《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊

来源：《煤炭学报》

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2021年第2期组织策划了“新锐科学家”特刊，专题稿件覆盖煤炭安全绿色开采、智能矿山建设、煤炭清洁高效利用等方向。

行业视野: 煤炭学报
类别; 159个
关键词; 167位
专家; 32篇
论文; 40030IP
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扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究

作者(Author)：赵光明, 刘崇岩, 许文松, 孟祥瑞

摘要：为研究扰动诱发不同中间主应力单面卸荷岩体破坏特征，通过真三轴扰动卸荷测试系统和声发射监测系统，进行了不同中间主应力卸荷实验及卸荷扰动实验，研究了中间主应力对单面卸荷岩石强度特征、演变规律及破裂模式的影响，分析了中间主应力σ2方向扰动作用后卸荷岩石的力学特性。结果表明:在一定范围内，随着中间主应力的增大，卸荷岩石的稳定性和峰值强度都有所增强，但较大的中间主应力会逐渐弱化岩石的承载能力;随着中间主应力的增大，卸荷岩石的开裂模式由张拉-剪切破坏逐渐转变成张拉-劈裂破坏;在σ2≤30 MPa时，声发射信号经历了平静、持续出现伴随小幅突增、陡升高峰、持续低峰、大幅突增破坏;在σ2＞30 MPa时，声发射信号经历了平静、持续出现、多低峰、持续升高、突增破坏;不同类型扰动作用后卸荷岩石的破坏差异明显，中频中幅扰动后卸荷面形成明显V型破坏坑，分形维数最大，中频中幅扰动不仅加速了约束力小的卸荷面附近的小裂纹发育成核，同时也加速了远离卸荷面的大裂纹之间的连接贯通;扰动对岩石承载能力的损伤为中频中幅>高频低幅>低频高幅;工程建设时，不能简单增加σ2从而增强围岩承载能力，还要综合考虑σ2的增大会加剧卸荷岩体破坏时的剧烈程度，减少爆破和机械等对围岩的扰动，不能单一地改变扰动的频率或振幅。

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2021年第02期

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关键柱柱旁充填岩层控制基础理论

作者(Author)：白锦文, 崔博强, 戚庭野, 朱卫兵, 王凯, 史旭东, 毋皓田, 康立勋

摘要：采空区遗留煤柱群链式失稳表现出明显的联动致灾效应。运用遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，本文提出了关键柱柱旁充填岩层控制的技术方法，揭示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理，确定了柱旁充填体材料、强度、宽度和形态等技术参数，评价了关键柱柱旁充填岩层控制的效果，并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。结果表明：(1)关键柱柱旁充填岩层控制技术方法通过在采空区煤柱群体系的关键柱旁边实施柱旁双侧全部充填、柱旁双侧部分充填、柱旁单侧全部充填或柱旁单侧部分充填等工艺，使采空区中形成的柱旁充填体不仅能对关键柱起到侧护作用，还能形成“关键柱-柱旁充填体”的协同承载结构体，进而实现采场岩层移动的有效控制，并保障煤炭资源的安全高效绿色开采。(2)关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理主要体现在四个方面：①关键柱与柱旁充填体的耦合承载；②柱旁充填体对关键柱产生侧向约束；③关键柱的受力状态转变为应力强化；④减弱了关键柱强度的长度劣化。(3)关键柱柱旁充填体的材料以返井固废充填材料和原位固废充填材料为主，柱旁充填体的极限抗压强度应大于或等于其分担的载荷，柱旁充填后“遗留煤柱-柱旁充填体”耦合承载体中屈服区的宽度不能扩展与延伸至“关键柱”的原始弹性核区内，柱旁充填体的形态主要包括矩式、梯式、台阶式和多级梯式四大类。(4)柱旁充填后关键柱的应力集中程度会降低，其两侧塑性核区的宽度减小，且中央区域弹性核区的宽度增大；“关键柱-柱旁充填体”的应力分布与塑性区分布特征表明关键柱柱旁充填岩层控制的效果良好。(5)关键柱柱旁岩层控制基础理论不仅可以用于采空区遗留煤柱群链式失稳的防控，还能应用于优质遗留煤炭资源复采和地下空间维护与利用等技术领域，更能推广于非煤矿山资源开采技术领域。关键柱柱旁充填岩层控制基础理论的提出可以促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。

