煤炭学报
 
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2017年 42卷 08期
刊出日期 2017-08-25

论文
论文
1919 魏建平,孙刘涛,王登科,李波,彭明,刘淑敏
温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制

为了研究温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制,利用恒温箱和液氮对原煤煤样进行了两种条件下的温度冲击试验,分析了煤样在温度冲击前后的渗透率变化情况和微观裂隙发育情况,探讨了温度冲击过程中的声发射信号分布规律。试验结果表明:在经过冷冲击处理和热-冷冲击处理后,煤体的渗透率平均增幅分别为48.68%和469.24%,热-冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值是冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值的3.6倍,相比冷冲击处理,热-冷处理所产生的微裂纹数量更多,裂隙呈树枝状发育,增透效果更好;煤体性质的各向异性和温度冲击所产生的超过煤体抗拉强度的热应力是主要的增透机制。

2017 Vol. 42 (08): 1919-1925 [摘要] ( 102 ) [HTML 1KB] [PDF 3418KB] ( 380 )
1926 刘剑,李雪冰,邓立军,蒋清华,尹昌盛,高伦
掘进工作面附壁射流紊动特性的LDA实验

掘进工作面附壁射流具有置换和掺混双重作用,体现为流场的时均和紊动特性。射流的紊动在瓦斯粉尘的迁移扩散中起着关键性作用,如工作面粉尘的悬浮运动完全靠风流的紊动得以维持。由于紊动本身的复杂性以及实验设备的限制,以往对独头巷附壁射流的研究一般停留在时均量上,对紊动量的认识还不够深入。为此,采用三维激光多普勒测速仪,在独头巷射流通风实验模型内,对三维脉动风速进行了测量。根据紊流统计理论,分析得到了风流的各向紊动强度,并对紊动强度的分布规律和量级进行了研究。结果表明:受限条件下,由于回流存在,射流的紊动在射流区和回流区都很剧烈,3个方向的紊动强度具有量级相同和各向异性的特点。在射流剪切层内,紊动强度从射流轴线到射流边界呈先增后减趋势;在射流剪切层以外的回流区,紊动整体变化不明显,始终维持着与平均风速大小相当的强度。流场内较大的速度梯度导致流层之间剪切失稳是形成剧烈紊动的重要原因。由于紊动具有与平均风速相近的强度,在研究独头巷风流排污效率、瓦斯粉尘运移规律等问题时,无论理论分析还是数值计算,都应对运动方程中的速度脉动项给予充分重视。

2017 Vol. 42 (08): 1926-1931 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 3154KB] ( 169 )
1932 刘畅,杨增强,弓培林,王开,张俊文,李玉琳,张小强
工作面过空巷基本顶超前破断压架机理及控制技术研究

基本顶超前破断及压架研究对工作面过空巷、进入回撤通道安全保障有重要意义。通过相似模拟得到了工作面过大断面空巷基本顶超前破断前后覆岩破断特征、围岩应力及支架载荷。研究表明:在基于圣华煤业复采工作面围岩条件的相似模拟实验中,工作面通过12 m宽不支护空巷时,基本顶会发生超前破断。导致基本顶上方亚关键层随基本顶破断、滑落,支架上载荷由4 000 kN激增到12 500 kN再到16 200 kN,支承应力升高并前移。从理论上研究了超前程度、围岩条件、开采技术对破断后基本顶稳定性的影响,结果表明:随超前破断距离增大,阻止关键块所需阻力成倍增加;随自由空间高度的增加、块度的增加,基本顶结构稳定性降低;亚关键层破断会导致所需支架阻力激增,单从提高支架阻力来维持超前破断后基本顶结构稳定性不可行,应当从防止基本顶超前破断来预防切顶压架事故。提出了针对此类工作面的控制技术,现场应用效果明显。

