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):任晓宇刘少俊曲瑞阳吴卫红吴学成郑成航高翔
    关键词(KeyWords):粉煤灰NaP型沸石NaA-X沸石直接水热法碱熔融水热法

    摘要:针对如何将排放量巨大的固体废弃物粉煤灰合理资源化应用的问题,探索了不同合成方法对粉煤灰制备沸石的种类及性能的影响。考察了碱量、温度、时间等主要因素对合成沸石的种类及对氨氮吸附能力的影响。研究表明,采用直接水热法在3.0 mol/L的NaOH溶液中100 ℃水热反应60 h可获得NaP型沸石;采用碱熔融水热法,在不添加任何结构导向剂,不外加硅、铝源,90 ℃水热反应12 h的最佳条件下获得了NaA-X沸石。合成的NaP型沸石为形貌不规则的颗粒聚集体,大小不一;合成的NaA-X沸石产物中同时含有典型的A型沸石立方体和X型沸石的八面体形貌,棱角分明,平均粒径约为3.5 μm。NaP型沸石和NaA-X沸石的比表面积为55.9和266.0 m2/g,分别是粉煤灰的21和100倍。NaP型沸石和NaA-X沸石的微孔比表面积为12.0和211.1 m2/g,分别是粉煤灰的17倍和301倍。两种合成沸石的孔容也远大于粉煤灰。氨氮吸附量为153.6 mmol/100 g和226.6 mmol/100 g,分别是粉煤灰的14和20倍。2种合成沸石的热稳定性都符合工业要求,但直接水热法合成的NaP型沸石热稳定性要低于NaA-X沸石,且产物中含有不易反应的石英和莫来石,导致原料利用率较低。相反,碱熔融水热法合成的NaA-X沸石,有利于惰性晶相转化为活性组分,原料利用率高,产物纯度高,孔隙结构与氨氮吸附量均优于直接水热法的合成产物。
  • 作者(Author):刘德洋彭利平王浩宇陈云峰黄环韩帅
    关键词(KeyWords):振动筛振幅抛掷指数附加气室空气弹簧动力学建模

    摘要:附加气室空气弹簧在两个气室之间设有节流元件,可吸收振动的能量,具有良好的阻尼特性。作为一种新型隔振元件,附加气室空气弹簧能缩短振动筛过共振区时间,减小共振振幅及附加倾摆运动,提高振动筛运行的平稳性。分析振动筛二自由度动力学模型,并求解运动学微分方程,发现振动筛实际振动方向角不等于激振力作用方向角,振幅和抛掷指数也可用单自由度模型表征;利用热力学和流体力学理论建立附加气室空气弹簧的线性模型,得到其刚度阻尼的表达式,基于此,推导出附加气室空气弹簧的振动筛动力学模型,并建立运动学微分方程;搭建附加气室空气弹簧隔振系统和振动实验台,测试实验台的运动学参数;在MATLAB/Simulink环境下对所建动力学模型进行仿真研究,并与实验台测试结果进行了比较分析。结果表明:模型仿真振幅为5.321 mm,实验测试的稳态振幅为5.372 mm,二者误差仅为1%,具有较高的准确性。模型仿真结果显示:电机转速对振幅影响较小,对抛掷指数影响较大,随着电机转速由840 r/min增加到990 r/min时,振幅由4.549 mm降为4.427 mm,抛掷指数由3.6上升到4.9;改变隔振系统的初始气压可以调节振幅,当初始气压由0.1 MPa增加到0.6 MPa时,振幅由4.446 mm增加到6.159 mm;节流孔直径对振幅的影响不明显,当节流孔直径由2 mm增加到20 mm时,振幅由4.443 mm变为4.467 mm;通过改变电机转速和隔振系统初始气压组合,可以使试验台振幅在4.45~6.16 mm、抛掷指数在3.46~6.16内变化,实现对振动筛的调节。
  • 作者(Author):朱斯陶姜福兴王高昂王绪友姜亦武刘金海曲效成徐怀阁宁廷洲
    关键词(KeyWords):复合煤层冲击地压掘进工作面监测预警地音监测

    摘要:针对我国西部矿区复合厚煤层工作面掘进期间煤粒弹射现象频繁、震动持续时间长、冲击破坏范围集中在掘进工作面附近的特点,以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景,采用现场调研、理论分析和现场监测等方法,对复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射和冲击地压发生机制及监测预警技术进行了研究。复合厚煤层掘进工作面频繁发生煤粒弹射和冲击地压的主要原因是巷道开挖后围岩中软煤部分会快速卸荷破坏产生煤粒弹射现象,软煤破坏后导致硬煤局部产生剪应力集中,当应力集中程度超过硬煤极限强度时,硬煤发生剪切失稳破坏,进而诱发掘进掘进工作面冲击地压。现场监测结果表明,复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆索压力监测无明显征兆,地音监测能够捕捉到冲击地压信息,但复合厚煤层工作面掘进期间频繁煤粒弹射产生的众多小能量震动事件严重影响了地音监测预警结果的准确性。据此提出了基于“地音大事件”概念的监测预警方法,即只监测对掘进工作面冲击地压有明显影响的大能量地音事件,这些地音事件具有的明显特征为发生的总频次相对较低,但总能量较高,根据统计分析,将(4-5)04胶带巷掘进工作面能量大于1 000 mV的地音称之为地音大事件。通过与原预警方法进行对比,基于“地音大事件”概念的预警方法预警准确率更高,也更符合现场实际情况。
  • 作者(Author):牟宏伟何学秋宋大钊李振雷邱黎明苏东方殷山
    关键词(KeyWords):节理声发射监测预警煤体破坏

