煤矿地下水库理论框架和技术体系
摘要：针对我国西部（晋陕蒙宁甘）地区富煤缺水,且蒸发量是降雨量的6倍左右的条件,以及西部煤炭规模化开采产生的裂隙场,破坏了原有的地下水系统,产生大量矿井水,为保障煤矿安全,解决将大量矿井水外排地表蒸发损失的问题,提出了＂导储用＂为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念,研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系,包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术,并在神东矿区成功建设了示范工程,累计建成32座煤矿地下水库,为矿区提供了95%以上用水,且实现了长期低成本安全稳定运行。工程实践表明,煤矿地下水库是充分利用地下自然空间和自然力储存和净化矿井水的安全、低成本、规模化的储水技术,为西部地区煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。页岩气储层有机碳含量与测井参数的关系及预测模型
摘要：页岩气储层总有机碳（TOC）含量是页岩气评价的重要参数,如何准确确定TOC含量是页岩气勘探开发研究的一个关键问题。以黔江地区下志留统龙马溪组为研究对象,通过页岩气储层有机碳含量测试和钻井测井资料的统计分析,研究了TOC含量的测井响应特征,优选了体积密度（DEN）、自然伽马（GR）、自然电位（SP）和声波时差（AC）4条测井曲线作为特征向量,建立了TOC含量的BP神经网络预测模型,改进了BP神经网络算法,并对黔江地区1口页岩气井下志留统龙马溪组TOC含量进行了预测和对比分析。结果表明：基于测井参数的BP神经网络模型具有极强的非线性逼近能力,能真实反映页岩气储层TOC含量与测井参数之间的非线性关系,预测结果与实测值之间误差小,相对误差一般小于10%。水沙涌入工作面顶板结构稳定性分析
摘要：为解决西部矿区水沙涌入工作面的顶板控制问题,建立了＂凸起＂结构模型,解释了物体间摩擦因数的力学机理和水沙涌入工作面的顶板稳定性问题,并通过室内实验验证了模型的正确性。系统地研究了物体表面凸起结构、水、干沙、湿沙、水沙等对摩擦因数的影响,分析了水沙降低岩块间摩擦因数的作用机理。即水沙的侵入会在接触面间形成伪凸起结构,使得凸起方向角趋近于0,并且由于水对凸起抗剪强度的降低和砂砾的磨蚀加剧了这个趋势,最终使得摩擦因数大幅降低。解释了粗糙面摩擦因数高于光滑面的原因,分析得出水沙涌入面开采时,不易发生变形失稳、易发生滑落失稳以及来压剧烈、台阶下沉现象的原因。并且岩块在初始断裂时,凸起契合接触最完美,启动摩擦因数最大,这点对于维护顶板稳定尤为重要,现场可采用充填采空区、加强支护等措施最大限度的维持启动摩擦力。同时,水沙中含水分越多,摩擦因数越低,因此,水沙涌入面排水也很关键。多煤层上覆破断顶板群结构演化及其对下煤层开采的影响
摘要：采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,首先建立多煤层破断顶板群结构演化模型,推演不同煤层开采时破断顶板群发育扩展高度,获得了＂遗留煤柱-破断顶板群结构＂共同作用下工作面支护强度计算公式;其次通过数值模拟揭示了破断顶板群结构发育扩展规律;最后进行现场监测验证。结果表明：侏罗系煤层群间距较小,间隔岩层极易破断,易与上层煤已垮落和破断的顶板结构连接,形成破断顶板群结构;虽然石炭系与侏罗系煤层间距较大,但侏罗系煤层破断顶板群岩层重量通过遗留煤柱向下传递,并与石炭系煤层破断顶板共同作用于工作面支架上,致使石炭系煤层工作面支架压力显著增大。本研究有效解释了多煤层开采时下煤层发生强矿压的原因,为大同矿区及类似矿井多煤层开采围岩控制提供了依据。硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征
