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煤炭学报 2017年第06期杂志 文档列表

关停矿井转型升级战略构想与关键技术1355-1365

摘要：煤炭是我国主导能源,随着洁净、绿色、低碳理念的践行,煤炭在一次能源消费结构中的比例将逐步下降,关停的矿井将越来越多,对关停矿井的认知随着社会发展和科技进步必须突破传统思维定势,建立新的资源理念,即关停矿井不只可以遏制生态破坏,还可以提供宝贵的地下空间资源。关停矿井的资源化利用和转型升级,不仅是一个经济问题,更是一个科学问题。解决好这个问题,将对我国未来矿业生态、城乡建设以及能源战略产生深远影响。提出了关停矿井科学转型升级应遵循的6个基本原则,强调了关停矿井转型升级的立体化和生态化开发理念、关停矿井空间资源化利用的国家战略思维以及关停矿井开发利用的历史文化观,系统阐述了关停矿井资源化转型升级所涉及的关键技术,如地下生态城市、井下抽水蓄能发电、竖井地下停车场、地下医学和地下疗养院、地下农业种植、地下生态景观、深地科学探索等,同时建议部分富有特色和历史内涵的矿井申报工业遗产。以上战略构想和相应关键技术有望为未来关停矿井的资源化利用、立体式开发和全面转型升级提供解决思路。

基于随机介质理论的综放开采顶煤放出规律1366-1371

摘要：顶煤的放出特征对综放开采采出率和含矸率有重要影响。基于模型试验,考虑综放支架影响,首先拟合出顶煤沉降曲线极值点偏移公式,依据随机介质理论建立了煤矸分界线和顶煤放出体方程。结果表明:支架尾梁的限定作用和放煤口导致放出条件的突变对煤矸分界线及顶煤放出体形状有重要影响,煤矸分界线在远离支架处表现为较标准的漏斗曲线,靠近支架处渐变为凸型曲线,靠近放煤口处则表现为向尾梁方向勾折;放出体在放出高度较小时呈向尾梁后上方倾斜的不规则状,轴偏角较大,随着放出高度增加,放出体呈前下方被尾梁切割的变异类椭球体状,轴偏角减小并稳定为零,支架尾梁后上方顶煤是综放开采所放顶煤的主要组成部分。

厚松散层覆岩移动机理及“类双曲线”模型1372-1379

摘要：现场大量工程实践表明厚松散层移动与常规基岩移动有所差异。目前岩层移动规律的研究主要侧重在两方面:一方面是采场岩层控制主要研究煤层附近顶板基岩的破断和移动规律,另一方面是地测工程主要研究地表松散层的沉降规律。将这两者有机相联,希望能更精准反映基岩和松散层的整体变形及移动规律。基于基岩初次断裂和周期断裂力学模型,获得了主拉应力的分布规律和破断迹线,揭示了基岩的倒漏斗型破断机理;结合概率积分法和剪切滑移理论分析了厚松散层的漏斗型移动机理。由此认为厚松散层覆岩的整体移动呈现“类双曲线”特征,并建立了岩层整体移动的“类双曲线”模型,可更好的预测地表沉陷范围。运用改进的采矿不连续变形分析程序MDDA模拟获得了厚松散层覆岩“类双曲线”型破断运移规律,一定程度上验证了理论模型的合理性。

大采高综采采场关键层运动型式及对工作面矿压的影响1380-1391

摘要：掌握大采高综采采场关键层结构形态及运动型式是分析工作面矿压显现规律的基础。采用理论分析方法,得出了大采高综采采场关键层存在2种结构形态和6种运动型式,并给出了各结构形态和运动型式的形成条件,2种结构形态为垮落带关键层“悬臂梁”结构形态和断裂带关键层稳定“铰接”结构形态,6种运动型式为“悬臂梁”直接垮落式、“悬臂梁”双向回转垮落式、“悬臂梁”二次回转垮落式、“悬臂梁-铰接”结构交替式、“砌体梁”结构运动型式和“短砌体梁”结构运动型式。采用UDEC数值模拟方法验证了各形成条件下的关键层的运动型式,揭示了6种关键层运动型式对采场矿压的影响规律,最后得到了现场实测数据的验证。

