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煤柱坝体中硫酸根离子扩散的试验数据与预测模型

2023-11-08


煤柱坝体的长期稳定性对煤矿地下水库、废弃矿井地热开发等工程至关重要。有害离子扩散侵蚀煤柱坝体是导致盐水浸煤柱失稳的主要原因之一。目前,有害离子在煤柱中的扩散机制尚不清晰,仍缺乏有效的理论模型预测煤柱中有害离子的扩散。北京科技大学蔡美峰院士团队采用实验和理论结合手段,对硫酸根离子侵蚀煤岩的时空演化规律和扩散解析模型进行了深入研究。相关成果以“Sulfate diffusion in coal pillar: experimental data and prediction model为题发表在International Journal of Coal Science & Technology,https://doi.org/10.1007/s40789-023-00575-8或点击文末“阅读原文”)



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研 究 进 展

开展了硫酸根离子侵蚀煤柱室内实验,发现煤柱表面硫酸根离子浓度和扩散系数受浸泡时间和外部溶液浓度双重因素影响。浸泡时间越长,外部溶液硫酸根离子浓度越高,煤柱表面硫酸根离子浓度越大,扩散系数越大

盐浸煤柱化学损伤逐渐累积导致煤柱表面硫酸根离子浓度和扩散系数具有双重时变特性。传统的菲克第二定律无法准确预测煤柱中硫酸盐的扩散行为。基于离子扩散的双重时变特征,采用拉普拉斯变换,建立了预测煤柱中硫酸根离子扩散的双时变解析模型。经验证,该模型能较好地预测煤柱中硫酸盐的扩散。

案例分析表明,硫酸盐侵蚀使煤柱呈典型的非均质梯度特性,当矿井水中硫酸盐浓度为0.01—0.2 mol/L,煤柱坝体宽度为18.92 m时,硫酸盐离子到达煤柱坝体中部和外侧分别需要约1.5年和4年。以临界硫酸根离子浓度为煤柱坝体失效阈值,矿井水中硫酸根离子浓度由0.005 mol/L提高到0.2 mol/L,煤柱坝体服役寿命降低约50%。本研究为预测煤柱中硫酸根离子扩散提供了一种实用模型,可用于煤柱坝体使用寿命的设计。


图1 水浸煤柱坝体离子侵蚀示意图


图2 煤柱坝体中部硫酸根离子浓度时变演化预测


图3 服役5年煤柱坝体硫酸根离子浓度分布


图4 基于浓度阈值的煤柱坝体服役寿命预测



未 来 展 望

实际工程中煤柱坝体是处在上覆岩层荷载和矿井水长期作用的复杂环境下,煤柱坝体内部结构的变形破坏是荷载和矿井水耦合作用的结果,本文仅考虑矿井水单一因素下硫酸盐离子的扩散行为,对于荷载和矿井水复杂环境下硫酸盐离子的扩散特征以及预测模型有待进一步开展




作 者 简 介

汪敏,南华大学讲师,师资博士后,2022年博士毕业于北京科技大学,导师为蔡美峰院士。主要从事矿山岩土工程安全与稳定性、岩石裂隙渗流特性以及矿山岩石力学与岩层控制方面的研究。近年来,主持湖湘青年英才科技创新类(荷尖)项目1项,湖南省自然科学基金1项,作为主要完成人参与国家重点研发计划子课题、中国工程院重点咨询项目、国家自然科学基金、企业横向项目等10余项。在国内外重要期刊上发表学术论文10余篇,其中以第一作者发表SCI/EI检索论文5篇,授权发明专利1项。


席迅,北京科技大学副教授,2013年毕业于中国矿业大学(北京),2019年博士毕业于北京科技大学,导师为蔡美峰院士,2019—2022在英国思克莱德大学开展博士后研究。主要从事结构侵蚀劣化、多尺度断裂等方面的研究。近年来,主持国自然青年基金、教育部“春晖计划”项目,参与英国EPSRC重大项目、中英国际合作项目等。以第一或通讯作者在IJCST、IJRMMS、RMRE、CCR、ASCE-JSE等领域重要期刊发表SCI论文20余篇,担任International Journal of Coal Science and Technology科学编辑。




引用格式: Wang, M., Xi, X., Guo, Q. et al. Sulfate diffusion in coal pillar: experimental data and prediction model. Int J Coal Sci Technol 10, 17 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00575-8


  责任编辑:宫在芹
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