越长,但随着卸围压速率的增大稳定时间迅速减小,卸围压速率达到1MPa/s时,初始围压对稳定时间的影响已很小,不同初始围压下单位围压稳定时间的减小规律基本一致,且受初始围压影响甚微;卸围压应力路径对白砂岩的黏聚力有弱化效应,而对内摩擦角有强化作用,卸围压速率越大内摩擦角越大,黏聚力越小;利用八面体剪应力,基于Mogi-Coulomb强度准则获得了白砂岩强度判别通式;卸围压应力过程中声发射振铃计数一直处于较低水平,在破坏之前没有渐进增长的变化过程,且最大声发射出现在应力峰值处,可知卸围压过程中岩样内部损伤发展缓慢,损伤的快速发展形成主控破裂面主要出现在峰值处,且破坏之前没有声发射渐增先兆,破坏突然;白砂岩发生典型单一破裂面的剪切破坏,且随着卸围压速率的增大,破裂角整体呈增大趋势。
  • 作者(Author):宋勇军张磊涛任建喜陈佳星车永新杨慧敏毕冉
    关键词(KeyWords):红砂岩低温环境蠕变特性蠕变模型分数阶微积分

    摘要:为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20 ℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降低弹性模量E3(T)呈抛物线式增长,而弹性模量E1(T),E2(T)及黏性系数η1(T)呈指数形增长,为冻结法施工和寒区岩体工程长期稳定性分析提供理论依据。
  • 作者(Author):林健徐成杨建威
    关键词(KeyWords):泵流量裂缝偏转距水力压裂纵向切槽真三轴试验

    摘要:水力压裂技术近年来越来越多地被应用于强烈动压巷道的卸压工程中,水力压裂卸压的核心是如何人为控制水力裂缝的开裂、扩展方向及路径。将裂缝起裂点与裂缝扩展路径上与切槽方向呈1/2切槽角度的点之间的连线长度定义为裂缝偏转距,并作为试验重点考察指标。采用真三轴物理试验的方法,对尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的预留钻孔和纵向切槽水泥试块水力压裂过程中不同泵流量对裂缝偏转距的影响规律进行了详细研究。研究结果表明:纵向切槽水力压裂裂缝首先沿切槽方向起裂,在扩展的过程中逐渐转向最大主应力方向;裂缝呈S型非对称形态,裂缝较为单一,无复杂微裂隙产生,裂缝在横向扩展的同时沿纵向扩展且扩展过程中无较大偏转。压裂过程明显呈现3个阶段性特征:初次起裂阶段、裂缝持续扩展阶段和裂隙贯通阶段;随着泵流量的增加,起裂压力略有增高,压裂时间明显缩短。在水平应力比为1.5条件下,泵流量由0.5 mL/s增加到1.0 mL/s,裂缝偏转距增加了54.9%;泵流量由1.0 mL/s增加到1.5 mL/s,裂缝偏转距增加了16.7%;随着泵流量的增加,裂缝偏转距明显增大,增大趋势呈半抛物线特征。水平应力比为2.0条件下,泵流量由1.0 mL/s增加到1.5 mL/s,裂缝偏转距增加了30.6%;泵流量由1.5 mL/s增加到5.0 mL/s,裂缝偏转距增加了67.9%;与应力比为1.5相比,相同泵流量条件下裂缝偏转距明显减小。试验采用真三轴试验方法仅能对小尺寸试块进行物理模型试验,下一步将选取合适的数值计算方法,进一步开展大尺度岩层水力压裂效果试验研究。
  • 作者(Author):严敏张一真林海飞李锦良秦雷
    关键词(KeyWords):液氮致裂孔隙损伤孔径分布核磁共振热应力

