主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
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煤炭学报
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  • 作者(Author):谢广祥范浩王磊
    关键词(KeyWords):浅埋煤层力链演化支架受力强动载现象

    摘要:浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。 针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。 首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。 研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用; 煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面 支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了“形成—扩展—稳定—破断” 的动态演化过程。 随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。 研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。 
  • 作者(Author):解盘石田双奇段建杰
    关键词(KeyWords):伪俯斜采场“O-X”型破断分区特征顶板运移垮落充填

    摘要:为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及“支架-顶板”相互作用规律。 结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称“O-X”破断特征,且具有明显的时序特征,其中“O”破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;“X”破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。 顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为“砸—压—推”,而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的“倒”、“扭”现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4 个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。 为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。 
  • 作者(Author):杨小彬周杰宋义敏韩心星
    关键词(KeyWords):循环加载岩石界面滑移摩擦滑动黏滑现象位移场

    摘要:在岩土工程实践中,岩石界面摩擦滑移会引起工程失稳问题,严重威胁着人们的生命财产安全;岩石界面的滑移问题往往处于一种往复加载状态,目前大多数学者对于岩石界面滑移问题的研究往往是在单一的加载状态下进行的,而对于往复加载状态研究较少;为了研究循环加卸载作用下界面滑移位移场演化特征,设计并开展了花岗岩试件恒定围压下的双剪模型试验研究。利用CCD相机采集界面滑移过程中的散斑图像,并利用白光数值散斑相关方法对该组花岗岩试件在实验过程中的位移场、摩擦滑移位移在循环加卸载情况下的演化特征进行研究分析。试验结果表明:① 在循环加卸载作用下,随着循环次数的增加,位移场会发生明显的摩擦滑移,且当循环到一定次数,试件会发生整体黏滑现象;② 随着循环次数的增加,位移场随着循环加卸载发生明显的时空演化特征,空间上存在明显的剪切位移增大和减小区域,同时随着循环次数的增加位移存在明显的累积,表现为位移演化的分区性及剪切位移场累积效应。时间上存在剪切位移演化相对于剪切应力的滞后性;③ 相同剪应力水平下,随着循环次数的增加,垂直位移整体趋势有所降低,界面咬合程度增加,水平滑动位移有所增加,界面分区滑动机制改变,加载端和自由端存在明显的黏滑现象;④ 在试件发生整体黏滑前后,剪切位移随着循环次数的增加发生不同的变化;黏滑前,随着循环次数的增加,剪切位移缓慢增大,黏滑后,随着循环次数的增加剪切位移明显增大;即黏滑前后,界面滑移速率由小变大。
  • 作者(Author):宋孝忠张群
    关键词(KeyWords):显微组分组自动识别图像分析K均值聚类算法软件系统

    摘要:煤化程度和显微组分组成决定着煤的物理化学性质和工艺性质。煤的镜质组反射率和显微组分的煤岩自动化测定,不仅可以减少传统人工测定产生的差异,而且速度快、效率高,使煤岩测定结果应用于煤炭分类、煤炭加工利用等领域成为可能。国内外在煤岩自动化测定方面开展过大量研究工作,实现了镜质组反射率自动测定。但是由于煤岩显微组成和煤化程度影响的复杂性,显微组分的自动识别和图像分析测定仍然面临诸多难题。针对以上问题:① 研制了煤岩显微图像自动采集硬件平台,具有显微镜自动聚焦、自动扫描和显微图像自动采集三大功能模块,建立了煤岩显微组分组图像自动识别工作流程;② 开发了显微图像去噪预处理技术,可实现黏结剂与壳质组有效分割、受下方煤颗粒反射影响变亮黏结剂等的有效剔除,形成了基于Prewitt算子的煤岩显微组分假边界图像剔除技术;③ 开发出基于K均值聚类的煤岩显微组分组图像自动分割和识别技术;④ 形成了烟煤的煤岩显微组分组图像自动识别系统。应用本文研发的技术,对我国不同变质阶段烟煤的代表性煤样进行煤岩显微图像自动采集和显微组分组自动识别测定,并将测定结果与国内资深煤岩专家人工鉴定的标准结果进行比对。结果表明,两种方法测定的45个样品镜质组、惰质组、壳质组的极差平均值分别仅有2.3%,2.3%,1.5%;按照国家标准GB/T18510—2001给出的准确度分析方法,获得3个显微组分组的统计量tc<tt。
  • 作者(Author):刘鹏坤王聪刘帅
    关键词(KeyWords):综采工作面多视觉全局坐标系透视矩阵图像拼接

