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
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煤炭學報
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  • 作者(Author):楊科劉帥唐春安魏禎池小樓
    關鍵詞(KeyWords):大采高軟煤多關鍵層結構保護層開采煤壁片幫礦壓控制

    摘要:煤壁片幫是制約大采高軟煤綜采工作面安全、高效回采的主要因素之一。基于淮南礦區A組煤、B組煤煤系地層稟賦及下保護層開采生產條件,針對潘二礦11224工作面煤壁片幫破壞特點,采用現場實測、物理模擬、理論分析、工業試驗等方法,研究了多關鍵層結構跨煤組遠程下保護層開采覆巖采動裂隙發育規律和被保護層大采高軟煤綜采工作面煤壁失穩力學過程,揭示了回采前已受采動影響的煤壁片幫機理并提出控制措施。結果顯示:① 被保護層煤壁破裂形式主要為不規則滑移體沿破裂面的滑移運動,同時伴有區域多發性及傾向蔓延性,片幫跡線觀測到貫穿煤層的節理弱面;② 物理模擬顯示,受下保護層開采影響,遠程被保護層11224工作面處于覆巖“三帶”中彎曲下沉帶內,并出現大量隨機分布的法向節理裂隙;③ 薄板模型極限撓度分析顯示,采高、關鍵層空間結構、垮落帶和斷裂帶巖層碎脹系數是決定“三帶”發育高度的主控因素,理論計算所得“三帶”發育特征與物理模擬一致;④ 基于煤壁片幫形式和受擾動影響特征,建立被保護層煤壁單元受力簡化模型,給出考慮圍壓作用任意形態三棱柱體剪切破壞判據;⑤ 三棱柱體破裂后形成滑移體,主控弱面控制滑移體的摩擦滑動,提出滑移體沿結構面摩擦滑動失穩判據;⑥ 提高支架阻力和護幫力、采用“棕繩+注漿”柔性支護以及工字鋼輔助鋪網加強支架支護,可顯著提高煤壁單位穩定性。
  • 作者(Author):楊勝利楊 毅
    關鍵詞(KeyWords):煤壁破壞柔性加固孔徑比注漿材料

    摘要:近年來,工作面煤壁柔性加固技術的提出豐富了煤壁破壞防治技術理論。 為了進一步揭示 煤壁柔性加固技術中柔性棕繩的作用機制,明確漿液和柔性棕繩的耦合關系,降低柔性加固技術的 技術成本和應用難度,通過物理實驗、理論分析、設備開發、工程應用等研究手段,優化了煤壁柔性 加固工藝。 通過三維相似模擬實驗,對比研究了煤壁無加固、煤壁注漿加固和煤壁柔性加固條件下 煤壁的破壞特征,從宏觀上揭示了煤壁柔性加固機理和柔性棕繩作用機制;將鉆孔直徑與柔性棕繩 直徑的比值定義為孔徑比,通過“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔試驗,研究了孔徑比、漿液類型對柔性 加固效果的影響,從而確定了漿液和柔性棕繩的數量耦合關系,開發了低成本的柔性加固注漿材 料;通過設備開發,研制了半環形注漿管。 研究表明:煤壁采用柔性加固可有效提高煤體的整體性 并減小煤壁破壞深度;當孔徑比介于1.6~1.9時,煤壁柔性加固效果最佳,且越接近 1.9,柔性加 固效果越好;采用“超細水泥、礦粉、水玻璃”混合材料作為柔性加固注漿材料,礦粉添加量不超過 30% ,水玻璃的添加量不超過 10% ,可降低柔性加固技術應用成本;研制的半環形注漿管可有效減 小所需鉆孔直徑,降低技術應用難度;最后通過在瑞隆煤礦仰斜開采工作面應用煤壁柔性加固技 術,有效的緩解了煤壁破壞的發生,提高了煤壁的穩定性。 本文通過一系列實驗研究,系統的優化 了煤壁柔性加固工藝,為煤壁柔性加固技術的科學應用提供了借鑒。
  • 作者(Author):劉闖李化敏周 英李東印
    關鍵詞(KeyWords):綜放工作面多放煤口協同放煤數值模擬

    摘要:針對當前綜放工作面存在頂煤采出率低、混矸率高、放煤效率低等問題,提出綜放工作面多 放煤口協同放煤方法。 根據給出的綜放工作面多放煤口協同放煤方法的定義,以理論分析和數值 模擬為手段,研究了多放煤口放煤條件下,起始放煤、中間放煤和末端放煤 3 個階段的放煤方法和 煤巖分界面特征,提出“多放煤口同時開啟逆次關閉”的起始放煤方法。 根據放煤口放煤的影響范 圍,以及頂煤冒落過程中的速度方程和頂煤顆粒移動方程,建立了多放煤口起始放煤方式的算法模 型,理論上推導出起始放煤過程中放煤間隔時間差的計算方法,為起始放煤方法的應用提供了方 法。 通過分析綜放工作面的特點,得出綜放工作面頂板穩定性、瓦斯濃度、后部刮板輸送機運輸能 力、粉塵濃度、工作面采放協調等是影響和限制放煤口數量的主要因素。 以同忻煤礦 8202 綜放工 作面煤層條件為例,建立沿工作面方向的數值模擬模型,模擬并對比不同的單放煤口放煤方式和不 同放煤口數量的多放煤口放煤的放煤規律、頂煤采出率和放煤效率,得出在多放煤口放煤條件下, 放煤過程中的煤巖分界面相對平滑,頂煤采出率隨同時打開的放煤口數量增加而增大。 多放煤口 放煤效率是單放煤口放煤效率的4~8倍,多放煤口放煤的頂煤采出率比單放煤口高 5% 左右。
  • 作者(Author):孫繼平曹玉超
    關鍵詞(KeyWords):礦井水災水災感知圖像識別圖像紋理雙樹復小波變換

