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煤炭行业青年科学家论坛（2020年）

来源：煤炭科学技术

专题来自于《煤炭科学技术》2020年第2期，共有29篇论文。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 129个
关键词; 139位
专家; 29篇
论文; 17553IP
点击量; 24244次
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采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

作者(Author)：程志恒, 卢云, 苏士龙, 刘彦青, 陈亮

摘要：为了提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率，消除工作面上隅角瓦斯超限事故，以山西华晋吉宁煤业有限责任公司2102综采工作面为研究对象，采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法，利用3DEC软件模拟计算2102综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化过程，根据裂隙场、应力场和应变场分布模拟结果在沿工作面推进方向上划分采空区顶板裂隙加强区范围与压实区范围，工作面推进期间煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区，处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域，钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率，揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制；在此基础上，在采空区顶板裂隙带高度范围内布置多个高位试验钻孔，进行钻孔瓦斯抽采效果考察，研究结果表明：在保证高位钻孔布置于回风巷内侧顶板裂隙带前提下，最佳布孔层位为距煤层底板60 m左右，同时在高位试验钻孔作用下，上隅角瓦斯体积分数最大值由1.1%降低至0.6%，说明根据回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围，布置高位走向长钻孔能显著降低上隅角瓦斯浓度。

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煤炭科学技术

2020年第02期

905

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采场顶板关键层“横U-Y”型周期破断特征的试验研究

作者(Author)：朱卫兵, 于斌, 鞠金峰, 刘文兵, 齐祥瑞

摘要：针对部分坚硬顶板矿井采动导水裂缝带处于8～15倍采高的高位关键层，“横O-X”破断运动引发工作面动载矿压甚至压架、临采空侧回风平巷超前100～200 m底鼓大变形等动力灾害的问题，采用自制的大尺度三维物理模拟实验平台，研究高位关键层的破断运动特征。结果表明：关键层发生横向破断时，首先，关键层板正面两侧长边和反面中部长轴方向同时形成破断裂隙；其次，关键层板正面两侧短边形成弧形裂隙，而反面沿中轴线端点同步形成八字形破断裂隙；再次，在板正面形成“O”形裂隙的同时反面形成“X”形裂隙，正面形成“U”形裂隙的同时反面形成“Y”形裂隙；最后，正反面裂缝贯通形成“横O-X”型初次破断和“横U-Y”型周期破断，在工作面上方形成“弧形三角板”和巷道上方形成“梯形板”的破断块体结构。统计发现，“横O-X”初次破断步距与“横U-Y”周期破断步距长度基本一致；横向破断形成的“弧形三角板”块体角度为75°～78°，与腰线和弧形切线形成的夹角72°～82°基本相等，近似于一个等角的“弧形三角板”。砌块模型试验结果表明，“弧形三角板”块体大幅回转过程中，因其顶点易与“梯形板”结构发生回转变形失稳而出现脱离现象，导致“弧形三角板”滑落失稳从而会引发工作面强矿压。研究成果为大采高开采工作面强矿压灾害防治提供试验基础。

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煤炭科学技术

2020年第02期

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高碱煤燃烧过程中碱金属沾污特性的预测模型研究

作者(Author)：宋国良, 杨雪婷, 杨少波

摘要：为了克服传统预测方法的局限性，笔者提供了一种能够准确预测高碱煤燃烧沾污特性的模型，该预测模型还可以根据煤的沾污特性给出其适用的温度范围。本预测模型采用三步化学萃取法来检测煤样中的钠含量，以避免对煤进行灰化时造成钠的挥发损失，因此能够直接精确地测定煤样中的总钠含量及各个形态的钠含量。另外，本预测模型不仅考虑钠、钾和固相沾污源的影响，同时考虑到其它易挥发组分（如碱土金属、硫和氯）对煤沾污特性的影响，并将温度引入沾污模型中。按本模型获得的沾污指数RT预测量化区间如下：RT≤0.60，弱沾污性；0.60<RT≤1.00，中等沾污性；RT>1.00，强沾污性。为验证该预测模型的准确性，分别以沙尔湖煤和神华准东煤为试验对象对预测模型进行了验证，验证结果表明：① 700 ℃时，RT=0.59<0.60，沙尔湖煤处于弱沾污区；850 ℃时，0.60<RT=0.83<1.0，沙尔湖煤处于中等沾污区；900 ℃时，0.60<RT=0.95<1.0，沙尔湖煤处于中等沾污区；950 ℃时，RT=1.11>1.0，沙尔湖煤处于强沾污区。②神华准东煤相比于沙尔湖煤沾污性较弱。850 ℃时，RT=0.53<0.60，神华准东煤处于弱沾污区；900 ℃时，0.60<RT=0.78<1.0，神华准东煤处于中等沾污区；950 ℃时，0.60<RT=0.87<1.0，神华准东煤处于中等沾污区。该预测结果分别与沙尔湖煤和神华准东煤的燃烧试验结果一致，进一步验证了预测模型应用的准确性与可靠性，可适用于高碱煤工业应用过程中碱金属沾污性的预测。

