主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

康紅普:煤炭開采與巖層控制中的多尺度研究

2020-03-05

  煤炭開采與巖層控制是研究采煤技術、工藝、裝備及巖層移動、破壞和控制的學科,其基礎學科為地質學、巖石力學及采礦學等,研究對象從全球煤炭資源分布、區域地質構造與地應力分布、大型煤田與礦區規劃、礦井開拓部署、采煤工藝與裝備、采場巖層控制、巷道支護、鉆孔鉆進,到煤巖體礦物成分與組織結構、微孔隙裂隙等,空間尺度從10-10~ 107m,從全球尺度到煤體中的極微孔,共跨17個量級。


  不同尺度研究的內容、研究的方法不同,康紅普院士以空間尺度為主線,介紹了煤炭開采與巖層控制在不同尺度范圍內的主要研究內容、研究方法和典型實例,分析了不同尺度之間的關系。


  不同尺度研究的內容不同。在全球尺度上可研究地殼運動、板塊構造、地應力分布等與煤層賦存條件的關系;在礦區尺度上,可根據礦區煤炭資源分布、地質構造及地面條件等,合理劃分井田尺寸與邊界,實現礦區的高效開發;在微納米尺度上,可分析煤巖體顆粒、孔隙與裂隙分布對煤巖體物理力學特性的影響。


  不同尺度研究方法不同。在煤田尺度上,可采用地質勘探方法研究煤田中煤炭資源分布、儲量及大中型地質構造等,從空間與時間上規劃煤田的開發;在工作面與巷道尺度方面,可采用力學理論、實驗室試驗、數值模擬及井下實測等方法開展研究;對于肉眼看不到的研究對象,需要借助各種顯微鏡、CT掃描法、核磁共振法及一些間接法開展研究。


  巖層結構只能出現在一定尺度內。如巷道頂板中形成的梁、拱、層等結構的尺度一般為10-1 ~100 m;長壁工作面采空區巖石形成的梁、拱、殼等結構尺度大多在100 ~102 m范圍內。遠離這些尺度,巖層結構無法形成。相似材料模型試驗可縮小原型的尺度,便于在實驗室進行研究,但應保證模型與原型的各個參數盡量相似。


  巖層控制研究中一些問題必須從微觀開始研究。如軟巖遇水軟化與膨脹的機理,應了解軟巖的礦物成分和微結構,礦物顆粒與水、陽離子的相互作用;對于煤層的滲透性,就需要測試與分析煤體中的微納米孔隙、裂隙的分布。而對于巖層控制研究中的另一些問題,一般只需了解煤巖層的宏觀物理力學性質即可。如在研究巷道或采場圍巖的應力場與位移場分布時,只需建立力學模型,將所需煤巖體的宏觀參數輸入后分析計算即可,沒必要了解煤巖體中的微結構尺度與分布。


  研究最后,康紅普院士指出:巖層控制中從宏觀、細觀到微觀的多尺度研究方法已得到廣泛應用,不同尺度之間的相互聯系顯得非常重要。例如,如何將實驗室小尺度煤巖樣的試驗參數與井下原位大尺度的煤巖體參數相聯系?如何將煤體中的微納米孔隙、裂隙分布與煤層的滲透性、強度、剛度及完整性等宏觀參數相聯系?這些問題還有待于做更深入細致的研究。


  這項研究以《煤炭開采與巖層控制的空間尺度分析 》(點擊查看)為題發表于《采礦與巖層控制工程學報》2020年第2期。


物理學與采礦工程研究的空間尺度分布


我國典型煤田空間尺度

  責任編輯:宮在芹
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郭小銘(1988-),山西呂梁人,碩士畢業于中國礦業大學地質工程專業,現就...

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