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煤炭学报 2016年第05期杂志 文档列表

矿井动目标定位：挑战、现状与趋势1059-1068

摘要：精确目标定位是煤矿安全高效生产的重要保障。分析了矿井动目标定位在巷道特征、采掘设备、多径特性、多址干扰、误差累积等方面面临的挑战;陈述了矿井定位的主流测距方法RSSI,TOA/TDOA,AOA/DOA;总结了最小二乘法、最大似然法、代价函数法、指纹膜法等常规位置估计方法,以及针对巷道特殊环境而设计的距离约束法、电磁波及超声波联合定位法等矿井专属位置估计方法;剖析了煤矿巷道的NLOS识别和抑制、路径损耗指数的实时计算、空间信息辅助的结果优化技术;指出了基于矿山物联网架构的定位发展趋势,借助矿山物联网的＂物-物相连特征＂特征,研究出性能更优的距离测量技术、位置估计方法和定位结果优化算法,理清矿井动目标定位技术层次和发展脉络,深入剖析定位精度影响因素,为矿井动目标定位研究提供参考。

基于复变函数的圆形水平冻结壁弹性分析与设计1069-1077

摘要：为了获得非均匀荷载作用下圆形水平冻结壁与围岩的应力-位移场分布规律,考虑冻结壁与围岩相互作用及开挖卸荷作用,建立了符合实际施工情况的水平冻结壁弹性力学模型。利用复变函数方法,推导出弹性冻结壁与围岩的应力和位移解析解;讨论了基于Tresca和Mises准则的冻结壁厚度设计方法。结果表明：弹性模量比（β）、冻结壁外内径比（ξ）和侧压力系数（λ）对冻结壁与围岩的应力和位移变化影响显著;冻结壁内外缘环向应力差及45°方向最大剪应力与β正相关;β与ξ交互影响冻结壁应力和位移,β越大,ξ影响越显著,ξ〉2.4后,β、ξ影响均不显著;0.4〈λ〈2.4时,冻结壁处于完全受压状态;β越大,围岩作用越弱,冻结壁厚度设计越大,Mises准则条件下冻结壁设计厚度比Tresca准则下小。

深井软岩巷道声发射地应力测试及变形失稳机理1078-1086

摘要：为了获得深井软岩巷道的地应力大小和变形规律及其失稳机理,选取千米深井同一水平的2个硐室,进行声发射地应力测试,获得各自相应的地应力大小和方向,发现垂直应力分布差别不大,而水平应力分布差别较大。基于地应力理论计算公式,利用VB6.0编写相应的计算程序,获得相应区域的主应力场的大小和方向,结合现场提供的钻孔柱状图,利用ANSYS建立模型,导入FLAC3D进行数值分析,获得相应的主应力场作用下的硐室围岩变形失稳规律,即岩性较为软弱区域的剪应力集中程度明显、分布范围较广,且围岩破坏越严重。最后发现实测数据与数值模拟结果较为吻合,即破坏严重部位的围岩收敛速度也较大,从而在一定程度上揭示了深部软岩巷道的变形破坏规律,也说明了围岩岩性、剪应力集中程度和范围对整个巷道稳定性起着至关重要作用。

陈四楼矿综采工作面采场应力监测及演化规律研究1087-1092

摘要：简述了目前煤矿井下采场应力监测现状,分析了钻孔应力解除法存在的问题。采用空心包体应力测量技术,在原岩地应力实测基础上监测采动应力的演化过程,探究采动应力影响下工作面覆岩及巷道围岩应力的动态变化规律。测量结果表明：实测原岩地应力的最大主应力以铅垂应力为主,在采动过程中随着超前支承应力峰值区距离测点越来越近,最大主应力方向与水平面夹角逐渐减小,接近应力降低区时又逐渐增加;随着工作面推进,采动应力值不断增大,距测点136 m达最大值,约为原岩应力的3.29倍,而后进入应力稳定区。原岩应力测量和采动应力监测为2者相互作用关系研究提供了理论基础,对回采巷道围岩稳定控制具有重要指导意义。

华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策1093-1098

摘要：为从机理上认识和防治华亭煤矿强矿压,应用震源机制解答方法反演强矿压岩体破裂机制,结合现场地应力测量、微震监测、现场调查、采矿活动分析和理论分析等技术途径,验证震源机制解答方法的可靠性,分析强矿压成因,制定强矿压防治策略。研究得出如下认识：震源机制解答方法反演煤矿采动岩体破裂机制的应用效果较好;华亭煤矿强矿压频发的主要原因是水平应力强度高、最大主应力方向与巷道走向大角度相交、厚层砂岩大面积悬顶、底煤厚度大且冲击倾向性强;防治此类强矿压发生的主要途径是工作面设计应避开最大主应力方向与巷道走向大角度相交、先开采底板抗冲击性能较好的下分层、顶板预裂卸掉垂向采动应力和巷道钻孔、切槽断底。