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煤炭科学技术

2020年第02期

514

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煤岩的纳微力学特性研究：以Pocahontas煤岩为例

作者(Author)：唐旭

摘要：煤岩的力学特性是煤炭开采设计及安全开发过程中要考虑的重要因素。尽管目前对煤岩的宏观力学性质已经有深入的研究，但是对煤岩纳微尺度力学性能测试及相应的力学参数测试却少有涉及。笔者采用原子力显微镜峰值力轻敲模式（AFM Peak Force Tapping mode）对美国阿帕拉契亚山脉地区Pocahontas煤岩进行试验，定量分析其纳微尺度形貌，纳微尺度的力学参数及相应的纳微尺度力学特性。研究表明：原子力显微镜峰值力轻敲模式可以定量测定纳微尺度煤岩的形貌、折减弹性模量（DMT）、黏附力、变形量和耗散能，并将测试结果以二维和三维的形式进行展示。该测试煤岩的DMT模量为10~14 GPa，黏附力约20 nN，最大变形量约12 nm，耗散能约3 keV。该结果表明：原子力显微镜峰值力轻敲模式可以用来测定煤岩纳微尺度力学参数，为研究煤岩的纳微力学特性及相应的煤岩力学数值模拟试验奠定基础。该试验方法不仅对研究纳微尺度煤岩破裂机理和解释煤岩瓦斯耦合作用（吸附等）而产生的力学现象有一定的指导作用，同时也为探索煤岩纳微力学特性提供一种新的研究方法和视角。

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煤炭科学技术

2020年第02期

504

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陷落柱对煤岩折射波的影响及相应成像方法研究

作者(Author)：王季, 刘最亮, 牛欢, 李刚

摘要：震源在煤层内激发后，当入射角等于或大于临界角时，将同时形成槽波和折射波，折射波沿煤层与顶底板的分界面传播并不断重新进入煤层而被检波器接收，与在地面激发和接收的折射波不同，在煤层内激发和接收的折射波具有很强的周期性和频散性，是井下地震波场的重要组成部分，但对其探测构造的能力一直缺乏深入的研究，为了验证折射波探测陷落柱的有效性，分析了折射波的形成与传播规律以及在遭遇陷落柱时速度与振幅的变化情况，通过对含陷落柱工作面模型的正演模拟，比较和分析了陷落柱对折射波与槽波振幅的不同影响，通过将振幅衰减系数成像方法应用于折射波上，实现了利用折射波对工作面内隐伏陷落柱的探测，对碾沟矿2101工作面实际数据进行了处理。结果表明：井下地震记录中既包含槽波也包含折射波，折射波的纵横波速度接近于围岩的纵横波速度，折射波振幅弱于槽波，但在特殊地质条件下会出现折射波振幅强于槽波的现象；陷落柱等贯穿煤层和顶底板的异常构造能够对折射波振幅造成较大影响，遭遇陷落柱时折射波的振幅衰减程度大于槽波，折射波振幅衰减系数的成像结果能够有效反映实际陷落柱的位置与边界；折射波成像精度低于槽波，可作为槽波探测的有效补充，特殊地质条件下槽波能量弱，此时折射波可替代槽波实现陷落柱探测。

