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煤炭学报 2016年第06期杂志 文档列表

数字矿山关键技术研究与示范1323-1331

摘要：总结了数字化矿山国内外发展现状,分析了数字化矿山建设中存在的主要问题,提出了数字化矿山项目实施的方法及需要解决的若干关键技术,如高带宽信息可靠传输技术、数字化安全监测监控技术、安全及生产过程一体化管控技术、三维地质体及实景场景构建技术、多系统数据融合及针对矿井的大数据分析挖掘技术等。以天地王坡煤矿数字化矿山建设为示范,介绍了天地王坡煤矿数字化矿山建设取得的研究成果和应用效果,展望了未来数字矿山建设的重点研究内容及其发展方向。

浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用1332-1340

摘要：采用煤矿井下小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省（自治区）的10余个浅部煤矿区,进行了88个测点的地应力测量,最浅测点的埋深仅为38 m。根据地应力测量数据,分析了浅部煤矿井下地应力分布特征与变化趋势,并与深部煤矿进行了比较。通过实例分析,介绍了地应力测量结果在浅部煤矿井下工程中的应用情况。浅部煤矿井下地应力受多种因素影响,测量数据离散性很大,随测点埋深的变化规律不明显;地应力场以σH〉σh〉σV型为主,水平应力占绝对优势。最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在1-3之间;最小水平主应力与垂直主应力的比值大部分在0.5-2.0;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于1.0-2.5;最大主应力与最小主应力之差同垂直主应力的比值离散性较大,最大值超过2。将地应力测量数据应用于浅部煤矿煤柱尺寸优化、锚杆支护参数设计,在保证巷道安全与支护效果的前提下,提高了煤炭资源采出率,降低了巷道支护成本。

再论煤层顶板涌（突）水危险性预测评价的“三图-双预测法”1341-1347

摘要：针对煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板水害评价预测,在＂三图-双预测法＂理论与方法指导下,分别从顶板冒裂程度和含水层富水性强度2个方面入手再次讨论了顶板含水层涌（突）水危险性评价方法。顶板冒裂程度以导水裂缝带扰动破坏上覆含水层距离作为评价指标;含水层富水性评价方法则进一步提升,以富水性指数法为依托,一方面充分挖掘地质和水文地质勘查数据中与含水层富水性相关的信息,包括渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆塑性岩厚度比等,并将其作为主控地质因素,另一方面将数量有限的单位涌水量作为含水层富水性的实测指标对富水性指数法的评价结果进行校正,解决了在水文地质勘查程度较低情况下含水层富水性合理准确评价与分区难题。在此基础上运用Visual Modflow的DRN边界子模块对天然状态下和采取防治水措施状态下工作面的涌水量进行了动态预测。最后以台格庙矿区为例,说明了特殊水文地质结构条件下煤层顶板涌（突）水危险性评价和涌水量预测方法的具体实施步骤。

基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法1348-1353

摘要：基于支架与围岩的动态失稳规律,分析了支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合关系,建立了以支架与围岩适应性综合指数为核心的评价模型,研究了评价指标的获取方法及评价流程。研究结果表明：顶板来压形成的冲击动载荷由顶板岩层自重及顶板运移空间共同影响,通过提高顶板来压前支架、直接顶、底板的组合刚度可促使基本顶断裂位置向采空区移动,降低顶板对支架的冲击,利用三维立体防护装置维护支架自身稳定是支架与围岩保持动态平衡的关键。针对不同煤层赋存条件对围岩控制效果的要求,确定各评价指标的优先关系系数矩阵,采用模糊综合判断矩阵计算支架与围岩适应性综合评价指数。通过分析支架对围岩适应性评价结果,有助于进行支架改进优化设计。

工作面上覆岩层蠕变活动对支架工作阻力的影响1354-1359

摘要：针对工作面推进速度对支架工作阻力有较大影响的实际情况,特别是在工作面非生产期间,支架工作阻力并没有维持不变,而是在缓慢增阻,没有相关理论解释这种现象。对比岩石蠕变曲线和在非生产期间支架工作阻力曲线的相似性,通过岩石蠕变特性和理论模型,分析不同时期（检修、长时间停产）支架工作阻力＂蠕变＂特性,并以崔木煤矿21305工作面为研究对象,采用西原简化模型分析了支架阻力与时间的关系。研究结果表明：检修期间和长时间停产期间支架工作阻力与时间关系符合简化西原模型蠕变方程,且不同支架间拟合曲线具有较强的一致性,说明工作面非生产期间,顶板蠕变活动是影响支架工作阻力的主要因素之一;拟合曲线相关度较高,说明通过该理论利用已有数据可以较为准确预测支架工作阻力（在同一循环内）。研究结果解释了工作面推进速度影响支架工作阻力的原因。