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2021年第02期

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考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

作者(Author)：程爱平, 戴顺意, 舒鹏飞, 付子祥, 黄诗冰, 叶祖洋

摘要：充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境，其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此，制作胶结充填体的标准圆柱体试样，采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统，进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验，获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果，探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验，从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响，引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件，构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型，并通过试验结果进行验证。研究结果表明:① 不同应力水平下，胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著，据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;② 不同应力水平下，胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内，声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内，声发射活动较少;加速蠕变阶段内，声发射事件最活跃;③ 对比单轴压缩破坏，胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓，主裂纹沿扩展方向发生明显偏转，完整性较好，以结构性失稳破坏为主;④ 构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度，较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。

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2021年第02期

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微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究

作者(Author)：胡国忠, 王春博, 许家林, 吴旭飞, 秦伟

摘要：如何有效地改变煤岩体物理力学性质是冲击地压防治领域亟待解决的关键难题，而微波致裂弱化法是解决这一难题的新途径。为探究微波致裂弱化法降低硬煤冲击倾向性的实效性，采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS电液伺服试验机，开展了煤体微波致裂弱化试验，研究了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律，确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围;在此基础上，研究了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应，分析了微波对煤体的热效应、煤体损伤因子与微波参量之间的变化关系，揭示了煤层巷道微波致裂弱化防冲机理。结果表明:① 微波致裂弱化法能有效降低或消除煤体冲击倾向性。煤体微波致裂后，煤样峰值强度大幅下降，应力-应变曲线峰后段应力降增多，使峰前积聚的总能量降低且分级释放，煤体由脆性向塑性转变;同时，煤样载荷-时间曲线峰后段表现出多台阶、分级跌落的特征，煤体积蓄的弹性能减少，从而导致煤体各项冲击倾向指标均有不同程度降低。② 微波辐射对煤体的减冲效果表现为能量阈值现象，而在微波能量恒定条件下高功率-短时间的能量组合更有利于煤体减冲。③ 微波对煤体内各矿物的选择性热效应使煤体产生热破裂，表现为煤样表面出现多条纵向裂缝以及与之垂直的分支裂隙。④ 煤样冲击倾向性与煤样纵波速度存在显著相关性。微波能量及其辐射强度越大，煤体纵波波速降幅越大，则煤体冲击倾向性越小。⑤ 煤巷微波致裂弱化防冲机理在于，通过增大冲击地压发生的临界塑性软化区半径，引起巷道围岩高应力区向深部转移，提高巷道围岩塑性软化区对弹性区释放能量的耗散能力;同时，煤体峰后软化模量显著降低，导致冲击地压发生的临界载荷增大，从而降低巷道发生冲击地压的可能性。

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2021年第02期

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循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

作者(Author)：张振宇, 钟春林, 薛康生, 秦其智

摘要：为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3 和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa 和3 MPa 下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。

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2021年第02期

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微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究