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煤炭科学技术

2020年第02期

613

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矿区地表移动“空天地”一体化监测技术研究

作者(Author)：张凯, 李全生, 戴华阳, 郭俊廷, 阎跃观

摘要：矿区地表移动观测是研究开采影响规律、损害防治、矿区地质灾害预警、开采减损方案设计或优化的主要手段和依据。因观测技术的局限性和矿区地形条件的复杂性，使得观测工作在观测精度、观测效率、人力投入、经济成本及数据处理等方面难以满足实际需求。为实现复杂地形或大区域条件下矿区地表移动的高效、高精度观测，阐述了目前矿区常用的精密水准测量、导线测量、GNSS测量技术、InSAR测量技术、无人机遥感测量技术、激光雷达扫描技术在观测精度、作业效率、数据可靠性等方面的优势和不足；针对传感器空间位置特征、数据采集特征以及数据的可融合性，提出了传统高精度测量与现代高效快速大范围测量相结合的空天地一体化监测技术，建立了集数据采集、数据处理及结果展示为一体的空天地一体化监测体系；提出了数据采集以高精度、高效率、低成本，数据处理以高质量、快速，结果展示以直观、全面的空天地一体化监测准则。采用InSAR、GNSS、三维激光扫描技术在神东上湾矿进行了监测，较好地分析了地表下沉分布特征，协同监测结果表明，在开采面积0.58 km2时，地表沉陷面积0.71 km2，最大下沉量6 300 mm，下沉系数0.63～0.72，与动态实时监测结果一致。应用结果表明，空天地一体化监测多源数据融合方法，可以满足浅埋、高强度开采、复杂地形及植被影响矿区的地表移动观测需求。

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2020年第02期

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黔北地区页岩孔隙结构特征及水渗流演化规律研究

作者(Author)：李波波, 陈帅, 杨康, 李建华, 任崇鸿

摘要：为探究页岩孔隙结构特征以及水渗流演化规律，以黔北地区牛蹄塘组页岩为研究对象，首先采用低温液氮吸附试验以及高压压汞试验分析页岩内部微观孔隙结构特征,然后在恒定围压、轴压条件下利用三轴渗流装置进行了不同有效应力条件下的三轴渗流试验，探讨页岩有效应力与渗透率之间的关系，建立了考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型，并通过与初始渗透率受应力状态下的页岩渗透率模型对比分析验证其合理性。结果表明：黔北地区牛蹄塘组页岩是一个从微孔到大孔的连续分布体系，5种页岩的吸附-脱附等温曲线其类型与IUPAC分类中的Ⅳ型最为接近而且进汞-退汞曲线形态近似，大孔的类型以一端封闭的不透气孔为主，中孔则以两端开放的毛细孔等开放型孔为主，微孔主要以细颈广体孔和墨水瓶孔为主；页岩孔径分布复杂，含有大量的微孔和中孔，其中微孔和中孔提供了大部分孔比表面积，而大孔则是孔体积的主要贡献者；在相同围压、轴压条件下，页岩渗透率随着有效应力的增大呈逐渐减小的趋势，且渗透率和有效应力呈指数函数关系；考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型计算曲线与渗透率试验所测的数据基本吻合，且能很好反映恒定围压、轴压条件下有效应力与渗透率之间的变化关系。

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煤炭科学技术

2020年第02期

524

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滇东恩洪区块地应力分布及深部煤层气临界深度预测

作者(Author)：鞠玮, 姜波, 秦勇, 吴财芳, 兰凤娟, 李明, 徐浩然, 王胜宇

摘要：我国滇东恩洪区块二叠系煤层气资源丰富，该区块是今后煤层气开发的重点区域之一，地应力分布对于储层压裂改造等煤层气开发工程具有重要影响。在注入/压降试井方法实测地应力约束下，基于Anderson修正模型对恩洪区块地应力分布进行预测，总体上，水平最大主应力SH，max、水平最小主应力Sh，min和垂向主应力Sv在不同深度段呈现不同应力机制类型，由浅至深依次表现为逆断型、走滑型和正断-走滑型。研究结果表明：在该区块二叠系宣威组内，地应力遵循SH，max≥Sv>Sh，min的关系，呈现正断-走滑型应力机制，而宣威组煤层地应力数值较其顶底板小，表现为正断型应力机制；岩石类型与埋藏深度影响地应力分布，水平主应力随埋藏深度的增加呈线性增大，杨氏模量小的煤岩，其水平地应力值最低；滇东恩洪区块深部煤层气临界深度约为700 m；研究结果可以为滇东恩洪区块煤层气开发提供新的地质参考。

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2020年第02期

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