塑性区瞬时恶性扩张诱发冲击灾害机理1392-1400

摘要：为探究煤矿冲击灾害的发生机理,以耿村煤矿“12·22”冲击地压事故为背景,采用数值模拟方法分析了工作面回采对13230工作面运输巷围岩区域应力场的影响,得出了沿巷道轴向的主应力曲线。在受到回采工作面割煤、放煤、初次来压或周期来压、前方或侧向移动支承压力等外界扰动的作用后,回采巷道围岩塑性区最大尺寸扩张了2.2~3.4倍,由此揭示了耿村煤矿“12·22”冲击灾害的发生机理:在该地质环境下,受到外界扰动等触发事件的诱导作用后,13230工作面运输巷围岩区域应力场发生突然改变,引发煤岩体内的弹性能以震动、声响和煤岩体抛出等形式进行释放,出现爆炸式的动力破坏,并造成距离工作面150 m范围内的巷道破坏严重。

裂隙带顶板巷道围岩破坏机理及稳定性控制1401-1408

摘要：针对上行开采过程中顶板巷道支护困难的问题,采用UDEC离散元数值模拟软件对上行开采过程中采场采动裂隙、塑性区以及巷道围岩裂隙、塑性区发育进行了系统的研究和分析,研究结果表明:采动作用下顶板巷道围岩破坏以巷道顶、底板破坏最为明显,靠工作面侧的巷帮破坏次之。采场采动裂隙、塑性区发育与巷道围岩裂隙、塑性区发育在工作面的推进过程中不断相互吸引和促进,最终贯通。同时,当采动作用达到一定程度时,采动裂隙会以顶板巷道顶板为起点向上发育,而巷道肩角处塑性区向上产生畸形发展,其发育方向与采场覆岩断裂角一致,其发育高度远远大于未受采动影响的巷道塑性区发育高度。基于分析结果,提出了上行开采裂隙带顶板巷道支护策略,并以山脚树矿上行开采为工程背景对其顶板巷道原有的支护形式进行了改进,改进后的支护能够有效保证巷道围岩稳定。以上研究成果可为上行开采工程中顶板巷道的支护提供设计参考,丰富采动巷道围岩稳定性控制理论成果。

基于偏应力场的巷道围岩破坏特征及工程稳定性控制1409-1420

摘要：针对巷道围岩破坏机理及稳定性控制问题,采用岩石力学等相关理论推导了巷道围岩偏应力场的解析解,分析了圆形巷道围岩在不同情况下的分布情况,建立了偏应力场与塑性区分布的本构方程,表明塑性区半径与极坐标的角度和偏应力是密切相关的,可呈不规则分布;结合工程实际,采用数值计算模拟分析了垂直应力大于水平应力时(侧压系数λ=0.4)和水平应力大于垂直应力时(侧压系数λ=1.6)不同应力状态下的巷道围岩偏应力和塑性区演化过程;根据现场调查及塑性区演化特征,提出在不同侧压系数下巷道围岩可形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模式,并分析了这两种破坏模式的巷道围岩支护误区,以及相应的控制原则与关键技术。结合木孔煤矿和高坑煤矿的工程实践,应用了以“锚杆+锚索”支护为主,以提高两帮稳定性目标的“高强刚桁架”综合支护技术;以及以“关键部位注浆”,发挥内、外耦合作用的“锚杆+U型钢+锚索”综合治理方案。工程实践表明,所提出的支护方案分别能对正对称失稳巷道和角对称失稳巷道围岩变形能起到较好的控制效果。

单轨吊巷道顶板深梁支护结构的构建及应用1421-1430

摘要：针对单轨吊作用下区段平巷顶板控制难题,提出将巷道顶板视为深梁进行稳定性分析,并采用密集布置的高预应力锚索和强力锚杆支护系统构建顶板锚固复合深梁承载结构。采用FALC3D数值模拟软件研究了余吾矿S1203回风巷实际支护参数条件下的顶板预应力场分布特征,揭示了单轨吊巷道顶板的成梁机制,得出S1203回风巷顶板深梁厚度为6 m。通过对S1203回风巷顶板进行受力分析,建立了单轨吊作用下巷道顶板锚固复合深梁承载结构的力学模型,根据应力叠加准则,推导出深梁内部最大剪应力分布表达式,据此结合Matlab数值分析软件得出顶板深梁最大剪应力分布随单轨吊载荷变化的响应规律,阐明了单轨吊作用下巷道顶板的稳定性控制机理。根据S1203回风巷的矿压观测结果,单轨吊作用前后巷道顶板均未出现离层现象,顶板最大下沉量及两帮收敛量不变,分别为72,48 mm,表明巷道顶板深梁支护结构的构建有效实现了单轨吊作用下巷道顶板的控制。