    摘要:水災是煤礦重特大事故之一。 現有水災監測報警方法存在著適應性差、誤報和漏報率高等 問題,難以滿足煤礦安全生產需求。 為此,提出了基于圖像紋理特征的礦井水災感知方法:在巷道 頂部或巷幫、采煤工作面支架等設置攝像機,實時采集采掘工作面和巷道底板圖像;通過雙樹復小 波變換,提取水、煤、巖石圖像紋理特征,建立水災圖像識別模型;對學習樣本進行雙樹復小波變換, 提取 1,2 級系數,統計其方差與期望值,利用相應的方差與期望值構造泊松分布模型,并估計其各 個方向模型的強度參數。 對待測樣本同樣進行雙樹復小波變換后,利用 1,2 級系數的方差與期望 值構成的模型強度參數向量與樣本參數向量進行皮爾遜相似性比較,最終確定待測樣本分類。 根 據水災圖像識別模型,對實時監測的圖像進行識別,當分割圖像具有水災紋理特征時,進行水災報 警。 采集了水災模擬實驗圖像,建立了圖像數據庫。 對所提出的模型編制了相應的實驗程序,進行 了模型的訓練和實驗驗證。 研究了水、煤、巖石在雙樹復小波域泊松分布下系數統計值的分布規 律,并對模型的性能進行了參數化的評估。 通過實驗驗證了基于圖像紋理特征的礦井水災感知方 法的可行性。 實驗表明,基于圖像紋理特征的礦井水災感知方法,識別水災準確率大于 81% 。
  • 作者(Author):王瑾劉建畢如田張凱媛劉慧芳田曉紅
    關鍵詞(KeyWords):系統動力學煤炭開采規模煤炭開采模式資源損毀控制

    摘要:為研究不同煤炭開采模式下水土資源損毀程度,基于系統動力學原理構建了煤炭-水土資 源經濟系統的系統動力學模型,模型經過多次的運行完善,最后通過了檢驗,利用模型分析了不同 情境下水土資源損毀系統的發展特征。 通過對模型運行分析得出,影響煤炭開采量、耕地面積和水 資源量的因素中敏感性最高的 3 個影響因子是采出率、廢水治理率和復墾率。 在將煤炭開采量控 制在 600 萬 t 以下,耕地面積和總供水保有量分別控制在 31. 25 km2和 1872 萬 t 以上的前提下,對 這 3 個主要影響因子進行了設置,模擬運行得出了長河流域煤礦區未來 2017—2030 年 3 種不同煤 炭開采模式下水土資源的損毀狀況,在不同煤炭開采規模情景下水土資源發展狀況差別明顯,經濟 優化型模式下,國民經濟增長速度明顯增加,但是耕地面積出現了小幅度減小,而且總供水量減少 較快,容易給當地人民帶來水資源不足的威脅,該方式不符合經濟發展的長遠利益;資源優化型,該 模式下年國民生產總值增速明顯減小,耕地面積和總供水量快速增加,資源型發展模式能夠維護資 源的健康穩步發展,但是不利于經濟的發展;SD-MOP 整合優化模型,該模式下適當控制煤炭開采 規模,國民產值在較大程度穩步提升的前提下,也能保證水土資源的穩步增加,既考慮了經濟效益 又重視了自然資源,其優化方案是朝著煤炭資源、水土資源合理利用,經濟-生態雙優化的改造過 程,是在提高研究區煤炭資源、水和土地資源的利用效率的過程,有助于優化長河流域煤炭、水和土 地資源的數量結構、層次結構與效益結構。 經過對這 3 種方案不斷的運行檢驗得出:整合優化型煤 炭開采模式為最優開采模式。
  • 作者(Author):任懷偉王國法趙國瑞曹現剛杜毅博李帥帥
    關鍵詞(KeyWords):智慧煤礦邏輯模型信息實體決策控制協同控制

    摘要:針對數字礦山向智慧礦山發展過程中信息關聯層次不清晰、框架結構不完善、缺少智能決 策依據及有效控制方法的問題,提出了智慧煤礦信息邏輯模型,基于本體和語義網技術建立了煤礦 多源、異構關系數據的信息“實體”和虛實映射機理,提出基于知識需求模型的信息實體主動匹配 與推送策略,構建基于開采行為預測推理的智慧邏輯模型進化機制,形成了層級清晰、結構明確、全 面覆蓋的智慧煤礦信息模型;構建了綜采設備群空間位姿關系模型,提出了考慮隨機誤差的強耦合 設備群空間坐標統一描述及各設備關聯坐標系轉換方法,建立了多參量融合分析和評估的開采環 境—生產系統耦合關系模型,為煤礦裝備位姿控制及智能決策提供支撐;給出了時變多因素影響下 的開采設備群全局最優規劃和分布式協同控制方法。 將綜采設備群全局最優規劃歸結為一個二次 積分模型的燃料最優規劃問題,提出了基于多模態控制的綜采設備群全局最優推進路徑規劃及控 制策略,可兼顧開采條件、設備能力、工藝流程及能量消耗,確保生產成本、效率的有效改善。 給出 了同時考慮環境干擾和傳感器數據時延特性的液壓支架群組分布式協同控制方法。 上述基礎架構 和數學模型為深層次挖掘智慧煤礦海量信息之間的關聯關系、解決大數據環境下開采系統的最優 化協同控制、實現復雜地質條件下連續穩定開采提供了基礎理論支撐,可有效推動智慧煤礦技術的 發展。
  • 作者(Author):楊 楨蘇小平 李鑫
    關鍵詞(KeyWords):復合煤巖變形破裂電荷感應變化規律耦合模型

