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煤炭学报 2018年第09期杂志 文档列表

不同变质程度煤岩微表面电性特征2367-2375

摘要：为进一步研究煤岩电磁辐射产生机理,通过原子力显微镜研究了不同变质程度煤岩微表面电势及电荷密度等电性参数的变化规律,将煤岩表面微观电性特征研究推进到微纳米尺度。结果表明:煤体表面在细观或宏观统计层面上显弱电性或电中性,但在纳米尺度下对外显示一定的电性特征;计算得到了煤体表面电荷密度,不同煤样的表面电荷密度差异明显,在79.95~312.97μC/m2变化;煤的变质程度对表面电性参数存在重要影响:随变质程度的升高,煤表面负电势经历了先缓慢下降又快速升高的变化趋势,表面电荷密度呈现出先减小后增大的“V”型曲线变化。研究煤岩微结构的电性特征,对从微观层面进一步揭示煤岩电磁辐射机理、瓦斯吸附和解吸过程,乃至煤岩物质特性等具有重要意义。

综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制2376-2388

摘要：为探究采动应力场作用下顶煤裂隙场发育特征,采用室内实验、数值模拟、理论分析和现场实测等方法对综放开采顶煤裂隙场扩展的应力驱动机制进行了分析。顶煤冒放性同采动裂隙发育程度呈正相关,推导出顶煤裂隙发生I,II和I-II型扩展的应力场条件和优势扩展裂隙角确定方法,顶煤裂隙扩展与否和扩展类型受到主应力大小和主方向的影响;煤层回采后,顶煤最大和最小主应力均存在超前峰值现象,最大主应力演化存在增大和减小2个阶段,最小主应力则经历增大、减小和反向增大3个过程;煤壁前方最大和最小主应力方向在平行于推进方向的垂直平面(α)内向采空区旋转,两者在平面α内的旋转角度一致,煤壁后方发生反向回旋,最大主应力偏离平面α,最终旋转至工作面倾斜方向;最小主应力在水平面内的旋转角度同推进方向与初始最小地应力方向之间的夹角相等,最大主应力在水平面内不旋转;由于主应力增大和主方向旋转,顶煤裂隙首先发生I型扩展,最大主应力峰值附近,顶煤裂隙在高围压作用下发生纯II型扩展,煤壁附近,顶煤裂隙在开挖卸荷作用下发生I-II混合型扩展,破碎顶煤最终于支架后方冒落;由于主应力方向的旋转效应,顶煤采动裂隙向采空区倾斜,根据顶煤裂隙扩展机理的不同,将顶煤划分为原岩应力区、微裂隙加密区、剪切破坏区、拉剪混合破坏区和散体冒落区。

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制2389-2397

摘要：为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13.8%,抗拉强度降低6.6%,冲击吸收功降低24.3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。

特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理2398-2407

摘要：针对大同矿区石炭系特厚煤层综放工作面周期性发生液压支架立柱大幅下缩甚至压死支架的工程技术难题,采用理论分析与现场实测的方法,研究特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理。提出了远场“三角板”结构运动影响特厚煤层开采工作面矿压的理念,建立了远场关键层“横O-X”破断形成的“三角板”结构力学模型,确定了该“三角板”结构滑落失稳和回转变形失稳的理论判据;结合同忻煤矿现场实例,预计了远场关键层“横O-X”破断“三角板”结构块体的几何尺寸,并分析了此“三角板”的走向长度及回转程度对其自身结构稳定性的影响,结果表明“三角板”的走向长度和回转程度越大时该结构越容易失稳。同忻煤矿8202工作面临空侧回风平巷超前段底臌变形特征间接验证了远场关键层发生“横O-X”破断的规律。据此提出超前预裂远近场关键层以及在“三角板”结构下工作面实行快速推进等防治措施。

Mohr-Coulomb准则下倾斜矿柱稳定性的安全系数法2408-2415

摘要：地下矿床开采中,矿柱的稳定是矿床安全高效开采的基础,是采场作业人员的安全保障。以弹性力学理论为基础,分析正应力和剪应力共同作用下倾斜矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的应力圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了考虑矿体倾角及矿柱受正、剪应力共同作用下矿柱的安全系数解析式。应用该安全系数解析式能很好评价任意倾角矿柱的稳定性,并分析了水平矿体时,以安全系数评价的矿柱稳定性与实际矿柱稳定状态吻合。最后分析了应力圆圆心所在直线斜率tanβ、矿体倾角θ等因素对倾斜矿柱稳定性的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tanβ是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,对每个侧压系数λ,tanβ均能取得一次最大值,且侧压系数λ值不同,tanβ取得最大值亦不同;当侧压系数λ∈[0,1]时,tanβ取得最大值时对应的矿体倾角θ∈[45°,90°];当tanβ取得最大值时,矿柱的安全系数最小,矿柱最容易失稳;随矿体倾角的增大,矿体安全系数呈现先减小后增大的变化趋势。

