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煤炭行业青年科学家论坛（2021年）

来源：煤炭科学技术

专题来源于《煤炭科学技术》2021年第2期。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 144个
关键词; 166位
专家; 30篇
论文; 15530IP
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深部冻结井筒内壁早期温度-应力场演化特征研究

作者(Author)：张基伟, 李方政, 喻新皓, 丁航, 孔令辉

摘要：为了研究深部热-力耦合条件下冻结井筒内壁早期温度应力问题，基于固体热传导原理与轴对称热应力理论，提出了考虑如内热源、外部冷源、塑料板摩擦约束、上覆井壁荷载和地层侧压力等多种边界条件的深井内壁大体积混凝土热-力耦合方法。获得了深部冻结井筒内壁早期温度-应力场演化特征，确定了易出现早期温度裂缝的高风险区，提出了混凝土早期温度裂缝防治措施优化方向。结果表明：①应用热-力耦合数值模拟方法求解出内壁大体积混凝土温度、应变最大值与现场实测结果较一致；②由于内壁水化放热导致内壁浇筑后中心位置的温度远高于内、外缘附近区域，极易导致温度裂缝的出现；③内壁浇筑初期，内壁各个位置应变为正，呈内缘至中部大于外缘的规律；浇筑后期，内壁外缘至中心区域出现收缩变形，应变最大为-6×10 -5；④内壁浇筑初期，内壁内部储存了一定的压应力，分布规律为内壁中部压应力大于内、外缘。随着内壁温度的不断下降，内壁外缘拉应力达到2.2 MPa，极易在此区域内出现井壁早期温度裂缝。

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煤炭科学技术

2021年第02期

428

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露天矿背斜区内排土场边坡基底处理方式优选研究

作者(Author)：赵红泽, 邵志奔, 杜海瑞, 邓有燃

摘要：露天矿内排土场边坡的稳定是露天矿顺利生产的重要保障，而排土场基底的岩层赋存条件是影响排土场边坡稳定性的重要因素。安家岭露天矿开采进入背斜影响区，现有内排空间无法满足排土需求，需要在背斜区进行排土。为解决露天矿背斜倾角较大区域倾斜基底排土场稳定性问题，以安家岭露天矿内排土场为研究对象，提出了针对背斜区倾斜基底进行处理的3个方案：基底麻面爆破处理，跟踪排弃台阶坡脚处拉抗滑沟处理以及背斜区倾角12°位置留设抗滑煤柱；使用Geo-studio软件Morgenstern-Price法研究在不同基底处理方式下进行背斜区单台阶跟踪排土，排土台阶的滑移模式以及稳定性变化情况。通过计算各个方案的经济成本，跟踪排土台阶稳定性系数以及背斜区域的单位排土量，构建了成本、稳定性系数、排土量3个评价指标，采用基于熵权TOPSIS法对所选指标进行加权，并根据方案与理想解的贴近度大小确定基底处理的最佳方案。研究结果表明：背斜区单排土台阶滑移模式为以排弃台阶坡顶至排弃物料内部的圆弧滑面为侧滑面，以沿着基底平面为底部滑面的切层-顺层滑动；相同排弃参数的排弃台阶，在基底坡度从陡变缓的过渡区域，排土台阶的基底平面接近于圆弧面，且单台阶排弃量增加,台阶稳定性发生突变，安全系数较上部台阶显著降低；通过基于熵权TOPSIS法对3个方案进行优选，确定麻面爆破方案为基底处理的最优方案。

