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; 119个
关键词; 82位
专家; 31篇
论文; 13700IP
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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

360

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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

299

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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

146

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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

413

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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

294

462
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

505

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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

443

604
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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