动载诱发冲击地压的实验研究1099-1105

摘要：运用自主研发的冲击岩爆实验系统,进行了动载诱发冲击地压实验研究,提出了一种判别动载是否诱发冲击地压的实验方法。实验采用对加载至500 m深度应力状态下的带圆柱形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ_v方向逐级施加扰动波,σ_h保持在恒定应力水平的加载方式,模拟了500 m深度砂岩巷道,由于顶板垮落产生垂直向冲击扰动,由此诱发冲击地压破坏的过程。通过数据采集系统实时采集力和位移数据,获得应力应变曲线;通过图像采集系统实时拍摄动载诱发冲击地压过程,获得颗粒弹射、碎屑剥落等特征现象。实验发现,动载诱发冲击地压过程经历了平静期、颗粒弹射、碎屑剥落和冲击地压剧烈破坏4个阶段。对巷道围岩应力状态进行计算,得出动载诱发冲击地压时巷道围岩最大切向应力大于其单轴抗压强度。对碎屑特征及微观结构分析发现,动载诱发冲击地压产生的碎屑呈现出明显的片状特征,以中、细粒碎屑为主,通过电镜扫描可见穿晶裂纹。计算碎屑块度分形维数表明,动载诱发冲击地压破碎程度较单轴压缩破坏高。

采动矿压与锚杆轴力变化关系的实测研究1106-1110

摘要：采用锚杆轴力无损检测技术,对采动影响区域锚杆轴力随工作面推进变化情况进行了大量现场测试,发现锚杆轴力变化与采场超前支承压力分布具有明显的对应关系。以淮南某矿回采工作面运输平巷锚杆轴力实测数据为例,检测结果表明：在距采煤工作面0~20 m范围内,受采动影响严重,锚杆轴力变化较大;在距工作面5 m范围之内,存在支承压力减压区,此区域内锚杆轴力降低;在距工作面5~20 m范围内,对应着支承压力增压区,此区域内锚杆轴力增加,且锚杆轴力峰值位于距工作面煤壁10 m左右;在20 m以外区域,受采动影响较小,对应着支承压力稳压区,此区域内锚杆轴力变化不大。在基本顶断裂后,位于减压区内的顶板锚杆轴力急剧下降,同时,位于增压区内的锚杆轴力峰值明显下降且位置向前发生跳跃前进。研究结果表明,采动支承压力分布与锚杆轴力变化存在良好的对应关系,基本顶断裂可在锚杆轴力动态响应上得到有效体现。

三软煤层沿空巷道破坏机制及锚注控制1111-1119

摘要：针对龙口矿区梁家煤矿典型三软地层沿空巷道-4606材料巷围岩控制难题,通过现场监测和试验,分析原支护方案下围岩变形破坏机制。煤层结构复杂,围岩易膨胀、软化,围岩破坏范围大,拱架变形破坏严重,锚杆支护潜力无法有效发挥是巷道变形破坏的主要原因。以锚注支护为核心,实施了U型棚＋注浆锚杆＋注浆锚索和注浆锚杆＋注浆锚索2种联合支护对比试验方案。结果表明：方案实施后,巷道围岩变形量均小于原支护方案37%以上,U型棚＋注浆锚杆＋注浆锚索联合支护方案中U型棚对围岩的控制作用不明显,注浆锚杆＋注浆锚索联合支护完全可以取代传统的U型棚支护。

爆破动载下强冲击危险巷道锚杆轴力定量损失规律的试验研究1120-1128

摘要：针对目前冲击地压矿井卸压爆破参数常不合理导致支护损伤,降低防冲效果的问题,采用锚杆无损检测系统在井下强冲击危险巷道进行现场原位试验研究,定量化分析了爆破动载下锚杆轴向工作阻力的定量损失规律。通过分析,获得了不同药量的爆破导致锚杆轴力损失的影响程度及空间范围。发现了爆破药量不小于6 kg时,随至震源距离的增大锚杆轴力的平均损失率基本呈乘幂关系衰减,但也存在局部突增的可能。同时爆破下锚杆轴力损失是与锚杆方位相关的,距震源越近与锚杆方位的相关性越显著。随着爆破药量的增大锚杆轴力损失率升高,药量越大升高速度越快。通过分析发现,众多影响因素中至震源的距离和锚杆方位只是表层因素,而爆破药量和煤体性质才是核心因素,并且核心因素间也存在相互影响。综合考虑爆破下锚杆轴力损失规律以及煤层爆破的卸压效果,优化了内蒙某矿强冲击危险巷道爆破卸压参数,现场应用效果理想。由此建立了冲击地压矿井煤层卸压爆破参数优化的现场原位试验方法。

