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煤炭学报 2017年第S1期杂志 文档列表

煤矿设计科学产能形成机制探讨1-6

摘要：设计阶段是科学确定煤矿生产能力的重要关口,从根本上影响或决定着矿井的生产规模、安全保障及对生态环境的影响程度。现行的煤矿设计生产能力计算时仅以储量备用系数进行调节,具有一定的随意性和盲目性。在科学采矿与科学产能研究成果的基础上,提出了煤矿设计科学产能指数的概念。以煤炭资源勘探程度、资源禀赋条件、开采机械化水平、绿色开采措施、资源采出率等为基础,构建了煤矿设计科学产能指数评价指标体系和计算模型,研究了煤矿设计科学产能的计算方法,开发了用于煤矿设计阶段的煤炭科学产能计算系统软件。

短壁矸石胶结充填开采技术与应用7-15

摘要：针对我国煤矿'三下'压煤量大、村庄搬迁困难,长壁充填开采投资大、地质条件适应性差、采充相互干扰等问题,通过理论分析、室内试验、数值模拟和现场实测等手段,提出了短壁矸石胶结充填技术,研究了材料配比、支巷参数、围岩应力场演化和地表变形规律,主要结论如下:(1)充填浆料最佳配比为1∶1.5∶4,与矸石1∶2混合后充填支巷;(2)基于极限强度理论确定支巷最佳宽度为5 m;(3)数值模拟表明:开采过程中煤壁超前支承压力峰值为13.1 MPa,开采奇数巷时充填体受力1.6 MPa,开采偶数巷时受力10.4 MPa,顶板塑性区5 m,底板破坏带深度5 m,呈现W-波浪形分布;(4)现场实测表明:支巷超前支撑压力为19.7 MPa,位于支巷前端4.6 m,顶底板最大移近量116.3 mm;顶板在0~5.7 m范围内产生少量断裂微裂隙,离层不明显,只发生弯曲下沉,不存在垮落带;(5)充填材料来源广、矸石不外运,实现了采充平行作业。该方法在内蒙古裕兴煤矿得到了广泛的应用,有效缓解了长壁充填开采带来的弊端,以较小吨煤成本,获得较大的经济和环境效益。

工作面过破坏区开采方法与覆岩破断规律研究16-23

摘要：以崔家寨E13103工作面为研究背景,运用力学分析、数值模拟、现场实测等方法,对垂直、斜交、平行3种不同类型的小煤窑巷道破坏形式进行研究,掌握了小煤窑破坏区内全工作面应力分布规律;并针对不同类型的小煤窑巷道,建立了系统的过破坏区的开采工艺,尤其对于贯穿于工作面的4条平行空巷,采用'摆动调斜'的方式回采工作面;通过研究支架-围岩稳定性,建立了过小煤窑巷道顶板破断力学模型,并得出了揭露空巷阶段支承压力分布规律;通过分析'顶板-支架-空巷-煤柱-实体煤'之间关系,推导出工作面支架过小煤窑巷道阶段合理工作阻力计算公式,揭示了目前工作面支架选型并不合理等问题,有效指导支架设计与选型;同时提出了相应的小煤窑破坏区下开采安全技术措施。

浅埋近距离煤层煤柱下开采异常矿压机理24-29

摘要：针对补连塔煤矿22307工作面过边界煤柱阶段发生的强动压灾害问题,采用现场实测、理论分析等手段,研究了浅埋近距离煤层大采高工作面边界煤柱下开采异常矿压显现发生机理。结果表明:浅埋近距离厚煤层开采时,下煤层工作面推进至进煤柱阶段发生强动压灾害,支架活柱下缩量达到1 000 mm;下煤层工作面推进过程中,两层煤之间的关键层结构也不断的变化,重复采动阶段,两层煤之间存在一组亚关键层结构,进煤柱阶段,两层煤之间存在一组主关键层结构;进煤柱阶段,煤柱上方关键块的铰接结构发生反向回转运动,导致主关键层关键块上覆载荷增加,发生滑落失稳,引发强动压灾害,同时造成地表出现大的台阶下沉现象。

