煤炭学报杂志 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊

煤炭学报 2018年第07期杂志 文档列表

煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想1789-1800

摘要：深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向。在分析煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术现状和问题的基础上,围绕安全、高效开采这一主题,综合考虑巷道和采煤工作面相互影响,以合理加大工作面长度,实现生产集约化,降低掘进率、提高煤炭回收率为思路,提出要解决的关键科学问题与技术构想。关键科学问题有4个：千米深井巷道围岩大变形机理;巷道围岩支护―改性―卸压协同控制原理;350 m超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合智能开采模式,为千米深井围岩控制及智能开采提供理论基础。针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特点,提出巷道支护―改性―卸压＂三位一体＂协同控制技术,实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护,高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的＂三主动＂协同作用,解决千米深井巷道围岩控制难题。针对千米深井超长工作面开采过程中覆岩分区破断、矿压动态迁移的特点,以围岩控制为核心,研发液压支架抗冲击技术,开发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协同控制技术与装备,并系统集成采煤机等其他工作面设备,最终形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系,为深部煤炭资源安全、高效、高回收率开采提供理论与技术保障。

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构1801-1810

摘要：煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。

矿山功能性充填基础理论与应用探索1811-1820

摘要：从充填材料性能的角度将充填技术演进历程划分为体积性充填、结构性充填和功能性充填三个阶段。提出矿山功能性充填的学术理念,在实现传统充填效能的同时,兼顾载冷、蓄热、储能、防渗及防辐射等拓展功能,应对深地开采高应力、高井温和多空区等复杂环境难题及充填高成本问题。首先,给出了矿山功能性充填材料及技术的科学定义,建立了功能性充填材料的概念模型;然后,根据充填材料实现功能不同,将充填技术分为载冷/蓄冷功能性充填、蓄热/释热功能性充填和储库式功能性充填三种基本类别,分别从概念、功能及基本原理等方面进行了详尽论述。矿山功能性充填材料及技术的应用与探索将进一步革新充填采矿技术,对深地矿床-地热协同开采、井下空区再利用及战略能源储备等产生影响。

大倾角煤层综采工作面液压支架失稳机理与控制1821-1828

摘要：针对大倾角旋转俯伪斜大采高综采面液压支架稳定性控制特点,结合潘二矿12124综采工作面地质与工程条件,开展了破碎顶板和软煤条件液压支架与刮板输送机稳定性控制机理与方法研究。基于现场观测数据分析,构建了大倾角综采工作面液压支架倾倒与下滑两种失稳模式,对比分析了支架受力特征,揭示了支架失稳与煤层倾角、支架顶梁和直接顶的摩擦因数之间的关系。推导了液压支架带压移架的＂带压临界值＂,提出了铺金属网带压擦顶追机移架方法。综合分析设计了旋采段回采调斜比例为1∶3,并确定了俯伪斜回采段输送机下滑量不应大于304 mm,并通过设置了防倒、防滑千斤顶的＂三机＂联合防倒滑措施,有效控制＂三机＂稳定性及片帮、冒顶,实现了大倾角厚煤层安全高效开采。

大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征1829-1836

摘要：煤壁片帮是大倾角厚煤层综采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验和现场监测相结合的综合研究方法,系统研究了大倾角大采高综采工作面煤壁的受载与失稳特征。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,围岩运动的幅度和剧烈程度较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,覆岩垮落充填的非均匀特征进一步增强,煤壁支承压力的非对称特性亦明显增大;采动过程中煤壁的力学性质逐步劣化,伴随着裂隙的扩展、演化和贯通,煤壁开裂并形成滑移体,当滑移体周围约束解除或支承压力增大时,滑移体沿滑移面滑移,形成煤壁片帮;在工作面倾向,中部区域是煤壁片帮的高发区域,上部次之,下部最少,与煤壁的非对称受载特征相吻合;在垂直煤层方向,煤壁变形亦非对称,煤壁位移量中上部大于下部,靠近顶板区域易发生煤壁片帮;在煤壁重力倾向分量影响下,煤壁片帮易向倾向上部煤体蔓延。基于上述分析,并结合2130煤矿25221工作面的生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面煤壁片帮防治措施。