    摘要:為探究復合煤巖力學性質與電荷、溫度信號內在聯系,從大同忻州窯礦具有典型煤巖動力 災害特征煤層,提取頂板巖、煤樣、底板巖按照 1 ∶ 1 ∶ 1 比例制備復合煤巖試樣,采用 0.1,0.3, 1.0 mm / min 三種不同加載速率對煤巖試樣進行單軸加載破裂實驗,研究復合煤巖試樣單軸加載變 形破裂過程中電磁、電荷、溫度信號變化規律。試驗結果表明:電磁輻射脈沖、電荷感應、溫度在復 合煤巖試樣失穩破壞前均出現明顯的前兆變化特征;加載初期電磁輻射、電荷感應信號較弱,隨著 加載應力水平的增加,兩個信號逐漸增強,在臨近峰值應力前信號達到最強,具有較強的一致性,兩 者呈二次相關性,系數在 0.8 以上;相對于電磁輻射信號變化特征,電荷感應信號的持續時間較短, 信號特征為陣發性的,當以 0.1 mm / min 速率加載時,電荷感應信號最強,0.3,1.0 mm / min 速率加 載時信號變化率隨加載速率增大而增大;溫度總體呈階躍式、臺階式上升趨勢,在峰值前達到最大 值。 結合復合煤巖破裂 SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推導電磁輻射脈沖數與電荷感應 電壓之間的數學關系,構建了 SCT(stress-electricity-thermal)耦合模型。 針對 12 組試樣進行試驗, 數據擬合結果表明:SCT 模型參數 n,b′的數據擬合精度較 SET 耦合模型 m,b 稍高,復相關系數基 本均在 0.9 以上,具有較高契合度。 試樣產生的電磁輻射、電荷感應及溫度變化與自由電荷、內部 微破裂、摩擦等因素有關。 在煤礦現場電荷感應檢測受干擾相對于電磁輻射要小很多,故可考慮采 用 SCT 耦合模型對煤巖動力災害進行預測預報。
  • 作者(Author):于秋鴿張華興鄧偉男張玉軍張剛艷
    關鍵詞(KeyWords):開采沉陷斷層活化模式斷層面離層空間煤柱壓縮主要影響角超前支承壓力

    摘要:當工作面上覆巖層中含有斷層時,地表下沉規律與不含斷層時具有顯著差別。 為了研究開 采沉陷中斷層活化機理,通過理論推導將開采沉陷中斷層活化分為“斷層面產生離層空間”、“煤柱 壓縮”兩種斷層活化模式并分別利用數值模擬和現場實例進行了驗證。 研究結果表明:① 采動將 造成斷層面產生離層空間,離層空間以下沉系數等于 1 傳遞給松散層造成斷層露頭處地表產生臺 階下沉,影響斷層離層空間的主要因素有工作面推進長度、基巖厚度、保護煤柱寬度、煤層厚度、斷 層傾角、斷層是否含水、斷層帶巖體內摩擦角及黏聚力等;② 斷層面離層空間隨著工作面推進長度 的增加而增加,當工作面推進一定長度時不再變化;斷層面離層空間隨著基巖厚度的增加而線性增 加;斷層面離層空間隨著保護煤柱寬度增加而減小;斷層面離層空間隨煤層厚度增加而線性增加; 斷層面離層空間隨斷層傾角增大而增加;斷層帶巖體原生水的存在對斷層面離層空間產生具有促 進作用;斷層面離層空間隨斷層帶巖體黏聚力和內摩擦角的增加而減小;③ 工作面主要影響角和 斷層傾角的大小關系控制“斷層面產生離層空間”模式斷層活化,當斷層傾角大于主要影響角并與 主要影響角在基巖內相交時,斷層將活化;④ 當斷層傾角小于主要影響角時,工作面超前支承壓力 影響范圍控制“煤柱壓縮”模式斷層活化,當工作面超前支承壓力接觸斷層時,斷層將活化。
  • 作者(Author):李清淼梁運培鄒全樂
    關鍵詞(KeyWords):循環荷載滲透率恢復率應力敏感系數加卸載響應比損傷

    摘要:循環載荷廣泛存在于采礦活動中并對煤巖的強度、損傷及滲透性質產生較大影響,例如煤 層群開采多重保護工程中,被保護層煤巖就受到循環加卸載作用,并顯著改變了煤巖的力學及滲流 特性;瓦斯對煤的力學性質及能量耗散特征也具有顯著的影響,不同加卸載路徑下煤巖力學及滲流 特性與常規加載下的性質存在顯著差異,因而有必要研究循環加卸載條件下不同含瓦斯煤的滲流 及損傷演化特征。 根據煤層群開采條件下被保護層應力狀態實時監測的相似模擬實驗結果,設計了 3 種簡化的循環加卸載應力路徑,即階梯循環加卸載、逐級增大循環加卸載和交叉循環加卸載, 采用重慶大學自主研發的含瓦斯煤流固耦合三軸滲流實驗裝置對取自平頂山十礦和袁莊煤礦的煤 樣進行了瓦斯滲流試驗。 結果表明:在 3 種循環加卸路徑中,2 種煤樣的滲透率變化與軸向應力應 變曲線具有顯著的一致性,循環加卸載作用下,煤樣滲透率隨著應力的增大和循環次數的增加呈減 小趨勢;應力卸載和加載對滲透率的影響不同;滲透率受到應力和損傷累積的雙重影響。 相同應力 水平下,煤樣經過卸載-加載過程后的滲透率有降低趨勢,相對恢復率隨著循環次數的增加而先降 低后增大只有應力超過煤樣的屈服階段后才能使滲透率增大。 主要結論為:① 3 種循環加卸載路 徑下煤樣在加載階段的增透率隨應力增大和循環次數的增加都可以分為 3 個階段且呈增長趨勢, 單位體積變化引起的滲透率增加在變大,循環荷載的增透效果隨著循環次數的增加而增強。 ② 隨 著峰值應力的增大和煤樣中損傷的累積,滲透率對應力的敏感性逐漸降低。 隨著荷載的施加,應力 卸載對滲透率的影響先增強后減弱。 ③ 通過計算各循環階段的加卸載響應比得到了煤樣損傷變 量的演化規律,通過回歸分析可知損傷變量與軸向應力之間的關系可以用 Boltzmann 函數表征,該 函數可以作為損傷的經驗公式對實驗中煤樣的損傷進行預測計算。 ④ 循環加卸載對煤樣滲透率 及損傷的作用受煤種不同的影響不明顯。 研究結果為深入揭示多重保護下煤層增透機制和基于循 環荷載致裂(重復水力壓裂等)的煤層強化增透機制及瓦斯抽采工程設計提供理論支撐。
  • 作者(Author):謝生榮陳冬冬曾俊超張晴岳帥帥吳曉宇
    關鍵詞(KeyWords):基本頂彈性邊界初次破斷反彈壓縮板結構

