西安科技大学李树刚教授团队发表于《煤炭科学技术》系列成果（29篇）

李树刚教授长期从事煤与瓦斯安全共采、采场矿山压力与岩层控制的教学与科研工作。创新了采动裂隙椭抛带理论，提出椭抛带瓦斯抽采技术，揭示出煤岩瓦斯非线性失稳机理，创立了基于采动裂隙椭抛带的煤与瓦斯安全共采理论与技术体系，成果在十余个矿区应用。（专题整理于（2023-06-13）

行业视野: 安全
类别; 99个
关键词; 66位
专家; 26篇
论文; 13058IP
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超声波功率对煤体力学损伤特性及能量演化的实验研究

作者(Author)：李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 杨二豪, 赵泓超, 秦雷, 郝荷杰

摘要：为研究超声波致裂后对煤体力学损伤特性及能量演化规律，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩实验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。实验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期，波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延-塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗流网络，提高了煤层渗透率。

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煤炭科学技术

158

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基于Pearson特征选择的LSTM工作面瓦斯浓度预测模型及应用

作者(Author)：刘超, 张爱琳, 李树刚, 薛俊华, 雷晨, 张超

摘要：在面向大量特征和大数据时，传统方法存在无法将瓦斯浓度和其影响因素有效耦合起来的问题，导致预测精度低和效率差等。针对传统瓦斯浓度预测方法存在的问题，创新性地提出运用皮尔逊（Pearson）系数对瓦斯浓度数据进行特征选择，再使用自适应矩估计（Adam）优化的长短期记忆神经网络（LSTM）进行时序性预测的方法，并在模型构建的过程中通过比较拟合效果、运行时间和结果误差三个指标不断的调整网络层数和批尺寸（Batch Size）大小得到最优的预测模型。以玉华煤矿2407工作面监测数据为样本，与传统机器学习双向循环神经网络（Bi-RNN）和门控递归单元（GRU）进行对比。结果表明：Pearson-LSTM预测模型更精确，模型的平均均方误差可降到0.015，误差范围为0.005～0.04，对瓦斯浓度时间序列预测具有较好的精确性和鲁棒性。并在玉华煤矿2409工作面进行超前15min预测，均方误差可降到0.008，验证了模型的适用性和可靠性，为煤矿安全生产提供参考意见。

煤炭科学技术

150
基于微胶囊技术的瓦斯抽采钻孔密封材料研究

作者(Author)：张超, 范富槐, 李树刚, 翟成, 江丙友, 杨朴超, 曾祥真

摘要：煤矿瓦斯抽采钻孔密封材料的性能在改善钻孔密封质量、提高瓦斯抽采效率等方面起着至关重要的作用。为了改变传统水泥基钻孔密封材料在水化初期发生无效膨胀的问题,采用理论研究、物理试验与测试相结合的方式,提出了利用微胶囊技术延缓密封材料膨胀时间的方法。实验确定了以乙基纤维素 (EC) 作为囊壁材料、蒙脱石 (MMT) 为囊芯材料,以相分离法制备延迟膨胀微胶囊,并通过单因素实验与响应曲面分析法 (RSM) 得出各关键参数之间的交互作用,结果表明各关键参数对包封率的影响程度大小排序为:搅拌速率>芯壁比>聚乙烯 (PE) 用量。此外,根据 Design-Expert 软件得出微胶囊制备的最优参数为:芯壁比为 0.8,PE 用量为 1.5%、搅拌速率为 400 r/min。最后,通过自主设计的模拟钻孔密封性能实验表明:延迟膨胀密封材料相较于普通膨胀材料具有更好的密封性能,其有效密封时间可提高 60% 左右。

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煤炭科学技术

2023年第04期

320

220
超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

作者(Author)：李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 杨二豪, 赵泓超, 秦雷, 郝荷杰

摘要：为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗流网络，提高了煤层渗透率。

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煤炭科学技术

2023年第01期

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基于MPC的瓦斯抽采智能调控模型研究

作者(Author)：马莉, 石新莉, 李树刚, 林海飞, 宋爽, 代新冠

摘要：为了提高瓦斯抽采的安全性、效率性、降低抽采的经济成本，分析了瓦斯抽采系统运行的安全约束条件及效率约束条件；分析了瓦斯抽采系统四大控制任务及瓦斯抽采优化数学模型；根据理论调控策略，提出了瓦斯抽采智能调控的完整流程。以上述调控流程为基础，提出了瓦斯抽采智能调控模型，将瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯量、瓦斯抽采负压及抽采泵效能比作为被控量，抽采钻孔的阀门开度和抽采泵功率作为控制量，利用简单循环神经网络(simpleRNN)分析处理被控量历史数据的时间变化规律，学习得到被控量随时间变化的理想动态拟合曲线。通过模型预测控制算法(MPC)对控制量进行智能调控，使被控量的实际值无限趋近于其理想动态拟合曲线对应时刻的参考值。利用校正反馈和滚动优化不断增强瓦斯抽采智能调控模型的抗干扰能力，最终提高煤矿瓦斯抽采的安全性和效率。以模拟瓦斯抽采数据为例，完成了算法仿真实验。试验结果表明：瓦斯抽采浓度总体变化趋势从40%～5%随时间递减，瓦斯抽采纯量从总体变化趋势9.0～5.0 m3/min依次按时间递减，通过循环神经网络得到的理想动态拟合曲线具有很好的数据拟合度，能较准确的反映瓦斯抽采浓度数据和瓦斯抽采纯量数据的变化规律；瓦斯抽采负压及抽采泵效能比理想动态拟合曲线能较准确地维持在10～30 kPa和1.3～1.5 m3/(kW·h)，满足瓦斯抽采过程的经济和安全需要；模型预测控制算法对控制量的动态调控能克服环境及非线性因素的干扰达到较好的调控效果，为瓦斯抽采智能调控提供了一定的参考依据。