2017 Vol. 42 (08): 1932-1940 [摘要] ( 54 ) [HTML 1KB] [PDF 7667KB] ( 260 )
1941 庞义辉,王国法
基于煤壁“拉裂-滑移”力学模型的支架护帮结构分析

针对坚硬厚煤层大采高综采工作面极易发生煤壁片帮的问题,以红柳林煤矿7.0 m大采高综采实践为基础,分析了煤壁片帮的应力路径效应,将硬煤煤壁片帮细分为拉裂破坏与滑移失稳两个阶段,建立了坚硬厚煤层煤壁片帮的拉裂-滑移力学模型,得出了煤壁的拉裂破坏深度、宽度与煤体强度、开采高度的关系及液压支架应具有的“临界护帮力”,分析对比了2种液压支架护帮装置的结构特点与力学特性。研究结果表明,煤体发生拉裂破坏只是煤壁片帮的必要非充分条件,煤壁最终是否发生片帮,还取决于拉裂破坏体在液压支架与矿山压力作用下是否发生滑移失稳。液压支架很难抑制煤壁发生拉裂破坏,但可以有效防止拉裂破坏体发生滑移失稳。液压支架护帮装置采用伸缩梁与护帮板分开结构设计,具有对煤壁的支护作用力大、结构强度与可靠性高等显著优点。

2017 Vol. 42 (08): 1941-1950 [摘要] ( 51 ) [HTML 1KB] [PDF 4143KB] ( 274 )
1951 蒋力帅,武泉森,李小裕,丁楠
采动应力与采空区压实承载耦合分析方法研究

采空区垮落带在覆岩沉降作用下的应力恢复对采动应力场有显著影响。基于围岩应力与采空区压实承载的耦合作用,研究了垮落带岩体压实承载的力学特性及参数反演方法,分析了裂隙带岩体的拉伸劣化力学特性,提出了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法,通过实例仿真模拟分析进行了验证。研究表明:垮落带渐进压实承载的力学特性是指数型表达式,压缩刚度随压缩应变呈非线性增长。由双屈服本构模型反演得到与理论解拟合度较好的垮落带力学参数,实现了垮落带压实承载特性的仿真模拟。裂隙岩体劣化系数表达式反映了模量劣化特性,应变软化本构模型增加模量劣化算法组成岩体劣化本构模型,实现了应变软化和裂隙岩体模量劣化的动态分析,较真实严谨的反映裂隙带岩体的力学特性。基于垮落带与裂隙带特征的仿真模拟,实现了采动应力场与采空区覆岩“两带”特征的耦合分析。通过工作面支承压力场演化特征的实例仿真分析,验证了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法的可行性和正确性,提高了采动应力场和围岩采动响应研究的严谨性和可靠性。

2017 Vol. 42 (08): 1951-1959 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 3021KB] ( 306 )
1960 张自政,柏建彪,王卫军,陈勇,于宪阳
沿空留巷充填区域直接顶受力状态探讨与应用

针对综采放顶煤、复合顶板等松软破碎顶板沿空留巷直接顶稳定控制难题,根据沿空留巷顶板活动的时空特征,建立了沿空留巷充填区域直接顶弹性损伤力学模型,推导了充填区域直接顶应力分布表达式,研究了充填区域直接顶应力分布演化规律,进而得到了充填区域直接顶拉应力范围和水平错动范围计算式及相应的演化规律。结果表明:充填区域直接顶受力状态受基本顶回转下沉角和直接顶损伤变量的影响,随着基本顶回转下沉角的增加,拉应力作用范围逐渐减小,水平错动范围逐渐增大。结合新元煤矿3107工作面沿空留巷的工程地质条件,提出了分区域动态加固沿空留巷充填区域直接顶的控制对策,工程应用表明,沿空留巷充填区域顶板下沉量得到了有效地控制,沿空留巷围岩稳定性较好。

2017 Vol. 42 (08): 1960-1970 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 5649KB] ( 252 )
1971 冯锦艳,刘旭杭,于志全
大倾角煤层采动裂隙演化规律

