西安科技大学李树刚教授团队成果专辑_中国煤炭行业知识服务平台

西安科技大学李树刚教授团队成果专辑

李树刚，博士，二级教授，博导。西安科技大学原副校长，国务院学位委员会第六届矿业工程、第七届安全科学与工程学科评议组成员。李树刚教授长期深入煤矿生产一线，从事煤矿瓦斯灾害防治及二氧化碳安全封存理论及技术的教学与科研工作。本专辑为李树刚教授团队自2007年以来发表于《煤炭科学技术》的研究成果。（数据统计时间：2023-12-18）

行业视野: 安全
类别; 108个
关键词; 73位
专家; 28篇
论文; 13640IP
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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

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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

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综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析

作者(Author)：李树刚, 刘李东, 赵鹏翔, 林海飞, 徐培耘, 卓日升

摘要：为研究综采工作面采动覆岩压实区演化综合因素影响效应，运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同采高（2m<4m<6m）、不同推进速度（3m/d<5m/d<7m/d）以及不同煤层倾角（0°<15°<30°）条件下的采动覆岩压实区裂隙演化规律的研究，得到了压实整体形态随工作面采高、推进速度以及煤层倾角变化的演化规律。结果表明：采空区覆岩“三带”高度随着工作面采高的增大、推进速度的减小以及煤层倾角的增大呈线性增大趋势。采空区上覆岩层离煤层顶板越远，其贯通度数值越小，并在达到一定高度后，出现迅速减小的现象。受更高层位岩层的挤压以及两侧煤壁的支撑作用，覆岩离层率呈现两侧高于中部的“马鞍形”。构建出以覆岩贯通度突减、覆岩离层率突增以及裂隙带发育高度为依据的综采工作面覆岩压实区边界判定准则，得到了不同开采条件下覆岩压实区整体发育形态，进而发现工作面采高对压实区影响主要表现在高度方面，煤层倾角对压实区宽度和对称度的影响较大，推进速度对压实区的高度与宽度都有较为明显的影响。基于采动裂隙椭抛带理论，结合物理相似模拟试验结果，构建了多因素影响下的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型，并结合工程实践，有效提高了现场瓦斯治理效果，保证了工作面的安全回采。

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煤炭科学技术

2022年第01期

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煤层倾角对仰斜工作面覆岩压实区裂隙演化规律的影响

作者(Author)：赵鹏翔, 刘李东, 李树刚, 徐培耘, 李刚, 魏宗勇, 贾永勇

摘要：为研究仰斜综采工作面采动覆岩压实区裂隙演化规律的煤层倾角效应，用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩压实区裂隙演化规律的研究，得到了压实区高度、垮落角以及宽度随煤层倾角变化的演化规律，进而建立了压实区演化煤层倾角效应模型。结果表明：随着煤层倾角的增大(0°<15°<30°），平均来压步距逐渐减小(12.5 m>11.6 m>10.4 m），采动覆岩离层量逐渐增加。同时，以采动覆岩离层量和底板应力为压实区边界判定依据，分析得出压实区高度随煤层倾角的增大而不断增大，且压实区高度变化趋势所拟合的直线斜率所组成的曲线随工作面推进距离的增加出现平缓、陡增、平缓的变化趋势，即压实区在形成初期高度相差不大，但会在工作面推进至55～65 m时高差迅速增大，且维持此较大高差直至工作面回采结束；随煤层倾角的增大，开切眼侧垮落角逐渐减小，而工作面侧垮落角逐渐增大；以压实区的高度和垮落角的演化规律为基础，建立了压实区空间简化模型，进一步得到压实区宽度随煤层倾角变化的数学表达式。最后，以采动裂隙椭抛带理论为基础，结合试验结果，建立了考虑煤层倾角的采动裂隙椭抛带压实区数学方程，为仰斜综采工作面准确定位卸压瓦斯储集优势区提供一定的理论依据。

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煤炭科学技术

2021年第11期

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深部开采卸压瓦斯精准抽采体系构建及实践

作者(Author)：李树刚, 杨二豪, 林海飞, 赵鹏翔

摘要：为推进瓦斯治理水平高质量发展，以国内外研究进展为基础，建立了煤层瓦斯含量测定、瓦斯涌出量预测、瓦斯储运区辨识圈定、抽采方法确定、抽采参数设计、抽采工程施工、计量监测评价及调控的采动卸压瓦斯抽采全环节，从“精确度”“准确度”“精细度”对卸压瓦斯“精准抽采”内涵进行了阐释。以深部开采卸压瓦斯抽采关键问题为核心，主要内容为基石，重点技术为依托，手段与方法为途径，工程实践为验证，构建了多层级精准抽采体系框架。通过总结现有瓦斯涌出量预测的常用方法，得出瓦斯涌出量预测的一般箱体模型；以理论推导、试验模拟和现场反演3个方面研究为基础，提出了卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识方法和流程；根据不同设计依据建立了卸压瓦斯精准抽采工程精准施工设计流程；以抽采数据动态感知、抽采效果评价及管网优化、抽采系统决策与调节为主要研究内容，提出了卸压瓦斯抽采精准调控的3个研究课题和研究思路；探讨了卸压瓦斯精准抽采云平台的架构，并应用卸压瓦斯精准抽采体系在山西典型高瓦斯突出矿井进行了现场工程实践。该研究完善了深部矿井卸压瓦斯治理的整体框架，为后续研究及现场应用提供了借鉴。