深部充填开采留巷围岩偏应力演化规律与控制1837-1846

摘要：针对深部充填开采留巷围岩控制难题,以邢东矿1126运料巷为研究背景,采用应变软化模型研究工作面推进全过程中留巷围岩偏应力与塑性区演化规律。研究表明：（1）超前采动影响较明显区顶板约为32 m,底板和两帮均约为16 m,留巷采动影响较明显区顶板约为32 m,底板约为24 m;（2）从工作面回采开始到工作面回采结束的全过程对留巷围岩偏应力和塑性区进行监测得到：偏应力分布形态以瘦高椭圆状→近似圆状→小半圆拱→大半圆拱→扇形拱进行演化,偏应力峰值带以顶底板→顶底帮角（实体煤侧）和实体煤帮进行转移;塑性区分布形态以近似椭圆状→近似圆状→半球状进行演化,且塑性区呈非对称分布;（3）基于深部充填开采留巷围岩偏应力和塑性区非对称分布特征,提出了分区非对称围岩控制技术,实践表明,留巷围岩控制效果明显。

窄煤柱巷道非均匀变形机理及支护技术1847-1857

摘要：为了解决窄煤柱巷道非均匀大变形控制难题,以丰汇煤矿窄煤柱巷道为工程背景,综合采用现场调研、室内实验、数值模拟和理论分析等方法,研究了不同煤柱尺寸影响下,采动巷道围岩应力与塑性区分布特征;分析了窄煤柱巷道变形破坏规律与采场覆岩结构运动特征,揭示了窄煤柱巷道非均匀变形机理,指出采动应力场叠加,支承压力大;覆岩结构非对称,偏载作用显著;煤柱尺寸小、强度低,难以为顶板提供有效支撑;支护方案对称布置,针对性差,是窄煤柱巷道产生非均匀变形的主要原因。基于窄煤柱巷道围岩控制难点,提出以＂改变巷道区域支护方式、增加支护密度、破碎围岩注浆改性＂为核心的差异化支护技术,加强对围岩局部大变形的控制,充分发挥围岩的自身承载能力;现场监测表明,窄煤柱巷道在服务期间围岩非均匀大变形得到有效控制,稳定性好;可为同类型巷道围岩的控制提供参考。

煤矿冲击地压的推采速度效应及其动态调控1858-1865

摘要：针对采煤工作面冲击地压存在推采速度效应问题,通过案例与微震监测数据分析,探讨了采场推采模式及速度与冲击地压的关系,揭示了采场推采速度效应产生机制,并通过对类似工作面微震特征的分析,建立了采场推采速度效应动态调控的方法。研究表明：回采工作面冲击地压危险性与采场推采模式及速度具有相关性,其中高速推采、非匀速推采易诱发冲击地压;高速推采造成多顶板势能转化和多煤层应变能均衡释放,非匀速推采导致煤层应变能集中释放;基于微震响应特征构建的采场推采速度效应动态调控方法具有良好的实用性。

交错巷道巷间围岩承载结构稳定性分析1866-1877

摘要：针对普遍存在的矿井交错巷道围岩体稳定性及支护问题,运用极限平衡分析和弹塑性力学建立交错巷道巷间围岩稳定性分析判别方程,探讨了交错巷道巷间围岩稳定性主要影响因素,并进行了工业性试验。结果表明：交错巷道巷间围岩体受围岩水平应力集中叠加影响,围岩破坏自巷间围岩体上下表面向中部延伸,加之巷间围岩体尺寸有限,一旦破坏贯通将致使巷间围岩承载存在失稳隐患;交错巷道巷间距越小,越近乎平行布置都会加剧巷间围岩破坏且诱发巷间围岩破坏贯通,合理设计断面尺寸及下方巷道合理支护强度可有效控制并维持围岩稳定;现场采用交错巷道联合支护方案后,交错位置上巷道断面完整无较明显变形且下巷道围岩最大变形量小于100 mm,支护效果显著。

矿用富水充填材料的蠕变特性及损伤演化1878-1883

摘要：为探讨富水充填材料稳定性与时间的关系及其在荷载作用下的失稳破坏特征与损伤发展规律,文中制备了一定水固比的富水充填材料,通过蠕变试验对不同应力水平下富水充填材料的蠕变性能进行测试,研究蠕变过程中应变速率衰减、稳定及加速3个蠕变阶段应变随时间的变化特征,提出充填体失稳的临界荷载。根据蠕变试验数据,引入损伤变量,建立符合富水充填材料的蠕变损伤模型,推导出应力、应变、时间及损伤因子等力学参量之间的相关关系。结果表明：水固比2.0的富水充填材料失稳破坏的临界荷载为其强度的90%;改进后的Burgers模型,综合考虑了蠕变参数受时间和应力水平的影响,反映了参数随时间弱化的现象,拟合后发现该模型可以描述富水充填材料失稳破坏前的损伤劣化规律。