通过离散元UDEC数值模拟计算,分析了大倾角煤层开采过程中,扰动岩体裂隙的演化规律,同时采用相似材料模拟实验结果验证了数值计算结果的可靠性。大倾角煤层采动岩体裂隙发展初期以平行于工作面倾向的离层裂隙为主,后期离层裂隙的高度基本恒定,竖向裂隙扩展加速,直至延伸到地表,形成错断式裂缝和塌陷坑。在此基础上,建立了大倾角煤层采动裂隙分形维数D和采深的关系式,以及逾渗概率p和采深的关系式,实现了定量描述裂隙的演化规律。通过拟合分形维数D和逾渗概率p的关系式,可求得分形维数的峰值,进而可求得对应的采深,此采深即为破碎覆岩压密沿倾斜方向重新形成稳定结构所需的采深。计算结果可用于预先估算大倾角煤层开采埋深范围内是否可形成基本顶稳定结构,进而可采取不同的措施指导工作面的安全开采以及巷道的合理支护。

2017 Vol. 42 (08): 1971-1978 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 3057KB] ( 208 )
1979 周檀君,周国庆,廖波,张海洋,赖泽金,陶祥令
厚砂土层斜井井壁应力分布规律三维光弹性模型试验

以穿越厚砂土层的某煤矿主斜井为工程背景,设计了物理模型试验,建立了斜井井壁三维光弹性应力冻结试验方法。实现了考虑斜向倾角作用下穿越厚砂土层斜井井壁应力状态的三维试验模拟,并结合应力冻结后模型横、纵向切片光弹测试得到的全场最大剪应力等值线图对井壁应力随埋深、环向角度变化规律进行了分析。研究结果表明,井壁横向切片内应力水平和应力分布不均匀性均远大于纵向切片,最大剪应力的应力集中区域出现在井壁两帮内缘水平面±25°范围内,斜井井壁顶部最大剪应力大于底部;随斜井井壁埋深增加,纵向应力近似线性增加,但不同环向角度对应的应力增加速度差异较大,从而导致不同埋深位置,井壁内部应力的量值和分布规律均有差异。

2017 Vol. 42 (08): 1979-1986 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 3769KB] ( 127 )
1987 张波,杨学英,李术才,郭帅,唐鹏越,李海燕,杨磊,孙怀凤,王书刚
含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征

含裂隙岩石/类岩石试件在单轴压缩下的破坏特征已有较多研究,但对含X型裂隙试件单轴拉伸下的破坏特征尚无研究结论。对含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件进行了单轴拉伸试验,并与对应试件单轴压缩情况的已有实验结果进行了对比,研究了含两组叠置X型裂隙类岩石试件单轴拉伸下的岩桥贯通行为及强度特征。研究结果表明:含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉、压作用下的破坏模式及岩桥贯通模式表现不同,在单轴拉伸作用下含两组叠置X型裂隙类岩石试件岩桥处不会出现贯通现象;含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件的次裂隙位置影响试件单轴拉伸强度,在主裂隙位置固定情况下,次裂隙角度与最大拉应力方向垂直时试件强度最低,次裂隙角度与最大拉应力方向相同时试件强度最高。

2017 Vol. 42 (08): 1987-1993 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 2640KB] ( 172 )
1994 邓华锋,方景成,李建林,肖瑶,周美玲
含水状态对红层软岩力学特性影响机理

饱水状态下,红层软岩力学特性的劣化直接影响相关工程的变形稳定。考虑干燥、自然和饱水3种状态,对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。研究表明:① 饱水状态下红层软岩的软化特征明显,破坏时的延性特征更加明显,不同围压下岩样的抗压强度软化系数为0.36~0.65,相对于干燥状态,弹性模量和变形模量逐渐降低分别降低了35.60%~75.53%,44.57%~69.64%,而且围压越小,抗压强度和模量降低趋势越明显;② 相对干燥状态,饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%,岩样的黏聚力对含水状态更为敏感;③ 饱水状态下岩样抗拉强度软化系数为0.40,加载线附近局部破坏特征明显;④ 岩样内部矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏,伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解,使得岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散,而且孔隙多被水充填,这些微观结构的改变直接导致了红层软岩力学性质的劣化。