基于尖点突变模型巷道层状围岩失稳机制及判据研究1431-1437

摘要：巷道顶部围岩受力系统是高度非线性的复杂大系统,尤其是层状围岩的突变失稳问题更是目前实际工程中的难点和科学研究的重点。在基于层状围岩稳定性地质力学模型和势能函数的基础上,建立了弯折失稳破坏的尖点突变模型,注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件,主要阐述非线性系统从连续渐变状态走向系统性质的突变,并据此分析了层状围岩突变失稳破坏过程中的能量转化发生机理。基于定态曲面方程和分支曲线方程,推导得出系统失稳的充要力学条件,建立了符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据,揭示围岩的稳定性主要由外力(P,q),岩体的弹性模量(E),容重(γc),层间极限剪应力(pt)以及几何形态(l,h)控制,并提出了防护建议。结合矿区巷道围岩实例,运用尖点突变失稳判据预测分析结果与实际情况相符合。

砂岩单轴蠕变声发射能量统计与断面形貌分析1438-1444

摘要：为了研究砂岩蠕变过程声发射信号的统计特征,在实验室条件下进行了砂岩的长期和阶梯加载蠕变试验,并采集了全过程声发射信号。利用直方统计和最大似然估计分别分析了声发射能量统计特征,并对破裂断面进行了三维激光扫描重构,结果表明:长期与阶梯加载蠕变具有相似的声发射信号形貌,但是阶梯加载蠕变声发射率明显大于长期蠕变结果;长期蠕变和阶梯加载蠕变所产生的声发射信号的能量概率密度都满足幂律分布,且利用直方统计与最大似然估计两种方法都得到相似的幂律指数,可信度较高。蠕变的幂律指数不同于已有的单轴压缩结果而更接近于地震幂律指数结果;相较单轴压缩的较光滑破裂面,蠕变破坏面光滑度欠缺并伴有阶梯状断痕,和包含弹性-损伤混合纤维的纤维束模型的假设与结果相吻合。

岩石流变扰动特性单轴压缩试验研究1445-1452

摘要：深井软岩条件下扰动荷载会引起围岩流变变形,在已提出的岩石流变扰动效应、强度极限邻域等概念的前提下,为得到岩石流变扰动效应本构关系,首先对岩石流变扰动效应实验仪的冲击扰动加载装置进行设计改进,能够准确测量出单次扰动冲击力及扰动作用时间,接着利用红砂岩进行单轴条件下的岩石流变扰动效应实验,研究岩石在恒定轴向荷载下,处于强度极限邻域内和强度极限邻域外的流变扰动效应规律,根据实验结果,绘制了不同流变阶段的累计扰动变形量-累积扰动能量曲线,结合岩石流变扰动的影响因素,在流变扰动曲线的基础上建立了岩石流变扰动本构方程。

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性1453-1459

摘要：为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。

加载与卸载过程瓦斯抽采钻孔变形特征1460-1467

摘要：抽采钻孔的稳定性影响到抽采工程效果的好坏。工作面回采过程中,由于支承压力随工作面推进的移动,采动影响范围内的抽采钻孔受到加载、卸载应力的作用。为得到加卸载条件下抽采钻孔变形及破坏规律,采用数值模拟的方法对不同应力变化速率下钻孔的破坏进行了计算,共设计10种计算方案,得到了不同加卸载应力变化速率下的钻孔塑性区分布范围及孔壁位移曲线。同时依据数值计算得到的卸载应力变化速率与孔壁变形相互关系,建立了考虑卸载应力变化速率的钻孔周边切应力计算模型。研究结果表明:加载过程中,加载速率对钻孔周边的破坏范围及孔壁位移不产生影响;卸载过程中,钻孔周边破坏范围与初始卸载应力及卸载速率相关,在进行抽采钻孔布置时需综合考虑钻孔的受载力学特征。