基本顶弹性基础边界薄板模型分析（Ⅰ）——初次破断1360-1368

摘要：建立基本顶弹性基础边界弹性薄板力学模型,运用偏微分方程有限差分方法,研究了推进步距、弹性基础系数、基本顶厚度与弹性模量对基本顶主弯矩与破断位置的影响,得出：基本顶厚度或弹性模量增大时,中部最大主弯矩Mz增大、长边与短边绝对值最大主弯矩Mc,Md减小;步距增大时,Mz,Mc,Md均增大、Mz增长幅度较小;弹性基础系数增大时,Mz减小、Mc,Md增大;根据主弯矩破断准则得出：推进步距或弹性基础系数小时基本顶中部先破断、反之长边超前煤壁先破断;基本顶厚度或弹性模量小时长边超前煤壁先破断、反之中部先断裂。基本顶厚度或弹性模量越大超前断裂距离越大;弹性基础系数或步距越大超前断裂距离越小。弹性基础边界时,基本顶存在3类破断顺序：①长边—中部—短边;②长边—短边—中部;③中部—长边—短边。

缓倾煤层采空区上覆岩体变形特征物理模拟研究1369-1374

摘要：以贵州马达岭滑坡所在的自然边坡为原型,通过框架物理模型试验,研究了缓倾煤层采空区上覆岩体沿岩层走向方向的变形过程,分析采动滑坡变形破坏机制。研究结果表明：煤层开采后,上覆岩层发生应力重分布,采空区边界形成拉应力集中区;上覆岩层产生以沉降为主的弯曲变形,而在坡肩和坡脚部位产生较明显水平向外位移;变形过程中先在采空区后边界部位产生裂缝,回采煤柱后,裂缝贯通,形成潜在滑面。

房式采空区集中煤柱诱发动载矿压机理及防治1375-1383

摘要：针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面出上覆房式采空区集中煤柱回采动载矿压问题,利用现场实测和理论分析方法,通过分析超前支承压力作用下小煤柱保持稳定时的临界弹性核宽度、动载荷作用下工作面覆岩结构及支架载荷,对动载矿压的发生机理及防治措施进行了研究。结果表明：出集中煤柱期间,下煤层工作面覆岩的回转运动使上覆集中煤柱支撑宽度减小,若超前支承压力导致该部分集中煤柱及前方大面积小煤柱失稳,超前失稳煤柱覆岩的运动将使工作面覆岩受到动载荷作用,破坏工作面覆岩承载结构的稳定性,从而诱发动载矿压;提出了提前爆破集中煤柱的防治措施,并确定了爆破时工作面与集中煤柱间应满足的安全距离,在现场应用效果显著。

巷道顶板蝶叶塑性区穿透致冒机理与控制方法1384-1392

摘要：针对高偏应力环境下层状顶板巷道冒顶事故频发、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法,揭示了层状顶板巷道蝶叶塑性区的分布规律,阐明了蝶叶塑性区穿透分布致使巷道冒顶的力学机制,结果表明：蝶叶塑性区具有隔层穿透发育的特征,未发生塑性破坏岩层的存在不能阻断蝶叶塑性区在软弱岩层形成;顶板蝶叶塑性区穿透分布伴有强烈的变形压力,使软弱岩层塑性区下位未发生塑性破坏岩层受到持续巨大的＂挤压＂载荷,致使其发生断裂破坏,是巷道存在冒顶隐患的内在原因。据此提出了防止此类巷道冒顶的关键在于维护塑性区围岩稳定,需锚杆（索）长度大于塑性区边界,且具备可承受大变形而不破断的能力。基于以上研究,对神东保德矿81306二号回风巷进行了支护补强设计和试验,试验结果表明该支护对策能够有效维持巷道顶板稳定。

恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析1393-1399

摘要：随着煤矿开采深度的不断增加,深部围岩的瞬时冲击明显增多,且荷载大小往往超过传统泊松比支护材料的屈服强度致使支护失效。而具有高支护阻力和大拉伸量的新型恒阻大变形锚杆已在静力作用下验证了其具有负泊松比效应,能良好的满足井下巷道冲击大变形控制的需求。为了研究恒阻大变形锚杆在动态冲击下的防冲力学特性,通过自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆冲击拉伸实验系统对某批次恒阻大变形锚杆进行了动态冲击拉伸实验。实验结果表明该锚杆能够保持恒定阻力产生结构变形来吸收冲击能量,并表现出了良好的负泊松比效应,进而验证了恒阻大变形锚杆比传统锚杆具有更好的动态防冲性能。

动静阻尼影响下锚杆瞬态动力响应的解析解及工作状态预测1400-1406

摘要：为了分析动静阻尼条件下锚杆的瞬态动力响应特征以及荷载与锚杆振动基频之间的相互关系,在考虑锚固介质对锚杆产生的动态与静态阻尼力的影响下,基于波动理论建立了锚杆受瞬态激振时引起弹性振动的波动方程。在一端固定一端自由的边界条件下,求解锚杆位移场的解析解,得到基频与荷载之间呈二次幂函数关系。为了验证理论分析的结果,采用室内模型锚杆的拉拔试验和无损检测试验,对不同加载等级下的动测信号进行频谱分析得出对应的基频,采用最小二乘法拟合得到荷载与基频之间的函数关系也呈二次幂函数关系,且施加的荷载小于锚杆体与锚固介质间的握固力时,荷载与基频呈正相关关系,荷载大于握固力时,二者呈负相关关系,这与理论分析结果基本吻合。

横向简谐荷载作用下端锚黏结式锚杆黏结性试验研究1407-1415

摘要：由于采动荷载和爆破荷载对已有支护锚杆产生影响,因此迫切需要研究锚杆在动荷载作用下的微观力学特性及黏结性变化。从工程实际出发,现场监测锚杆工作状态下轴力变化和爆破荷载作用下锚杆周边围岩振动信息,并开展探索性室内试验。通过室内试验获得锚杆在轴向荷载作用下横向固有频率振动后的振动强度与工作龄期耦合作用下锚杆黏结性衰减规律的拟合计算式。研制了横向简谐荷载作用下端锚黏结式锚杆模型试验装置,采用均匀设计方法,考虑锚杆长度和锚杆直径两个影响因素,通过动态监测系统获得了横向简谐荷载作用下锚杆应力沿锚杆长度的分布规律、锚杆应力分布与拉拔力的关系,以及剪切应力与位移的关系。最终采用大型有限差分软件FLAC3D,建立了锚杆与围岩相互作用的力学模型。

套筒致裂单孔三维地应力测试法的原理与应用1416-1421

摘要：详细介绍了一种操作简单,应用广范,计算结果全面且具有较高精度的地应力测试方法及其原理。该方法使用JHDC-1型套筒致裂地应力测试仪,依据弹性力学的相关理论并结合矿井实际地质条件,仅凭一孔致裂即可确定测试点最大、最小水平地应力和构造应力的数值,并且可以进一步推算出主地应力的大小和方位。该测试方法简便、快捷,非常适合煤矿井下地应力测试。

矿井环境中混凝土材料腐蚀损伤演化与机理分析1422-1428

摘要：通过试验模拟地下复杂环境中混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环耦合作用下混凝土受力特点和损伤演化,测试和分析了不同腐蚀时期混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、质量和超声波速的变化及加载受荷过程中应力应变曲线变化,运用损伤力学,对腐蚀损伤进行多指标全面评价。分析受荷过程中腐蚀损伤对混凝土应力-应变关系的影响。结合腐蚀时间和应变对混凝土损伤扩展的影响,建立受蚀混凝土的受荷损伤模型。采用环境扫描电镜（ESEM）和X射线衍射（XRD）分析受蚀混凝土的微观结构演化。试验结果表明：①混凝土受到硫酸盐侵蚀和干湿循环耦合作用,抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的经时变化规律大致相同,均呈现先增大后减小,其中劈拉强度和抗折强度对侵蚀引起的损伤更加敏感,劣化更加明显。通过数据回归得到以各性能指标为损伤变量的混凝土腐蚀损伤演化方程,得到不同损伤因子之间的线性函数关系;②随着腐蚀环境的长期作用,腐蚀损伤混凝土试件峰值应力减小,峰值应变增加,弹性模量和峰值变形模量均有所降低。通过数学模型将腐蚀损伤和受荷损伤统一起来,表征混凝土受到的环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系;③腐蚀产物钙矾石和石膏的膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破裂,随着腐蚀的加剧,微破裂逐渐增多和扩展。