特厚煤层综放工作面端部结构及侧向支承压力演化机理30-35

摘要：为揭示特厚煤层综放工作面侧向支承压力演化机理,以塔山矿8206工作面为工程背景,通过相似材料试验、数值模拟及理论力学分析,建立采空区端部覆岩运动模型,对采空区稳定前后端部结构特征及侧向支承压力演化规律进行研究。结果表明:采空区稳定前低位关键层以悬臂梁结构存在,高位关键层形成砌体梁结构,侧向支承压力峰值达41.6 MPa,影响范围68 m;采空区稳定后,低位关键层悬臂梁结构破断,实体煤侧断裂贯通形成三角形滑移区,侧向支承压力峰值降低至32.09 MPa,但影响范围增加至99 m;悬臂梁破断后块体的稳定性主要取决于破断块体的高长比、破断角以及摩擦面之间的摩擦因数;三角形滑移区破断稳定后部分载荷转移至采空区是侧向支承压力降低的根本原因,但受稳定前高侧向支承压力的影响,煤体塑性区范围扩大,致使稳定后侧向支承压力影响范围增大。

采动诱发断层损伤滑移及其影响因素敏感性分析36-42

摘要：为研究采动诱发断层损伤滑移演化规律,结合现场微震监测,引入断层损伤变量作为评价断层滑移失稳的指标。并运用正交模拟试验,对断层损伤变量影响因素进行敏感性分析。研究表明:工作面开采影响下断层损伤滑移分为断层损伤起裂、断层扩展贯通、断层滑移错动3个阶段。随工作面靠近断层,断层损伤变量呈逐渐增大趋势。断层损伤变量受开采因素、断层因素、地应力水平3者综合影响。确定开采因素中工作面距断层距离、工作面斜长对断层损伤变量影响为高度显著,采厚影响不明显。断层因素中断层倾角、断层内摩擦角对断层损伤变量影响为高度显著,断层内聚力为一般显著,其它断层因素影响不明显。地应力水平中侧压系数对断层损伤变量的影响高于埋深。

锚杆锚索支护巷道层状顶板变形特征及离层监测研究43-50

摘要：从分析层状顶板离层特征和顶板离层观测的原理入手,结合现场观测结果,认为两基点离层指示仪的深浅基点应分别设置在与巷道顶板锚索锚杆上端头同一水平位置;各类回采巷道在经受工作面采动影响时,安设深基点的顶板岩层都将产生位移,因此,对锚杆锚索支护巷道进行顶板离层观测的同时,还必须开展巷道顶板下沉量观测,只有把这2种观测结果结合起来,才能准确和客观地评价巷道锚杆锚索支护效果以及巷道的稳定性。在全面分析研究不同顶板岩层赋存条件下锚杆锚索支护巷道的变形与离层的基础上,得到了各类巷道顶板离层的临界值。

加载速率影响抗拉强度的机理及其数值验证51-59

摘要：井下工作面由于推进速度的不同导致覆岩对顶板的加载速率不同,使得顶板岩层表现出不同的抗拉强度,因此加载速率影响岩石抗拉强度的机理对于掌握不同推进速度下的采场矿压显现规律至关重要。通过对覆岩运移规律的分析首先定义了2种加载速率,即外力加载速率和位移加载速率;然后通过室内岩石力学实验掌握了加载速率越大岩石抗拉强度越大的规律;接着使用弹性动力学方法和分子尺度的功能原理分别解释了外力加载速率和位移加载速率影响抗拉强度的作用机理;最后,通过ANSYS/LS-DYNA对不同加载速率下的巴西劈裂实验进行了瞬态动力学分析,进一步验证了加载速率对抗拉强度的作用效果。结果表明,外力加载速率不同时系统产生的惯性力不同,位移加载速率不同时,破坏时物体的动能也不同,最终使得不同加载速率下物体表现出不同的抗拉强度。