    摘要:现阶段综采工作面分布的摄像仪较分散,且煤矿智能化应用多需大场景且高分辨率的图像,井下广角视觉相机与全景相机的引用试图恢复尽可能宽广的综采工作面视野,但是由于设备从单一测点进行图像采集,获得的图像会出现畸变,甚至图像失真,因此有必要进行多视觉全局坐标系的技术研究。介绍图像采集装置的安装设计,使其满足所采集图像有一定重叠且特征稳定,探讨该布置方式下的图像标定方法,利用最小二乘法的方式能更好的进行摄像仪模型的标定,拟合精度高且鲁棒性低。通过对工作面图像进行灰度范围压缩或拉伸,提出一种改进型直方图均衡化方法,提高了工作面低照度情况下的图像细节体现与部分强光下的抑制效果,使得井下环境的辨识度更高,优化其图片质量。通过比较目前比较成熟的特征点提取算法,最终采用Surf算法进行特征点的匹配与提取,分配特征点的主方向并完成特征点的描述子。针对该算法出现的误匹配特征点较多的情况,研究消除误匹配特征点的RANSIC算法,并通过角点检测配对的方式提高了有价值的特征点数量。最终通过坐标点坐标建立透视矩阵表达式与全局坐标系从而完成图像的拼接,采用加权平滑的方法对拼接的图像进行去裂缝处理,最终实现多视觉图片的快速有效融合。试验表明该方法可有效增强井下图像细节,去除井下图像误匹配特征点,可快速消除拼接的裂缝,并能快速准确的完成两、三幅图像的拼接融合。该方法具有误差小、效率高且拼接速度快等特点,使拼接图像满足综采工作面图像应用的层次,应用范围与前景广阔。
  • 作者(Author):吕兆兰宁正福王庆黄亮孟翰余雄飞秦慧博
    关键词(KeyWords):页岩黏土矿物伊/蒙混层分子模拟吸附

    摘要:页岩黏土矿物的吸附解吸特性对页岩气勘探开发及储量预测具有重要意义。为从微观角度研究页岩气在页岩黏土矿物中的吸附行为,利用分子模拟软件Materials studio构建了蒙脱石、伊利石及伊/蒙混层3种黏土矿物的模型,采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法对页岩气主要成分甲烷在黏土矿物上的吸附行为进行模拟。研究表明,甲烷在不同孔径蒙脱石、伊/蒙混层和伊利石上的平均等量吸附热均小于42 kJ/mol,说明甲烷在黏土矿物表面发生物理吸附。甲烷在3种黏土矿物表面的吸附等温线呈现出相同的规律,均符合I型吸附曲线特征,Langmuir模型的拟合精度较高。3种黏土矿物对甲烷的吸附能力强度顺序为:蒙脱石>伊/蒙混层>伊利石。在伊/蒙混层矿物中,层间离子比甲烷分子更靠近黏土片层,蒙脱石片层一侧吸附的甲烷密度大于伊利石一侧,表明蒙脱石片层的吸附能力强于伊利石,但伊/蒙混层矿物中黏土片层的吸附作用对甲烷吸附层密度的影响随着压力升高而减弱。本文分别构建了孔径为1,2和4 nm的3种黏土矿物模型,从微观角度研究孔径对甲烷吸附的影响。模拟结果表明,黏土矿物孔径越小,甲烷吸附的等量吸附热越大,证明吸附更加牢固,对甲烷的吸附能力更强,但受到孔内有限空间的限制,甲烷在黏土矿物内的绝对吸附量及饱和吸附量随孔径减小而降低。
  • 作者(Author):郭德勇郭晓洁李德全
    关键词(KeyWords):构造煤构造变形微孔-中孔多重分形

    摘要:煤作为一种复杂的天然多孔性固体物质,其纳米级孔隙对煤层气的储集和运移有着重大影响。我国受成煤盆地多期次构造运动影响,煤层普遍发育不同破坏类型的构造煤,构造煤纳米级孔隙结构在构造变形作用下发生重要变化,这一变化不仅影响着煤层瓦斯的储集和赋存状态,同时也对煤与瓦斯突出预测和煤层气开采具有重要意义。采集首山一矿和义安矿不同变形程度构造煤样品,基于低温液氮吸附(2~50 nm)和二氧化碳吸附(<2nm)实验,利用多重分形理论分析了构造变形对煤的微孔-中孔结构的影响。结果表明煤样微孔和中孔均具有多重分形特征,微孔广义分形维数谱宽D10-~D10+和奇异指数α0随变形程度的增加整体递增,中孔则先降低后增加。弱变形阶段,微孔信息维数D1和赫斯特指数H逐渐降低而多重分形奇异谱谱宽Δα逐渐增加,中孔D1和H逐渐增加而Δα逐渐降低。强变形阶段,微孔D1,H和Δα均没有发生明显变化,中孔D1和H明显降低,Δα明显增加。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏强度的关系,弱变形阶段,构造变形作用导致煤的微孔结构趋于复杂,孔隙连通性较差,中孔结构趋于简单,归因于官能团脱落以及应力作用下部分中孔结构的收缩。强变形阶段,微孔结构差异依然较强,中孔结构差异则由弱变强,这与强构造应力作用下形成大量的分子间孔、缺陷以及气孔有关。
  • 作者(Author):陈景序荆德吉葛少成马恒孙丽英
    关键词(KeyWords):掘进机雾化冲击射流涡旋气动雾幕装置除尘性能