    摘要:为研究液氮对不同预制温度煤体浸融后的表面裂隙扩展规律和孔隙损伤特性,分别采用显微镜观测、超声波波速测试以及核磁共振测试技术对不同预制温度煤体液氮浸融前后其表面裂隙扩展规律、内部微裂隙发育规律、内部孔隙发育过程及孔径分布变化规律进行试验研究。试验结果表明,液氮浸融过程中随着预制温度的升高,煤体表面产生热应力随之增大,煤体特征裂隙面积增比也随之增大,且热应力增加与煤表面特征裂隙面积增比呈显著相关关系。煤体预制温度越高液氮浸融后煤体内部超声波波速下降越明显,且煤体孔隙度增比越大,微裂隙、孔隙发育越良好。液氮浸融过程中煤体孔裂隙发育存在两个阶段:第1阶段中,微小孔隙向中大孔隙的转化数量大于微小孔自身新生数量,表现为液氮浸融后煤体微小孔数量减少,中大孔数量增加。随着煤体预制温度升高变为第2阶段,微小孔隙新生数量大于其向中大孔隙的转化量,表现为液氮浸融煤体后全孔隙段孔隙数量均增加。液氮浸融不同预制温度煤体后其特征裂隙增比-声波波速变化率-孔隙度变化率3者之间存在正相关关系。以上结果表明,煤体预制温度因素对液氮浸融后煤体表面裂隙发育及孔隙损伤特性影响显著,且液氮浸融不同预制温度煤体其表面裂隙扩展和内部损伤呈正相关关系。
  • 作者(Author):张旭刘成林郭泽清桂和荣田继先吴小平洪唯宇班东师徐思渊张蔚张智辉
    关键词(KeyWords):致密油/页岩油细粒沉积岩柴西北区孔隙结构咸化湖盆

    摘要:柴西北区是柴达木盆地重要的油气资源接替区,新近系湖相细粒沉积岩沉积厚度大,有较好的非常规油气资源潜力。然而,由于咸化沉积环境、粒度小、岩石致密等条件的限制,细粒沉积岩成烃与成储机制复杂,油气富集条件尚不明确,勘探程度较低。以柴西北区新近系主力烃源岩上干柴沟组为研究对象,采集19口代表性钻井岩芯样品,分析样品有机质丰度、类型和成熟度,结合X衍射、岩石薄片、高压压汞、低温液氮吸附实验和扫描电镜,系统分析了其烃源岩特征、矿物组成、储集条件及影响因素,并优选出有利勘探区。研究表明:柴西北区上干柴沟组细粒沉积岩厚度普遍>500 m;烃源岩有机碳含量不高,有57%样品TOC含量<0.4%,20%样品TOC含量高于0.6%,少量样品TOC含量超过1.0%;有机质以Ⅱ1型和Ⅲ型为主,少量Ⅰ型有机质;样品Ro为0.54%~1.24%,处于低成熟—成熟阶段。样品非均质性强,孔隙结构复杂,介孔较发育,介孔孔隙体积增量为0.001 0~0.0 152 cm3/g,平均为0.007 5 cm3/g。样品中氯仿沥青“A”含量与TOC含量、介孔体积均呈正相关性,与Tmax,BET比表面积及宏孔体积均无明显相关性。样品孔隙体积受到TOC含量、矿物含量及热成熟度控制。综合细粒沉积岩烃源岩及储集条件,初步优选干柴沟—油泉子—南翼山地区为柴西北区上干柴沟组致密油/页岩油勘探有利区。
  • 作者(Author):汤积仁张靖卢义玉王相成陈侠宇周建坤陆朝晖
    关键词(KeyWords):CO2强化页岩气开采CO2地质封存CO2绝对吸附量吸附相体积体积应变