2017 Vol. 42 (08): 1994-2002 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 3882KB] ( 164 )
2003 刘小军,王震,王铁行,鲁洁
原状黄土节理抗剪强度试验研究

黄土节理的剪切强度特性对于含节理黄土工程的稳定性有重要影响,为此在大量野外调研的基础上,采集典型黄土节理土样,首先对不同节理表面形态进行分类以制备试样,然后采用室内直剪试验研究了含水量对黄土节理剪切强度参数的影响规律,并与室内大型直剪试验对比,研究尺寸效应对剪切强度的影响,最后依据试验结果研究了节理剪切应力-位移规律。研究表明:黄土节理的抗剪强度关系符合摩尔-库伦准则,且黏聚力可忽略不计;随含水量的增加,黄土节理峰值内摩擦角最初的变化幅度较小,当大于某个含水量值时,峰值内摩擦角减小幅度变大,其变化规律可用指数形式进行描述;试样尺寸主要影响节理面起伏度对剪切强度的贡献,尺寸越大,其剪切强度也越大;其剪切应力-位移曲线属非线性屈服剪切型曲线,并构建了本构模型,对初始剪切刚度研究发现其随含水量增加减小,随正应力增加呈线性增加。

2017 Vol. 42 (08): 2003-2010 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 4540KB] ( 123 )
2011 穆朝民,宫能平
煤体在冲击荷载作用下的损伤机制

以静力学、冲击动力为实验手段,得出煤在不同应变率荷载下的应力-应变关系。根据实验结果及煤体动态力学特征,通过改进朱-王-唐本构模型建立了体现煤体应变率效应、损伤特征的本构方程。将建立的方程嵌入有限元程序中对煤体在不同峰值冲击荷载作用下的损伤机理进行研究,研究结果表明:煤体在冲击荷载下出现层状间隔劈裂结构,煤体的劈裂损伤主要有2种形式:① 由较大拉剪应力形成的“快速跃升式”损伤;② 拉剪-压剪交替作用累积形成的 “慢速阶梯式”损伤。

2017 Vol. 42 (08): 2011-2018 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 5371KB] ( 218 )
2019 赵博,文光才,孙海涛,杨硕,田成林
煤岩渗透率对酸化作用响应规律的试验研究

酸化手段是油气井提高产能的重要手段,较小的酸化规模有可能极大地提高油气井产量,这对具有低渗透性特点的煤层气井开发具有重要启示。通过室内试验测定了酸液作用前后煤粉的矿物成分极限反应率和煤岩芯的渗透率,分析了酸化作用后煤粉极限反应率和煤岩芯渗透率的变化规律。结果表明:煤层中原始的孔裂隙发育和矿物成分组成对渗透率的大小具有重要影响;酸化手段可有效提高煤层渗透率,对于试验煤样,渗透率最大提高了18.42倍,盐酸质量分数在12%~15%为最佳。酸化时间过长会造成渗透率小幅度降低,应控制反应时间在12 h左右。

2017 Vol. 42 (08): 2019-2025 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2869KB] ( 202 )
2026 李守国,贾宝山,聂荣山
裂纹闭合对高压空气爆破冲击煤体瓦斯抽采效果影响

鉴于高压空气爆破冲击煤体过程中裂纹闭合对瓦斯抽采效果的影响,基于能量和弹性理论,对裂纹闭合的长度进行分析计算,得到了闭合区域位置在距离爆破孔3.8 m。通过在丁集煤矿进行井下现场试验,结果表明:裂纹的闭合对该区域的瓦斯抽采影响表现为闭合区域瓦斯的涌出量增幅变小;在距离爆破孔1.0~4.0 m的区域内,随着距离爆破孔距离的增加观测孔瓦斯的涌出量增幅先增大后减小;在距离爆破孔1.8~2.5 m的区域内,瓦斯涌出量增幅最大;在距离爆破孔4.0 m区域,瓦斯涌出量增幅最小,接近裂纹闭合区域。理论计算和现场试验具有良好的一致性。