受载煤岩体电磁辐射动态多重分形特征1429-1433

摘要：采用多重分形理论、物理试验相结合的方法研究了试件单轴压缩破坏过程中电磁辐射信号的多重分形谱宽度ΔD_q变化规律。研究结果表明：试件单轴压缩破坏过程中产生的电磁辐射信号具有多重分形特征;多重分形谱宽度ΔDq试件所受的应力水平有密切关系。加载初期,分形谱宽度ΔD_q着应力的增加而起伏增强;临近主破裂时,多重分形谱宽度ΔD_q到最大值0.27,进入残余变形阶段后,ΔD_q降至0.20-0.22。因此多重分形谱宽度ΔD_q动态变化与试件受载变形破裂过程具有良好的对应关系,临近主破裂时ΔD_q剧增大且达到最大临界值可以作为试件冲击破坏的判定依据,对试件冲击破坏进行提前预警。

考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术1434-1440

摘要：通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征,建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型,分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律,制定了防止钻孔堵塞和注气驱替技术。研究结果表明：1水力冲孔措施可以大幅度提高周围煤体的渗透率,冲煤量越多,水力冲孔的卸压范围越大,煤体的渗透率提高的幅度越大;2由于煤的流变特性水力冲孔钻孔会产生缩孔现象,地应力越大,煤体强度越低,钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈,钻孔就越容易被堵塞,一旦抽采通道被堵塞,瓦斯抽采效果就会大幅度的降低;3采用下套管防堵孔技术,人工保留一条抽采通道,可长时间抽取高浓度瓦斯,抽采效果提高了2.7倍;4注气驱替与水力冲孔技术结合,单孔抽采纯量增加了8.1倍,可有效的提高瓦斯抽采效果。

细水雾在瓦斯输送管道中的沉降规律1441-1446

摘要：为研究不同喷雾压力、不同气流速下水雾在管道内的沉降特性,搭建了管道喷雾实验台,采用粒子图像速度仪（PIV）对方形管道内的水雾运动特性进行了测量,分析了喷雾压力和气流速度对水雾沉降特性的影响规律。结果表明：当气流速度一定,喷雾压力从0.1 MPa增加到1.3 MPa时,水雾在喷嘴下游管长为1 m管道内的沉降量增加了96%,沉降的主要原因是碰壁沉降,而在1 m之后的管段内水雾沉降量减少了76%,沉降的主要原因是惯性沉降;当喷雾压力一定,气流速度从1.1 m/s增加到10.4 m/s时,水雾在管长为1 m管道内的沉降量降低了24%,在1 m之后的管道内沉降量减少了17%。

无外部扰动的均直巷道风速和风压测不准机理实验研究1447-1453

摘要：井下风速和风压的波动通常被认为是由外部扰动引起的,但是,即使在实验室条件下对可能的外部扰动给予充分的控制,风速和风压的示值仍始终呈现不规则的波动,即测不准现象。对此,从湍流角度出发对这一现象的产生机理进行了研究。利用激光多普勒测速仪和数字式微压差计测量了中低风速下巷道模型风速和静压的时间序列。结果显示,在无外部扰动的均直光滑巷道内,风速和压力依然存在波动,其大小和方向均发生剧烈变化,总体上呈现出在一平均值附近的随机脉动;当平均风速和平均压力分别为2.57 m/s和17.1 Pa时,风速和压力的最大脉动幅度分别达到了1.19 m/s和4.9 Pa。风速和压力的脉动信号服从正态分布,平均脉动幅度分别与速度和速度平方成正比,但测不准现象与风速大小关系不大仅受湍流强度影响。实验表明,即使在无外部扰动的条件下,井下风速和风压也是测不准的,测不准的本质是井下湍流随机脉动特性所致。而湍流具有规则的统计平均结果,是可以精准测量的。为了获得井下风流的精准参数,风速及风压等测试仪器应基于湍流的统计平均特性来设计研发。