摘要：上覆硬厚岩层受逆断层切割后,工作面顶板运动、采动应力会有异常变化。采用三维数值计算方法,模拟分析了上、下盘工作面向逆断层推进过程中的采动应力演化特征、煤层顶板运动特征及断层活化规律,并采用工程实例进行了分析验证。研究表明：在逆断层切割作用下,上盘工作面围岩呈倒楔形,采动应力向底板深处、顶板高处转移,围岩应力集中程度大于下盘工作面。下盘工作面与上盘工作面相比,采动应力受工作面与断层距离的影响较大。巨厚岩浆岩及其下部岩层形成类似＂杠杆＂结构,造成煤层顶板的下沉和反弹。逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面,高位岩浆岩断层带活化的可能性小于下盘工作面。下盘工作面与逆断层距离40 m时断层开始活化;上盘工作面与逆断层距离40 m时,煤层直接顶断层带开始活化,与逆断层距离30 m时高位岩浆岩断层带开始活化。真三轴加卸载条件下巷道周边裂隙岩体变形破坏试验研究
摘要：岩体内含有大量的节理裂隙,在巷道开挖卸荷施工过程中,裂隙会暴露出来,并影响岩体工程结构的整体稳定性。为了更清晰地表现裂隙岩体的变形破坏特征,进行了真三轴卸载试验,采用依托于＂微机控制电液伺服压力试验机＂改进的真三轴试验机,以地下深埋巷道为原型,对含有不同倾角裂隙的混凝土试样进行加卸载试验,并使用有限元理论对单轴压缩试验进行模拟,研究了卸荷条件下试样的变形破坏特征及应力脆性跌落系数规律。结果表明：1试验加载初期试件呈现出明显的压密现象,且试件裂隙倾角越大,压密现象越明显;2随试件裂隙倾角增大,卸荷变形呈上升趋势,即扩容现象呈上升趋势;3裂隙倾角越小,越容易形成脱落性破坏;随裂隙倾角变大,破坏向远离卸荷面方向转移;并且,主要破坏形式为拉伸破坏,相对于单轴压缩试验,扩容造成的破坏特征更加明显;4随裂隙倾角增大,试件应力脆性跌落系数增大,间接显示出试件由脆性向延性转化的倾向,试件脆性破坏特征削弱。不同杆体外形树脂锚杆锚固与安设性能对比试验研究
摘要：采用实验室试验的方法研究了目前煤矿巷道支护常用的5种不同杆体外形树脂锚杆的锚固性能、树脂锚固剂搅拌均匀性、搅拌扭矩和搅拌推力。研究结果表明：5种锚杆在125 mm锚固长度下抗拔力均在170 k N以上;精轧右旋全螺纹锚杆搅拌效果差,锚固段中多处出现空洞或杆体与锚固剂分离现象;搅拌扭矩阻力最小的为细肋左旋无纵肋螺纹钢锚杆,精轧右旋全螺纹粗牙锚杆、新型低宽肋左旋锚杆、精轧右旋全螺纹细牙锚杆、普通左旋无纵肋螺纹钢锚杆分别是它的1.16倍、1.18倍、1.24倍和1.65倍;锚杆安装推力最小的为精轧右旋全螺纹粗牙锚杆,新型低宽肋左旋锚杆、精轧右旋全螺纹细牙锚杆、细肋左旋无纵肋螺纹钢锚杆、普通左旋无纵肋螺纹钢锚杆分别是它的1.75倍、1.85倍、2.7倍和2.5倍;在全长锚固情况下,精轧右旋全螺纹粗牙锚杆和精轧右旋全螺纹细牙锚杆在安装时需要1~2个工人才能完成安装,新型低宽肋左旋锚杆需要2~3个工人才能完成安装,细肋左旋无纵肋螺纹钢锚杆和普通左旋无纵肋螺纹钢锚杆需要3~4个工人才能完成安装。虽然新型低宽肋左旋锚杆在锚固性能和安装性能上明显优于目前常用的左旋无纵肋螺纹钢锚杆,但还存在一定的优化空间,特别是在横肋宽度和高度方面。矿用锚索预紧效应分析及锁定计算
摘要：预紧力是影响锚固效能发挥的重要指标,为查明其关键作用与锚索张拉锁定的预紧机制,以ANSYS软件模拟方法,探讨了锚索预紧力高低对于锚固串群效应的影响机制,对比了张拉力与预紧力的区别与联系,通过构建拉簧串联模型,推导了锚索由张拉至锁定过程中各元件的受力变形,得出了预紧力形成的计算公式并给出了具体算例。研究表明：持压力越大、围岩越软、自由段长度越长、夹片跟进性能越好,预紧力越高,张拉力损失也越小。工程应用中应兼顾高预紧力的锁定形成及长期保持,综合采取超张拉、补偿张拉、优化自由段长度、匹配限位距离和改进限位方式、锚索注脂等措施,从而全面发挥锚索的支护性能。超高强热处理锚杆开发与实践