    摘要:為了研究基本頂初次破斷與全區域反彈壓縮場的時空關系,建立彈性基礎邊界基本頂板結 構初次破斷擾動力學模型,基于有限差分理論與主彎矩破斷準則計算研究了基本頂板結構初次破 斷時全區域反彈壓縮場的基本形態特征以及基本頂破斷長度、破斷發展過程及破斷程度對全區域 反彈壓縮場的影響。 結果如下:① 基本頂深入煤體斷裂時,在破斷線外側依次產生“半橢圓形反彈 I 區”、“橢環形壓縮區”、“橢環形反彈 II 區”及“橢環形壓縮區”;② 斷裂線前側反彈 I 區中部位置 的反彈量最大,斷裂線的兩端部為壓縮區;③ 首次斷長與二次斷長均較小時,破斷線外圍依次為 “M 形反彈 I 區”、“橢環形壓縮區”及“橢環形反彈 II 區”;首次斷長與二次斷長均較大時,斷裂線 外圍依次為“M 形反彈 I 區”、“環 8 字形壓縮區”及“環 8 字形反彈 II 區”;④ 基本頂破斷程度越 大,反彈量越大,而反彈壓縮的分區特征與破斷程度無關;⑤ 反彈 II 區包圍了“懸頂區”且貫穿兩 巷及鄰側巷道區,反彈 II 區的內、外邊界線的垂距基本相等,所以基本頂深入煤體破斷時可在鄰側 巷道及兩巷區監測到反彈壓縮信息。 采用特制高精度位移傳感器實驗與工程實踐驗證了結論的合 理性。 形成預警基本頂大面積初次破斷的“一同時與兩滯后”原理及“兩區域與兩指標”監測位置 及方法。
  • 作者(Author):李宏艷莫云龍孫中學李 磊蔣軍軍趙善坤
    關鍵詞(KeyWords):沖擊危險性臨界敏感性統計學能量釋放缺震時間

    摘要:煤巖沖擊危險性評價的研究在煤礦安全生產領域引起廣泛關注,已有多種靜態評價方法指 導現場防沖工作。 一方面,對于沖擊地壓的致災機理和影響因素目前尚未完全掌握;另一方面,伴 隨著開采活動,煤巖沖擊危險性是動態變化的,因此靜態評價方法不足以解決井下煤巖沖擊危險性 評價的問題。 而基于現場監測的沖擊危險性動態評價技術對于井下安全生產活動具有更強的參考 性。 依據統計損傷力學原理,對煤巖受載條件下的能量演化行為進行分析,發現累積能量釋放速率 對時間的響應具有臨界敏感性,即在煤巖臨近災變時,累積能量釋放速率會激增。 此外,依據統計 學原理,復雜系統處于正常狀態(無危險性)的行為應該占據較大概率,非正常狀態(有危險性)的 行為應該占據較小概率,故某一時刻系統行為偏離正常狀態的程度實際上反映了其自身所處危險 狀態的變化。 基于以上原理,初步建立了以響應能量異常系數和無響應時間異常系數為指標的沖 擊危險性動態評價的微震技術,對短期預警或臨震預警展開嘗試。 最后在典型沖擊地壓礦井已有 微震數據基礎上,進行了現場驗證。 研究結果表明,微震累積能量釋放速率可直接反映煤巖所處沖 擊危險狀態;缺震時間頻次分布規律滿足正偏態分布;在此基礎上構建的兩個異常系數指標相互結 合能夠實現對現場沖擊危險性的實時連續評價;基于統計學原理,隨著開采活動的進行,對沖擊危 險性指標的閾值進行動態修正,保證動態評價結果更為靈敏、準確,這一思想可應用于其他動態評 價技術中。
  • 作者(Author):顧超許金余孟博旭聞名婁傳鑫
    關鍵詞(KeyWords):巖石力學高溫作用各向異性動態力學斷口分析

    摘要:為研究層理巖石的動態力學和細觀結構方面的各向異性特征,利用大直徑(?100 mm)分 離式霍普金森壓桿(SHPB)系統,進行高溫作用后層理砂巖的動態壓縮試驗,而后對試件破壞斷口 進行 SEM 電鏡掃描試驗,分析其斷口形貌特征與能耗規律,并對提取出的微裂縫網絡進行數值分 析。 試驗結果表明:高溫作用后各向異性砂巖的動態力學性能受沖擊彈速、溫度效應、層理各向異 性的共同影響,隨著沖擊彈速的增加,砂巖的峰值強度逐漸增加,峰值應變逐漸增大,變形模量也逐 漸增加;隨著溫度的升高,砂巖的峰值強度逐漸減小,峰值應變逐漸增大,而變形模量逐漸減小;平 行層理砂巖的峰值強度、峰值應變和變形模量普遍高于垂直層理巖樣,整體性更好。 層理砂巖在高 應變率下破壞的斷口表面比在低應變率下整體度差,形貌更加粗糙。 經歷溫度不大于 400 ℃時,斷 面以沿晶破壞和穿晶破壞為主,表現為脆性斷裂;經歷溫度為 800 ℃時,除前 2 種斷裂模式外,斷面 局部還出現塑性破壞和韌性破壞特征。砂巖在高應變率下破壞時能耗普遍高于低應變率破壞。 斷 口裂隙的數量、裂隙的面積、裂隙的形狀三者均存在明顯的各向異性差異,水平層理的裂隙數量普 遍高于垂直層理;水平層理巖樣的微觀裂隙率曲線低于垂直層理巖樣;垂直層理的裂隙形狀普遍比 水平層理規則。 高溫處理后巖樣動態破壞斷口的裂隙形態趨于規則。
  • 作者(Author):朱棟靖洪文尹乾陶祥令宗義江
    關鍵詞(KeyWords):弧形裂隙起裂應力破裂過程聲發射應力強度因子