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析1129-1136

摘要：煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：①轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;②恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。

酸性化学溶液作用下花岗岩损伤时效特征与机理1137-1144

摘要：以花岗岩为试验与研究对象,借助扫描电镜与电子能谱技术观测分析了酸性化学溶液对花岗岩的宏观形貌、缺陷形态、孔隙结构、矿物元素及孔隙率的改造作用;在不同浸泡时间节点对不同水化学溶液环境下花岗岩试件的质量、弹性纵波波速及溶液的p H值等进行测定,并对浸泡后溶液化学组分与浓度进行离子色谱检测,分析了花岗岩与酸性化学溶液相互作用的损伤时效特征;根据花岗岩矿物组分X射线衍射及化学元素与化合物X射线荧光光谱分析结果,结合化学动力学原理,探讨了花岗岩与酸性化学溶液之间的化学反应过程,以及＂水岩相互作用＂的岩石化学损伤机理：岩石受水化学溶液侵蚀的损伤机制取决于水化学溶液的性质与成分、岩石中的矿物组分及颗粒、孔隙、裂纹等结构之间的耦合作用,并最终改变了岩石的微观成分和细观结构。

煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验1145-1151

摘要：探讨煤岩水压裂缝扩展规律是提高煤层气开采效率,降低开采安全风险及成本的重要课题。采用原煤试样,参照煤层气井水力压裂工程制定了＂三轴向施加围压-顶部钻孔-下射流管注水＂的煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验方案,根据实验方案结合现有实验条件开展了煤岩水力压裂物理模拟实验及煤岩裂缝检测实验。实验结果表明：煤岩沿层理面方向裂缝的发育程度要高于垂直层理面方向的裂缝;煤岩水压裂缝扩展形式以注水孔壁原生横向裂缝扩展为主,纵向裂缝扩展为辅,且裂缝呈直线形、跳跃性扩展。同时,根据实验结果分析提出：实际煤储层水力压裂工程中,射流孔应尽量布置在井壁含有较多横向原生裂缝的位置,提高煤层气井水力压裂质量;对于井壁同时含有较多横向裂缝和纵向裂缝的储层,采用＂控压＂压裂方式提高造缝质量;对于厚储层,采用＂分段-分压＂压裂方式构造横纵交织的裂缝网,提高煤层气的开采效率;尽量避免在含较多纵向原生裂缝及较大断层的井壁位置布置射流孔,以免引起煤储层顶板、底板失稳破坏,造成安全事故。

非均质煤层瓦斯渗流的SPH方法模拟研究1152-1157

摘要：应用光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法对煤层瓦斯渗流进行模拟研究。针对非均质煤层瓦斯瞬态渗流问题,利用Fortran语言编制了变系数瓦斯渗流偏微分方程的求解程序,通过虚粒子法处理边界条件,构建了无网格性质的SPH瓦斯渗流模型。进行了不同原始瓦斯压力和透气性系数时常系数渗流方法下结果的误差分析,同时考虑透气性系数受矿山压力及Weibull分布影响的非均质煤层,分析了非均质煤层中瓦斯压力及涌出量的变化规律。模拟结果表明：应用SPH方法能很好的模拟煤层的瓦斯渗流;矿山压力影响以及透气性系数按Weibull分布赋值的非均质煤层都会导致瓦斯渗流的非线性。

THF对高浓度CH_4瓦斯水合分离效果影响实验1158-1163

摘要：为改善高浓度CH_4瓦斯水合分离效果,进行了3种初始压力（1.5,2.5,3.5 MPa）影响下高浓度CH_4瓦斯（60%CH_4,32%N_2,8%O_2）在摩尔分数为2.5%~5.5%的THF溶液中的水合分离实验,结合气相色谱分析结果,考察THF摩尔分数、初始压力对CH_4回收率和分离因子的影响;利用Raman光谱技术分析高浓度CH_4瓦斯在THF摩尔分数5.5%、初始压力1.5 MPa、温度2℃实验条件下水合产物微观晶体结构特征。结果表明：同一压力下,CH_4回收率和分离因子随THF摩尔分数升高呈递增趋势;THF摩尔分数在2.5%~4.5%时,CH_4回收率随着初始压力的升高先增大后减小,THF摩尔分数为5.5%时,CH_4回收率随着初始压力的升高而增大,4种浓度THF溶液中分离因子均随着初始压力的升高而减小;THF参与水合反应并占据大孔穴（5^126^4）,为瓦斯气体提供小孔穴（5^12）骨架,CH_4优于N_2,O_2占据小孔穴,THF—CH_4—H_2O生成II型水合物。