摘要：我国煤矿锚杆强度偏低,对冲击吸收功没有指标要求。通过对煤矿井下锚杆破断情况调查及分析,发现锚杆破断强度低、夹杂物含量高、冲击韧性不足、抗冲击能力不够是造成杆体脆断的重要原因,冲击韧性值低是发生脆断的材质内在因素。介绍了超高强热处理锚杆的主要工艺,对超高强热处理锚杆材料进行了拉伸、拉扭弯及力学性能实验室试验,数据显示这种材料在受拉、扭、弯的情况下可以承受较高的载荷,特别是冲击吸收功指标,是热轧强力锚杆的数倍。在潞安集团漳村煤矿动压巷道进行了井下现场试验,对超高强热处理锚杆受力情况进行了监测,锚杆施加预紧扭矩后初始预紧力为52~98 k N,受力稳定后最大受力为223 k N,小于其破断极限,矿压监测数据表明,支护系统有效地控制了围岩的变形,支护效果良好。复采工作面过空巷顶板稳定性
摘要：针对复采工作面过平行空巷支架支护阻力计算的问题,通过现场调研和理论分析,建立了过空巷采场基本顶破断的力学模型,提出了影响复采采场基本顶超前断裂的3个因素：复采工作面与空巷间煤柱宽度、复采工作面与周期断裂线距离、空巷宽度。通过对影响因素的力学分析,得到了基本顶超前断裂的力学作用机理：复采工作面与空巷间煤柱随回采失稳,导致顶板失去煤柱支撑,基本顶梁结构的悬臂长度增加,当悬臂长度达到周期来压步距时,悬臂梁在固支端断裂。基于Bieniawski公式,推导得到了复采工作面与空巷间煤柱失稳的临界宽度W＊和复采工作面基本顶必然产生超前断裂空巷临界宽度A0。根据过空巷采场基本顶破断力学模型对基本顶来压力学模型中断裂岩块尺寸进行了针对性调整,运用调整断裂岩块尺寸后的基本顶来压力学模型计算得到了适用于复采工作面的过空巷期间支架最小支护强度为10 910.77 k N/架。圣华煤业复采工作面过空巷期间的矿压观测结果表明：工作面过空巷期间,最大工作阻力为9 656 k N/架,支架支护强度计算合理。饱和水煌斑岩单轴压缩力学特性变化及其微观机理
摘要：为探究煌斑岩遇水力学特性变化及其微观机理,通过单轴压缩、吸水性试验、X射线衍射（XRD）和场发射透射电子显微镜（FETEM）试验,对不同饱水时间（0,15 d和30 d）煌斑岩试样的单轴压缩力学特性、吸水性能、矿物成分含量及微观结构进行分析。研究表明：煌斑岩经15和30 d饱水后单轴抗压强度由自然状态的121.56 MPa分别降低到80.85 MPa和70.34 MPa,不同状态试样全应力应变曲线特征变化明显;吸水饱和过程中煌斑岩吸水率随时间变化符合指数分布规律;煌斑岩矿物集合体中的矿物颗粒与水作用,发生矿物溶蚀和次生,颗粒间连结逐渐破坏,促使水分子进入层状颗粒之间并与层间矿物颗粒发生反应,进而产生大量微孔隙和局部应力集中,导致起骨架作用的矿物集合体发生层状剥落,煌斑岩内部结构体系因此发生破坏,使煌斑岩力学特性发生改变,产生软化现象。可见,矿物集合体的结构破坏是煌斑岩遇水前后力学特性改变并产生软化的根本原因,而集合体结构的破坏和矿物颗粒与水发生的反应密切相关。基于LBF改进模型的煤岩细观结构研究
摘要：为了准确全面地获取灰度不均匀的煤岩图像的细观结构信息,引进了基于LBF模型的图像处理方法,并针对其处理灰度不均一图像效率低和分割结果依赖于初始轮廓位置和大小的缺点,分别引入图像增强算子和规范初始水平集函数进行改进。通过对煤岩的3种不同图像进行灰度化、图像分割、形态学处理,获得了高质量的煤岩细观结构二值图像,并分析了各细观参数的统计规律。试验结果表明,基于LBF改进模型的图像处理方法能有效处理灰度不均匀的煤岩图像,获得的细观结构信息可为数值模拟煤岩试件提供真实的几何模型,为煤岩细观损伤力学分析提供可靠的技术支持。套筒致裂法测试地应力的原理与方法
摘要：为更加精准地获得煤矿井下地应力的大小和方位,提出了一种测试地应力的新方法。该方法采用具有高频自动存储测试压力并生成压力-时间曲线功能的JHDC-1型地应力测试仪,通过对某个测试孔实施2次加压致裂,能够获得精确的油压值及相应的致裂方程。采用弹性力学中的圆孔应力集中理论,详细地剖析了油压值与致裂压力之间的换算关系,给出了三孔致裂法测试地应力的基本原理。并详细的阐述现场测试方法与步骤。该测试方法适用于各种地质条件和井下环境的测试,尤其适合煤矿井下地应力测试的现场使用。基于红外热扫描测温技术的冻土分凝冻胀