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煤炭科学技术

2021年第02期

409

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煤中CH4扩散影响因素的分子动力学分析

作者(Author)：唐巨鹏, 邱于曼, 马圆

摘要：为从微观角度分析煤中甲烷扩散影响因素，以孙家湾、大同、双鸭山3种煤样为研究对象，基于XRD衍射试验结果，构建3种煤大分子结构模型，采用分子动力学模拟方法，研究压力、温度、CO2、H2O对CH4分子在煤中扩散的影响，揭示了不同影响因素下煤中CH4扩散系数变化规律。研究结果表明：压力增加，CH4分子在3种煤中扩散系数先减小后趋于稳定，当压力增大到一定值后孙家湾、大同、双鸭山3种煤中CH4分子扩散系数将分别稳定于1.084×10 -8、0.770×10 -8、1.137×10 -8 m2/s；相同压力条件下，3种煤中CH4分子扩散速率由大到小顺序为双鸭山煤、孙家湾煤、大同煤。温度升高，CH4分子在3种煤中的均方位移均增大，有利于其扩散，不利于其吸附；温度变化对CH4分子在3种煤中扩散速率影响程度由大到小为孙家湾煤、双鸭山煤、大同煤。在一定范围内，水体积分数增加对CH4分子扩散具有阻碍作用，含水饱和度增加对孙家湾与大同煤中CH4分子扩散速率影响较大，对双鸭山煤中CH4分子扩散速率影响较小，注水采气法对孙家湾煤矿与大同煤矿更有效。随CO2体积分数增加，CH4分子扩散系数减小。CO2对煤中CH4分子扩散抑制作用由强到弱为大同煤、孙家湾煤、双鸭山煤。与H2O相比，CO2对CH4分子在煤层中的扩散抑制作用更强，从分子动力学扩散系数角度表明煤层注CO2采气法更有效。

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煤炭科学技术

2021年第02期

478

635
不同阻塞条件下的隧道火灾全尺寸试验研究

作者(Author)：田向亮, 钟茂华, 刘畅, 李全明

摘要：为了研究阻塞条件下的隧道火灾危险性，选取某隧道网络中的某一支路作为火灾试验区，采用轴流风机通风，额定通风量为27 m 3/s，以甲醇池火为火源，火源功率分别为0.25、0.50 和1.00 MW。通过改变火源功率和隧道内风门的开闭模式开展全尺寸试验，分析火源横截面和隧道中心线竖直截面风速、隧道纵向拱顶温升、隧道中心面纵向温升等参数，研究了不同阻塞条件下的隧道火灾烟气扩散规律，获得了抑制隧道火灾危险性的风门控制模式。研究结果表明：①在隧道通风网络中，对称风流通过风门后，隧道截面距风门22 m处风速在整流作用下逐渐趋于均匀；②建立了考虑隧道阻塞比的隧道风量衰减模型，该模型可根据隧道阻塞比的变化预测隧道阻塞作用下的风量损失，同时可以计算沿程阻力损失的风量；③在自然通风条件下，当火源功率大于0.50 MW时，火灾烟气在火羽流作用下迅速向隧道拱顶浮动，通过对流换热使得拱顶温度急剧升高，对于隧道结构的稳定性具有巨大的破坏作用；可采用调节风门的方式控制通过起火区域的风量，从而优化隧道火灾危险控制模式，局部风速大小对火灾危险性影响不大；当起火区域风量不足时，人眼高度处温度升幅较大，不利于人员逃生与救援；④阻塞条件下隧道断面不对称进风流易造成风流结构紊乱，使得隧道火灾烟气温度分布不稳定，危险性较大。

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煤炭科学技术

2021年第02期

345

635
浅埋近距离煤层群工作面上隅角贫氧致因及综防技术

作者(Author)：潘荣锟, 刘伟, 李怀珍, 晁江坤, 王亮

摘要：我国神东、平朔、大同煤田赋存着大量浅埋近距离煤层群，浅埋近距离煤层群具有煤层埋藏浅、煤层间距近等特点，在开采扰动下，层间易产生裂隙形成漏风通道，当地表空气进入上覆采空区，易引起上覆采空区遗煤自燃，间接影响下层煤开采过程中工作面上隅角的氧气浓度，造成贫氧现象。为了探究浅埋近距离煤层群工作面上隅角贫氧致因，提出防治贫氧的措施，以大恒煤矿91103综采工作面为研究背景，采用理论分析、CDEM数值模拟以及SF6示踪气体漏风测试等方法进行了研究。结果表明：地面裂缝、沉积现象明显；模拟煤岩损伤、破裂过程、裂隙发育，得出地表与上覆采空区、工作面贯通模型；利用连续定量释放SF6示踪气体在工作面进行漏风测定，测定结果验证了数值模拟中地表、上覆采空区以及工作面的贯通。工作面上隅角贫氧是由于浅埋赋存煤体破碎析出的低氧气体、采空区氧化衍生气体以及防灭火注入的惰性气体，在通风负压和大气压力的双重作用下，通过漏风通道进入工作面，加之U型通风方式的通风特点等多种因素共同造成的，其中工作面与地表贯通造成漏风严重是上隅角贫氧的主要致因。基于对贫氧致因的研究，大恒煤矿采用了井上下堵漏、安设风帘、埋管抽采、风机配合风筒等综合性防治措施，有效解决了工作面上隅角贫氧对安全生产的制约和影响，确保了工作面上隅角氧气浓度始终处于正常水平。