2017 Vol. 42 (08): 2026-2030 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 1152KB] ( 175 )
2031 王涌宇,邬剑明,王俊峰,张玉龙,唐一博,宋申
亚烟煤低温氧化元素迁移规律及原位红外实验

基于动力学与热力学理论,研究了煤升温过程中C,H,O,N,S五种基本元素的迁移转化规律,同时根据红外实验分析了煤中主要官能团变化趋势。结果表明,煤样在物理吸附和化学吸附阶段,碳氧化合物变化占主导地位,〖JP2〗在化学反应阶段,碳氢化合物和含氮化合物变化频率超过碳氧化物。低温氧化过程中,H元素的表观活化能最小,N元素表观活化能最大,而O,S元素的表观活化能为负值,C,H,N元素迁移过程为吸热反应,O,S元素转化过程是放热反应。煤中脂肪族C—H在煤温上升的过程含量逐渐降低。煤中COOH含量与总体的C〖CDS1〗O含量变化趋势一致,当温度超过120 ℃以后,两者含量逐渐增加,此外对煤低温氧化过程涉及到的化学反应步骤也进行了研究推导。

2017 Vol. 42 (08): 2031-2036 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 3177KB] ( 114 )
2037 贾海林,韩璐璐,余明高
煤结构机械破断生成S-CO的规律与机理

以煤结构机械破断产生的CO(S-CO)为对象,利用煤结构机械破断S-CO测试系统和傅里叶红外光谱仪研究S-CO的生成规律和产生机理。实验结果表明:在氮气氛围和煤样质量相同条件下,S-CO的产生速率和体积分数均随电机转速的增加而增大。在实验工况下,S-CO的体积分数变化呈现3个阶段:无S-CO阶段、线性增长阶段、类指数增长阶段。基于煤化学和红外光谱分析理论,分析了实验煤样在机械破断过程中煤结构的变化情况。根据煤中含氧基团及相应解离能,阐明了煤机械破断产生S-CO的多步反应机理,补充了前人关于“S-CO是煤中羰基的机械激活分解”的片面认识,完善了煤结构机械破断S-CO的产生机理。

2017 Vol. 42 (08): 2037-2043 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 2970KB] ( 140 )
2044 黎力,梁卫国,李治刚,贺伟
注热CO2驱替增产煤层气试验研究

当前煤变质程度高、割理不发育及煤储层压力低等因素严重制约着我国煤层气的开采与利用。为完善注CO2驱替增产煤层气的基础理论研究,利用自主研发的煤层瓦斯驱替装置探讨了不同注气温度与注气压力条件下CO2对煤层瓦斯驱替置换的效果,并分析了注气温度与压力对煤体的变形与渗透率的影响。研究发现:驱替气体注气压力与温度是影响CH4产出率与CO2储存量的关键因素,提高注气温度与注气压力能够在单位时间内驱替出更多的CH4并存储更多的CO2;注气压力由2 MPa增至4 MPa,CH4产出率可提高6.7%~17.4%,CO2储存量可提高78.6%~99.7%;注气气体温度从28 ℃上升至60 ℃,CH4产出率与CO2储存量分别增加40.0%~43.8%和23.8%~38.4%,而驱替置换比降低8.4%~20.2%;驱替压力与温度的增加会使得煤体轴向应变增加98.1%和104.7%;常温注气试验后煤体渗透性下降37.1%~71.3%,提高驱替温度可使渗透率下降幅度降低19.8%~64.3%。