    摘要:煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要,为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响,对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验,并分析了力学和声发射信号响应规律。结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大,峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势,峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象,单轴抗压强度和应变量均小于α>45°的煤样。α>45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主,更容易产生沿节理面的滑移破坏,振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段,声发射信号与应力降具有很高的相关性。α>45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主,更容易产生挤压摩擦破坏,在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号,大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大,煤样表现出的冲击倾向性越强,声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。因此,鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时,需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。
  • 作者(Author):何江窦林名曹晋荣吴江湖曹立
    关键词(KeyWords):急倾斜特厚煤层水平分段夹持冲击型冲击矿压

    摘要:我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。
  • 作者(Author):付翔王然风赵阳升杨永康
    关键词(KeyWords):液压支架乳化液泵稳压供液自适应控制多响应优化

    摘要:液压支架智能的自动跟机运行是煤矿智能化工作面建设的一项重要目标,针对目前液压支架跟机运行时供液流量适配不合理导致的动作执行速度和精度不足等问题,以液压支架群组跟机适应采煤机速度稳定地运行为液压动力适配目标,提出协同液压支架控制策略的自适应稳压供液控制方法。基于根据支架动作特征提前适配合理供液流量的稳压供液原理,结合多泵+变频供液方式特点,提出供液与支架交叠协同控制逻辑;依据液压传动原理,推导上述逻辑下的液压支架跟机速度、液压系统压力变化率的求解方程,揭示供液流量调控策略与液压支架动作策略对上述两者的耦合作用机理;依据多响应优化问题求解理论,以液压支架跟机适速及其各动作压力平稳为多个目标,构建液压支架运行满意度函数并采用双层规划方法求解,智能决策自适应液压支架运行的供液流量调控策略;利用MATLAB与AMESim联合仿真,模拟相同液压支架运行动作过程的多泵联动、变频恒压、自适应稳压等不同供液控制方法,通过综合对比各方法在液压系统压力均值、压力方差、供液卸载次数、液压支架动作行程平均相对误差、供液作用效率等评价指标,验证了本文提出方法的优势。最后,通过工业级试验验证本文方法,得出自适应稳压供液控制方法具有较好的稳压效果,可行性较高。
  • 作者(Author):齐庆新潘一山李海涛姜德义舒龙勇赵善坤张永将潘俊锋李宏艳潘鹏志
    关键词(KeyWords):煤岩动力灾害冲击地压广义“三因素”理论冲击地压巷道“3级”吸能支护井上下联合抽采防突

    摘要:煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“3级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。
  • 作者(Author):卢硕张磊薛俊华张村陈帅
    关键词(KeyWords):煤阶液氮溶浸渗透率处理次数温度梯度

    摘要:中国低透气性煤层广泛赋存且煤阶跨度较大。针对不同煤阶、性质煤层如何确定有效的液氮致裂方式是一个亟待解决的难题。为此,分别选择褐煤、烟煤和无烟煤3种煤阶的煤样进行不同条件下的液氮溶浸,并使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙的演化规律,使用受载煤体注气驱替瓦斯测试实验系统与纯度为99.999%的氮气测试得出煤样渗透率的变化规律。对实验得到的煤样渗流曲线趋势进行简要讨论,对比分析了液氮处理不同阶段煤样的渗透率数值。实验结果表明:① 相同围压条件下,煤样的渗透率随着气体压力的增加呈“U”型变化趋势,使用二次函数公式拟合效果良好;② 单次液氮处理即可对褐煤煤样产生显著增透效果;③ 通过增加液氮循环处理次数可有效提升液氮对烟煤的增透效果,一次液氮溶浸处理后的烟煤渗透率增幅最大达到514.89%,两次处理后最大可达到1 129.79%;④ 多次液氮处理对无烟煤透气性的改善不甚明显,只会逐渐降低其抗拉强度,通过增大热冷冲击温度梯度的液氮处理方式可以有效改善无烟煤透气性,在围压-气压为2.00~1.25 MPa时,初始温度50 ℃的无烟煤液氮处理后的渗透率增幅仅为2.44%,而初始温度100 ℃的无烟煤处理后的渗透率增幅达到125.43%;⑤ 基于实验结果讨论、提出适宜于不同煤阶煤层的液氮致裂增透方法。
  • 作者(Author):刘金海姜福兴朱斯陶李昊朱权洁
    关键词(KeyWords):冲击地压冲击模式深厚表土应力演化平台效应