    摘要:为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染,基于高压喷雾在涡旋气体射流场中的运动规律及二次雾化破碎特性,研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡旋雾幕控尘装置的比例模型,并通过利用CFD数值模拟软件获得该型设备外部风流场迁移规律和液滴粒子运动规律,以模拟结果为理论基础建立实验平台,并对设备的雾化性能及控尘性能进行了实验测定。模拟结果表明:在环状风筒前端形成了完整旋转风幕,外环高压喷雾受内环高速旋转风流冲击,加剧了液滴的破碎、迁移扩散与捕尘性能。雾化性能实验结果表明:该型设备雾化性能主要由气体射流与高压喷雾的相间速度差决定,喷雾夹角为45°~75°,相间速度差较大,气相射流风速对雾化性能影响占主导地位;喷雾夹角大于75°时,相间干涉减小,喷雾压力占主导地位;随着沿流向方向的距离增大,风速快速衰减,液滴运动趋于稳定。控尘性能实验研究结果表明:当喷雾压力、喷雾夹角不变的情况下,单独提高引射射流风速时,涡旋雾幕前方粉尘捕集较差,全尘和呼尘平均捕集率分别为21.3%和25.1%;而雾幕后方,不同风速下的全尘捕集率分别为88.9%,91.8%和92.8%,呼吸性粉尘捕集率为90.5%,93.7%和95.2%,照比传统高压喷雾表现出更好的控尘性能。
  • 作者(Author):龙建辉任杰曾凡桂吕义清
    关键词(KeyWords):软弱夹层顺层岩质滑坡滑动模式破坏变形规律

    摘要:顺层岩质滑坡具有分布广,破坏性强,滑动机理复杂等特点,其滑动主要受软弱夹层的控制。在自然界中,顺层岩质滑坡往往受到双层或多软弱夹层的影响与控制。针对此特点,通过对山西吕梁山一带的顺层岩质滑坡发育特征与破坏规律进行总结,建立两种含双软弱夹层顺层岩质滑坡计算模型,基于极限平衡法,考虑软弱夹层的抗剪强度在滑坡不同发育阶段的强度衰减,分析发现滑坡在不同的力学判定条件下会以不同的模式发生滑动,且不同模式下滑坡的启滑机理是不同的,模式一为上层软弱夹层软化而引起的,启滑时,上层岩层首先失稳,而下层岩层暂时保持稳定;模式二滑坡的启滑是由于下层软弱夹层软化而引起的,失稳破坏的形式是整体失稳。另外,基于FLAC3D数值模拟,分析了双软弱夹层顺层岩质滑坡的破坏变形规律。结果表明:由上层软弱夹层控制的滑坡滑动变形时,软弱夹层会在前缘发生切层现象,在中部与后缘滑坡会沿上覆岩层与软弱夹层的接触面滑动;由下层软弱夹层控制的滑坡滑动变形中,在前缘断面上层软弱夹层处会发生不连续性变化;在由上下软弱夹层共同控制下的顺层岩质滑坡中,当上层软弱夹层首先软化启滑,下层软弱夹层的软化会导致滑坡上下岩层发生分离滑动;当下层软弱夹层首先软化启滑,上层软弱夹层的软化对滑坡的整体滑动影响并不显著。
  • 作者(Author):肖双双丁小华马力董国伟
    关键词(KeyWords):露天煤矿拉斗铲作业平台非线性规划倒堆工艺