露天开采对环境的扰动行为及其控制技术2416-2421

摘要：阐述了露天开采产生环境扰动的概念,基于扰动对象和矿田开发阶段确定了扰动行为的分类方法,提出了扰动行为具有自恢复性、过程性和可控性等特征。创建了扰动行为的管理控制理论,其基本原理是将露天矿区的环境背景值作为基准值,以露天矿开采后恢复原始环境为最低控制目标,对扰动行为实施全生命周期的动态管理与控制,确保露天矿开采后的周边环境恢复到原始状态,力争实现对周边环境的重构和改善。提出了“扰动系数”的概念和计算方法,用于量化露天开采对环境的综合扰动程度,建立了露天开采对水、大气、土地和生态环境扰动的分类控制指标,共4大类7个指标。研究了中国典型露天煤矿的扰动系数,构建了扰动控制关键技术体系。提出的综合扰动程度评价指标主要适用于露天开采,对于矿井开采也可提供一定借鉴。

基于多目标规划的抛掷爆破台阶参数优化2422-2431

摘要：为了优化确定抛掷爆破台阶参数,采用回归分析等方法,构建了抛掷爆破台阶参数与采剥费用之间的关系模型,并从地质资源条件、设备线性尺寸、生产作业条件等方面提出了抛掷爆破台阶参数的约束条件,建立了抛掷爆破台阶参数多目标优化模型,提出了基于带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)的多目标优化模型求解方法。通过工程实例计算,得出以下结论:黑岱沟抛掷爆破台阶最优工作线长度为2200m,台阶高度为38m,采掘带宽度为84m,台阶坡面角为65°。在不考虑其他因素的影响下,露天矿采剥总费用随着工作线长度的增大先减小后增大,随着台阶高度的增大而减小。采掘带宽度在60~90m范围内变化时,采剥总费用随着采掘带宽度的增大先降低后增大。露天矿采剥总费用随着台阶坡面角的增大而降低,但台阶坡面角对台阶稳定性影响较大,而台阶高度对采剥总费用的影响较大,相同稳定系数的情况下,取较小的台阶坡面角、较大的台阶高度时采剥总费用较小。

晋城无烟煤结构面剪切参数的试验测定与估算方法2432-2437

摘要：为研究晋城无烟煤的煤体结构面剪切强度及相关参数,通过对取自寺河煤矿3号煤层的含结构面煤体试样进行不同法向应力下的直剪试验,并对结构面形貌进行三维摄影测量,得到了剪切强度的试验值及估算值。试验结果表明:在低法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13.0~39.2GPa/cm,剪切刚度取值为3.1~26.6GPa/cm,中等法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13.8~62.0GPa/cm,剪切刚度取值为4.3~18.2GPa/cm,煤体结构面黏聚力平均值0.67MPa,峰值摩擦角平均值37°,同时结构面法向刚度、剪切刚度、剪切强度都随法向应力增大而增大,实验结果可为数值模拟中参数的选取提供一定参考。对比估算剪切强度值与试验剪切强度值表明,运用JRC-JCS模型能较好的预测煤体结构面剪切强度。

循环荷载作用下冻结灰砂岩强度特征与弹性模量演化规律2438-2443

摘要：针对典型中生代富水弱胶结地层中的灰砂岩,利用TDW-200冻土三轴试验机对冻结饱水灰砂岩进行常规三轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同围压条件下的强度特征,重点研究了循环加卸载作用下冻结灰砂岩弹性模量的演化规律。试验结果表明:循环加卸载时,在低围压下峰值强度有所增加,而在高围压下峰值强度有“弱化”的现象;冻结灰砂岩试样加卸载全过程中弹性模量的变化规律与加卸载路径变化趋势具有一致性;单个滞回环内,切线弹性模量随着偏应力水平的增加呈现出先增加后减小的趋势,同一偏应力水平下,切线模量随循环次数的增加也表现为先增加后减小趋势。