    摘要:煤矿冲击地压发生过程可描述为外部力源驱动围岩结构失稳或系统平衡状态突变。冲击地压发生过程中,应力起着重要作用。根据主控性应力来源或类型可得到我国煤矿冲击地压的区域性特点。其中,深厚表土地层控制型冲击地压属于巨野矿区特有的冲击地压类型,其显现特征与地层结构具有密切的关联性。针对此类冲击地压,通过案例与现场监测数据分析,探讨了典型深厚表土煤层冲击地压特征,结合煤层应力演化分析,表征了深厚表土煤层瞬时冲击和延时冲击过程,最后通过相似材料模拟试验揭示了煤层应力演化与覆岩运动、地层变形之间的关系,并对典型深厚表土煤层冲击地压模式进行了验证。研究表明:覆岩整体失稳促使煤层应力快速达到冲击地压临界应力,发生大能量冲击地压,表土层持续变形和移动促使煤层应力缓慢达到冲击地压临界应力,再次发生冲击地压;离层发育高度与回采距离有关,但具有明显的“平台效应”,煤层应力演化与离层发育有关,但相对于回采距离具有明显的滞后性;瞬时冲击地压加载机理为“覆岩结构运动→煤层应力演化→冲击地压”,延时冲击地压加载机理为“地层变形→煤层应力增长→冲击地压”;最后,提出了深厚表土煤层冲击地压监测对策。
  • 作者(Author):韩强张希巍潘鹏志赵善坤
    关键词(KeyWords):硬岩多轴破裂角脆性声发射冲击危险性

    摘要:为研究深部煤矿顶底板围岩在高应力下的冲击危险性,以跃进煤矿为工程背景,取自23092工作面的底板硬岩作为试验对象,应用真三轴试验机进行了一系列多轴(常规三轴和真三轴)条件下的压缩力学特性试验,部分试验还同步了破坏过程声发射信号测量。借助光学显微镜和场发射扫描电镜辅助分析试样微观特性表征。多轴压缩力学试验表明23092工作面底板硬岩具有明显弹脆性变形破坏行为,底板硬岩在单轴压缩情况下的脆性程度最高,中间主应力与脆性破坏指数负相关。最小主应力恒定时,中间主应力增加情况下的岩样的全应力-应变曲线、宏观破坏模式、岩样破裂角、脆性指数以及破坏岩样的SEM图像的变化特征均表明底板硬岩的脆性破坏特征与应力状态有关,即中间主应力增加促进其脆性破坏行为。底板硬岩在多轴应力状态下表现出峰值强度较大离散性,这与成岩过程中软弱矿物夹杂汇聚造成的岩石均质性差异有关。底板硬岩的冲击倾向性受真三向应力状态影响,最小主应力接近零的巷道底板表层附近硬岩表现为无或弱冲击危险性,但在中间主应力较高的深层硬岩则表现强冲击危险性,且随中间主应力增加而增强。多轴条件下压缩破坏的声发射信号具有前兆释放性,声发射信号伴随峰后多阶段破裂显著增强。
  • 作者(Author):刘勇李志飞魏建平张慧栋
    关键词(KeyWords):磨料空气射流冲蚀模型二次冲蚀卸压增透瓦斯抽采

    摘要:进行预抽煤矿瓦斯时,采用水力化增透措施容易出现抱钻、塌孔等现象,降低瓦斯抽采率。为此,提出磨料空气射流破煤增透措施,提高钻孔利用率。为明确磨料空气射流破煤参数,采用ANSYS Fluent软件中的离散相模型对磨料粒子在喷嘴中的加速效果进行了计算,分析了空气压力、磨料密度和磨料粒径对磨料加速的影响,考虑了反弹磨料二次冲蚀作用,建立了磨料空气射流冲蚀能量方程;基于有限元和光滑粒子模型,采用LS-DYNA对磨料空气射流冲蚀煤岩体进行数值模拟,分析了射流扩散角和磨料的形状特性对煤岩体冲蚀的影响规律,建立了磨料空气射流冲蚀能量转化率方程;采用高压磨料空气射流实验系统,使用(Laval)喷嘴,在不同气体压力条件选用标准的180 μm石榴石磨料对煤体、砂岩、灰岩和花岗岩进行磨料空气射流冲蚀实验,获取了单位能量破碎体积参数,建立了磨料空气射流冲蚀模型;采用控制变量法,进行磨料空气射流冲蚀灰岩的实验,利用不同影响因素对冲蚀效果的影响实验数据对冲蚀模型进行了修正;进行磨料空气射流冲击煤体实验,验证了冲蚀模型的准确性。对磨料空气射流冲蚀煤体体积模型进行了分析,结果表明影响冲蚀效果的因素权重依次为:气体压力>扩散角>磨料密度>磨料粒径>磨料形状;磨料空气射流破煤的最优射流参数为180 μm石榴石、气体压力15 MPa、扩散角10.52°。在进行模型建立过程中,未将受压条件放入模型中,今后将会进行相关实验,把受压条件作为修正系数,进一步完善该冲蚀模型。
  • 作者(Author):朱小景潘一山王爱文李祁王凯兴罗浩
    关键词(KeyWords):煤与瓦斯复合体震-电规律应力降速率冲击地压煤与瓦斯突出复合动力灾害