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煤炭科学技术

2022年第08期

304

272
压裂液腐蚀效应下煤体力学损伤规律及增透效果研究

作者(Author)：王宁, 李树刚

摘要：为了提高低渗透煤层增透效果，〖JP2〗提出采用表面活性剂协同酸液的腐蚀煤体技术改进煤层传统水力压裂技术，利用腐蚀性压裂液增强压裂液在煤体中的破坏效果，揭示腐蚀煤体力学变化特性，并将基于压裂液腐蚀的煤体增透技术在煤矿现场进行工业化应用，考察煤层增透及瓦斯抽采效果。研究结果表明：经过压裂液腐蚀的煤样破坏过程分为4个阶段：裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段及裂纹加速扩展阶段，腐蚀压裂液深入煤岩内部的孔洞和裂隙中，与其中的黏土矿物和无机盐矿物等杂质矿物反应，造成煤岩孔洞和裂隙的破坏，导致煤样内部出现了不贯通裂隙，在经过腐蚀处理后，煤样破坏过程中进入裂隙稳定扩展阶段所受的应力变小，煤样强度降低，经过十二烷基磺酸钠(SDS)协同腐蚀处理后煤样强度最低，煤样产生裂隙所受的应力值最低，表明SDS对腐蚀效果破坏煤体结构具有积极作用。通过工业性试验可得，同普通水力压裂孔对比，酸化腐蚀压裂孔维持在高浓度、高流量的时间长，衰减得慢。压裂影响区域导向孔瓦斯抽采体积分数最高达到76%；与平均瓦斯浓度相比，水力压裂钻孔瓦斯抽采体积分数提高了8%，钻孔间距从6 m扩大到11 m，节约〖JP〗了煤矿瓦斯治理成本。

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煤炭科学技术

2022年第05期

150

329
卸压瓦斯运移区“孔-巷”协同抽采布置参数优化及高效抽采

作者(Author)：赵鹏翔, 康新朋, 李树刚, 林海飞, 甘路军, 安星虣

摘要：高突矿井瓦斯抽采是治理工作面隅角瓦斯超限的重要手段，各抽采方式布置层位不同，其抽采效果存在明显差异，研究协同抽采各抽采方式的最优布置层位具有重要意义。为提高高抽巷抽采效率实现瓦斯精准抽采，基于“椭抛带”理论，运用Fluent数值模拟软件对协同抽采各抽采方式的布置层位进行模拟研究，分析各布置条件下工作面隅角瓦斯浓度，确定最优布置层位。模拟结果表明协同抽采中各抽采方式布置层位为：高抽巷最优平距25 m，最优垂距30 m，定向长钻孔最优平距在10～20 m，最优垂距在11～21 m。通过对单一抽采与协同抽采进行对比分析，协同抽采中回风侧快速提升区跨度明显增大，使得回风侧经上隅角涌入工作面的瓦斯强度降低，隅角瓦斯得到进一步控制。协同抽采较好解决了工作面回风侧风流引起的相对负压造成上隅角瓦斯大量聚集的问题，隅角涡流所引起的瓦斯聚集现象在长钻孔抽采下逐步消失。优化后的布置参数进行现场应用后，试验工作面在生产期间高抽巷平均抽采纯量为64.79 m3/min，占瓦斯涌出量的79.91%，定向长钻孔平均抽采纯量为9.68 m3/min，减小了风排瓦斯的压力，上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内，试验工作面瓦斯超限问题得到有效治理，保证了生产工作安全高效进行。

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煤炭科学技术

2022年第02期

419

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预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究

作者(Author)：成小雨, 李树刚, 龚选平

摘要：为了揭示煤岩动力灾害物理模拟的细观损伤机制，利用YYW-Ⅱ单轴压缩试验仪及PCIE-8声发射（AE）监测系统，探究了含不同长度预制单裂隙的砂岩相似材料试样在单轴压缩条件下的力学特性、破坏特征和损伤演化特性。结果表明：随着预制单裂隙长度的增加，试样的峰值强度和残余强度近似线性减小，分别由746.84 kPa和199.117 kPa减小至597.643 kPa和110.375 kPa，而峰值轴向应变和初始压密阶段应变近似线性增大，分别由0.018 18和0.002 40增大至0.023 61和0.005 32；预制裂隙对试样破坏形式及特征的影响增大，试样的主导破坏形式逐渐由剪切破坏，经剪切张拉复合破坏，演变为贯穿裂隙中部的纵向张拉破坏；试样的声发射（AE）事件累计和能量累计均呈逐渐减小的趋势，分别由465和82 278 J减小至306和54 152 J，AE事件活动逐渐减弱；试样损伤演化经历了初始损伤累积、损伤稳定发展和损伤加速发展3个阶段，稳定发展和加速发展阶段损伤增大，分别由0.621和0.734增大至0.655和0.817，预制单裂隙对试样损伤演化在加速发展阶段的影响大于稳定发展阶段，各试样的最大损伤变量差值在损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段分别为0.017和0.042；相似材料在受载过程其力学、声发射、损伤特征具有较强的相关性，力学变化引发了损伤变化，而损伤变化又与声发射参数的变化具有较强的因果关系，AE事件特征参数可准确描述相似材料的损伤破坏特性。

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煤炭科学技术

2022年第02期

298

477