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煤炭学报 2018年第05期杂志 文档列表

煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想1187-1197

摘要：从重大科学发现对能源科技发展重大促进作用的视角,研究煤炭科技革命的科学基础与技术演进趋势,提出了煤炭开发利用一体化、矿井建设与地下空间利用一体化、煤基多元清洁能源协同开发和煤炭洁净低碳高效利用四大煤炭革命理念;提出了近零生态损害的科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井建设与地下空间一体化利用、深部原位流态化开采四大领域的全产业链煤炭技术革命路线图。结合我国煤炭开发利用的现状、资源空间分布以及能源结构随时间的变化规律,提出了煤炭革命3.0,4.0和5.0三个发展阶段构想,给出了每个阶段的战略目标;系统阐述了不同阶段实现目标需要突破的重大理论和前沿技术,形成了我国未来30年煤炭革命的技术路线及战略蓝图。

煤炭近零生态环境影响开发利用理论和技术构想1198-1209

摘要：以煤炭资源组分和性质为基础,以能值为衡量基准,提出了煤炭近零生态环境影响开发利用的理念;论述了深部开采力学基础理论、煤炭超低损害开采理论、绿色高效开发理论、重大灾害防治基础理论、煤与瓦斯共采新理论、煤水双资源型矿井开采理论等开发理论,煤炭高效燃烧新理论、煤炭清洁转化理论、常规污染物深度脱除理论、二氧化碳捕集利用理论等利用理论;从近零生态损害的智能化无人开采、近零污染物排放的清洁低碳利用两大方面,凝炼形成了与＂十三五＂、未来15年和30年相适应的升级与换代技术（2020年前）、拓展与变革技术（2020—2035年）、引领与探索技术（2035—2050年）,提出了煤炭开发的超低生态损害的信息化自动化开采、近零生态损害的智能化无人化开采、构建智慧能源系统的三个发展阶段和发展路线图,煤炭利用的超低排放、初步近零排放、近零排放的三个发展阶段和发展路线图,形成了系统的煤炭近零生态环境影响开发利用理论和技术构想。

煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系1210-1219

摘要：向地球深部要资源已成为国家战略。然而,现有的煤炭开采理论、技术及方法难以解决深部开采遇到的技术难题与环境污染问题,对煤炭开发与利用方式进行变革已势在必行。以煤炭技术变革为导向,以解决2 000 m以深煤炭资源开发的瓶颈难题为目标,系统阐述了煤炭深部原位开采的科学技术构想,提出了深部原位流态化开采的采动岩体力学理论、深部原位流态化开采的＂三场＂可视化理论、深部原位流态化开采的原位转化多物理场耦合理论、深部原位流态化开采的原位开采设计、转化与输运理论、深部原位流态化开采的地质保障技术、深部原位流态化开采的精准探测与导航技术、深部原位流态化开采的智能开拓布局技术、深部原位智能化洗选技术、深部原位采选充电气热一体化的流态化开采技术、深部原位无人化智能输送与提升技术、深部原位能量诱导物理破碎流态化开采技术、深部原位化学转化流态化开采技术、深部原位生物降解流态化开采技术、深部原位煤粉爆燃发电关键技术等。明确了煤炭深部原位流态化开采的战略路线,构建了煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系。

近直立特厚煤层直接顶初次破坏特征1220-1229

摘要：近直立煤层在开采过程中直接顶的破坏将直接影响采场及巷道的稳定,针对近直立特厚煤层采用水平分段开采过程中直接顶所处的应力状态及其破坏特点,建立了与之对应的四边固支的薄板力学模型;采用FLAC^3D数值模拟和正交分析的方法开展4个因素3个水平9组数值模拟实验,模拟分析了埋深、倾角、侧压系数和最大主应力方向等4个因素对直接顶法向应力分布的影响特征,结果表明,近直立特厚煤层在开采过程中,作用在直接顶上的法向应力可以简化为均布载荷;采用伽辽金法求解了均布载荷作用下的直接顶挠度,并应用胡克定律和弧长定理对直接顶岩层不同位置处的拉应力进行求解,通过计算获得了直接顶在破坏前拉应力的最大值及其对应的位置;以最大拉应力强度准则为岩层破断依据,最终得到了近直立特厚煤层在采用水平分段综放开采条件下的初次破断垮距。

浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制1230-1237

摘要：针对表土层厚度小于卸荷拱最低成拱高度时的浅埋工作面液压支架选型问题,以牛山煤矿为研究对象,采用离散元软件3DEC与多元非线性回归分析手段,对此条件下工作面表土层应力分布、基本顶岩块受力状态以及控顶区顶板下沉量发展规律进行研究。结果表明,基本顶岩块较小的台阶下沉即可引起表土层显著的卸荷效应,使支架-围岩结构趋于稳定,所需支护强度降低,初次来压卸荷系数仅受台阶下沉量和表土内摩擦角影响;初次来压时,基本顶A,B块受力不对称,B块对A块作用有垂直向下的分力;周期来压时,D块对C块作用有垂直向上的分力,达2.8 MPa;可根据允许顶板下沉量确定支护强度。建立了塑性铰连杆模型,给出了适用于此条件的液压支架工作阻力计算公式。

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术1238-1248

摘要：针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明：锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为：分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件：锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。

不同加载速率下顶板-煤柱结构体力学行为试验研究1249-1257

摘要：基于声发射、数码摄像机录像及SEM系统,进行了不同加载速率下顶板砂岩-煤柱结构体试样单轴压缩试验,研究了加载速率对顶板-煤柱结构体力学行为的影响。结果表明：顶板-煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随加载速率递减而递减,但当加载速率递减至1×10^-5mm/s,单轴抗压强度和弹性模量均出现了一个递增趋势;顶板-煤柱结构宏观破坏起裂是由于煤样原生缺陷产生的水平附加应力大于煤样抗拉强度而引起的,不同加载速率下宏观破坏起裂均发生在煤样部分,形成拉裂纹与不同程度局部弹射或片帮组合的宏观破坏起裂形式;不同加载速率下顶板-煤柱结构体的破坏均发生在煤样内,砂岩未发生明显破坏,煤样主要发生劈裂弹射破坏,高加载速率下储存在实体承载结构体内的弹性能将以试样宏观拉裂纹等薄弱面为释放通道而迅速释放,试样破坏呈＂突发＂性且砂岩回弹变形剧烈,弹射破坏加剧,煤样更加破碎;高加载速率下破裂断口凹凸不平,呈＂撕裂＂状,随加载速率降低,断口趋向平整、光滑且出现＂锯齿区＂,锯齿区台阶咬合摩擦在一定程度上抵抗了试样破坏,试样呈相对延性破坏。

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究1258-1271

摘要：煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明：（1）不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;（2）三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;（3）在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;（4）试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。

纵波模式下的煤岩体动态响应特性与损伤机理1272-1280

摘要：以圆柱煤岩体为研究对象,基于纵波的传播特征与波动控制方程,得出了纵波传播的频率方程,建立了纵波模式下位移、应变、应力、振速与能量动态力学计算模型。仿真计算结果表明：低阶纵波模式下,圆柱煤岩体中应力波的振动较为平缓,可近似认为是准静力载荷作用,煤岩体以剪切破坏为主,而且初始破坏位置主要分布在圆柱煤岩体底面（作用面）且临近表面的区域。高阶纵波模式下,沿圆柱煤岩体径向方向,位移、应变、应力、振速及能量的振动幅值均随着半径无量纲的增大呈现出衰减趋势,大致符合幂函数关系;剪切应力、应变振幅的极值最大,能量衰减速度最快;而且值得注意的是径向、轴向应力/应变振动幅值随着半径无量纲增大逐渐趋于一致,而且方向趋于相反。由此分析可知：圆柱煤岩体在无围压条件下易发生脆性劈裂破坏,主要由拉应力导致;在有围压条件下易发生近似圆锥形破坏,主要属于拉剪破坏;圆柱煤岩体底面（作用面）圆心处的位移、应变、应力、振速及能量动态变化幅值均最大,因此煤岩体损伤破坏的初始位置应为此圆心处。