    摘要:为研究页岩在CO2作用下达到吸附平衡过程中对CO2的绝对吸附量(na)及其影响因素,考虑吸附相体积和页岩体积应变两个因素对吸附系统自由空间体积的影响,基于质量守恒原理推导了适用于“阶段平衡法”的CO2绝对吸附量计算模型。利用自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀仪”开展了0~16 MPa CO2压力下页岩吸附-变形试验,结合试验计算结果分析了CO2质量注入量、吸附相体积、试件体积应变3个因素对na的影响。结果表明:低CO2压力下使用该模型计算的na值与常规绝对吸附量经验公式计算结果较为一致,当CO2压力高于4 MPa时CO2绝对吸附量的计算值明显大于经验公式计算结果,且差值随平衡压力升高而逐渐变大;拟合结果显示:na与CO2平衡压力满足指数函数关系。由CO2质量注入量因素所引起的吸附量占na的比例随平衡压力升高持续降低;由吸附相体积因素所引起的吸附量占na的比例随平衡压力升高而增加,在平衡压力高于6 MPa后达到50%以上,吸附相体积因素成为影响na的主导因素;由CO2质量注入量与吸附相体积因素所引起的吸附量占CO2绝对吸附量的95%以上,而页岩体积应变因素所引起的吸附量对na的影响较小,占na的比例始终位于5%以下,但对其他吸附质如煤而言,吸附CO2产生的体积变形量可达试件体积的10%,此时体积应变因素将对na产生较为显著的影响。
  • 作者(Author):朱庆忠胡秋嘉杜海为樊彬祝捷张斌赵雨寒刘斌唐俊
    关键词(KeyWords):煤层气井产气量模型随机森林算法历史拟合产量预测

    摘要:煤层气产量评价和预测是煤层气开发工程决策的关键基础。随机森林算法具有计算量小、精确度高的优点。影响煤层气井产能的参数包含地质参数、工程措施和排采工艺参数。煤储层地质参数分为动态参数和静态参数两个部分。静态地质参数由煤层的本质属性决定,如:煤层埋深、煤层厚度、地应力等;动态地质参数在排采过程中发生动态变化,如储层压力、渗透率等。排采工艺参数多为动态参数,主要受人为调控,如井底流压、套压、动液面深度、冲次、冲程等。当煤层气井完成选址、钻井、水力压裂等条件进入生产阶段,排采工艺参数对其产量影响至关重要。基于随机森林算法,分析了沁水盆地郑村区块15号煤层8口煤层气井的地质参数和排采工艺参数对产气量的影响,计算得到了排采工艺参数对煤层气井产气量影响的重要性指标排序,即流压>套压>动液面>冲次>冲程>埋深。将煤层气井最近60 d的生产数据作为产气量预测的测试样本,其余历史生产数据作为学习样本。学习样本经过缺失值处理、异常数据处理后,输入至R语言中,利用随机森林算法对历史产气量进行拟合分析。综合考虑排采工艺参数和历史产气量的动态变化对煤层气井后续日产气量的影响,建立了煤层气井的产量模型。依据随机森林算法的分枝优度准则,预测了不同排采方案下的煤层气井日产气量,将预测值与测试样本进行对比分析。结果显示,日产气量预测值中95%以上的数据与实际产量数据(测试样本)的误差小于5%,这说明基于随机森林算法的煤层气直井产量模型具有较高的拟合及预测精度,为煤层气井产能评价和预测提供了借鉴。
  • 作者(Author):张军
    关键词(KeyWords):无线电磁波透视钻孔-巷道构造探测岩层屏蔽传播规律

    摘要:为了提高无线电磁波透视技术的探测精度,并且使该方法能够在独头巷道进行使用,确保煤矿的安全高效的开采。研究了采用了矿井巷道发射,钻孔接收电磁波信号的方式,借助钻孔岩层的屏蔽作用,在降低接收信号的外部干扰的同时,开拓了无线电磁波透视技术新的使用方法,即孔-巷无线电磁波透视的探测方法。分析了传统无线电磁波透视探测方法的特点及探测过程中存在的主要问题,根据目前矿井探测地质任务的要求,提出了适用于复杂地质条件下的孔-巷无线电磁波透视探测方法。研究了孔-巷无线电磁波透视的基本理论,认为无线电磁波透视探测准确性与电磁波入射角度有关,无线电磁波透视的衰减系数与煤(岩)层电导率、介电常数有关;研究了适用于孔-巷无线电磁波透视的专用接收天线装置,研究了适用于孔-巷无线电磁波透视的施工布置方法;以掘进巷道与钻孔结合的地质模型为例,通过模拟分别研究电磁波在煤层中遇到断层和陷落柱时的波场特征及信号响应规律,研究电磁波对地质异常的响应特征。发现孔-巷无线电磁波透视的探测方法与传统矿用无线电磁波透视相比适用范围更广,并且能够更加精确的探测隐伏构造的赋存情况。现场试验和验证情况表明,矿井孔-巷无线电磁波透视技术能够更精准的反映地质异常的位置,可有效开展独头巷道中的地质探测任务。
  • 作者(Author):王路曹代勇丁正云陈泉霖邓瑞锦林晓炎李阳杜欣
    关键词(KeyWords):煤成石墨闽西南成矿区带构造-岩浆活动碳层间距拉曼参数