    摘要:为了提高拉斗铲作业效率,降低倒堆工艺系统生产成本,需要对拉斗铲作业平台参数进行优化。但由于拉斗铲作业平台高度与平台宽度之间相互影响、相互制约,不能对单个参数进行独立优化,而需要以2者为变量,建立优化模型,提出拉斗铲作业平台参数的综合优化方法。为此分析了拉斗铲单向走行、往返走行情况下的挖掘范围,分别推导了各种情况下的拉斗铲挖掘深度、正向及反向走行距离计算公式,提出了拉斗铲走行时间及作业周期的计算方法,建立了拉斗铲生产效率与作业平台高度、作业平台宽度之间的关系模型。利用抛掷爆破爆堆的三维扫描数据,建立平面直角坐标系,拟合得到爆堆曲线方程,进而提出了有效抛掷率、拉斗铲重复倒堆率、辅助剥离率、拉斗铲倒堆率等变量的计算方法,以倒堆工艺系统年剥离总费用最小为目标函数,综合考虑技术、经济、安全3个方面的因素,构建了基于非线性规划的拉斗铲作业平台参数优化模型,并全面分析了作业平台参数的约束条件,包括影响拉斗铲作业安全、高台阶稳定等的作业安全约束,影响拉斗铲倒堆距离、挖掘深度等的拉斗铲线性尺寸约束,以及拉斗铲、辅助设备等的生产能力约束,提出了模型的求解方法。通过计算可知,黑岱沟露天煤矿的拉斗铲作业效率随着作业平台高度、作业平台宽度的增大先增大后降低,作业平台高度为13.30m,宽度为118.10 m时,拉斗铲作业效率最大,为4043.02m3/h;其最优作业平台高度为14.60 m,作业平台宽度为118.00 m,优化后每年可节省剥离费用371.70万元。
  • 作者(Author):沈世伟李国良李冬廖文旺徐燕
    关键词(KeyWords):双孔爆破预制裂隙应力强度因子能量释放率裂纹扩展

    摘要:隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以“勾连”形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子KI大于KII;裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。
  • 作者(Author):孙天竹康永尚张晓娜邓泽皇甫玉慧
    关键词(KeyWords):煤层气压裂效果地应力类型砂比曲线压力曲线影响机理

    摘要:通过分析寿阳和柿庄区块携砂液阶段的压力曲线类型,对压裂效果进行了评价,创新性地对携砂液阶段的砂比曲线类型进行了划分,揭示出压力曲线类型与砂比曲线类型之间普遍存在的统计对应关系,以此为基础,考虑地应力类型、煤岩与围岩力学性质及应力差异多因素,分析了煤储层压裂效果影响机理。研究表明:① 压力曲线可划分为下降、稳定、上升和波动4种类型,是评价压裂效果的直接依据;② 砂比曲线可划分为连续和断续两种类型,发现压力曲线类型与砂比曲线类型之间存在普遍的统计对应关系,其成因机制为:在弱挤压应力井层(正常应力场),在携砂液阶段早期垂直压裂缝扩展路径选择过程中,易出现砂堵,多形成断续型砂比曲线,随后,若满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件,则垂直压裂缝垂向扩展压开顶底板,即逐层压开顶底板不同岩性层,易出现波动型压力曲线。若不满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件,则垂直压裂缝被限制在煤层内侧向扩展,易出现稳定型、下降型和上升型不同类型的压力曲线;③ 与柿庄区块相比,寿阳区块出现断续型砂比曲线和波动型压力曲线占比的双高现象,整体压裂效果较差,其根本的地质因素是该区块的应力状态决定多数井层发育压开顶底板的垂直压裂缝,为无效造缝,使得压裂效果不佳;④ 砂比曲线可作为预警曲线,若砂比曲线为断续型,且压力曲线开始出现上升或波动,预期压裂效果差,可考虑提前终止压裂。
  • 作者(Author):郝成亮初茉杨彦博曲洋张超周玲妹吕飞勇
    关键词(KeyWords):高碳煤超纯煤微泡浮选化学脱灰反应活性

    摘要:煤炭作为化工原材料的应用途径正逐步向精细化、高端化利用转变,将高碳煤深度脱除矿物质制备成超纯煤可以作为高附加值先进炭素材料的原料。以太西无烟煤为原料,采用自制的微泡浮选柱通过Box-Behnken 试验设计方法优化浮选试验,借助XRF、XRD和SEM-EDS分析了最佳浮选条件下的浮选精煤,进一步明晰微泡浮选方法深度脱除矿物质的过程和不同矿物质对无烟煤深度脱矿的影响。同时也采用了NaOH-HCl方法深度脱除无烟煤中的矿物质,通过XRD、SEM-EDS分析脱矿样品的性质,明确无烟煤中矿物质的脱除机理以及限制深度脱矿的因素。微泡浮选试验表明,当捕收剂用量3.36 kg/t、起泡剂用量1.81 kg/t和调浆强度4560 rad/min时,浮选效果最佳,能得到灰分0.52%、产率66.25%的浮选精煤,由测试表征可知细泥罩盖和粒度小于2 μm、有机质占95%以上的连生体颗粒是限制微泡浮选方法深度脱矿主要原因。NaOH-HCl脱灰试验表明,随着样品粒度减小,样品灰分显著降低,当样品的体积平均粒径为8.01 μm时,脱矿效果最佳,能得到脱矿率86.81%、灰分0.36%的脱矿样品。而无烟煤中低反应活性的石英和伊利石以及被煤基质包裹的微细硅酸盐矿物影响太西无烟煤的化学深度脱灰。基于微泡浮选方法和NaOH-HCl方法在高碳煤深度脱矿过程中存在的极限问题,提出浮选-化学联合深度脱灰方法对太西无烟煤进一步深度脱灰,首先通过浮选预处理减少石英和伊利石等低反应活性的矿物质总量,再将浮选精煤中存在的矿物质与NaOH反应生成水溶性的硅酸钠和易溶于酸的硅铝酸钠而被脱除,并以此构建了浮选-化学联合方法深度脱灰历程描述模型,最终得到超低灰(0.12%)、高碳、高发热量能制备成高附加值炭材料的超纯煤样品。
  • 作者(Author):杨永均张绍良侯湖平陈浮
    关键词(KeyWords):生态修复恢复力动力学自然恢复土地生态系统矿山