SHPB试验中高低温作用后深部砂岩破碎程度与能量耗散关系分析1884-1892

摘要：利用φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）装置,研究了在常温下对经历-15-1 000℃温度处理后砂岩的动态破坏特性,得到了入射波能量、吸收能量、比能量吸收值、碎屑的质量分形维数与平均破碎块度之间的关系,分析了深部砂岩在破坏过程中温度对破坏程度和能量耗散的影响。结果表明,温度对岩石的破碎程度和能量耗散的影响十分显著。以20℃（室温）为分界点,碎屑的质量分形维数和平均破碎块度随温度变化趋势一致,-15-20℃随温度的上升而逐渐增大,20-1 000℃随温度的上升而逐渐减小。入射波能量、吸收能量和比能量吸收值随温度变化趋势一致,-15-20℃时,以-5℃为分界点,-5℃以下随温度升高逐渐增大,-5℃以上随温度升高逐渐减小;20-1 000℃时,以400℃为分界点,400℃以下随温度升高逐渐增大,400℃以上随温度升高逐渐减小。

基于波形互相关的煤岩声发射事件自动识别模型1893-1901

摘要：为了对煤岩破裂产生的大量声发射事件进行快速高效的自动识别,研究提出了一种基于长短时窗法（STA/LTA）的自适应滑动时窗更新方法（SSSW）;根据煤岩破裂声发射波形相似性特征,在不断更新的自适应滑动时窗内构建了波形互相关函数,并采用加权最小二乘迭代算法对各通道波形进行时差校正;在时差校正的基础上,构建了声发射波形相似系数求解方程;综合上述研究,最终建立了基于波形互相关的煤岩声发射事件自动识别模型（WCCADM）,WCCADM综合了各通道间有效声发射事件和噪声波形振幅、持续时间的相似性和差异性特征对煤岩破裂声发射事件进行自动识别。石灰岩胀裂声发射实验数据验证分析结果表明：SSSW可以根据煤岩破裂声发射事件发生时间间隔及波形持续时间不同的特征自适应地对滑动时窗长度进行调整更新;在自适应滑动时窗内,基于波形互相关函数、时差校正和相似系数方程得到各通道间波形的相似系数,通过设定合理的相似系数阈值能够对煤岩破裂诱发的大量声发射事件进行高效准确的自动识别。

石膏和砂岩试样损伤破裂及声发射时空演化规律研究1902-1909

摘要：通过对石膏和砂岩试样进行单轴压缩声发射试验,获取两种试样破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试样破裂失稳情况,分析破裂过程中的声发射时空演化规律和波形的多重分形特征。研究结果表明：砂岩试样的单轴抗压强度是石膏试样的7倍多;由于岩性的变化,石膏和砂岩试样的破裂宏观形态由＂X＂型变化到倒＂Y＂型;两种试样声发射脉冲计数与应力变化规律比较一致,但是砂岩试样脉冲计数的最大值远远大于石膏试样;两种试样三维空间定位点分布与各自破裂宏观形态是一致的,但出现的时间以及分布位置是不同的;二者破裂过程中的波形都具有多重分形特征,破裂时的多重分形谱宽Δf（α）小于破裂前的Δf（α）,破裂前的Δf（α）小于破裂后的Δf（α）,砂岩试样各阶段的Δf（α）都小于石膏试样对应各阶段的Δf（α）。表明两种试样在破裂时的能量大于破裂前,破裂前的能量大于破裂后,而且石膏在各个阶段的能量小于砂岩对应各阶段的能量。通过对比分析,更加深入了解石膏冲击破裂的规律。石膏和砂岩一样会发生冲击破裂,只是冲击破裂形式不同,而且在同等条件下,石膏破裂产生的能量小于砂岩,为石膏矿冲击地压的防治打下了理论基础。

基于EEMDHankelSVD的矿山微震信号降噪方法1910-1917

摘要：针对矿山微震信号降噪,提出了一种基于EEMD_Hankel_SVD（集合经验模态分解_Hankel矩阵_奇异值分解）的微震信号降噪方法。首先采用EEMD获得多层模态分量,计算各模态分量与原始信号的相关系数,剔除第一个相关系数差值局部最大值前的模态分量。对剩余各模态分量分别构建Hankel矩阵,再计算各Hankel矩阵的奇异值矩阵。根据奇异值曲线划分信号空间和噪声空间,实现剩余各模态分量的降噪,进而对降噪后的模态分量相加得到降噪信号。仿真试验表明该方法能有效保留信号的局部特征,提高了信噪比;矿山微震信号应用表明该方法有效地提高了STA/LTA,PAI-K和AIC法P波初至拾取效果;仿真试验和矿山微震信号P波拾取均表明该方法降噪效果优于小波重构、EMD重构和Hankel_SVD降噪,且该方法与AIC法结合拾取效果最佳。