摘要：为研究后间歇冻结模式下冻土分凝冻胀规律,选取冻胀敏感性粉质黏土,进行了开放系统下不同间歇时间和变温幅度的后间歇冻结试验。采用红外热扫描测温技术获得分凝温度,分析了分凝温度与冷端温度、分凝速率的关系,结果表明：间歇降温阶段,分凝温度降低,分凝速率先增大后减小;间歇升温阶段,分凝温度升高,分凝速率很快趋近于0,分凝冻胀停止。基于试验结果,提出了适用于后间歇冻结模式的分凝冻胀计算方法,将分凝冻胀计算值与实测值进行比较,结果基本吻合。基于未确知测度理论的台阶爆破效果综合评价
摘要：为了解决台阶爆破效果评价中因素的不确定性问题,运用未确知测度理论建立了台阶爆破效果的综合评价模型,并选取大块率、爆堆形态、松散系数、块度分布、根底率、后裂距离、振动速度、飞散距离、环境影响、炸药单耗、雷管单耗、延米爆破量等12项指标作为未确知测度模型的判别指标。根据实测数据,建立各指标的未确知测度函数,利用信息熵理论和置信度识别准则分别确定了各判别指标的权重和评价等级判定标准。最后得出台阶爆破效果的综合评价结果。用台阶爆破效果的综合评价模型对洪水台土石方平场工程4次台阶爆破效果进行综合评价,分析结果与实际情况完全相符。掺杂离子对Fenton试剂氧化降解瓦斯效应的影响
摘要：Fenton试剂降解瓦斯是利用Fe^2＋催化H2O2产生羟基自由基（·OH）氧化甲烷而实现的,为抑制Fenton试剂中H2O2无效分解,进一步提高Fenton试剂氧化降解瓦斯效应,通过掺杂硬酸离子保持Fenton试剂的稳定性,系统考察了Mg^2＋对Fenton试剂稳定性、羟基自由基表观生成率、瓦斯降解率的影响规律。实验结果表明：Mg^2＋可有效保持Fenton试剂的稳定性,提高Fenton试剂产生羟基自由基和降解瓦斯的能力;当c（Mg^2＋）为0.5 mmol/L时,反应0.5 h后羟基自由基表观生成率最高可达80.41%,瓦斯降解效率可从传统Fenton试剂的25%提高到40%。应用量子化学理论验证了掺杂硬酸离子是通过降低过氧化羟基自由基（HOO·）的活度来延长Fenton链式反应中链的传递过程,减少H2O2无效分解,提高Fenton试剂的稳定性、羟基自由基表观生成率和降解瓦斯效应,为Fenton试剂高效氧化降解瓦斯提供理论依据。矿用灌浆注胶防灭火材料流动性能的实验研究
摘要：基于粉煤灰的灌浆技术是常用的一种矿井火灾防治方法,为解决灌浆过程中高浓度浆液远距离输送易堵塞管路的问题,研究了聚丙烯酰胺复合胶体添加剂PA加入前后粉煤灰浆液的悬浮性及其在管路中的固液两相流动特性。研究结果表明：随着粉煤灰添加量的增加,自悬浮性增强,且PA的适量加入可提高粉煤灰浆液悬浮效果;随着粉煤灰添加量的增加,PA添加量的增加对悬浮效果影响不大;从增稠和悬浮性能考虑,PA添加剂用量应控制在0.01%~0.02%;同时复合胶体材料在管道中以较高速度流动时具有的减阻性,有利于管道输送胶体;低速流动时,阻力大于水,胶体可大量滞留大煤层裂隙中,有利于堵漏风和灭火。急倾斜综放工作面不同工序产尘规律的数值模拟及应用
摘要：为了掌握急倾斜综放工作面割煤、移架、放煤等不同工序作业时粉尘浓度的分布及变化规律,获取合理的通风除尘设计参数,基于气固两相耦合模型,以急倾斜综放工作面割煤、移架、放煤三大尘源的粉尘运动为研究对象,根据干粉粒度仪的测定结果设定各尘源参数,运用Fluent对各尘源的产尘浓度分布规律和工作面三维空间风速场进行数值模拟,并与现场实测的粉尘浓度相对比。结果表明：数值模拟与实测数据基本吻合;倾角大的工作面粉尘顺风飘移的距离比缓倾斜工作面更远;模拟结果表明在通风除尘设计中,最优排尘风速以2.6 m/s左右最为合适,采煤机司机处粉尘浓度约650 mg/m3,采煤机下风侧20 m粉尘浓度降至300 mg/m3以内;在液压支架安装侧吸式引射喷雾除尘器,并结合放煤板喷嘴喷雾,可明显提高放煤时的降尘率。