    摘要:天然巖體中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷載作用下弧形裂隙容易萌生新生裂紋,新生裂 紋的擴展容易導致巖石工程的失穩,但針對含弧形預制裂隙巖石力學相關特征還不夠全面,基于此 在板狀黃砂巖試樣內預制了不同 γ 值(弧形高度和直徑比值)的弧形裂隙,研究含弧形預制缺陷砂 巖的力學特征。 利用高壓水射流切割機在完整板狀黃砂巖試樣中切割出不同 γ 值弧形裂隙缺陷, 采用 YNS-2000 型電液伺服控制試驗系統、DS2 聲發射和數字照相采集系統研究了不同弧形裂隙 γ 在單軸壓縮作用下對黃砂巖峰值強度、平均模量和割線模量、聲發射、破壞過程、起裂形式、起裂 應力和破壞形式的影響規律。 利用復變函數求解在弧形裂隙應力場中所構建的黎曼-希爾伯特問 題,獲得尖端應力強度因子表達式。 試驗結果表明:① 弧形裂隙缺陷砂巖試樣隨著 γ 的增大,峰后 試樣的承載能力逐漸降低,試樣峰值強度、平均模量和割線模量出現總體減小趨勢,當 γ = 0.2時峰 值強度最大為 27.09 MPa;當 γ = 1 時峰值強度最小為 18.99 MPa。 ② 預制弧形裂隙 γ 對試樣起裂 應力、起裂位置、破裂演化過程、聲發射特征和破壞模式均具有重要影響,隨著 γ 值的增大,試樣起 裂應力呈總體減小趨勢,當 γ = 0.8時,試樣的平均起裂應力最小,其值為 4.99 MPa;當 γ = 0 時,試 樣的平均起裂應力值為 11.08 MPa,平均起裂應力值最大。 ③ 隨著 γ 的增大,試樣的破壞模式由 拉剪混合破壞向拉伸破壞轉變,當 γ = 0 時,試樣為拉剪破壞;當 γ 在 0.2~1.0 時,試樣為拉伸破 壞。 初始起裂裂紋擴展并不是導致試樣最終破壞的原因,次生裂紋的擴展與自由面貫通才是導致 試樣整體破壞原因,試樣破壞瞬間釋放大量彈性能導致巖塊折斷和表面剝落現象。 通過對含弧形 裂隙裂紋擴展機制探討推導出應力強度因子表達式,并根據該表達式求出相應應力強度因子值,曲 線擬合后發現其變化趨勢與試驗值變化趨勢基本吻合。 研究僅通過單軸壓縮作用研究發現弧形裂 隙 γ 對砂巖力學參數、破裂演化過程和破壞形式影響明顯,為了充分研究外界荷載對含弧形裂隙砂 巖的破壞特征,將通過改變加載形式和加載路徑深入研究含該類缺陷巖石的力學特征。
  • 作者(Author):劉文博張樹光李若木
    關鍵詞(KeyWords):能量耗散黏塑性理論臨界耗散率蠕變速率應力狀態

    摘要:巖石加速蠕變階段的啟動條件是分析蠕變全過程的難點問題,現有的西原體模型在描述巖 石黏塑性階段的加速蠕變特性時也存在明顯的不足。 為了更好地描述巖石蠕變的全過程、劃分蠕 變的不同階段和表征加速蠕變階段的變形特性,基于能量耗散理論定義了加速蠕變啟動的控制閾 值,將 Perzyna 黏塑性模型引入西原體模型,由此構建了一種新型的巖石加速蠕變本構模型,并且 通過三軸逐級加載蠕變實驗數據對模型進行了驗證。 結果表明:蠕變加載過程中的能耗和蠕變損 傷主要來源于巖土類材料內部的內能變化,基于能量耗散理論和考慮蠕變速率變化構建的巖石加 速蠕變模型能更好地描述巖石黏彈塑性蠕變特性,不僅反映了巖石能量耗散與蠕變變化之間的關 系,也進一步突出了巖石的蠕變速率和蠕變應力狀態對加速蠕變的影響;同時,該模型克服了傳統 的西原模型難以描述加速蠕變變形特征的缺點,更加準確地反映了巖石的衰減和穩定蠕變階段的 蠕變特性;最后,對比分析結果驗證了采用耗散率值來定義由穩定蠕變階段轉化為加速蠕變階段的 控制閾值是可行的,引入 Perzyna 黏塑性模型對改善西原體模型描述巖石加速蠕變階段的變形特 征是有效的,研究結果為分析蠕變變形全過程和劃分蠕變變形階段提供了一個新方法,為研究蠕變 模型和蠕變力學特性提供了一個新思路。
  • 作者(Author):吳順川張晨曦成子橋
    關鍵詞(KeyWords):巖爆預測主成分分析概率神經網絡烈度分級

    摘要:根據巖爆的影響因素、特點及成因,選取圍巖最大切應力、單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、應 力系數、脆性系數和彈性能量指數構成巖爆預測指標體系。 搜集國內外 46 組典型巖爆案例數據, 考慮到概率神經網絡(PNN)中高斯函數要求各指標變量互不相關,采用主成分分析法(PCA)對原 始數據預處理,消除指標間相關性并降維,得到線性無關的 3 個主成分即巖爆綜合預測指標 RCI1 , RCI2 ,RCI3 ,構成概率神經網絡的輸入向量。 將巖爆烈度分級預測視為共有 4 種類別的模式分類問 題,在滿足均勻分布的前提下,選取[0.02,1.00] 內的 50 個 Spread 值,觀察模型預測正確率隨 Spread 值的變化。 經測試,Spread 值為 0.36 時,預測結果首次同時達到最優,故創建平滑因子為 0.36 的概率神經網絡。 巖爆案例數據由主成分分析法處理后分為訓練樣本和測試樣本,對訓練后 的 PNN 網絡進行性能測試,兩組數據預測正確率分別為 100% ,90% 。 將該結果與隨機森林(RF) 模型、支持向量機(SVM)模型、人工神經網絡(ANN)模型進行比較,可知 PCA-PNN 模型的預測結 果稍好于 SVM 模型、ANN 模型,誤判率與 RF 模型的訓練樣本平均誤判率、測試樣本平均誤判率一 致。 此外 PNN 網絡收斂速度快,通常在數秒內即可完成,表明基于 PCA-PNN 的巖爆烈度預測模 型是合理可行的。
  • 作者(Author):周動劉志祥馮增朝沈永星
    關鍵詞(KeyWords):孔喉微孔隙解吸阻滯勢阱/ 勢壘