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煤炭科学技术

2021年第05期

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2866
分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究

作者(Author)：李树刚, 刘思博, 林海飞, 双海清, 李磊明, 于涵旭, 罗荣卫

摘要：瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂，随着工作面的推进，经历复杂的加载和卸载共同作用，易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征，通过开展单调加载及分级循环加卸载试验，分析不同加载路径下试样的强度特征，并结合数字散斑技术(XTDIC)分析试样单轴压缩过程中裂纹扩展及孔周位移演化规律，通过布置“虚拟引伸计”分析试样局部化带位移演化特征。结果表明：与单调加载路径相比，分级循环加卸载路径下试样的抗压强度减小，减小幅度为4.59%；分级循环加卸载路径下，含钻孔试样的最终破坏是由远场裂纹与钻孔两侧的剪切裂纹贯通形成宏观破裂带导致的，不同加载路径下试样破坏模式均为拉剪复合破坏，破坏形态呈“X”状；试样加载顶点与卸载低点的张拉、错动位移随着循环次数增加逐渐增大，呈波动上升趋势，并且在时间上滞后于应力变化；孔周位移测点层位越高，试样加载至相同时刻的位移越大；分级循环加卸载路径下，试样卸载阶段的测点位移有轻微恢复现象，最大恢复量为0.149 mm，位移随时间增长表现为“台阶式”递增现象。

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煤炭科学技术

2021年第04期

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基于循环神经网络的煤矿工作面瓦斯浓度预测模型研究

作者(Author)：李树刚, 马莉, 潘少波, 石新莉

摘要：瓦斯灾害制约着煤矿安全生产的发展水平，瓦斯治理是高瓦斯煤矿开采工程中的重要环节，有效预测出下一时间段瓦斯浓度并做出合理的安全防护措施，可为煤矿瓦斯治理决策提供一定的参考依据。利用循环神经网络适合处理连续时间序列样本的特性，构建了一种基于循环神经网络的煤矿工作面瓦斯浓度预测模型。该模型以宽泛策略为原则初步确定预测模型网络结构参数，选取数据量更大、时间跨度更长的瓦斯浓度时间序列为训练样本。首先采用邻近均值法和插值法处理训练样本中的异常值和缺失值，同时采用最大最小值标准化法对数据进行归一化处理，其次以均方误差和运行时间为评价指标，采用自适应矩估计优化器优化模型权重，选取修正线性为激活函数，隐藏层中加入丢弃层，通过不断调节步长、网络层数等参数，最终得到最优的循环神经网络瓦斯预测模型。研究结果表明：相比于反向传播神经网络预测模型和双向循环神经网络预测模型，基于循环神经网络的煤矿工作面瓦斯浓度预测模型的训练误差降低至0.003，预测结果误差降低至0.006，具有更高的预测准确度；同时，预测误差波动范围在0.001～0.024，具有更好的稳定性和鲁棒性。基于循环神经网络的工作面瓦斯浓度预测模型具有更高的准确度、稳定性和鲁棒性，可有效预测出下一时间段瓦斯浓度的变化趋势，从而提前做出合理的防护措施，为煤矿安全生产提供一定的参考意见。

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煤炭科学技术

2020年第01期

872

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综采工作面上隅角瓦斯流动活跃区形成机理研究

作者(Author)：李树刚, 乌日宁, 赵鹏翔, 肖鹏, 杜轩宏

摘要：为解决综采工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题，以山西某高瓦斯矿井主采工作面为原型，基于物理相似模拟试验，采用分形理论从细观角度证实了瓦斯流动活跃区的存在性，通过构建瓦斯流动活跃区的空间模型和力学模型，研究了工作面上隅角瓦斯流动活跃区的形成机理，并结合FLUENT数值模拟软件，对上隅角埋管抽采瓦斯的布置参数进行了优化。结果表明：通过对比局部瓦斯优势通道裂隙网络与整体覆岩裂隙网络的分形特征，认为局部裂隙网络发育更为丰富，进而证实了瓦斯流动活跃区的存在；推导出了瓦斯流动活跃区关键岩块的二次失稳形式及判据，认为关键岩块不会发生二次失稳，保证了关键岩块的存在，从而保证了瓦斯流动活跃区不会消失，为上隅角埋管抽采活跃区瓦斯提供了可稳定参考的位置基础；通过对埋管深度为5、15、25 m时采空区及工作面的瓦斯浓度分布进行数值模拟，认为埋管深度为15 m时的抽排效果最佳。

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煤炭科学技术

2019年第01期

686

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