    摘要:针对冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害预测手段欠缺、前兆信息监测方法不完善这一工程现状,利用自主研发的高频微震全波形实时监测系统和电荷感应监测系统开展了煤与瓦斯复合体受载变形破坏试验,分析了不同瓦斯压力下煤与瓦斯复合体变形破坏特征及微震信号和电荷感应信号显现规律的关系,以及瓦斯压力对3者的影响。结果表明:煤与瓦斯复合体变形破坏可分为3个阶段,即弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段,随着瓦斯压力的增大,煤与瓦斯复合体的抗压强度、弹性模量和软化模量减小,冲击倾向性降低,弹性和屈服强化阶段持续时间缩短;煤与瓦斯复合体变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生,且两种信号的峰值振幅均出现在煤与瓦斯复合体的破坏阶段;随着瓦斯压力的增大,微震信号和电荷感应信号数量增加且越来越分散,振幅增大,峰值振幅对应的应力降速率增大,同时,微震信号峰值振幅所在波形的起始振幅增大,峰值振幅前移,且越来越接近起始振幅。煤与瓦斯复合体中瓦斯压力越大,越容易发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害,通过微震信号和电荷感应信号的监测能够在一定程度上判断复合体所处的变形破坏阶段,结合瓦斯压力大小可预判复合动力灾害的类型和危险性。
  • 作者(Author):李一哲齐庆新赵善坤王寅李海涛魏向志潘鹏志
    关键词(KeyWords):冲击地压巨厚砾岩杠杆运动联动效应吸能稳构

    摘要:相邻矿井开采过程中相互扰动明显,冲击地压灾害频发。为研究巨厚砾岩和逆冲断层控制作用下,相邻矿井之间的相邻工作面开采互扰诱发冲击机理以及两工作面冲击地压协同防控方法,以义马矿区耿村煤矿13230工作面和千秋煤矿21121工作面为实际工程背景,对13230工作面回采期间地表沉降变化、冲击显现特征和支架压力特征、21121东部缆车下山钻孔应力特征以及井间区域微震事件高度变化特征和地应力特征展开现场实测分析。研究表明,井间相邻工作面非同时期开采形成非对称“T”形覆岩空间结构,井间宽煤柱留设和高位巨厚砾岩条件下,该空间结构发生类似杠杆运动的“撬动”现象,即井间率先采空侧高位岩层下沉运动诱发滞后回采工作面高位岩层整体抬升运动;联动效应对滞后回采工作面垂直应力环境产生扰动且扰动范围有限,13230工作面回采初期垂直应力相对较低,断层活化的高水平应力导致煤体发生典型水平滑移式冲击事故,随13230工作面推进距离增大,水平方向冲击的强度与频度明显降低而垂直方向的冲击占比增加;基于工程实测和室内试验结果,提出井间以阻断高位砂砾互层为核心的弱链增耗防冲方法和采空区高强度充填为核心的吸能稳构防冲方法,实现井间工作面冲击地压的协同防控。随着我国煤矿逐渐转入高强度集约型开采和深部开采,由高位覆岩联动造成的多工作面之间的应力互扰现象将长期存在,旨在弱化覆岩结构体联动效应的防冲方法与技术是未来单一矿井乃至大型矿区大范围多工作面联合防冲的发展趋势。
  • 作者(Author):程志恒陈亮苏士龙邹银辉张永将邹全乐姜黎明闫大鹤杜志峰王向东
    关键词(KeyWords):近距离煤层群叠加开采力能转移模型优选集成井上下联合防突动态评价