    摘要:实现近零生态损害的资源开采、国土空间生态的系统修复,恢复力是关键。尽管一些研究直接或者间接地指出了恢复力的重要性,但目前对矿山土地生态系统恢复力机制的理论认识还很缺乏。构建了一个矿山土地生态系统的非线性动力学模型,利用数值模拟方法来揭示恢复力在矿山土地生态系统中的动力学表现和基本性质,以期为矿山区域国土空间的系统修复和保护提供理论依据。研究结果表明:① 恢复力是矿山土地生态系统的基本属性,是指在有限强度的扰动后,系统具有回复到平衡点、保持原状态和定性结构的能力;② 恢复力产生的原因是系统具有复杂结构,且是自组织的,在面临扰动时表现出自维持能力;③参数变量是决定恢复力大小的重要因素,其阈值空间是测度恢复力的直接指标;④ 恢复力具有可塑性,调控恢复力的基本途径是恢复力强化和克服,关键技术是对参数变量及其阈值、状态-参数变量间关系进行调控。矿山土地生态系统恢复力是一个客观存在的动力学属性,该属性为采矿前土地生态影响评估、采矿中土地生态系统状态维持、采矿后土地生态系统修复和可持续发展提供了基本依据。恢复力可以作为系统保护和修复的核心准则,恢复力思维则是指导土地复垦与生态修复的核心理论之一。未来需要加强对恢复力测度、调控和建设方法的研究,并在与采矿活动和环境保护的具体工程中大力推进恢复力机制的技术应用和集成。
  • 作者(Author):杜岩吴志祥谢谟文刘日成陈晨
    关键词(KeyWords):岩块体崩塌早期预警振动特征分离破坏前兆加速破坏前兆

    摘要:岩块体崩塌的早期预警一直是岩土工程灾害研究的热点和难点问题。传统监测方法大多关注于破坏阶段,因此很难实现崩塌等脆性破坏灾害的早期预警。实际上,崩塌通常经历分离和破坏两个阶段。关注分离破坏阶段的前兆事件,可更快提醒公众在灾难性的崩塌事件之前寻求庇护。本次实验应用激光多普勒测振技术,通过新型物理模型实验,开展危岩分离破坏前兆现象识别研究。实验采取新型的冰冻实验方法来模拟岩块体黏结强度不断降低,块体随着时间推移,稳定性不断降低,最终于117 s发生破坏。监测结果显示,频率监测指标分别在50 s和115 s发生分离和加速破坏前兆。基于分离阶段破坏前兆识别提前67 s实现预警,而基于加速破坏阶段的破坏前兆识别则在破坏前2 s触发预警。相较于传统的基于破坏前兆识别的预警思路,基于分离破坏前兆识别的预警方法提前65 s对岩块体崩塌破坏进行预警,具有更好的时效性,可有效利用早期预警的“黄金期”,为工程中更好地应对崩塌灾害争取时间。基于分离破坏前兆识别的岩块体崩塌灾害预警思路是矿山等高陡边坡岩体崩塌等脆性破坏灾害应急预防的发展方向。
  • 作者(Author):杨娟郝静怡戴俊魏建平王云刚
    关键词(KeyWords):低浓度瓦斯甲醇光催化氧化有序介孔WO3 H2O2