饱和水弱胶结砂岩剪切断裂面形貌特征及破坏机理2444-2451

摘要：剪切破坏断面是弱胶结砂岩在破坏过程中断裂后所形成相匹配的表面,断面形貌特征根据受力方式和饱水条件的不同形成差异显著。利用3D激光扫描对剪切破坏断面进行精确测量,结合地理信息系统(GIS)技术对不同受力方式和饱水条件下的破坏断面形貌进行三维可视化处理和定量分析,并采用扫描电镜从细观角度对产生的断面形貌特征差异及其破坏机理进行研究。试验结果表明:随夹具角度的增加,破裂面法向力降低,法向力的减小是导致破裂面扰动较大以及剪切断裂面粗糙度和起伏度增加的主要原因之一;通过饱水岩样细观结构的分析发现,弱胶结砂岩骨架颗粒自身吸水膨胀软化,骨架颗粒之间的黏连性变差,胶结程度降低,直接导致试件抗剪强度降低,同时,水对剪切破坏面扰动影响也降低,致使在相同受力条件下饱水试件断裂面粗糙度和起伏度相对较小;胶结物质的遇水软化的特性是决定弱胶结砂岩剪切破坏断面形貌的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩损伤演化过程及破坏机理提供可靠的试验依据。

南芬露天矿绿泥角闪岩吸水及强度软化规律2452-2460

摘要：研究表明降雨是诱发矿山边坡失稳变形破坏的重要因素,主要通过降低潜在滑动面(带)岩体强度诱发滑坡。国内外学者对南芬露天铁矿下盘滑坡机理和稳定性评价开展了大量研究,取得了丰富的研究成果。然而,所有研究成果证明该边坡潜在滑动面(带)岩体吸水性较弱,水通过何种途径影响边坡稳定性机理不清晰。采用自主研发的“软岩气态水吸附智能测试系统”,对潜在滑动面(带)上分布的绿泥角闪岩进行吸水软化实验,揭示岩石的吸水特性及吸水后的强度衰减规律;运用Image-Pro Plus专业图像处理技术,分析其SEM微观图像;结合绿泥角闪岩的压汞实验结果,揭示其微观孔隙结构特征与岩石吸水特性之间的相互关系。分析结果表明:①绿泥角闪岩吸水特性是一个在短时间内快速上升而后下降达到均匀饱和的过程;②影响绿泥角闪岩吸水特性的主要因素是岩石样品的孔隙结构特征而非黏土矿物含量;③岩石的孔隙累计体积与其吸水特性之间存在正相关关系;④集中分布的孔隙直径越小,占据的比例越大,则岩石的吸水能力越差;⑤绿泥角闪岩的吸水率与单轴压缩强度以及弹性模量呈负相关关系。上述研究结果可为南芬露天矿降雨诱发顺层石质滑坡的防治提供理论依据。

钢管混凝土圆弧拱跨中与拱脚滑移性能的研究2461-2468

摘要：通过对6点均布加载条件下钢管混凝土圆弧拱跨中位置处位移和拱脚不同滑移量的监测,以及对钢管外壁和内部核心混凝土的应变、极限承载能力进行分析,同时通过内嵌一种无厚度黏聚力黏结单元的ABAQUS大型有限元软件建立混凝土损伤模型,对圆弧拱抗弯过程进行全过程仿真三维数值模拟分析,较为准确的展示钢管核心混凝土受压破坏过程。实验和模拟分析结果表明:与两端固定相比,钢管混凝土圆弧拱试件在拱脚滑移的过程中,由于受到拉压弯三重作用发生了破坏,核心混凝土产生裂缝,随着荷载继续增加,裂缝的存在导致混凝土体积膨胀,进而使钢管发生鼓包。在一定的拱脚滑移量范围内,跨中截面核心混凝土底部受拉顶部受压,试件跨中与拱脚的弯矩急剧增加,钢管混凝土圆弧拱的承载力随着拱脚滑移量的增加而降低。通过室内试验和数值模拟,以及现场监测的结果分析可知,圆弧拱跨中下降的位移与两侧滑移量呈两倍关系。达到极限荷载后,圆弧拱试件中钢管对混凝土的套箍作用失效。