    摘要:针对近距离煤层群缺乏系统有效井上下联合防突模式及动态评价方法的问题,以华晋焦煤沙曲一矿为工程背景,通过类似矿区突出信息统计分析得出其地应力-瓦斯潜能大、突出源分散、煤体强度及渗透性低的特点,采用理论分析,从多次采动应力叠加及高能卸压瓦斯运移两方面,揭示了煤层群叠加开采突出力能转移及启动机制,进而启发多煤层协同疏解突出潜能、“多煤层-区域-局部”逐级强化抽采的防突思路。采用系统分析及归纳演绎法优选集成了多煤层全时段的井上、下联合防突技术体系,即规划区采用常规井、防突压裂井与多分支水平井联合抽采降突;准备区采用地面井+被保护层定向长钻孔群或多分支水平井井孔对接抽采立体区域化抽采防突;生产区采用本煤层定向长钻孔群条带预抽+递进式大孔径钻孔抽采消突,松软低透煤层需增加可控冲击波、低压脉动水力致裂等疲劳损伤增透方法以强化消突效果,并通过现场试验确立其关键技术参数。同时,建立了该模式应用过程阶段递进式动态评价函数,给出三阶段中2级指标四参数随时间变化表达式,并确定各指标临界值。现场工程实践表明:① 沙曲一矿井上下联合消突模式在规划时间内基本实现上部2号,3+4号煤层协同消突;② 资源开采3阶段的煤炭转化率依次为95%,85%,90%,整体动态转化率为70.5%,说明抽掘采衔接相对紧张,主要是准备区抽采防突效率低;③ 矿井优质煤炭产能释放量增加约80万t和煤层气产能提升420万m3。
  • 作者(Author):王爱文潘一山王岗代连朋陈建强施天威吕祥锋蔡荣宦
    关键词(KeyWords):巷道冲击地压支护临界应力指数冲击危险性评价

    摘要:冲击危险性评价的目的是确定待采掘区域的冲击地压危险等级及范围,是冲击地压防治工作的基础。建立了“应力-围岩-支护”巷道冲击地压力学模型,发现了巷道冲击地压发生的临界应力、临界阻力区深度与煤体单轴抗压强度、巷道支护强度、巷道几何参数以及冲击能指数4者之间的内在关系。冲击能指数直接影响巷道围岩系统结构失稳的临界应力与临界阻力区的大小,阻力区深度增加导致冲击地压发生的临界载荷增加,实际阻力区深度与应力环境是影响冲击地压发生的重要因素。给出了考虑了煤体的实际应力环境、煤体冲击倾向性、巷道结构属性及实际围岩状态4个因素的临界应力指数计算方法。提出采用临界应力指数评价巷道冲击地压危险性的方法,将相似条件下已经发生过冲击地压区域的临界应力指数,作为待评价区域的冲击地压发生指标Kfcr,把临界应力指数在[0,Kfcr]区间以0.25Kfcr为间隔,划分为4个数值区间,由低到高分别对应无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险4个危险等级,依据临界应力指数在4个区间的分布情况判定待评价区域的危险等级。以某矿303工作面实际工程为案例,介绍了包含10个步骤的冲击危险性评价流程,评价结果表明:该工作面存在中等冲击危险区域5个,强冲击危险区域7个。钻屑法监测数据表明评价结果与现场实际相符。与综合指数法评价结果相比,临界应力指数法的评价结果更趋于量化。
  • 作者(Author):张雁黄选明彭巍朱明诚曹海东刘玉柱田增林
    关键词(KeyWords):截水帷幕露天煤矿混凝土防渗墙防渗膜旋喷注浆咬合桩

    摘要:为解决扎尼河露天矿矿坑疏排水量大、生产成本高、环保风险大等问题,采用地下混凝土防渗墙、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设、高压旋喷注浆、钻孔咬合桩等4种帷幕技术,沿煤层北部隐伏露头建造一座平面长度近6 000 m、最大深度超过50 m、有效厚度>0.6 m的弧线型沟槽灌入式+桩孔压入式落底截水帷幕。项目实施过程中攻克了低强度(8~10 MPa)抗渗(P6级)混凝土配合比技术、超长槽段开挖与护壁技术、防渗膜叠覆铺设与连接技术、高掺量粉煤灰-水泥混合浆液注浆充填技术、砾石层中高压旋喷成桩技术等5项技术难题,在帷幕墙建造过程中和结束后,采用取芯验证法、抽水试验法、流场观测法和水量分析法等4种方法检验了帷幕墙的质量与截水效果。结果表明混凝土浇筑连续均匀,粉煤灰-水泥混合浆液充填密实、胶结完好,高压旋喷桩和钻孔咬合桩桩径达标、桩体完整;墙体渗透系数为8.34×10-7 cm/s,渗透性达极微透水级;墙体内外两侧最大水位差已达10 m以上;矿坑疏排水量已减少60%,目前仍在减少中。帷幕墙截水效果明显,达到了设计要求。该项目是我国露天煤矿采用综合帷幕技术解决疏排水问题的成功示范。
  • 作者(Author):李鑫李昊杨桢苏小平马子莹
    关键词(KeyWords):复合煤岩温度场电磁场仿真模型耦合机制