    摘要:石墨为国家战略性矿产资源,煤成石墨是由煤层变质而成的一种隐晶质石墨。闽西南地区位于环太平洋构造-岩浆活动带,具有良好的煤成石墨成矿地质条件。通过对闽西南地区不同演化程度的煤-煤成石墨微观结构特征的研究,认为煤向石墨演化中芳香碳层间距的逐渐减小和结构缺陷逐渐消亡的两个过程并非呈线性变化,由此以碳层间距d002和拉曼参数R2将其划分为煤成石墨(Ⅰ类)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2类)、石墨化无烟煤(Ⅲ类)和高变质无烟煤(Ⅳ类)4种类型,并提出了划分煤成石墨类型的模板。煤成石墨的形成和分布受到岩浆-构造活动的制约,由燕山期大规模的岩浆侵入活动为煤的石墨化提供热能,政和—大埔断裂带和永安—晋江断裂带成为煤成石墨的主要控矿断裂,一系列推覆、滑覆等断裂和褶皱构造与岩浆热作用构成了封闭式、半开放-半封闭式和开放式的成矿构造-热环境条件,由此造就了闽西南地区煤成石墨成矿和分布的差异性。依据不同类型煤成石墨的分布,结合煤成石墨成矿的控制因素,划分出了闽西南地区大田—漳平(I1)和永安—安溪(I2)两条煤成石墨成矿区带,其中包括可坑—乌坑成矿亚区(Ⅱ1)、永安—大田成矿亚区(Ⅱ2)、长凹成矿亚区(Ⅱ3)、安溪成矿亚区(Ⅱ4)4个煤成石墨成矿亚区。
  • 作者(Author):王晓晨刘人太张春雨李修浩
    关键词(KeyWords):岩体裂隙注浆浓度分布沉降渗滤模拟试验扩散路径

    摘要:水泥基注浆材料是煤矿防渗与加固工程中最为常用的注浆材料,其配置而成的水泥单液浆属于悬浊液。对于煤矿裂隙注浆而言,悬浊液自身特性影响着注浆扩散过程,并导致扩散后浆液浓度沿扩散路径上的分布存在一定差异,影响注浆治理效果。为研究裂隙注浆中浆液沿扩散路径上的浓度分布规律,基于自主研发的裂隙注浆模拟试验平台开展了注浆扩散模拟试验,以浆液完全析水沉降后的固相体积占总体积的比例作为浆液在裂隙内浓度的表征,获得了不同裂隙开度与水灰比条件下浆液沿扩散路径上的浓度分布特征。基于非牛顿流体力学理论,探讨了浆液沿扩散路径上的浓度分布形成机制。研究结果表明:各水灰比浆液在裂隙扩散运移后的浆液浓度随着浆液扩散距离的增加而降低,并呈现出流动稀化趋势,靠近注浆孔位置浆液浓度高,浆液扩散运移锋面处浆液浓度最低;相同裂隙开度条件下,低水灰比浆液沿扩散路径上的浓度大于高水灰比浆液沿扩散路径上的浓度;裂隙开度越大,浆液在裂隙扩散后的浆液浓度越高;浆液在裂隙流动扩散中显现的沉降渗滤特性导致了浆液在裂隙扩散后的浓度分布差异。结合上述研究结果,对于裂隙注浆工程而言,可先注入水灰比较高的浆液以保证浆液扩散距离达到设计值,然后,注入水灰比较低的浆液以提升整个浆液扩散区的浓度,保证注浆效果。
  • 作者(Author):刘生优樊振丽尹希文贺鑫赵会国温建忠刘海义
    关键词(KeyWords):水砂灾害防控强富水含水层覆岩精细探查覆岩破坏高度采放高度控制