不同加载速率红砂岩峰后蠕变特性试验研究60-67

摘要：低强度岩石峰后蠕变特性复杂,在实验室通过RLW-2000型三轴流变仪,对2种加载速率9个红砂岩样进行峰后增量加载单轴蠕变试验,分析岩样峰后不同应力水平与不同加载速率下瞬时应变与蠕变应变特征,确定瞬时强度与峰后蠕变破坏强度关系,探讨不同阶段红砂岩样破坏失稳基本形态。结果表明:在相同应力加载条件下,加载速率越大,瞬时应变变化越小,衰减蠕变应变增量越大,等速蠕变应变增量越小;随着蠕变应力水平的提高,红砂岩样瞬时应变表现为快速减小—缓慢减小—缓慢增加—快速增加的整体减小趋势,而红砂岩样峰后蠕变应变则表现为平缓—增加—急速增加的非线性增加趋势,且非衰减蠕变具有明显蠕变3阶段特征;峰后岩样蠕变破坏强度较为接近,离散性小,岩样峰后蠕变破坏强度平均达到了瞬时强度的89.73%;瞬时压缩破坏岩样呈现压剪破坏,岩样破坏块度大,峰后蠕变破坏主控破裂面形态复杂,加载速率越小,峰后蠕变岩样局部弱化特征越明显,但破坏失稳以主破裂面压剪失稳为主。

电极材质对泥岩电化学改性效果的影响68-75

摘要：为阐明电化学作用下电极材质对泥岩物性变化的影响规律,以新生代煤系泥岩为对象,运用物理模拟方法,研究低压直流电场作用下电极为铜、铁和铝时的电极腐蚀特征与新生矿物表征,电流变化与电流降低率,模型不同区域岩样电阻率和强度特征,并探讨了电阻率与强度的内在联系。结果表明:不同材质电极阳极均在酸性环境下发生金属氧化反应,电极被腐蚀生成新矿物,铝电极阴极在碱性环境下生成大量三水铝石,铁、铜电极阴极则没有明显变化;通电初期不同材质电极模型电流均有一个陡降过程,然后缓降,降低模式和降低率存在明显差异;3种电极模型不同区域岩样的电阻率和单轴抗压强度均呈现阳极>中间>阴性的趋势,且电阻率和单轴抗压强度正相关。

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理76-82

摘要：以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.520 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹（总裂纹、拉裂纹和剪裂纹）的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明:PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈'S'型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。

微震监测技术及其在煤矿的应用现状与展望83-96

摘要：微震监测技术是利用煤岩破裂产生的微震信息来研究煤岩结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法,主要包含微震传感器台网优化、微震信号识别及到时拾取、波速模型、微震波形特征、震源定位与成像、震源机制、微震监测预警等。近30 a来,微震监测技术在煤矿安全高效生产中得到了广泛应用。煤岩破坏过程中的微震波形特征、震源定位、矿震活动性规律、冲击地压微震监测预警等方面取得了一系列研究成果;在煤与瓦斯突出、突水、煤岩水力压裂、井下救援的微震监测方面进行了初步研究和探索,并取得了一些有益研究结果。然而煤矿微震监测仍然有很多问题需要进行系统深入研究,主要包含如下:煤岩不同破坏类型,特别是流体作用或参与下的微震波形信号特征;高精度的微震信号自动识别和到时自动拾取;基于微震监测的被动成像理论与技术;煤岩动力灾害前兆信息智能感知和多元信息融合监控预警体系;煤岩水力压裂裂缝微震监测与定位成像技术等。同时还应加快发展和完善具有自主知识产权的高性能、高精度、高可靠性的微震监测系统。

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究97-103

摘要：通过分析煤岩破坏过程电位响应特征,并根据电位与变形破坏之间的关系,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明:煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期,煤岩损伤变形较少,微破裂发育较为缓慢,产生的电位信号较少,较为稳定。受载后期,煤岩损伤破坏不断加剧,电位信号不断增加。当载荷突变时,煤岩破坏显著,电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈,电位突变越显著。基于统计损伤理论,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系,推导出不同损伤阶段基于电位累积量的'应力-应变'的理论曲线,并对计算应力与实测应力进行相关性分析,得到平均相关系数为0.623 7,呈显著相关,与实测值具有很好的对应性,且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程,为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。