    摘要:煤岩动力灾害中各个物理场演化非常复杂,结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论,推导了复合煤岩变形破裂温度场、应力场、电磁场多物理场耦合数学模型,建立了多场仿真模型,对煤岩受载变形破坏过程中这三个物理场的变化规律进行数值模拟,并进行实验验证研究。仿真结果表明:复合煤岩内部应力突变,微观角度而言,旧分子链断裂形成新的分子链,释放热量,同时,带电粒子在区域电场的作用下变速运动产生电磁辐射。宏观而言,煤体的抗压强度弱于岩体,煤岩体内出现裂隙,煤体应力、温度和电磁场能量明显高于岩体,在裂隙尖端应力和温度最大,磁场能量跟随仿真加载时长增加不断增强,磁感应强度沿逆时针旋转,由内向外不断衰减。在相同条件下的实验结果表明:复合煤岩内部红外辐射温度随应力的增长呈现阶梯型上升趋势,在应力峰值附近温度达到最高。电磁辐射在加载初期缓慢增长,在应力峰值附近,电磁辐射突增至峰值,继续加载至煤岩破裂,电磁辐射急剧衰减直至消失。实验与仿真结果一致,利用力电热耦合模型可以研究复杂条件下煤岩受载的特性,为深部煤岩开采动力灾害预测预报提供理论基础和新方法。
  • 作者(Author):杨科刘文杰窦礼同池小楼魏祯付强
    关键词(KeyWords):能量转化规律界面效应裂纹扩展渐进非连续破坏特征失稳破坏机理动力灾害防控

    摘要:煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的“岩-煤-岩”(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC2D数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度,形成了煤体砂岩破坏互馈机制。RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征,当RCR组合体发生整体失稳时,声发射信号频率较低,声发射能量值达到历史最大,根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测,实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。
  • 作者(Author):张宁博赵善坤赵阳王寅秦凯李云鹏姜黎明
    关键词(KeyWords):逆冲断层单侧卸载力学模型冲击地压

    摘要:逆冲断层失稳诱发的冲击地压严重威胁着煤矿的安全,但目前采动条件下逆冲断层的失稳机理仍不清楚,使得断层冲击地压防治工作缺乏科学指导。为探索逆冲断层卸载失稳机理,基于典型逆冲断层控制型矿区的工程地质概况,分析了逆冲断层冲击地压的显现特征;采用相似模拟和数值模拟手段,研究了开采扰动引起的逆冲断层卸荷效应,阐明了义马矿区逆冲断层卸载失稳的模式及过程;通过实验室实验方法,揭示了单侧卸载过程中逆冲断层失稳瞬态的位移场时空演化规律,建立了断层卸载失稳的力学模型,阐释了断层失稳瞬间的黏滑过程。研究结果表明:随着开采范围与F16断层距离的减小,断层冲击地压危险性显著增大,冲击地压所释放能量急剧增高;采动引起逆冲断层产生卸荷效应,即开采扰动使得断层带新裂纹萌生并局部离层,断层带上交错出现应力集中区和应力减弱区,断层上段出现逆时针滑移,而下段顺时针滑移;卸荷效应导致断层失稳的过程可分为线性稳态(I)、非线性稳态(II)、亚失稳(III)和失稳(IV)4个阶段;断层卸载失稳瞬间正应变和剪应变总体上呈突降-突增-降低至稳定的变化趋势,且相对于中部和下部,断层上部滑移位移受卸载扰动影响较大;断层卸载失稳瞬间的能量传递过程为:震源单元-围岩杆单元-相邻围岩杆单元-相邻断层带单元等,其黏滑失稳是一系列单元连锁失稳构成的综合结果。通过本文研究,对逆冲断层卸载失稳的机理形成了新的认识,包括卸载失稳模式、失稳过程、失稳瞬态的能量传递等。
  • 作者(Author):易富杜常博王政宇于犇
    关键词(KeyWords):土工格栅尾矿网孔尺寸界面特性直剪试验拉拔试验

    摘要:目前加筋尾矿结构中土工格栅的选用未考虑网孔尺寸的影响,仅考虑格栅的极限抗拉强度,致使格栅网孔尺寸的选用还存在较大的主观性。为了研究土工格栅加筋尾矿的网孔尺寸,也就是格栅-尾矿界面与剪切面面积比对格栅-尾矿界面强度参数的影响规律。选用5种网孔尺寸(12.7 mm×12.7 mm,25.4 mm×25.4 mm,38.1 mm×38.1 mm,50.8 mm×50.8 mm,63.5 mm×63.5 mm)相同规格的土工格栅,分别通过直剪试验和拉拔试验对格栅-尾矿的界面特性进行分析,探求土工格栅加筋尾矿的合理网孔尺寸。试验结果表明:两种试验条件下,随着土工格栅网孔尺寸增大,格栅-尾矿界面强度指标似黏聚力减小,似摩擦角增大;格栅网孔尺寸的变化对似黏聚力的影响显著,对似摩擦角的影响较小;随着格栅网孔尺寸的增大,界面似摩擦因数逐渐降低,降低幅度越来越慢,且法向应力越大,界面似摩擦因数变化范围越小;相同条件下,拉拔界面似黏聚力约为直剪界面似黏聚力的0.7倍,拉拔界面似摩擦角约为直剪界面似摩擦角的045倍。为了更准确分析土工格栅加筋尾矿的效果,应该将格栅-尾矿界面摩擦作用从界面综合摩擦作用中分离出来,得到格栅-尾矿界面摩擦因数比;随着格栅-尾矿界面与剪切面面积比的减小,格栅-尾矿界面摩擦因数比先轻微上升,后发生陡降,格栅加筋作用迅速消失。土工格栅加筋尾矿的合理网孔尺寸应控制在格栅-尾矿界面与剪切面面积比为0.4左右,即所用格栅网孔尺寸为38.1 mm×38.1 mm时,此时土工格栅加筋尾矿的效果最佳。
  • 作者(Author):黄宇宸龚岩张志清卫俊涛郭庆华于广锁
    关键词(KeyWords):煤焦液化残渣气化反应活性理化结构