    摘要:将低浓度瓦斯转化为易于储运的液态工业原料甲醇是其综合利用的一个发展方向,如何实现温和条件下甲烷的有效活化与甲醇的选择性生成是瓦斯催化转化制甲醇的两个关键问题。本文以有序多孔二氧化硅KIT-6为模板剂,磷钨酸-乙醇溶液为前驱物,合成了具有高比表面积的介孔三氧化钨(WO3),通过X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及低温氮吸附-脱附技术对介孔WO3的晶型组成、微观形貌、比表面积及孔结构特性进行表征,以所制介孔WO3为催化剂、双氧水(H2O2)为电子捕获剂与氧化剂,构建了WO3/H2O2可见光催化体系,并对该体系氧化低浓度瓦斯合成甲醇的性能进行了系统研究。结果表明:甲烷初始体积分数、可见光照射强度、H2O2添加等均会影响甲烷转化率与甲醇选择性,且不同甲烷体积分数模拟瓦斯有不同的最佳H2O2;对于甲烷体积分数为20%的模拟瓦斯,介孔WO3在优选的H2O2溶液(浓度为13.5 mmol/L)中可实现甲烷的选择性转化,可见光照射120 min甲烷转化率为24.9%(是仅使用介孔WO3或H2O2体系的8.3与8.9倍),且甲醇选择性高达82.5%,继续增大H2O2可进一步促进甲烷的转化,但由此产生的过量羟基自由基(·OH)导致生成更多的副产物乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2),使甲醇选择性显著降低;电子自旋共振测试结果表明WO3吸收可见光产生的光空穴是活化甲烷分子的主要物种,甲烷分子首先经由光空穴抽氢反应生成甲基自由基(·CH3),H2O2一方面作为电子捕获剂增强光空穴的生成,提高甲烷光活化效率,同时被WO3导带电子还原生成羟基自由基(·OH),并进一步与·CH3相结合生成产物甲醇,即·OH是甲醇选择性生成的主要氧化物种。上述结果为煤矿低体积分数瓦斯的清洁利用提供新思路。
  • 作者(Author):杨靖宇刘超王彬
    关键词(KeyWords):概率积分模型参数反演BFGS算法模矢法遗传算法

    摘要:概率积分模型是描述煤炭开采引起地表变形规律的重要数学模型,通常采用传统优化算法和智能优化算法,对概率积分模型中的未知参数进行反演,以确定明确的地表变形特征。为了更有效地反演概率积分模型中的未知参数,引入最优化方法,提出一种基于BFGS算法的概率积分模型中参数反演方法,该方法利用相邻两迭代点之间的位移和目标函数的一阶导数构建近似Hesse矩阵,然后确定牛顿方程产生的搜索方向,通过非精确线搜索完成迭代过程,从而获得参数的最优解。仿真实验结果表明:新算法能够有效反演出全部参数,且在不同的误差水平下,新算法的参数反演精度均明显高于模矢法(传统优化算法)和遗传算法(智能优化算法);同时,在不同的粗差水平和数据缺失情况下,新算法的参数反演精度仍明显优于其他两种算法,一定程度上说明了引入新算法进行概率积分模型中参数反演的可行性和优越性。工程实例中,反演结果和下沉值的拟合曲线图进一步验证了新算法的可靠性,但工程实例中拟合单位权中误差明显大于仿真实验,其主要原因是矿区较大的地表起伏造成较大的概率积分模型误差,进而影响参数反演的精度。因此,对于具体的工程案例,除了采用有效的参数反演方法,还需要根据实际情况制定合理的反演方案,以达到更好的参数反演效果。
  • 作者(Author):姚伟华王鹏李明星苏超程思远
    关键词(KeyWords):地孔瞬变电磁法三分量响应特征超前探测

    摘要:为了避免传统井下瞬变电磁超前探测受巷道中电磁干扰信号、锚网、掘进机等影响,提出一种在地面布设发射回线,在煤矿井下掘进工作面或工作面水平钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法。该方法具有径向探测深度大、三分量接收探头离异常体近、异常场占总场的比值高而更易发现异常体等特点。基于瞬变电磁三维时域有限差分正演算法,对均匀半空间模型、均匀半空间含孤立异常体模型以及异常体位于水平钻孔不同方位的地孔瞬变电磁三分量的总场和异常场响应特征进行了系统研究。发现三分量总场和异常场之间总体符合烟圈效应,总场和异常场三分量衰减曲线或者多测道曲线形态随时间的变化特征可以采用不同时刻感应电流环相对于测点或者测线的位置来进行分析;在不考虑互感现象的情况下,地下接收的不同时刻的三分量响应完全可以看成是背景电流环和异常电流环的叠加,其中异常场的三分量形态可以采用垂直于一次场方向相同形状的电流环来拟合;另外当异常体位于水平钻孔不同方位时,异常场X分量均表现为S型,Y分量和Z分量表现为单峰异常,且不同象限异常场三分量组合形态不同,据此可以判断异常体所在钻孔的深度和方位。最后在地面进行了地孔瞬变电磁超前探测方法的相似性试验,验证了理论模型响应特征的正确性。
  • 作者(Author):夏大平张怀文黄松董志伟
    关键词(KeyWords):氢气甲烷发酵联产液相产物机理