    摘要:弱胶结煤层覆岩抗采动变形能力差,高强度开采形成的采动裂隙易导通强富水含水层,在近距离强富水含水层下综放开采具有极大的危险性,常发生突水溃砂事故。为了实现强富水含水层下综放开采水砂灾害的安全防控,研究了基于水文地质条件精细探查、覆岩破坏高度的实测与监测、煤层采放高度设计与实时调整的突水溃砂灾害防控关键技术。提出基于网络并行电法和井下加密钻探的精细化探查组合方法以查明工作面开采的水文地质条件;采用经验公式预计、数值模拟计算、钻孔注水法实测以及电-震一体化监测等手段获取动、静态综放开采的覆岩破坏高度特征;通过控制煤层采放高度、优化工作面两巷在煤层中的位置、电-震一体化监测覆岩破坏高度反算煤层采放高度等方法达到及时调控煤层采放高度的目的。以应用工作面为例,采用并行电法、钻探验证,覆岩破坏高度实测以及煤层采放高度的精准控制等方法,基于地质条件探查与分析,动态控制了煤层覆岩的采动破坏范围,实现了工作面在近距离强富水含水层下的综放安全开采。研究表明,物探、钻探探测可有效获取水文地质信息以及综放开采覆岩破坏的关键参数,将采动裂隙场与水文地质条件相结合,控制煤层采放高度,对不同含水层采取疏或保的不同对策,实现了强含水层下综放安全开采。
  • 作者(Author):程香港乔伟李路江传文倪磊
    关键词(KeyWords):裂隙应力-渗流耦合矿井涌水量煤层覆岩导水裂隙带顶板水害

    摘要:矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据,以往的矿井涌水量预测方法未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化,预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大。以陕西招贤煤矿1307工作面为研究区,基于覆岩采动粗糙裂隙面的渗流特性,对裂隙应力-渗流耦合计算模型进行了修正,提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型;基于覆岩导水裂隙带发育特征以及矿压实时数据开展了不同间距及隙宽组合的正交数值模型实验,结合修正后的裂隙应力-渗流网络计算模型,分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律,并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。研究结果表明:上覆岩层受采动影响,应力场及渗透性发生改变,且渗流场的扰动范围与应力场相比较大,渗透性的变化在不同方向上具有差异性,渗透系数在水平方向上的影响范围小,变化量大。在垂向上的影响范围大,但变化量小。通过模型预计涌水量与实测涌水量对比发现,试验模型分层位间距为l1=10 m,l2=30 m,l3=150 m及隙宽组合b1=0.05 m,b2=0.01 m,b3=0.005 m时,较为符合研究区实际工程情况。最后,基于离散元软件裂隙渗流模型,结合模型间距及隙宽组合形式,对裂隙应力-渗流耦合计算模型的可靠性进行探讨,模拟结果与裂隙应力-渗流耦合模型计算的结果基本一致。
  • 作者(Author):钱自卫黄震袁世冲
    关键词(KeyWords):多孔介质渗流规律微细孔隙模型3D打印各向异性

    摘要:多孔介质渗流规律研究是油、气、水资源开采及水害防治的基础性工作,物理模型试验是开展此研究的重要手段。基于真实砂层试样CT图片,经剪切、二值化处理、矢量边界提取、建模等步骤,构建了二维孔隙模型;采用高精度光固型3D打印机,选用刚性光敏材料,制备了透明微细孔隙试验模型。构建了包括注水系统、压力监测系统、观测系统、孔隙模型及管路的试验系统,开展了12个注水流量梯度、4个不同渗流方向的渗流模型试验,实现了对孔隙渗流过程的可视化观测及注水压力的高密度实时监测,从微观角度研究了多孔介质渗流规律。研究发现:① 在多孔介质渗流过程中分流及汇流持续发生,试验模型不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大;② 随着水力梯度的增大,达西定律计算的渗透系数整体呈下降趋势,在低水力梯度条件下,同一模型平面90°改变注入方向时,渗透系数差异较大;水力梯度越大,水力梯度与渗透系数呈现相关性越强的幂函数关系;③ 渗流速度与水力梯度呈高度相关的二次函数关系,渗流速度越高相关性越强,符合Forchheimr型非线性渗流公式,同一模型平面90°改变注入方向时,水力梯度差异较大,呈现明显的各向异性特征;④ 孔隙试验模型渗流为“层流+紊流”的混合流,随着渗流速度的增加,紊流惯性力对水力梯度的贡献占比增大,其主要与孔隙介质中孔隙及喉道结构特征有关。
  • 作者(Author):毕银丽胡晶晶刘京
    关键词(KeyWords):微生物复垦技术土壤养分空间异质性经典统计学地统计学协同克里金插值采煤沉陷