钢管混凝土支架构件—圆弧拱破坏机理研究1918-1929

摘要：以钢管混凝土支架支护深井软岩巷道为背景,对钢管混凝土支架组成构件中的四分之一圆弧拱进行六分点等值加载,以研究试验试件的矢跨比和钢纤维体积掺量对试件力学性能的影响。实验表明,钢管混凝土圆弧拱试件拱底处主要受压弯剪应力影响,最先发生局部破坏;拱顶处主要受压应力影响,拱底和拱顶均为试件最薄弱截面。矢跨比越大,能够承受的荷载和刚度越大。1%~1.5%钢纤维体积掺量的试件的柔性增强,极限荷载与无钢纤维试件差别不大。继续增加钢纤维掺量,试件刚度增加,但试件极限荷载降低,钢纤维体积掺量在1%~1.5%较为合适。再通过数值模拟进一步研究试件危险截面的受力形式和试件的截面尺寸、矢跨比、壁厚对承载力的影响。与此同时,结合试验分析和数值模拟结果,从试件截面强度、局部失稳、整体失稳三方面进行理论分析,给出钢管混凝土圆弧拱局部失稳的原因和承载力的计算公式。最后,结合实际工程情况,提出钢管混凝土设计方案。

三向应力条件下煤体渗透率演化模型研究1930-1937

摘要：为了掌握三向应力条件下煤体渗透率的变化规律,基于捆绑的火柴棍模型,采用弹性理论分析了煤体基质和裂隙变形对渗透率的影响,建立了两种三向应力条件下煤体渗透率的动态演化模型——指数型和立方型,两种模型均突破以往较多模型采用的单轴应变假设,考虑了三向受力条件下煤体的横向应变不为0以及轴向荷载增加的情况。在分别改变轴压围压组合值、气体压力条件下,将理论模型与室内试验结果进行对比分析,结果表明：煤体渗透率随着载荷水平的升高而减小、随着气体压力的升高而增大;两种条件下指数型渗透率模型对煤体渗透率演化过程的定量描述均优于立方型。

低渗煤层液态CO2相变定向射孔致裂增透技术及应用1938-1950

摘要：如何实现深部煤层瓦斯的高效抽采是保障我国煤炭企业安全生产的重要问题,而低透气性煤层瓦斯储层增产改造则是其中的核心技术和热点问题。为解决低透气性煤层瓦斯高效抽采技术难题,研究提出了地应力条件下优势射孔致裂方向的确定方法及低渗煤层液态CO2相变定向射孔致裂增透技术,现场试验及应用研究形成了液态CO2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法。研究表明：孔壁破裂压力受钻孔方位角、倾角影响具有明显的方向性,并确定了试验区液态CO2相变定向射孔优势致裂方向;该技术可有效增加煤样孔隙度、孔径、比表面积、可见孔比例等,改善煤岩体内孔隙结构及渗流能力,提高瓦斯抽采纯流量9-12倍,降低煤层瓦斯抽采流量衰减系数92%;现场试验及PFC2D数值模拟研究确定了该技术的影响半径为9-13 m;应用表明液态CO2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法,可有效预防低透气高突煤层巷道掘进期间的瓦斯超限问题,提高巷道掘进速度4~5倍。

煤层气洗井中煤粉分散剂对煤岩的影响1951-1958

摘要：为了综合优选煤层气洗井液中煤粉分散剂,采用韩城矿区太原组11号煤及不同类型的阴离子分散剂,从分散剂对煤粉悬浮性、煤岩表面性质以及分散剂溶液进入煤储层的影响角度出发,开展了不同分散剂对煤粉分散稳定性、润湿性及分散剂进入煤岩中伤害的实验,探究了不同煤粉分散剂对煤岩的影响。研究结果表明,粒径〈300μm的贫煤煤粉在水中分散稳定性差,添加分散剂有助于提高煤粉的分散稳定性。综合不同分散剂溶液的表面张力、溶液在煤表面的接触角、铺展系数和黏附功的分析,不同分散剂对煤粉润湿程度不同,质量浓度为2 g/L的SDS溶液对煤粉表面的润湿性最好。不同分散剂溶液进入煤岩样品,煤岩样品的渗透率均发生变化,且存在水锁效应,渗透率损害程度表现为SDS〉CMN〉SN。随毛细管力的增加,分散剂溶液对煤储层的渗透率损害程度增大。针对韩城区块,在煤层气洗井液中加入SDS分散剂可使煤粉更易排出,同时也会对煤岩渗透率产生一定的伤害。因此,在洗井过程中,应保持井底流压稳定,尽量避免分散剂溶液进入近井地带的煤储层中。