    摘要:以煤为原料进行氢气-甲烷联产是一种具有探索性的生物发酵工艺,研究该工艺发酵过程液相产物变化和机理可实现对煤中高附加值液态产物的利用与产气效率的提高,并进一步丰富煤生物产气理论。以义马千秋矿长焰煤为研究对象,义马煤层矿井水为菌种来源,在适宜环境条件下开展联产模拟实验,并运用气相色谱法,气质联用法等对联产过程中的气体组分、中间液相产物等进行检测分析,以揭示其液相产物变化特征及其机制。结果表明:① H2和CH4高峰期产量分别为66.29 μmol/g(第3天)和55.78 μmol/g(第16 天),分别占H2与CH4总产气量的25.78%和25.47%,反应结束后产氢、产甲烷的底物转化率分别为2.4%和4.9%;② 产氢阶段的pH呈现出先增加后降低又增加的趋势,COD在反应周期内逐渐升高,在第6天时出现最大值857.82 mg/L,而OD600在第4天达到最大值0.52。产甲烷阶段的COD变化趋势明显,在第15天时达到最大值873.73 mg/L,pH,OD600则维持在一个相对较为稳定的范围内。pH,COD与OD600的变化过程与关键有机中间液相产物的变化特征一致,液相产物的生成、降解直接地影响了pH,COD与OD600的变化趋势;③ 产氢阶段和产甲烷阶段均有挥发性脂肪酸、直链、支链烷烃、烯烃、含氮、含氧有机物及吡嗪、嘧啶类杂环化合物积累,产氢结束后的直链烷烃、支链烷烃含量较低,分别是67.05 μg/mL和21.16 μg/mL,且残留有大量的丁酸、丙酸等挥发性脂肪酸(332.63 μg/mL),经产氢预处理之后的煤样为产甲烷过程提供了更多的有效可利用体,且产甲烷过程在液相产物中检测到更多的直链(最高为216.63 μg/mL)、支链烷烃(最高为112.28 μg/mL)、含氧(最高为110.49 μg/mL)、含氮大分子有机物(最高为108.65 μg/mL)及环烷烃、腈类、腙类、4-甲基芴等新生有机物。联产过程的液相产物变化特征进一步反映了煤发酵联产氢气-甲烷的优越性,有可能提高煤的总体能源利用率并优化产气过程。
  • 作者(Author):吕玉广肖庆华程久龙
    关键词(KeyWords):弱富水软岩水-沙混合型突水离层水害泥沙自封堵作用疏干导流技术

    摘要:近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发,短时水(沙)量大,缺少有效的防范技术措施,严重威胁矿井安全生产。为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施,以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象,室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数,井下实测了围岩松动圈,综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低,黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象,能够形成固-液双相混合物,在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。根据含水层水位和地表岩移长期观测结果,推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙,且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察,突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升,含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降)的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。综合以上信息,提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点,弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化,随着离层水体释放水动力减弱,大量泥沙封堵突水通道,表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩,离层裂隙储水能力逐渐弱化,表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展,表现为突水休止期梯次延长。汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行,揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件,强调导水裂隙突水通道的重要性。工程应用表明,顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件,预置导流管改变突水通道和压力条件,可以有效避免此类事故发生,保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采,优化采场作业环境、弱化软岩效应,促进矿井高效生产。
  • 作者(Author):李英明赵呈星丛利孟祥瑞董春亮
    关键词(KeyWords):全长锚固锚杆应力分布中性点围岩条件托锚力锚杆长度

    摘要:在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。
  • 作者(Author):卓启明刘文礼徐宏祥孙小朋
    关键词(KeyWords):浮选煤颗粒气泡运动轨迹碰撞角