负压对瓦斯抽采的作用机制及在瓦斯资源化利用中的应用1468-1476

摘要：由于对负压在瓦斯抽采过程中作用机制认识不清,煤矿往往采用恒定的抽采负压,导致抽采的瓦斯浓度低、利用难度大,不利于瓦斯的资源化抽采与利用。建立了考虑基质瓦斯拟稳态扩散、裂隙瓦斯渗流、渗透率演化及煤体变形的瓦斯运移气固耦合模型,并采用Comsol Multiphysics对模型进行数值解算。分析了扩散及渗流过程对瓦斯运移的影响,研究了负压在瓦斯抽采过程中的作用机制。考虑抽采负压作用的变化,结合抽采瓦斯及漏风并联关系,获得了不同抽采负压下瓦斯浓度变化。结果表明随抽采时间增加,负压的作用逐渐减弱,降低抽采负压能够有效提高抽采瓦斯浓度。针对当前煤矿抽采瓦斯浓度低的现状,提出了抽采钻孔“分组并联”降低抽采负压、提高瓦斯资源化利用的技术措施。

激波诱导瓦斯爆炸反应动力学计算模型1477-1483

摘要：为解释和验证激波诱导瓦斯爆炸化学反应动力学机理的物理模型和数学模型,将激波诱导瓦斯爆炸反应体系定义为一个理想反应体系,将瓦斯气体定义为仅含甲烷的单组分理想气体,反应体系中的所有化学反应都在激波管中进行。利用CHEMKIN4.1软件中的Normal Incident Shock反应器,运用数值分析和数学物理方程的推导方法,对激波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理的数学模型进行了推导、细化和求证。研究结果表明:计算模型中的控制方程组解释了激波管内各反应组分的流动特性沿轴向距离或随时间变化的函数关系,控制方程组的解描述了激波诱导瓦斯爆炸反应动力学的变化过程和变化情况,从而解释和验证了激波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理的计算模型。

超细粉体云幕抑制大型管道内瓦斯爆炸火焰传播1484-1490

摘要：在内径357 mm、长32.4 m的管道中,以电离探针作为爆炸火焰传播速度的主要检测手段,利用自主研制的爆炸抑制装置,开展了超细粉体云幕抑制体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播的研究。结果表明:触发时间为125 ms条件下,采用超细ABC粉体抑爆剂,能使爆炸火焰传播得到不同程度的抑制,当抑爆剂充装量为800 g时,爆炸火焰得以完全熄灭;就抑爆介质而言,其爆炸抑制效果依次为:超细ABC粉体、超细Si O2粉体、普通ABC、超细Mg(OH)2;抑爆装置触发时间大于一临界值时,仅能够减弱火焰传播,而不能将其完全熄灭。

NH4H2PO4粉体热分解产物在瓦斯爆炸中的作用1491-1497

摘要：NH4H2PO4粉体的吸热分解热效应一直被认为是NH4H2PO4粉体抑爆的重要原因。为了进一步揭示NH4H2PO4粉体吸热分解后对甲烷爆炸的作用,采用自主改进的XKWB-1型20 L近球型密闭式气体爆炸实验系统,测试NH4H2PO4粉体热分解产物氨气和五氧化二磷加入后的甲烷爆炸压力参数,分析NH4H2PO4粉体热分解产物对甲烷爆炸过程的影响。结果表明:NH4H2PO4粉体热分解产物氨气和五氧化二磷对甲烷爆炸过程的影响均呈现出了一定的弱化作用,且氨气对高体积分数甲烷爆炸弱化效果更明显。另外,分解产物氨气对甲烷爆炸的弱化作用明显大于五氧化二磷,这一贡献对比对于高体积分数的甲烷更加显著。

沁水盆地柿庄区块煤层气井排采动态诊断方法1498-1507

摘要：受多因素影响,煤层气井的排采动态具有复杂多变的特点,对煤层气井的排采动态进行诊断,有助于煤层气开发井层优选和压裂方案制定。以均匀分布在柿庄区块的单采3号煤层的30口煤层气井的静态地质资料和排采动态资料为基础,通过单井典型日产水量和典型日产气量指标提取和气水产出关系分析,从井筒和压裂煤层系统封闭性的角度,讨论高产水的外源成因,进而提出单井排采动态层次诊断方法,并通过实例分析进行验证。研究表明,柿庄区块煤层气井产气与产水之间存在负向包络而非简单的相关关系,高产水对产气有明显的抑制作用;断裂和压裂缝沟通含水层是造成柿庄区块部分煤层气井高产水及井间排采动态差异的重要原因;“一看断裂,二看压裂缝类型,三看岩性组合”的单井排采动态层次诊断方法,在柿庄区块单井实例分析中得到验证,该方法具有一定的普适性,可推广应用到其他煤层气区块的单井排采动态诊断分析中。