冲击荷载下轴压对峰后破裂砂岩力学特性的影响1281-1288

摘要：针对深部工程围岩常处于峰后破裂状态且遭受动力扰动影响的特点,利用动静组合加载SHPB实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行冲击压缩试验,开展一维动静组合加载下破裂岩石的力学特性研究。试验中预先设置轴向静载为8,24和48 MPa三个系列,然后进行不同应变率下冲击加载,研究轴向静载对峰后破裂砂岩动力学特性的影响。对比完整砂岩试验结果表明：轴向静载8 MPa和相近应变率条件下,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均低于完整砂岩组合强度与冲击强度,两者变形模量相差不大,但峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。轴向静载相同时,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均随着应变率的增大而增大;轴向静载不同时,峰后破裂砂岩组合强度随着轴向荷载的增大而增大,而冲击强度随着轴向静载的增大先增大后减小。随着轴向静载的增大,峰后破裂砂岩单位体积吸收能也随之增大。动静组合加载下峰后破裂砂岩呈剪切破坏模式,且原始裂纹影响破裂面的扩展方向。

数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系1289-1295

摘要：针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法。根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型（DP-UCS模型）,并对其进行了验证,结果表明：DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10%,证明了该模型的有效性。

贯穿隧道的节理对隧道稳定性的影响1296-1304

摘要：隧道常贯穿节理和断层,在隧道使用过程中,这两个方面对隧道的稳定性有很大影响。将节理及断层近似为穿越隧道的裂纹,通过模型试验和数值模拟相结合方法研究其在双轴压力作用下的损伤破坏规律。试验采用砂岩制作隧道模型,模拟采用Abaqus软件进行。使用Abaqus模拟计算出隧道围岩的应力分布以及裂纹尖端的应力强度因子,与实验结果比较吻合。结果表明：（1）穿越隧道不同倾角的裂纹对隧道的整体稳定性及强度的影响不同,在裂纹尖端产生的应力集中也不同,当贯穿裂纹倾角θ=40°时,裂纹对其整体稳定性及强度的影响最大,裂纹两端的应力集中现象最为明显,KⅡ值最大,隧道剪切破坏较为严重,破坏应力峰值仅为无裂纹模型的41.77%;（2）当贯穿裂纹位于θ=0°位置时,K_Ⅱ值很小且接近于0,在竖直压力下裂纹闭合,裂纹尖端的应力集中不明显,裂纹比较稳定,隧道的破坏应力最大,为无裂纹隧道模型的91.23%,即此位置是隧道稳定性最强位置;（3）隧道在竖直应力和侧向压力下,隧道的破坏主要表现为拱肩、边墙、裂纹尖端、拱脚的压剪破坏和拱底、拱顶的拉伸破坏。

节理岩体边坡采动损伤与可靠性分析1305-1311

摘要：为定量分析节理岩体边坡的采动损伤对边坡可靠性的影响,通过对大孤山铁矿下盘混合岩边坡进行现场勘测与模糊C均值聚类优化分析,确定了岩体2组优势节理的倾向、倾角、迹长和密度的随机分布参数。利用Hoek-Brown强度准则参数m和s与岩体质量分类指标GSI和扰动系数的关系,采用Monte-Carlo模拟抽样技术获得了节理岩体强度的随机分布参数。建立了节理岩体损伤与扰动系数D的联系,应用Kawarnoto损伤张量对采动损伤进行了数值分析,并根据Rosenblueth原理获得了扰动系数D以及反映时空效应和各向异性的岩体强度随机分布参数。基于此,定量分析了大孤山铁矿下盘混合岩节理岩体边坡采动损伤的时空变化特征及其对边坡稳定性的影响。结果表明,采场底标高从-87 m降至最终-450 m时,坡顶至-87 m水平同一高度滑弧可靠性指标相对下降7.7%,原因为采场下移导致节理岩体损伤加剧、强度降低所致,并且危险滑面逐渐向坡面偏移,与坡面近处岩体的损伤较大相关。

露天矿拉斗铲倒堆工艺作业方式与参数优化1312-1321

摘要：以物料流量流向优化理论与工艺系统模拟为基础,提出重心圆投影模型与拉斗铲倒堆工艺流量流向优化模型,通过规划物料最优的原始分布状态、优化物料的迁移次序与路径实现倒堆工艺效率的提高。以黑岱沟露天矿为实例对所提出的理论进行了应用研究,构建了重心圆投影模型的作业单元体三维模型,计算了不同作业内容、不同作业环节条件下,设备作业循环耗时概率分布的拟合函数,模拟计算结果显示：拉斗铲作业旋转角度与耗时符合凹函数非线性关系,应采用＂差距排弃＂作业方式;拉斗铲作业平盘高度约为13 m时,设备实际作业效率最高;排土空间充足条件下拉斗铲无需额外自行拓展平盘。