作者(Author)：王和堂, 贺胜, 章琦, 赵侠

摘要：抑尘剂(降尘剂)是提高水介质防尘降尘效率的重要途径，但目前煤矿应用的抑尘剂普遍为化学抑尘剂，存在表面活性较低、成本较高，降解性差、对环境有污染等问题。为此，提出研制高表面活性、天然环保的新一代抑尘剂——生物抑尘剂。研发了枯草芽孢杆菌发酵合成生物抑尘剂BDS(Biological Dust Suppressant)的工艺，并采用响应面分析法和Design Expert软件分析了菌株高产的最优发酵条件;采用X射线晶体衍射和红外光谱技术探究了BDS的晶体结构和官能团结构;采用表面张力仪测试BDS溶液的表面张力，研究其在不同温度、酸碱度和含盐量条件下的界面性能和环境耐受能力;采用界面流变仪和扫描电镜测试BDS的润湿性能，并与化学抑尘剂AEO(Alcohol ethoxylate)进行了比较。结果表明:对枯草芽孢杆菌进行活化、优选和培养可得到含有BDS的发酵液，然后采用酸化沉淀、超声萃取和减压蒸发方法对发酵液进行提纯，即可提取出BDS;在温度A=37.56℃、酸碱度B=7.99、摇床转速C=220 r/min、接种量D=2.17%、装液量E=59.89 mL的发酵条件下，BDS产量最大，达2.09 g/L;BDS结构上表现为各向同性，是一种具有长烷链和多肽结构的非晶体活性物质;BDS的临界胶束质量浓度为30 mg/L，较低的使用浓度即可将水的表面张力降至27 mN/m以下，在较大的环境参数变化范围内(温度≤70 ℃、酸碱度5~9、NaCl质量分数≤15%)，溶液表面张力仍保持在27~30 mN/m;6 mg/L(1/5临界胶束质量浓度)的BDS溶液与煤尘的接触角仅为11.19°，其润湿能力与500 mg/L(临界胶束质量浓度)的AEO溶液相比提高63.5%，表现出优异的润湿性能。研究工作为破解传统抑尘剂面临的表面活性和润湿能力较弱、生物降解性和环保性不足等难题提供了借鉴。

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2021年第02期

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索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响

作者(Author)：汤其建, 秦汝祥, 戴广龙

摘要：为了研究索特平均直径(D3,2)对煤粉及其在瓦斯气氛中爆炸特性的影响，利用20-L球形爆炸装置，测量了煤粉初始样和混合样及其在瓦斯气氛中的爆炸特性参数，研究了粒径分散度σD对煤尘爆炸威力的影响，对比分析了粒径特征参数D50，D4,3，D3,2值与煤粉粉尘爆炸威力的相关性;同时收集了煤粉粉尘爆炸的固体残渣，并通过扫描电镜对其微观结构进行了表征;最后，结合煤粉粉尘爆炸实验数据和产物微观结构分析结果，探讨了煤粉粉尘及其在瓦斯气氛中爆炸的机理。实验结果表明:当D50值相同时，σD值最大(2.31)时煤粉粉尘的压力最大值Pmax和(dP/dt)max值较σD值最小(1.49)时分别增加了14.71%和68.05%，说明煤粉粉尘的粒径分散度σD会显著影响其爆炸性能;相对于D50值和D4,3值，D3,2值可以更好的阐述煤粉粉尘的爆炸特性，D3,2值最大(120 μm)时的粉尘爆炸压力Pex和(dP/dt)ex值较D3,2值最小(2.5 μm)时分别降低了33.33%和83.33%，说明D3,2值对(dP/dt)ex值的影响大于对Pex值的影响;在瓦斯气氛中，随着D3,2值的增加，煤粉粉尘的(dP/dt)ex值逐渐减小，低瓦斯体积分数时，D3,2值对Pex值影响较小，但高瓦斯浓度时，D3,2值越大则Pex值越小，而煤粉颗粒的D3,2值越小，挥发分燃烧速率更快，爆炸更剧烈，其残渣表面的孔洞越多,破碎程度也越大。

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不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性

作者(Author)：裴蓓, 张子阳, 潘荣锟, 余明高, 陈立伟, 温小萍

摘要：在全透明有机玻璃管道中，利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV)，从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性，并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表明:3种工况下，随着甲烷体积分数的增加，爆炸超压和压力上升速率明显增高，压力峰值来临时刻减小，且当体积分数超过8.5%后，压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况，且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比，爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9.5%和8.5%时，复合火焰呈“倒钩形”，之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8.5%后，复合火焰亮度降低，结构呈现破碎和不连续的形态特点。PIV测试表明:甲烷体积分数为9.5%时，初始爆炸强度高，波前流速快，煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高，大大加快了煤粉与空气的混合速度，促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因。

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