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; 107个
关键词; 70位
专家; 28篇
论文; 13221IP
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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

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倾斜厚煤层仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区分域方法及分形特征研究

作者(Author)：赵鹏翔, 王玉龙, 李树刚, 林海飞, 金士魁, 卓日升, 双海清

摘要：为研究倾斜厚煤层仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区的分域方法及分形特征，以分形理论和灰色理论为基础，运用平面物理相似模拟实验研究的手段，开展了仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区裂隙演化规律研究，得到了覆岩瓦斯缓渗区的动态扩展规律，进而对覆岩瓦斯缓渗区精细分域方法进行构建，并采用灰色关联分析方法对覆岩瓦斯缓渗区沿横向(工作面推进方向)和纵向(垂直于煤层底板向上方向)分形维数与离层量、破断裂隙密度及应力集中系数之间的最大关联度分别进行确定。研究结果表明：覆岩瓦斯缓渗区在第一次周期来压后初步形成，其后每次周期来压时，覆岩瓦斯缓渗区两侧的垮落角均不断减小而宽度和高度均不断增大。具体表现为从缓渗区初次形成至缓渗区充分发育期间，缓渗区开切眼侧和工作面侧的垮落角分别从68.3°和76.2°减小到44.7°和53.5°；而缓渗区的宽度和高度分别从16.3m和19.2m增大到52.1m和38.4m。根据建立的覆岩瓦斯缓渗区分域准则及流程，结合灰色关联分析方法，得到覆岩瓦斯缓渗区沿横向和纵向分形维数变化均与离层量变化相关性最强(γ1=0.93，γ1*=0.91)，并通过实验验证了理论计算的准确性。因此，在后期确定卸压瓦斯抽采钻孔(巷道)终孔(巷)时，可通过现场观测离层量对覆岩瓦斯缓渗区边界进行判断，研究结果对采空区卸压瓦斯精准高效抽采具有一定的指导意义。

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煤炭科学技术

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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。

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倾斜厚煤层综放面伪斜长度变化与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究

作者(Author)：赵鹏翔, 安星虣, 李树刚, 康新朋, 黄义通, 杨俊生, 金士魁

摘要：倾角煤层的开采，常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动，并为机头机位提供更多作业空间，但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化，导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出现上隅角瓦斯超限的问题，应用Fluent数值模拟软件，分析不同伪斜长度下采空区瓦斯浓度分布规律，确定最优伪斜长度。为研究采空区瓦斯运移规律，应用Fluent数值模拟软件，从伪斜长度分别为20m、25m、30m、35m对U 型通风方式下的采空区瓦斯分布及流场情况进行研究。模拟发现：伪斜长度，在一定程度上影响着采空区内的风流，使得采空区内风流紊乱，瓦斯局部地区集聚严重，进而对采空区内的瓦斯分布及运移造成一定的影响。研究结果表明：工作面伪斜长度对于采空区瓦斯浓度分布有着显影响，随着伪斜长度的增加，采空区内风流发生提前转向，导致采空区瓦斯提前向工作面涌出，瓦斯异常区从上隅角处逐渐向工作面偏移，上隅角瓦斯浓度逐渐降低。通过模拟结果对现场伪斜长度优化应用后，试验工作面在伪斜长度25m左右时，上隅角、回风巷最大瓦斯浓度均控制在1%以内，工作面未出现瓦斯异常积聚现象。模拟结果与现场观测吻合，得到最优伪斜长度为25 m。

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138
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

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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

300

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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

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