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煤炭科学技术

2021年第02期

593

866
煤矿采动影响下地面井群瓦斯抽采范围研究

作者(Author)：孙海涛, 付军辉, 张志刚, 胡君

摘要：随着我国煤矿开采强度的日益提高，矿井回采空间瓦斯涌出量大幅增加，即使低瓦斯矿井也有瓦斯“爆涌”问题显现。如何进行大范围、区域化的连续抽采，形成对回采空间涌出瓦斯的低成本长效控制，依然是目前面临的重要难题。采动区瓦斯抽采地面井在地面施工,能够连续进行采动区/采空区抽采，是区域化连续抽采控制回采空间瓦斯浓度的有效技术。因此，在对采动区内覆岩裂隙场渗流特征分析基础上，建立了采动区地面井抽采条件下地面井周围采动影响范围内的气体压力衰减梯度变化函数，提出了以采动裂隙场内气体压力衰减梯度曲线拐点为依据的地面井有效抽采范围判定原则；进而，建立了采动区瓦斯地面井（群）抽采效果评估方法，并提出了抽采率指标的计算模型；最后，以晋煤集团岳城矿为背景，采用COMSOL Multiphysics数值模拟分析和现场小井群抽采试验相结合的方法对采动区瓦斯地面井小井群抽采的参数优化、应用效果等进行了对比分析与验证，证明了采动区瓦斯地面井（群）抽采具有很高的实用价值。

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煤炭科学技术

2021年第02期

508

660
瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

作者(Author)：蒋长宝, 余塘, 段敏克, 殷文明

摘要：煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响，基于应变，探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响，构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型，并结合前人的试验数据，对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明：①将煤体的结构单元体简化为立方体模型，分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响；基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系，推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似，均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形；通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同，构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据，进行了全局优化非线性拟合，与基于有效应力的模型相比，所构建的模型与试验数据吻合度较好，验证了所建立模型的可靠性，并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。

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煤炭科学技术

2021年第02期

382

703
近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究———以山西吕梁沙曲矿区为例

作者(Author)：程志恒, 陈亮, 邹全乐, 王宏冰, 浦仕江, 齐庆新, 梁椿豪, 樊少武, 苏士龙, 闫大鹤

摘要：为掌握近距离煤层群叠加开采的应力-裂隙-瓦斯渗流规律，构建近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系及动态评价模型，以山西吕梁沙曲矿区为研究对象，采用物理相似模拟、超声波试验及SF6示踪气体现场监测相结合的研究方法，分析了沙曲矿区近距离煤层群煤层气资源的赋存特点，探究了沙曲矿区近距离煤层群多次扰动下煤岩损伤变量随应力的变化规律，建立了Boltzmann煤岩损伤方程，得出了沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条件下采动应力演化-裂隙发育-瓦斯运移规律。研究结果表明：沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯运移，在近距离煤层群叠加开采条件下二次采动对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单的效果叠加，而是“1+1＞2”的影响效果，下覆煤层在叠加开采下产生了贯穿型裂隙，并在其周围衍生了大量的次生裂隙，为煤层瓦斯运移提供了优势通道；根据沙曲矿区煤-气共采不同阶段的时空条件和消突要求，分区分级优选并集成了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系，即在规划区采用多种地面井规模化多煤层长时间预抽煤层气，在准备区采用多分支水平井井孔定向对接共采和保护层开采+底抽巷定向钻孔群抽采，在生产区采用大采高沿空留巷共采及大直径定向钻孔群共采技术；通过分析煤与瓦斯共采的影响因素，提出了近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系，建立了贝叶斯煤与瓦斯共采评价模型，实现了对沙曲矿区煤与瓦斯共采效果及矿井部署合理性的评价，得出沙曲一矿煤与瓦斯共采动态合理性概率为0.65、共采合理性等级为“较为合理”；最后阐述了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术存在的关键问题，展望了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术未来发展方向。

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煤炭科学技术

2021年第02期

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