2017 Vol. 42 (08): 2044-2050 [摘要] ( 45 ) [HTML 1KB] [PDF 2497KB] ( 195 )
2051 程宏飞,李凯华,徐占杰,郑启明,刘钦甫
煤层夹矸型黏土矿物对甲烷的吸附研究

黏土矿物是煤层中最重要的矿物质,煤层中有机质与黏土矿物复合能改善黏土矿物对甲烷的吸附能力,因而煤储层中黏土矿物对甲烷的吸附不容忽视。分别选取黏土矿物含量较高的煤层夹矸和纯黏土样品,采用X-射线衍射、红外光谱及扫描电镜表征,并进一步分析了样品中总有机碳(TOC)含量、有机质的类型和成熟度,结合孔径、孔隙体积和比表面积测定结果,探讨造成夹矸型和非煤黏土矿物甲烷吸附能力差异的主要原因,研究影响夹矸型黏土矿物吸附能力的控制因素。结果表明:夹矸型黏土矿物对甲烷的吸附能力依次为铵伊利石>高岭石>伊利石>金云母;单纯的外表面积大小并不能完全反应出黏土矿物的甲烷吸附特性,需结合不同黏土矿物层间域等多方面因素综合考虑;有机质含量较高的夹矸型黏土矿物样品比纯黏土样品具有更多的微小孔隙,尤其是孔径小于6 nm的孔隙,对样品比表面积的增加起到了关键作用,进而也增强了其甲烷吸附能力。通过分析黏土矿物的甲烷吸附贡献率发现,黏土矿物及其有机复合体具有较强的甲烷吸附能力,在煤层夹矸中对甲烷的吸附贡献较大。

2017 Vol. 42 (08): 2051-2062 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 4688KB] ( 146 )
2063 宋昱,姜波,李明,刘杰刚,刘和武
低中煤级构造煤超临界甲烷吸附特性及吸附模型适用性

综合分析了低中煤级构造煤甲烷超临界吸附特性,以及常用的吸附理论及其扩展模型对构造煤的适用性。I类模型对最大吸附量(Vm)的拟合方差平均值表现为原生<碎裂<碎斑<片状<揉皱<碎粒<鳞片<糜棱煤,其中T和L-F对原生煤和脆性构造煤的Vm拟合效果较好。II类模型对构造煤Vm的拟合方差高于I类模型,其中T-BET-1和T-BET-2不适合于鳞片煤。III类模型的拟合方差平均值表现为:碎斑<碎裂<原生<碎粒<揉皱<鳞片<糜棱煤,拟合偏差低于I和II类模型,其中DR1~DR3和DA-3模型可以有效计算鳞片煤和揉皱煤的Vm。DR1~DR3可以较好的反映糜棱煤的Vm。随着构造变形的增强,III类模型的吸附饱和度逐渐增高,由单分子层不饱和吸附(原生、碎裂、碎斑),逐渐过渡为单分子层饱和吸附(碎粒、片状煤),再过渡为多分子层吸附(鳞片、揉皱、糜棱煤)。原生煤及构造煤吸附势(0~13 kJ/mol)分布均随着吸附空间的增大而逐渐降低。在达到最大吸附量时,吸附空间表现为:原生≈碎裂<碎斑<碎粒≈片状<揉皱<糜棱≈鳞片煤。拟合偏差分析表明:E-L,L-F,L和T,对碎粒煤适应性最强;L,F,T和E-L适合于鳞片煤;L,F,E-L,T-BET-3,DR1,DR2适合于揉皱煤;而模型F和T适合于糜棱煤。

2017 Vol. 42 (08): 2063-2073 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 6231KB] ( 182 )
2074 王刚,沈俊男,褚翔宇,曹春杰,江成浩,周晓华
基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析