    摘要:煤是天然的多孔介質,其內部含有大量破碎煤塊與多種類型的微孔隙結構,甲烷在煤的微 孔隙喉道通過性是影響甲烷解吸效率的重要原因之一。 基于單孔喉模型,分別對孔喉直徑、孔喉幾 何形態與甲烷分子在孔喉附近的 Leonard-Jones 勢的關系進行了分析;基于兩能態模型,得到了孔 喉勢阱/ 勢壘的幾何臨界尺寸及變化規律,研究發現,當 R / r0(孔喉半徑/ 甲烷分子直徑) <0.89 時, 孔喉平面位置對甲烷分子存在勢壘,孔喉平面兩側存在勢阱;當 R / r0 >0. 89 時,孔喉平面僅存在勢 阱,勢阱深度隨著孔喉增大逐漸降低。 基于玻爾茲曼能量分布定律與麥克斯韋分子速率分布原理, 推導出了溫度、壓力、孔喉直徑對微孔隙吸附/ 解吸甲烷過程中的孔喉通過性影響的定量關系,分析 表明溫度、壓力差、孔喉直徑是影響甲烷通過孔喉的主要因素。 溫度越高,壓力差越大,孔喉直徑越 大,孔隙甲烷的通過性越好,反之則通過性越差。 基于上述理論分析,建立了煤的非均勻孔喉結構 模型,通過數值模擬方法進行了含孔喉微孔隙吸附/ 解吸甲烷規律研究。 研究證明,煤中孔喉勢阱 對甲烷分子運移的阻滯作用,是引起煤層甲烷吸附/ 解吸速率下降與甲烷解吸滯后現象,導致煤層 氣開采期限內解吸率低下的重要原因之一;微孔隙孔喉越小,其影響越明顯。 研究結果對于煤層氣 開采效率評價及煤層原位致裂增透改性強化煤層氣開采提供借鑒。
  • 作者(Author):文虎程小蛟許延輝馬礪郭軍姜希印王保齊簡俊常
    關鍵詞(KeyWords):松散煤體自然發火氡析出氡運移火源探測

    摘要:火源精準探測一直是煤火災害防治方向的世界性難題,而同位素測氡是火源精準探測的主 要研究方法。 為了解采空區火源位置分布及發火情況,基于煤自然發火實驗臺研究松散煤體發火 過程中氡析出及運移規律。 為減小測氡過程對自然發火實驗影響,設計局部氣體循環系統,控制實 驗取氣量,獲得松散煤體自然發火過程中氡活度濃度沿軸線分布規律;通過數據篩選及統計分析, 獲得同一溫度條件下氡活度濃度沿軸線分布規律;根據氡活度濃度分布理論,推導實驗臺軸線方向 氡分布方程;基于同一溫度條件下氡活度濃度沿軸線分布規律及氡分布方程,獲得松散煤體自然發 火過程中氡的運移規律,確定真實反映氡析出與煤溫關系的節點位置;通過松散煤體單元劃分及氡 析出理論分析,推導松散煤體氡析出與發火時間的對應關系;基于實驗分析和理論推導,獲得氡析 出與發火時間的變化規律。 結果表明:松散煤堆自然發火過程中,沿軸線方向松散煤體內氡運移主 要以滲流為主,當煤溫 Tmax <50 ℃ 時,滲流影響范圍為 0<L<175 cm,其中 L 為與進風口的距離;當 煤溫 Tmax≥50 ℃ 時,滲流影響范圍減小為 0<L<125 cm,多種運移方式耦合作用范圍為 125<L<175 cm,可為采空區發火位置判斷提供依據;在一定溫度范圍內,氡析出隨煤溫升高呈指數增長, 且存在臨界溫度值,可為松散煤體發火程度判斷提供依據。
  • 作者(Author):夏鵬曾凡桂宋曉夏孫蓓蕾孟艷軍閆濤滔
    關鍵詞(KeyWords):古交礦區煤層氣氣體組分同位素

    摘要:山西古交礦區煤層氣資源豐富,是我國煤層氣重點開發區塊之一。 區內地質條件復雜,煤 層氣地質研究起步晚,尤其是對煤層氣組成特征及成因方面的討論還較匱乏,制約了煤層氣開發進 程。 煤層氣組成特征及成因與煤層氣母質性質、生成機理、運移和逸散規律等密切相關,對于煤層 氣保存條件和分布規律的認識和煤層氣資源評價具有重要意義。 為揭示古交礦區煤層氣化學組成 特征及氣體成因,采集礦區內 10 口煤層氣井口排采氣樣品,開展了氣體化學組分和碳、氮同位素檢 測,分析了煤層氣中甲烷及氮氣的成因;結合構造演化背景、構造形態、水文地質條件和煤芯解吸氣 化學組成,討論了煤層氣富氮氣機理及保存條件。 結果表明:古交礦區內煤層氣中氮氣含量偏高, 為 0.86% ~ 14.13% ,平均 6.10% ,甲烷含量在 83.79% ~ 97.57% ,平均 91.33% ,乙烷含量在 0 ~ 0.46% ,平均 0.09% ,不含 2 個碳原子以上的烴類,二氧化碳含量在 1.47% ~ 4.71% ,平均 2.48% ; 煤層氣屬于極干氣體,干燥系數(C1 / C1 ~ 5 )為 0.994 9 ~ 1,甲烷 δ13C 值在-47.13 ~ -39.26‰,平均 值為-44.03‰,為有機質熱解成因;氮氣 δ15 N 值在-1.16 ~ -0.51‰,平均值為-0.80‰,為大氣與 有機質熱降解混合成因,且以大氣來源為主,有機成因氮氣含量很少;地表水下滲與煤層發生相互 作用,地表水攜帶的大氣與煤層氣發生組分交換,導致煤層氣解吸、逸散,煤層含氣量降低、甲烷 δ13C 值降低、氮氣含量升高。
  • 作者(Author):魏迎春項歆璇王安民張 強曹代勇
    關鍵詞(KeyWords):礦化度煤儲層等溫吸附實驗吸咐性能甲烷