    摘要:液化残渣是煤炭液化过程的重要副产物,将其作为气化原料进行利用有助于提高煤炭综合利用效率。基于高频炉开展不同温度条件下(1 000,1 300 ℃)快速热解实验制取哈密淖毛湖长焰煤焦及其液化残渣焦,采用热重分析仪考察不同气化温度(1 000,1 100,1 200,1 300 ℃)下煤焦和液化残渣焦的气化反应活性,并借助扫描电子显微镜、物理吸附仪和激光拉曼光谱仪对样品的理化特性(孔隙结构与碳结构)进行系统表征以关联解释焦样气化反应活性。结果表明,哈密煤焦及其液化残渣焦的气化反应活性受气化温度、孔隙结构和碳结构的共同影响。相同热解和气化温度下煤焦气化反应活性高于液化残渣焦,主要由于煤焦和液化残渣焦孔隙结构和碳结构的差异:前者孔隙结构较后者更为发达,且碳结构有序度低于后者、无定形碳结构数量高于后者;气化温度从1 000 ℃升至1 300 ℃时,煤焦与液化残渣焦的反应性指数分别从0.43和0.38提高到0.81和0.79,反应指数比值从0.88提高到0.98,表明提高气化温度可以促进气化反应进行,但孔隙结构与碳结构对气化反应活性的影响减弱;气化温度为1 300 ℃时,温度成为影响气化反应活性的主要因素,液化残渣焦的气化反应活性接近煤焦,这表明从气化反应活性角度而言,液化残渣可以作为气流床气化原料加以利用。
  • 作者(Author):尹尚先王屹尹慧超徐斌王铁记杨俊文田午子徐维曹敏
    关键词(KeyWords):奥陶系灰岩及薄层灰岩水害全时空防治突水机理立体网状四位一体

    摘要:奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的地层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发。由于突水系数的局限性,依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和、突水系数将底板隔水层类型综合划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5种类型,淡化突水系数在极薄、厚及巨厚隔水层中的应用。阐述了薄层灰岩在串连奥灰与煤层形成水害的独特作用,定义了深部底板奥灰及薄灰水害概念及突水模式,总结了其五维度特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,阐明了奥灰水渗透、扩容、压裂、导升经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理,提出了相应的突水危险性评价公式P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。针对巨厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全控制深部突水的现状,创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的“全时空”综合防治理念,空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,创建了全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充的“全空域”立体防治模式,形成了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域“四位一体”技术质量控制流程,创立了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法。以邯邢矿区梧桐庄井田2603工作面为工程案例,确定奥灰顶面以下40~60 m和20~30 m、薄灰大青和山伏青灰岩为目标实施多层段地面超前区域治理及补充治理,配合野青和山伏青为目标井下补充治理和验证,形成立体网络治理;采用奥灰薄灰水文地质条件评估确定治理目标,用地面区域探查治理、补充探查治理以及传统井下查缺补漏验证前期治理效果,以治理效果检验、底板完整性评价、突水危险性评价、涌水量预测、排水能力评价等全面评估能否回采工作面,回采过程中采取水文监测、微震系统、矿压系统等综合监测手段紧盯薄层灰岩关键层,实现了工作面安全回采。
  • 作者(Author):金毅权伟哲秦建辉刘仙鹤郑军领宋慧波
    关键词(KeyWords):分形拓扑孔隙-孔喉分形多孔介质双复杂系统原始复杂性行为复杂性