基于关键层理论的地表偏态下沉影响因素分析1322-1327

摘要：将工作面上覆岩层分为关键层下部软弱岩层、关键层、松散层3部分,根据关键层理论建立了地表偏态下沉模型。通过引入地表下沉偏态程度分析了各种因素对地表偏态下沉的影响并利用数值模拟分析了松散层厚度对地表偏态下沉的作用。研究结果表明：（1）关键层下部岩层碎胀系数越小,偏态程度越明显;关键层距煤层顶板高度越小,偏态程度越明显;煤层厚度越大,偏态程度越明显;当采空区长度达到一定值后,偏态程度不随采空区长度的增加发生改变;关键块平均长度越大,偏态程度越明显;松散层厚度越大,偏态程度越明显。（2）松散层厚度的增加只可以使地表下沉具有连续性,但不会抵消地表下沉的偏态程度。

NaCl溶液对电脉冲致裂煤体孔隙结构影响的实验研究1328-1334

摘要：利用搭建的高压电脉冲致裂煤体增渗实验系统,对蒸馏水和不同浓度NaCl溶液浸泡后的贵州林华无烟煤进行电脉冲击穿实验,并结合扫描电镜、能谱分析和压汞分析等测试方法,研究了不同浓度NaCl溶液处理后,电脉冲击穿煤体的孔隙结构变化特征。实验结果表明,煤体在NaCl溶液浸泡的过程中,大量的导电离子Na＋和Cl-进入煤体内部的原生孔隙裂隙,有效的改善了煤体的导电性,与蒸馏水浸泡的煤体相比,NaCl溶液浸泡的煤体在电脉冲击穿后破碎的程度更充分。同时,随着NaCl浓度的增加,电脉冲击穿煤体的比表面积、孔容、孔径以及孔隙度均有一定程度的增加,特别是大孔和中孔孔容增加显著,孔隙的连通性变好,有效地改善了煤体孔隙结构。

磨料属性影响高压磨料气体射流破岩效果的理论及实验研究1335-1342

摘要：为明确磨料粒径、密度和速度对磨料气体射流冲蚀率的综合影响规律,采用数值计算方法分析了磨料粒径、磨料密度、气体压力与磨料速度的耦合关系,确定了磨料速度的计算方程;在此基础上,基于弹塑性压痕断裂理论,建立了考虑时间因素的磨料射流冲蚀磨损率的理论计算模型,并利用高压磨料气体射流破岩实验结果对其进行了修正。研究结果表明,在固定气体压力条件下,冲蚀率随磨料粒径、密度的增加先增加后减小;粒径相较于密度对冲蚀率影响更为显著;在气体压力为20 MPa时,常用的磨料种类和粒径中80目石榴石为最优磨料;修正的磨料气体射流冲蚀理论模型数学形式简单,综合考虑了磨料的能量转化效率和磨料的破碎对冲蚀率的影响,与实验结果具有较好的一致性。

饱和蒸汽作用下煤体吸附甲烷运移产量规律试验研究1343-1349

摘要：为得到低渗透储层煤层气注蒸汽开采过程煤层气运移产量规律,在实验室试制了蒸汽加热三轴解吸渗透试验装置,并进行了不同饱和蒸汽压力条件下煤样吸附甲烷运移产量测定试验。试验结果表明,在一定的围、轴压下,甲烷运移产量随解吸时间呈现Langmuir变化趋势;在不同的注蒸汽压力条件下,甲烷运移产量随饱和蒸汽压力的增加而增大、增幅减小,煤体温度随蒸汽注入压力不同呈现指数增长形式,在一定时间内由于换热效率降低使煤体达到注热饱和,继续注热无明显效果;煤体注蒸汽后,由于应力急剧增加造成短时期内无甲烷运移产出,随应力的降低和游离甲烷增加,甲烷运移速率呈现指数型增长趋势,甲烷运移最终产量增加,甲烷运移产量较未注热最高可增产46.3%。试验结果可为煤层气注蒸汽开采工艺方案及产量预测提供参考。