单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律104-111

摘要：为了研究岩石相似材料的损伤特性和损伤时空演化规律,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及PCIE-8型声发射(AE)监测系统,监测了岩石相似材料试样在单轴压缩过程中的应力应变变化和AE事件活动,建立了基于AE事件累计数的单轴压缩岩石相似材料损伤模型,进一步分析了岩石相似材料在单轴压缩过程中的损伤发展阶段,研究了单轴压缩下岩石相似材料的损伤时空演化过程。结果表明:岩石相似材料试样在单轴压缩过程中,AE事件活动大致经历了初始压密少量段、弹性变形稳定增长段、塑性变形和破坏剧烈增长段3个阶段;损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段;损伤时空演化过程较好地反映了损伤特性,以1号试样为例:损伤由试样底部开始发展集中,而后中部和上部出现损伤并向底部和顶部稳定发展,随后中部和上部损伤迅速增多并与底部损伤区连通,最终试样发生破坏。研究成果可为相似材料模型损伤演化规律的研究提供一定的参考。

浅埋采场上覆岩层孔隙率的时空分布特征112-121

摘要：流场分布不均常造成采场上覆岩层瓦斯易富集、抽采区域难划分及采空区后方火灾难治理等问题,而上覆岩层在垮落期间的孔隙率分布特征是导致流场分布不均的主要因素之一。根据内蒙古某矿的浅埋煤层的地质资料,利用PFC2D(Particle Flow Code)的黏结颗粒模型(Bonded Particle Model,BPM),借助弹性模量(90组试验)、泊松比(90组试验)、抗压强度(80组试验)及抗拉强度(80组试验)与岩体细观参数之间的关系,建立浅埋煤层模型。对其初次来压期间的上覆岩层的破坏过程、破坏形态、及破坏范围进行了研究,记录并分析采场动态推进过程中,顶底板岩层垂直应力的动态演化特征及孔隙率演化规律。结果表明:利用PFC软件能够很好的模拟上覆岩层垮落过程,其结果与已应用成熟的FLAC模拟相符合。

“三软”煤层综采工作面覆岩运移和裂隙演化规律实验研究122-127

摘要：针对'三软'煤层综采工作面卸压瓦斯治理问题,采用物理相似模拟和UDEC数值模拟实验研究了工作面受采动影响后采场覆岩运移规律。同时,采用现场仰斜注水钻孔法和高位钻孔瓦斯抽采浓度监测法对实验结果进行验证。结果表明:在相似材料模拟实验中,对观测面刷白后,能更加清晰地观测到裂隙发育情况;相似材料模拟和UDEC模拟结果基本吻合,垮落带和断裂带最大高度分别为12和38 m,则高位钻孔最佳布孔垂距为20~26 m;现场仰斜注水表明垮落带和断裂带最大高度分别为10和39 m;现场高位钻孔瓦斯抽采浓度监测结果表明,1-2和1-3高位钻孔瓦斯抽采浓度最大,其垂距分别为24.4和20.5 m,验证了物理相似模拟和数值模拟实验方法和结果的正确性和科学性。

采动应力下急倾斜煤层顶板砂岩的力学及渗透特性128-137

摘要：针对煤矿开采过程中垂直应力集中及水平应力卸载所引起的岩体变形破坏和渗透特性等问题,运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以急倾斜煤层顶板砂岩为研究对象,开展不同静水压力条件下,砂岩定轴压卸围压瓦斯三轴渗流试验,研究应力集中状态对砂岩卸围压破坏过程中变形规律及渗流特性的影响。得出的主要结论有:岩样屈服阶段存在一点,为岩样卸荷由张拉破坏向压剪破坏的转折点,且卸荷点越接近屈服强度,岩样卸荷破坏越突然和剧烈,岩体破碎度越高;初始围压(轴压)相同时,砂岩的峰值强度随初始轴压(围压)增大而有所提高;砂岩卸荷破坏卸荷量百分比随轴压增大而减小,随初始围压增大而增大;砂岩卸荷破坏后,峰值瓦斯流量与体积应变之间存在指数函数关系;砂岩卸荷破坏形态主要表现为沿层理方向的张剪混合裂缝,且微裂缝十分发育,岩样的渗透性与裂缝的发育程度具有较好的相关性。岩体渗透性与其所处的应力状态密切相关,开展采动应力下煤系砂岩的变形破坏规律及瓦斯流动特征研究对指导急倾斜煤层开采中瓦斯抽采钻孔的合理布设、提高瓦斯抽采效率具有重要的理论及现实意义。

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响138-147

摘要：为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明:煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。