    摘要:為了探究水分及其礦化度對煤樣吸附甲烷能力的影響,以準噶爾盆地南緣瑪納斯礦區侏羅 系西山窯組塊狀煤樣為例,采用礦化度水配制—樣品制備—樣品大氣壓下水浸—高壓下注水—等 溫吸附實驗的實驗步驟,開展煤樣干燥、飽水及含不同礦化度水條件下煤的等溫吸附實驗,探討不 同礦化度水對煤儲層吸附性能的影響。 研究結果表明:干燥煤樣的蘭氏體積顯著大于注蒸餾水煤 樣的蘭氏體積,注蒸餾水煤樣的蘭氏體積大于注 10000mg / L 礦化度水煤樣的蘭氏體積,但后者與 注 20000mg / L 礦化度水煤樣的蘭氏體積相差不大。 其主要原因為注蒸餾水煤樣中水分子比甲烷 分子更容易占據煤基質內表面或微孔內表面的吸附位,從而使得蘭氏體積降低,而含礦化度水使得 煤基質表面的吸附位進一步減少,從而造成了煤樣對甲烷的吸附能力降低,但這也存在著一個極限 值,大于 20000mg / L 礦化度水已不能明顯降低煤樣的蘭氏體積。 因此可推斷,在地下水徑流區或 弱徑流區,煤層水的礦化度不斷增大至 10000mg / L 時,煤層中處于動態平衡的游離氣含量會增 加,而吸附氣含量會減少,當煤層水礦化度超過 10000mg / L,煤層中吸附氣與游離氣的含量比例趨 于穩定。 實驗從研究創新的角度出發,以低煤階煤樣為例,對比分析了含不同礦化度水條件下煤樣 對甲烷的吸附能力的差異,并且進行了相關的理論分析和機制解釋,認為地下水礦化度影響煤儲層 對甲烷的吸附能力。
  • 作者(Author):郝登云吳擁政陳海俊褚曉威李 楊
    關鍵詞(KeyWords):采空區特厚煤層回采巷道失穩錨桿支護

    摘要:采空區下近距離煤層開采時,下層煤回采巷道將受到上煤層采空區遺留煤柱、本煤層相鄰 工作面動壓的影響,針對孫家溝煤礦特厚煤層放頂煤工作面 13311 回風巷嚴重的冒頂、兩幫內擠和 底臌等變形破壞現象,采用現場實測、理論分析及數值模擬等研究方法,探討了回采巷道失穩機理 及主要影響因素。 研究表明,13311 回風巷變形失穩主要影響因素為迎鄰近工作面回采動壓響掘 進、巷道布置方式和巷道支護參數不合理。 與上層煤回采巷道垂直布置、巷道支護強度低且迎采動 掘進時,下層煤回采巷道容易失穩。 為改善 13313 回風巷圍巖穩定性,有效控制巷道變形,根據試 驗巷道圍巖物理力學性質及受力特征,研究提出了有針對性的解決方案:首先改進巷道布置方式, 將下煤層回采巷道布置在采空區下,且應距離上煤層采空區遺留煤柱不小于 20 m;其次增大護巷 煤柱寬度,把區段護巷煤柱寬度增加到 20 m 以上,減少迎采動掘進動壓的影響;最后,采用高預應 力全錨索加強支護,提高錨桿錨固段的整體性及其承載能力。 據此,在 13313 回風巷進行了工業性 試驗并進行了巷道礦壓觀測,結果表明:經受相鄰 13311 工作面回采動壓影響后,區段煤柱整體完 整,具有良好的承載性能;錨索受力達到了250~300 kN,約為其破斷力的 50% ,錨索受力增長平 穩,較好地控制了巷道離層和圍巖變形;13313 回風巷頂底板移近量為 400 mm 左右,兩幫移近量為 300 mm 左右,巷道圍巖變形量得到了有效控制,保證了巷道的整體穩定性,取得了良好的支護效 果。 但是,采用該種巷道布置方式,下層 13 號煤層 13313 工作面回采時,因工作面上方 11 號煤層 區段煤柱集中應力的影響,對其頂板和煤壁管理提出了更高的要求,需引起高度重視。
  • 作者(Author):宋戰平程昀楊騰添霍潤科王軍保劉新榮周冠南
    關鍵詞(KeyWords):滲透-應力耦合灰巖壓縮破壞聲發射特性

    摘要:    富水隧道圍巖體挖掘過程中,復雜的滲透-應力耦合作用經常導致巖體內部結構演化具有 不穩定性,進而誘發圍巖體的劣化與失穩,這對地下滲流巖體穩定性的研究提出了更高的要求。 為 研究貴陽下麥西隧道進口區灰巖的宏觀力學和聲發射特性,利用自主研發的滲透-應力耦合試驗 裝置進行了不同滲透水壓下的單軸壓縮破壞、聲發射和壓汞試驗,分析了灰巖的應力-應變、峰值 強度、特征應力、破裂和聲發射特性以及劣化機制等。 研究結果表明:隨滲透水壓力增大,灰巖壓密 階段延長而彈性階段相對縮短,峰值應力為指數衰減;閉合應力和損傷應力均隨滲透水壓力增加呈 線性減小,而隨峰值應力增大而增加,表明溶蝕作用增加了灰巖損傷敏感程度;滲透水壓力對灰巖 破裂形式未造成較大影響,以劈裂破壞為主,且碎塊均勻度與滲透水壓力、峰值應力均為指數關系; 不同滲透水壓力下,灰巖聲發射振鈴計數大致經歷了“平靜-發展-突增-跌落”過程,水巖作用弱化 了灰巖結構穩定性,導致應變能提前釋放;滲透水對灰巖具有溶蝕和引裂作用,隨滲透水壓力增加, 單位質量孔隙體積呈指數增加,起裂應力呈線性衰減。 研究結果可為地下富水巖體的開挖的穩定 性及減防災分析提供理論基礎。
  • 作者(Author):陳輝輝張小波姚池夏祖昊楊建華蔣水華姜清輝
    關鍵詞(KeyWords):巖石裂隙高溫作用CT 掃描非 Darcy 流臨界雷諾數歐拉數

    摘要:在油、氣能源地下存儲、高放核廢料地質處理中,巖石的溫度和裂隙滲透壓力會顯著地影響 巖石裂隙的滲流性質。 當滲透壓力梯度逐漸增加時,滲流流量隨之增大,使得 Darcy 流轉變為非線 性滲流。 為研究高溫致裂巖石裂隙滲流的基本規律,采用自行研制的溫度-應力-滲流多場耦合儀 (該系統由圍壓、軸壓和滲透水壓三套相互獨立的加載部分組成),在 1 MPa 的圍壓作用下,對高溫 作用后的巖樣進行不同滲透壓下的滲流試驗,研究滲流流量與壓力梯度的演化規律,并基于三維 CT 掃描技術對滲流試驗后的巖樣內部裂隙開度進行逐層檢測,獲得巖石裂紋開度統計分析以及巖 石逐層孔隙率統計分布,能清楚的觀測到巖石內部裂隙的網絡結構,可為研究巖石多裂隙滲流提供 依據。 通過 Forchheimer 方程描述滲流流量與滲透壓力梯度的關系,將滲流過程分為 Darcy 流與非 線性滲流 2 個階段,并引入非線性因子 E,在實際巖體工程中大多定義 E = 0.1 作為線性流和非線 性流的分界點,從而求解出臨界 Darcy 流的閾值和臨界雷諾數。 為了研究不同滲透壓力下動量相 對損失率的大小,采用歐拉數來計算巖石裂隙滲流的動量相對損失率。 結果表明,隨著滲透壓力的 增加,動量相對損失率呈現出先減小后增加的趨勢。 在某一滲透壓力下,歐拉數達到極小值,表明 在其壓力作用下流體流動的變化率最小,對實際工程中研究高溫致裂巖石裂隙滲流具有指導意義。
  • 作者(Author):羅生虎伍永平解盤石王紅偉張浩
    關鍵詞(KeyWords):大傾角煤層支架穩定性長壁開采