新浇混凝土爆破振动损伤累积规律模拟试验研究2469-2475

摘要：针对新浇混凝土振动损伤累积问题,利用振动试验系统开展了新浇混凝土爆破振动损伤累积模拟试验,并进行了受振混凝土强度与耐久性检测试验。结果表明:新浇混凝土振动损伤值累积过程可分为降低、快速增长和基本稳定3个阶段,且累积损伤值随着振动速度的增大而增大。振动速度v≤1.0cm/s时,超声波波速发展经历快速增长、缓慢增长和稳定3个阶段,最大波速随振动速度的增大而增大,振动损伤劣化效应不显现,混凝土的强度和耐久性提高。振动速度v≥1.5cm/s时,超声波波速发展出现损伤劣化降低过程而呈现为4个阶段,峰值波速和稳定波速均低于基准试块的相应波速,且都随着振动速度的增大而减小;振动损伤劣化效应从第2阶段开始显现,并在第3阶段宏观显现,振动速度达到3.5cm/s时,损伤从第1阶段即宏观显现;混凝土的强度和耐久性降低,且高强混凝土损伤劣化程度较普通混凝土明显。试验条件下新浇混凝土安全振动速度应控制在1.5cm/s以下,龄期12h以前,振动速度不宜超过2.0cm/s。

CH4,CO2和N2多组分气体在煤分子中吸附热力学特性的分子模拟2476-2483

煤层吸附He,CH4和CO2过程中的变形特性2484-2490

摘要：为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH4,CO2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH4,CO2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段;CH4和CO2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH4产生的膨胀变形量大于吸附CO2产生的膨胀变形量;煤基质在CO2气氛下比在CH4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。

深部承压水上底抽巷围岩破坏特征及合理位置2491-2500

摘要：针对赵固二矿区域瓦斯治理需开掘底抽巷与承压水上开掘底抽巷易引发底板突水之间的矛盾,通过承压水影响下的圆形巷道围岩塑性区边界方程,分析了底抽巷围岩塑性区的分布特征与底板突水危险性之间的关系;采用数值模拟研究了工作面开挖后的底板应力分布状态及底抽巷布置在不同位置时的围岩破坏特征及相应的突水危险性。结果表明:底抽巷围岩塑性区的非均匀分布会显著减小底板隔水层厚度,增加底板突水危险;工作面开挖后底板应力根据其双向应力比值大小及应力加卸载状态可分为4个区域且按对底板突水危险的影响程度可排序为:卸压高应力比值区>;卸压应力比值稳定区>;增压低应力比值区>;原岩应力比值区。据此提出了赵固二矿底抽巷的合理位置为沿待采工作面法向布置,并在规划的煤柱中部下方的L9灰岩上部砂质泥岩层中沿底掘进。

不同采高下瓦斯通道卸荷损伤演化及抽采验证2501-2509

摘要：为解决大采高采场及上隅角瓦斯超限问题,基于卸荷岩体力学分析了采高对采空区顶板卸荷及瓦斯通道损伤演化的影响,结合损伤力学建立了损伤因子与卸荷量及渗透率的关系,采用离散元软件计算了不同采高下采空区顶板卸荷及瓦斯通道损伤演化规律,根据卸荷后有效应力与渗透率关系研究了不同采高下瓦斯通道的卸荷损伤范围,提出利用大采高开采形成的优势瓦斯通道在中高位断裂带内采用大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯,并验证了瓦斯通道的贯通发育。结果表明:采空区顶板卸荷程度随采高增大非线性增长;采高越大,采空区顶板卸荷量及损伤因子越大,裂隙发育数量越多,采空区顶板渗透率突变点及瓦斯通道发育的高度越大;应用φ153mm大直径钻孔抽采流量为φ96mm的2~3倍,中高位瓦斯通道区钻孔抽采浓度约为中低位的2.4倍。

磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析2510-2517

摘要：为验证磨料气体射流破岩可行性,对比分析磨料水射流和磨料气体射流破岩效果。理论分析了磨料水射流和磨料气体射流中磨料加速机理,得出磨料动能与磨料水射流和磨料气体射流入口压力之间的数值关系。基于统一强度理论,建立了适用于磨料射流破岩的能量准则,得出了岩石破坏时所需的临界能量。根据磨料加速理论和岩石破坏临界能量计算了岩石破坏临界磨料速度以及所需入口压力。基于理论计算结果,试验验证了磨料水射流和磨料气体射流冲蚀灰岩的破碎效果。结果表明:当磨料速度达到270m/s时,所需气体射流压力的理论值为15MPa,水射流压力的理论值为45MPa;两种磨料射流冲蚀坑形状相同,均呈现“V”型,磨料水射流的冲蚀坑形状相较于磨料气体射流具有“口小”,“坑深”的特征,磨料气体射流破灰岩形成的冲蚀坑体积要大于磨料水射流。