    摘要:微生物复垦技术近年来已成为矿区土地复垦新的研究方向,微生物复垦多年后,新的人工生态系统已建立,其灌木林下土壤养分的空间异质性研究成为关注的重点。选择神东大柳塔采煤沉陷地微生物复垦地为研究区,利用经典统计学、地统计学和协同克里金插值方法,研究采煤沉陷地微生物复垦区灌木林下土壤全氮、有机质和速效磷的空间异质性及其影响因素。结果表明:研究区土壤全氮、有机质和速效磷的含量均值分别为0.50 g/kg,11.93 g/kg,2.24 mg/kg,均呈现出中等强度变异,存在空间自相关性。选择能表征丛枝菌根真菌特性的关键因子土壤菌丝密度,发现土壤菌丝密度与土壤全氮、有机质和速效磷含量呈极显著正相关性。以土壤菌丝密度为协变量的土壤全氮、有机质和速效磷的最优模型分别为高斯模型、球状模型和高斯模型,决定系数分别为0.709,0.757和0.467,均高于单一变量的土壤全氮、有机质和速效磷的决定系数。以菌丝密度为辅助变量的土壤全氮、有机质和速效磷均呈现强空间自相关性,有机质的变程较长,空间连续性较好;土壤全氮空间分布呈块状分布,对空间依赖性较强;土壤速效磷呈不规则斑块状,破碎化程度高。以菌丝密度为辅助变量进行协同克里格插值能够显著提高土壤全氮、有机质和速效磷含量的预测精度。
  • 作者(Author):杨建王皓王甜甜王强民刘基
    关键词(KeyWords):典型污染组分矿井水地表处理含水层储存煤炭生产生态脆弱区

    摘要:为了查清敏东一矿矿井水水质特征和地下储存过程中典型污染组分去除规律,设计了一种“地表处理+含水层储存”的实验装置,结合现场取样检测、污染组分分析、室内模拟实验等手段开展了相关研究,结果表明,敏东一矿井下矿井水中污染组分来源于天然地下水和煤炭生产,其中来自地下水的Fe,F,Mn等离子超标1.0~3.0倍;煤炭开采造成的污染包括COD、浊度、氨氮、总大肠菌群,分别超标69.67~192.33倍、24.16~55.17倍、0.52~1.10倍和4.33~7.67倍;石油类组分超标则表明矿井水中出现了一定程度的有机污染。混凝沉淀实验中,20.0 mg/L PAC条件下,浊度和COD分别降至13.60 NTU和4.73 mg/L;在常规处理(混凝沉淀)去除悬浮物和COD的基础上,采用“地表处理和含水层储存”的实验模拟工艺,利用地表包气带孔隙介质过滤、氧化反应等作用,使浊度<1.0 NTU,TOC含量=1.097~1.128 mg/L,UV254=0.026~0.037 cm-1,NH4质量浓度0.1 mg/L,地表处理段出水已经满足当地地下水条件;含水层储存过程中,还原环境还可以进一步去除矿井水中有机组分,使TOC含量和UV254进一步降至0.48~0.54 mg/L和0.005~0.008 cm-1。另外,利用三维荧光光谱指纹可以进一步查清矿井水中有机组分种类和去除过程,实验源水中主要出现了Ⅲ区的多环芳烃类有机物(荧光强度(fluorescence intensity,FI)=4 147)和Ⅴ区的腐殖质类有机物(FI=3 140);地表处理后,Ⅲ区和Ⅴ区的FI分别降至2 033~3 140和2 201~2 760,结合UV254的变化特征可以看出,好氧阶段优先去除大分子/多环芳烃类有机物,再经过含水层储存,Ⅲ区的FI进一步降至1 496~1 779,Ⅴ区的FI则≤1 638。采用“地表处理+含水层储存”的矿井水处理储存模式,可以有效去除煤炭开采产生的污染组分,保障矿井水地下储存的水质安全。
  • 作者(Author):张超王星龙李树刚刘超薛俊华刘华
    关键词(KeyWords):硫化氢改性碱液响应面法碳酸钠表面活性剂氧化剂