为有效研究煤的孔裂隙结构特征,实现对煤的孔裂隙结构的定性定量表征和分析。以内蒙古巴彦高勒煤矿311102运输巷的煤样为研究对象,基于ZEISS Xradia 510 Versa X射线显微镜扫描得到的CT数据,结合三维可视化软件AVIZO中内置数学算法,提出了煤的孔裂隙结构定量表征的方法,并建立了煤的三维孔裂隙结构模型和具有拓扑结构的孔隙网络简化模型。通过本文提出的方法,对巴彦高勒煤矿煤样的孔裂隙微观参数——孔径大小、孔体积、孔隙率、配位数、喉道长度等进行了统计分析。研究表明:在微米的尺度下,内蒙古巴彦高勒煤矿的煤样以大孔为主,并伴有网状的割理裂隙,有效孔隙率为10.34%,通过孔隙网络模型统计出的孔隙数为12 834,喉道数为432及其他的微观结构参数。

2017 Vol. 42 (08): 2074-2080 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 3796KB] ( 247 )
2081 张国伟,陶树,汤达祯,徐银波,崔义,王琼
三塘湖盆地二叠系芦草沟组油页岩微量元素和稀土元素地球化学特征

三塘湖盆地二叠系芦草沟组油页岩发育于石头梅凸起附近,位于三塘湖盆地西南缘。通过电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对油页岩中微量元素和稀土元素地球化学特征进行研究。研究表明:和中国煤相比研究区油页岩中比较富集V,Cr,Ni,Cu,Ge,As,Se,Rb,Sr,Mo,Cd,Sb,有毒元素、致癌元素Cd,Ni,As,Cd等含量明显高于地壳和中国煤中平均含量;REE富集情况低于北美页岩水平,稀土元素分布模式表明LREE明显富集,HREE相对亏损,Eu随深度正负异常变化频繁。δCe,δEu,Sr/Ca,Sr/Ba,V/(V+Ni)及V/Cr的值总体上反映出该区油页岩形成于贫氧-缺氧,水体盐度咸水-淡水的较深水环境。

2017 Vol. 42 (08): 2081-2089 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 4383KB] ( 154 )
2090 李丽,邵龙义,李明培,王东东,鲁静,李智学,程爱国
鄂尔多斯盆地上三叠统瓦窑堡组层序-古地理及聚煤规律

依据钻孔岩芯及测井曲线资料对鄂尔多斯盆地东部晚三叠世瓦窑堡组沉积相、聚煤模式、层序地层格架、岩相古地理进行研究,提出该区聚煤规律。瓦窑堡组依据岩性共分为五段,其中底部的第1段和顶部的第5段以泥岩、粉砂岩为主,第2段、第3段、第4段下部以砂岩为主,上部以泥岩、粉砂岩为主。根据瓦窑堡组顶部区域不整合面、第1段、第3段以及第4段底部河流下切谷冲刷面、瓦窑堡组底部与其下伏地层间地层颜色及岩性突变面等层序界面,将瓦窑堡组划分为3个三级层序,其中层序Ⅰ对应瓦窑堡组一段和二段,层序Ⅱ对应瓦窑堡组三段,层序Ⅲ对应瓦窑堡组四段和五段。通过统计各个三级层序内的岩性数据,绘制地层厚度、砂泥比、煤层厚度等值线图,以三级层序为作图单元,恢复各层序的古地理格局,主要的古地理单元为河流、三角洲和湖泊,物源位于研究区东北部。层序Ⅲ的聚煤作用明显优于层序Ⅰ和层序Ⅱ,最有利于成煤环境为三角洲平原分流间湾,聚煤中心大致位于石湾镇—玉家湾镇—安塞县一带。

2017 Vol. 42 (08): 2090-2100 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 8099KB] ( 145 )
2101 刘倩颖,张茹,王满,魏思祥,张泽天,高明忠,贾哲强,张朝鹏
不同赋存深度煤的物性特征