不同变质程度煤二次氧化自燃的微观特性试验1164-1172

摘要：为探讨煤二次氧化特性,采用煤质分析、FTIR傅里叶红外光谱分析和程序升温实验分别对榆树井褐煤、黄陵烟煤和汝萁沟无烟煤的原始煤样及其氧化后（二次氧化）煤样进行微观自燃特性对比研究。结果表明：二次氧化煤样中C含量减小,O含量增大,水分减少;而比表面积与孔隙率增大,导致与氧发生反应的面积增大,致使氧化反应前期二次氧化过程中产生的CO浓度大于一次氧化。随着温度的升高,氧化反应后期煤分子中羟基、脂肪烃等活性官能团数量随之变化并大量消耗和再生,裂解产生C_2H_4气体,导致二次氧化过程中产生的CO浓度和C_2H_4浓度小于一次氧化。此外,二次氧化煤样特征温度点均提前于原始煤样,使得发生自燃的时间提前,说明二次氧化煤样氧化性强于原始煤样,更容易自然发火。

煤层气井HPG压裂液低温破胶剂实验优选1173-1179

摘要：实验室进行了4种不同酸溶液的破胶实验,应用旋转黏度计、马尔文激光粒度仪、离心机、分光光度计等多手段测定了破胶液的黏度、残渣粒径分布、残渣含量及滤液中的含糖量,优选出了适用于低温煤储层的破胶剂。实验测试评价了该破胶液对煤储层的伤害性。结果表明：温度20℃时HXM＋NH_4Cl复合酸破胶效果好,浓度越大破胶速度越快。使用浓度0.10%HXM＋0.05%NH_4Cl的酸液进行破胶,2 h内压裂液黏度可降到5 m Pa·s以下,破胶液残渣中值粒径为86μm,残渣含量70 mg/L。原始渗透率小于0.87×10^-15m^2时,煤芯渗透率的伤害率小于20%;煤储层的原始渗透率越大,破胶液对岩芯的伤害率越大。该复合酸破胶剂与常规氧化破胶剂相比,具有低温下破胶彻底、残渣含量少、伤害轻等优点。

古交区块煤层气地球化学特征及其成因1180-1187

摘要：基于古交区块煤田地质勘探资料以及煤层气井排采气体组分、甲烷碳氢同位素质谱等相关测试分析,查明了该区块煤层气地球化学特征、成因及其地质控制因素。结果显示：煤层气组分主要以甲烷为主,组分浓度介于85.36%～99.23%,其次为氮气,重烃含量最少,属于干气～特别干的气体。煤层气δ（13）C_1介于-62.24‰～-40.70‰,δD介于-244.3‰～-229.3‰。以热成因气为主。煤层气δ（13）C_1随着煤级增加呈变重趋势,随着埋深增加而变化的趋势不明显。古交区块矿化度整体从北向南逐渐增加,说明该地区水动力条件从北向南逐渐增强。南部刑家社矿区甲烷碳同位素较重,而北部镇城底矿区、西曲矿区以及马兰矿区的部分地区甲烷碳同位素较轻。研究区北部（MCQ9）煤层埋藏浅,露头发育,煤的R_（o,max）介于1.14%～2.18%,且水文地质条件适宜,形成了生物成因与热成因混合气体。

龙马溪组页岩脆性特征试验研究1188-1196

摘要：基于应力应变曲线,采用反映脆性破坏难易程度的脆性跌落系数R、反映脆性强弱的应力降系数P和软化模量M,建立了脆性评价综合指标B_（d1）和B_（d2）。通过页岩的单三轴试验,验证了B_（d1）和B_（d2）的适用性,该指标可以有效反映页岩在破坏前后抵抗非弹性变形的能力和丧失承载力的情况,基于该指标讨论了取芯角度为0°,30°,60°和90°页岩的脆性各向异性,并与破坏模式相对应,得到如下结论：1B_（d1）侧重性强,可自由选择参数,B_（d2）综合性强,对围压比较敏感,与围压拟合为指数函数关系;2页岩脆性随围压的增加整体呈减弱势,低围压下下降速度快,高围压下下降速度慢,同围压下,90°时脆性指数最大,30°时最小;3单轴压缩下,破坏模式和脆性指标密切相关,0°和90°脆性指数最高,60°次之,30°最小;2～20 MPa围压下,0°时脆性指数下降速率最快;20～30 MPa围压下,0°,30°和60°取芯页岩脆性指数出现了＂上扬＂现象,90°未出现上扬;4围压通过对侧向位移限制和对层理面的压实效应来影响脆性指数,低围压下,侧向位移限制占主导,脆性减小;高围压下,压实效应占主导,脆性稍增。