    摘要:针对传统碱液在煤矿硫化氢治理过程中吸收率低且易发生二次超限的缺点,以碳酸钠(Na2CO3)溶液为基料,选取表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚乙酸钠(AE9C-Na)和氧化剂过氧化氢(H2O2)为改性剂对碱液进行改性处理。以碳酸钠、表面活性剂和氧化剂的掺量作为影响因子,以硫化氢气体去除率为响应值,首先通过单因素实验单独考察了各影响因子变化对响应值的影响,研究了碳酸钠溶液中不同质量分数的表面活性剂和氧化剂对硫化氢气体脱除的影响。然后按照中心组合设计安排试验,根据试验结果对硫化氢去除率进行拟合与回归分析,得到回归拟合方程。然后应用响应面法(RSM)进一步确定了各影响因子的交互作用,结果表明:各影响因子显著性大小排序为:碳酸钠溶液质量分数>表面活性剂质量分数>氧化剂质量分数,碳酸钠溶液质量分数和表面活性剂质量分数的交互作用对硫化氢去除率影响最大。最后,利用Design-Expert软件对改性碱液的配比进行优化,综合考虑吸收效率与成本后,提出本实验所研制的改性碱液最佳配比为:碳酸钠溶液质量分数2.5%,表面活性剂质量分数0.25%,氧化剂质量分数0.8%。以崔家沟煤矿2303工作面为试验地点,喷洒改性碱液对现场硫化氢进行治理,现场试验结果表明,改性碱液对硫化氢的去除率平均为90.3%,且无硫化氢超限及二次逸散现象,治理效果显著。
  • 作者(Author):陈旭鑫李子琪骆丁玲张润元姚志湘张锴
    关键词(KeyWords):硫含量能量色散型X射线荧光光谱粉末压片法测量条件优化

    摘要:针对艾士卡法、库仑滴定法、高温燃烧中和法和红外光谱法等现有国家标准煤中全硫含量测量方法所需化学试剂多、操作复杂和耗时较长的问题,提出了一种采用能量色散型X射线荧光光谱仪快速、无损和可靠测定煤中全硫含量的方法。该方法是一种相对分析方法,通过将未知样品与已知硫含量的样品谱图对比以进行定量分析。通过实验确定了应用该方法分析煤中硫元素的适宜制样方式、制样条件和测量条件;经过样品数据采集、谱图预处理和基体校正后,建立了相应的校准曲线。结果表明:硼酸镶边垫底压片法的制样效果良好,在12 MPa、保压40 s条件下可获得表面光滑平整、不易破裂的样片;实验所确定的硫元素测量管电压和管电流分别为13 kV和800 μA;采用真空装置可以有效控制轻基体背景散射严重及硫元素特征谱线易被空气吸收的问题;通过减小样品粒径和采用经验系数法校正相结合的办法可以降低基体效应的影响;对谱图进行平滑预处理后,有效地增强了谱图分辨率,提高了测量准确性。能量色散型X射线荧光光谱法可将煤中全硫含量的测量时间压缩至60 s;所建立的校准曲线R2为0.996 3,随机选取10个待测样品,除个别样品的测量结果略有差异外,其余均在库仑法的范围内;特低硫样品的再现性和重复性试验RSD分别为3.21%和1.57%,低中硫样品对应的RSD分别为0.56%和0.47%,中高硫样品的RSD分别为0.26%和0.22%。

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