    摘要:自然储层孔隙结构复杂,孔隙和孔喉共存且往往会表现出分形特征。经典的数量-尺度关系Rns及其衍生模型虽然能有效获取分形维数D,然而它们之间多对一的关系无法保证反演建模的惟一性。与此同时,分形对象中复杂类型的种类及其组构模式尚不明了,这导致储层复杂孔隙结构等效表征的困难。因此,厘清孔隙和孔喉多类型共存、多尺度分布的孔隙结构中的复杂类型,进而定量表征其组构模式对评估油气的赋存和运移规律至关重要。新近出现的分形拓扑理论表明分形对象是耦合原始复杂性与行为复杂性的双复杂系统。这两类复杂类型表现出相互独立的组构模式,其中原始复杂性确定单尺度与多尺度、单相与多相、单类型与多类型等缩放类型,而行为复杂性则决定自相似、自仿射、多重分形等尺度不变特征。基于此,本文有效标定了孔隙-孔喉耦合分形结构中的复杂类型种类,查明了孔隙、孔喉以及其连通性的原始复杂性归属,利用泰森多边形算法实现了孔隙-孔喉耦合行为的定量描述,依据分形拓扑理论给出了行为复杂性的尺度不变定义,结合原始复杂性与行为复杂性组构模式发展了一种精细表征孔隙-孔喉耦合分形孔隙结构的算法。基于新算法,模拟了不同复杂组构模式下的分形多孔介质,分析了原始复杂性与行为复杂性对孔隙结构的影响,推演了孔隙度及比表面积计算公式并验证了其有效性。
  • 作者(Author):严灼穆朝民袁树杰李重情齐娟
    关键词(KeyWords):瓦斯爆炸爆炸防治空腔抑爆熄火消波

    摘要:近年国内外学者对瓦斯爆炸抑爆隔爆技术的研究主要围绕抑爆剂、吸能材料和空腔等开展。文献指出空腔具有抑制瓦斯爆炸传播的功能,且抑爆性能受空腔体积大小影响。为探索体积不变条件下空腔尺寸特征对瓦斯爆炸传播抑制性能的影响,设计了体积为0.08 m3长宽比分别为5/8,8/5的矩形钢质空腔,壁厚10 mm,并将其铺设在36 m长的大型瓦斯爆炸管道系统中开展实验研究,考察瓦斯爆炸火焰和冲击波超压经过空腔后的变化规律。结果表明:长宽比5/8空腔对爆炸火焰、冲击波传播均有抑制作用,长宽比8/5空腔对爆炸火焰有抑制作用,但对冲击波传播有增强作用。在此基础上建立数值模型,将体积为0.08 m3长宽比分别为1/10,2/5,5/8,1,8/5,5/2的空腔铺设在管道系统中开展数值模拟研究,研究发现:空腔对瓦斯爆炸冲击波传播抑制作用取决于空腔长宽比,长宽比越小,空腔对冲击波传播抑制作用越强;且存在临界长宽比,当长宽比小于1时,空腔对冲击波超压传播具有抑制作用,当长宽比大于1时,空腔对冲击波传播具有增强作用,长宽比为5/2时,增强现象最明显。最后,分析了空腔长宽比影响瓦斯爆炸冲击波传播规律作用机理,空腔长宽比越大,在出口和入口能接收到的反射波就越多,反射波在出口和入口叠加后产生的冲击波超压也就越大,反之越小;空腔长宽比越大,在空腔内参与爆炸的预混气体越多,腔内爆炸越剧烈,产生的增量冲击波就越强,反之越弱;因此,长宽比越大,空腔对瓦斯爆炸冲击波传播抑制作用越差,反之抑制作用越好,当长宽比大于临界长宽比时,空腔会增强瓦斯爆炸冲击波传播。
  • 作者(Author):李成杰徐颖冯明明潘斌
    关键词(KeyWords):煤岩组合体径向变形泊松效应扩容劈裂破坏

    摘要:煤岩组合体由于组成结构不同,其变形破坏过程表现出与单体不同的特性。为探究煤岩组合体整体破坏过程中的变形与破坏规律,特别是组合体不同位置处的径向变形与扩容特征,以加工制作的类煤岩组合体为研究对象,采用静态应变测试系统与RMT岩石力学试验系统开展单轴压缩试验。利用沿轴向不同位置处粘贴的径向应变片与煤、岩体中部的轴向应变片获得了试件峰前段的应变特征,并分析了组合体试件煤体部分的扩容特性。通过对破坏后的试件进行剥离分解,阐述了组合体试件整体失稳过程中的裂纹扩展与破坏机理。研究表明:组合体不同位置径向应变不同,靠近煤体端部处应变最大,煤体中部次之,结合面处大于岩体部分,岩体中部最小,说明组合体煤体与岩体两部分变形受到彼此影响。应力峰前段组合体煤体部分径向变形受到岩体部分限制作用较显著,峰后段岩体部分破坏则明显受到煤体部分劈裂拉伸作用。在岩体部分限制作用下,相对煤单体,组合体中煤体部分扩容段变化较为平缓,在进入扩容阶段后可承受更久的荷载作用,且扩容点体积应变偏小,破坏机制的不同使得组合体整体冲击倾向性有所减弱。在对煤岩复合岩体开挖时,应加强距结合面相对较远处煤体的支护,同时应避免煤体部分破坏后裂隙扩展贯穿结合面所导致的岩体破坏情况,以保证围岩整体的稳定。

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