    摘要:颗粒与气泡间相对运动的研究对浮选机理的认识十分重要,目前关于颗粒与气泡间相对运动的研究多为理论推导,试验研究比较匮乏且试验对象多为形状规则,表面性质均匀的颗粒。本文以内蒙古公乌素原煤为研究对象,利用自行设计搭建的试验装置研究了粒级为0.100~0.074 mm、密度级分别为-1.3,1.4~1.5和+1.7 g/cm3的煤样与气泡间的相对运动。试验通过追踪大量煤颗粒的运动轨迹,研究了颗粒沉降阶段、运动轨迹偏离阶段和碰撞阶段中颗粒运动特征参数的变化规律。试验结果表明:颗粒当量直径均值为0.092 mm,颗粒经短暂加速后便达到沉降末速,颗粒沉降末速随颗粒当量直径和密度的增大而增大。气泡会影响颗粒的运动轨迹,同一初始沉降区间内,竖直方向上煤样轨迹偏离点到气泡的距离随煤样密度的增大而减小。静水条件下颗粒和气泡碰撞角的主分布区间为20°~50°,且碰撞区间和颗粒集中分布区间随初始沉降区间向外扩展而扩展。颗粒和气泡的碰撞角小于50°时,碰撞点处颗粒速度减小比例随碰撞角增大近似直线减小,碰撞角大于50°时,碰撞点处颗粒速度减小比例趋于平稳,低密度颗粒的速度减小量大于高密度级颗粒的速度减小量,然而差异并不明显。理论计算发现,颗粒初始沉降位置距气泡中轴较近时理论碰撞速度较小,且颗粒理论碰撞速度随颗粒初始沉降位置向外扩展而增大,与试验规律较为吻合。
  • 作者(Author):侯恩科纪卓辰车晓阳王建文高利军田世雄杨帆
    关键词(KeyWords):AHP熵权法风化基岩富水性柠条塔井田

    摘要:我国西北地区侏罗系风化基岩含水层是矿井充水的主要含水层,多次煤矿顶板突水事件均与该含水层有关。侏罗系风化基岩具有结构疏松、孔隙度大、岩层渗透性强和裂隙发育的特点,导致了其富水性在空间上极不均一,如何科学的评价预测侏罗系风化基岩富水性成为矿井防治水工作中急需解决的难题。以柠条塔井田南翼为例,分析了风化基岩富水性的控制因素,选取风化基岩顶面标高级别指数、岩性组合指数、风化指数和岩芯采取率指数4个指标作为风化基岩富水性预测的主要指标。针对AHP在确定权重时重专家经验而对指标实测数据特征考虑不够和熵权法在确定权重时重客观数据而未顾及专家经验的不足,提出了将改进AHP和熵权法通过最小二乘法耦合起来计算富水性预测指标权重的方法。利用柠条塔井田南翼172个钻孔地质资料和其中41个风化基岩抽水试验资料,进行了基于改进AHP、熵权法和改进AHP与熵权法耦合的柠条塔井田南翼富水性分区预测及结果比较分析。结果表明,基于改进AHP权重确定方法、熵权法权重确定方法和耦合两者的权重确定方法预测的富水性类别和41个抽水钻孔的富水性吻合度分别为68.29%,70.73%和92.68%,即就是基于改进AHP和熵权法耦合确定预测指标权重的风化基岩富水性预测方法效果最好。该研究成果为含水层富水性评价预测提供了一种新方法。
  • 作者(Author):张强王聪田莹
    关键词(KeyWords):预裂辅助冲击截齿硬、黏煤运动轨迹离散元破煤特性

    摘要:近年来我国煤炭资源持续性大规模开采,如今国内的整体煤炭开采难度与日俱增,硬质煤层和黏性煤层的比例增加是制约煤炭开采效率的主要因素,而传统机械破煤技术很难实现硬煤、黏煤的高效截割。因此针对传统截齿在硬质和黏性煤岩破煤效果不佳的问题,从煤壁辅助预裂与截割相结合的角度出发,利用理论分析和数值模拟的方法研究了冲击预裂与截齿截割煤岩破碎特性,在综合考虑实际工作中的牵引、回转与冲击运动,提出了截齿运动轨迹模型,建立了预裂辅助冲击截齿的破煤轨迹数学模型,得到了截齿破煤运动轨迹的解析解。并根据分析结果建立了预裂辅助冲击截齿与传统截齿的单截齿滚筒破煤离散元模型,从破煤颗粒实际占比、破煤难易程度、截齿受力波动等角度对两种截齿的破煤特性进行了对比分析。研究结果表明:在破煤颗粒实际占比上,预裂辅助冲击截齿在煤体硬度同为f6时提高了31%,当黏度黏聚力为2.6 MPa时预裂辅助冲击截齿的效率提升接近14%;在破煤难易程度上,预裂辅助冲击截齿在硬度值为f6时可降低50%的破煤难度,当黏度黏聚力为1.88 MPa时,预裂辅助冲击截齿可降低约12%的难度;在截齿受力波动上,预裂辅助冲击截齿在硬质煤或黏性煤均能够减小近7000 N的力,因此,开展预裂辅助冲击截齿的研究,将有利于破碎硬质和黏性等特殊煤岩介质。
  • 作者(Author):丁鑫肖晓春吕祥锋赵同彬尹延春宋义敏杨小彬潘一山
    关键词(KeyWords):声发射煤岩破坏小波时-频变换裂纹扩展应力波

    摘要:掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0~70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而三个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化的应用是后续研究工作的重点。

主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

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