    摘要:大傾角煤層走向長壁工作面安全高效開采的關鍵是對圍巖的有效控制,而圍巖控制的難點 在于“支架-圍巖”系統的穩定性控制。 在綜合厘定與研究工作面“頂板-支架-底板”系統相互作 用關系的基礎上,采用理論分析方法,將底板假設為彈性地基,構建支架傾向力學模型,研究頂板載 荷作用下支架的行為響應,并探討采高、底板物理力學屬性和架間作用等因素對支架穩定性的影 響。 結果顯示,在大傾角煤層走向長壁開采中,工作面頂板在其自重及上覆巖層載荷作用下,沿著 漸進于重力方向的曲線處于非連續運動狀態中;受工作面頂板非連續運動影響,其對支架的作用載 荷處于漸進累積過程,支架亦會隨著頂板的運動而運動,且其運動幅度處于非連續漸進累積過程; 支架穩定性隨著頂板法向載荷的增大、頂板切向載荷的減小、頂板載荷偏載程度的減小、底板硬度 的增大、采高的減小和支架側護板千斤頂剛度的增大而增強;頂板法向載荷、底板地基系數、采高和 支架側護板千斤頂剛度僅能在一定程度上增大或減小支架的運動幅度,而頂板切向載荷和頂板載 荷作用位置不僅能影響支架的運動幅度,亦會改變其運動方向,且較其它因素而言,其對支架穩定 性影響較顯著。 嚴控工作面傾斜中上部區域頂板穩定并及時調整支架位態,以減小工作面頂板對 支架的切向載荷和頂板載荷的偏載程度,是控制支架穩定的有效途徑。
  • 作者(Author):柴森霖劉光偉趙景昌白潤才李浩然張靖
    關鍵詞(KeyWords)::Clifford 代數幾何代數露天礦山路徑優化改進遺傳算法

    摘要:露天礦山路徑優化問題是指在滿足特定物理和經濟約束之下,搜索最佳運輸線路的組合優 化問題,對于降低礦山運營成本具有重要的現實意義。 但目前常規的露天礦山路徑優化算法,主要 從靜態的道路有向圖網絡優化出發,無法實現大規模時變動態網絡的高效分析和優化決策。 本文 以扎哈淖爾露天礦為例,將歐式空間內經典的有向圖網絡分析方法擴展至 Clifford 代數空間,建立 了節點、有向邊以及路徑的統一表達,提出了路徑幾何拓撲連通性和標量約束指標的計算方法,實 現了幾何拓撲計算和數值最優化求解問題的分離;針對傳統靜態網絡分析方法無法動態表達系統 能耗變化的問題,建立了基于時變運輸功最小化的路徑優化模型,并結合行駛阻力特征給出了時變 阻力的計算方法;研究了因路面頻繁碾壓破壞和周期性維護而導致的滾動阻力系數周期性時變效 應,并提出計算時變滾動阻力系數的方法;最后為進一步提高算法收斂效率,提出了兩組推論和一 組數值計算優化策略對遺傳算法的數值計算進行了改進。 經多次仿真實驗驗證,算法能快速收斂 于全局最優解,說明了算法對于解決礦山實際路徑優化問題可行且有效。 其次,幾何代數化方法的 引入也為傳統路徑優化問題求解提供了一種有效實現拓撲關系計算和數值計算解耦的新方法,彌 補了靜態網絡無法實現時變動態網絡分析的不足,為提高露天礦運輸系統大規模路網模型的快速 效率,提供了一種全新的求解思路。
  • 作者(Author):王甜甜靳德武劉基楊建王心義趙 偉
    關鍵詞(KeyWords):突水水源識別水化學指標動態權集對分析

    摘要:礦井突水是煤礦生產的主要威脅之一,準確判定礦井突水水源是突水災害防控的重要環節。 為進行礦井突水水源識別,基于動態權和集對分析理論,針對葫蘆素井田 5 種不同含水層中所 提取的 53 組水樣,選取 K+ +Na+ ,Ca2+ ,Mg2+ ,Cl- ,SO2-4 及 HCO-3 六項水化學指標作為識別因子,確立 了其水源識別區間,構建了礦井突水水源識別的數學模型。然后利用 10 組已知礦井水樣驗證水源 識別模型,最后使用該模型對 2015-04-26 葫蘆素井田 21102 工作面突水進行水源識別。 結果表 明:動態權重綜合考慮主客觀權重,既削弱了人為因素的影響,又考慮了識別指標的實際情況,權重 賦值合理。利用動態權計算的 6 項識別因子中,SO2-4 ,Cl- ,K+ +Na+的權重值分別為 0.38,0.25 及 0.20,遠大于其他 3 項指標且其權重之和占總權重的 83% ,在突水水源識別中起決定性作用。利用 10 組已知礦井水樣驗證動態權-集對分析水源識別模型,9 組識別結果與實際情況完全吻合,僅有 1 組第四系水樣識別結果與實際不符,為建模時第四系樣本數據少,待測水樣超出識別區間所 致。 使用已建模型識別葫蘆素井田 21102 工作面突水水源,判別結果與實際完全一致,因 21102 工作面突水幾乎均來自直羅組與白堊系,而直羅組與白堊系建模樣本量大,所建識別區間合適。 大量 的水質數據及準確的識別區間是動態權-集對分析模型進行準確突水水源識別的基礎與保障。

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

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