浅部矿产资源日益枯竭,深部地下开采将成为常态。因此,对不同赋存深度,尤其是超千米深煤岩开展系统研究具有重要的工程意义。现有研究大多通过改变围压、温度等条件来模拟岩体所处的外在环境,并未采用真实赋存深度样品开展研究,同时忽略了原位岩体初始结构、物质组成和性质的差异。对取自平顶山矿区己组煤层300,600,700,850和1 050 m 五个不同深度的煤岩开展系统试验,研究不同赋存深度煤岩成分、细观结构、瓦斯吸附及声学特性。测试结果表明:随着赋存深度增加,煤的组成和结构发生改变,变质程度增大,结构更为致密,瓦斯吸附能力增强,超声波在其内传播发生散射和折射的几率减少,损耗能量降低,纵波波速增大。该成果可为后续开展不同赋存深度煤岩宏观力学特性相关研究提供借鉴。

2017 Vol. 42 (08): 2101-2109 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 4226KB] ( 202 )
2110 孙怀凤,程铭,宿传玺,李术才,王世睿,张乐文,范秋雁,李海燕,李凯
隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究

隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法是在隧(巷)道超前钻孔的基础上,将接收传感器置于钻孔之中,沿钻孔不同深度进行测量,形成瞬变电磁响应的深度-时间剖面曲线,进而判定掘进工作面前方是否存在含水构造。物理模拟试验显示:在使用较小发送磁矩情况下,深部很难观测到有效信号;使用较大发送磁矩激发时,晚期时间和深部会出现感应电压方向反号的现象,利于判断异常体的存在,且掘进工作面前方存在高阻或低阻目标时观测曲线在幅值和方向反号时间上均存在明显差异,可以判断掘进工作面前方是否存在异常构造。该方法利用已有钻孔开展探测,不需要增加额外成本,可提高判定灾害源是否存在的精度。

2017 Vol. 42 (08): 2110-2115 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 2668KB] ( 150 )
2116 李全生,鞠金峰,曹志国,高富,李建华
基于导水裂隙带高度的地下水库适应性评价

利用煤矿井下采空区进行矿井水资源储存和循环利用的地下水库技术为西部缺水矿区的绿色开采提供了新的途径,但其推广应用仍需符合一定的适用条件。综合采用现场实测与理论分析,结合神东矿区煤矿地下水库工程实践,开展了基于导水裂隙带高度的地下水库适应性评价方法研究。结果表明:地下水库储水的高效循环使用是保证该技术成功应用的关键,必须满足“水源”、“库容”和“通道”三大条件。采动覆岩导水裂隙作为地下水库水源补给的重要通道,是影响地下水库适应性的核心因素。利用“基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法”,判别具体开采条件导水裂隙带发育高度,当导水裂隙沟通区域补给水源(含水层)时,地下水库具备适应性;否则,区域水源水体一般难以汇聚至井下采空区,从而地下水库中可供循环利用的水资源量将难以保证,地下水库保水方法一般不适用。研究结果得到了神东矿区地下水库工程的验证,并指导了李家壕煤矿地下水库适应性评价和地下水库建设选址。

2017 Vol. 42 (08): 2116-2124 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 7495KB] ( 177 )
2125 张瑞娅,肖武,胡振琪
边采边复耕地区动态施工标高模型构建与实例分析

在进行边采边复规划设计过程中,实地复垦施工时耕地区应当采取的施工标高,关系到整个复垦工程的成败,尤为重要。因此为了更好的指导复垦工程实地施工,以边采边复技术思想为指导,首先系统分析了影响耕地动态施工标高的三大因素,在此基础上构建了耕地动态施工标高的理论模型。并结合动态沉陷模型和概率积分法,根据单一煤层和多煤层不同开采条件下地面沉陷特点,分别推导出了单一煤层和多煤层不同开采条件下,耕地动态施工标高的数学模型。最后以安徽某高潜水位煤矿为实例,分别对两个不同复垦施工时刻,耕地区A1,A2点的施工标高进行模拟分析计算,当复垦施工时刻ts1=210 d时,两点的施工标高分别为23.6,24.2 m,ts2=296 d时两点的施工标高分别为22.9,23.7 m,结果表明耕地动态施工标高模型具有很好的适用性,这将促进边采边复技术的推广应用。

2017 Vol. 42 (08): 2125-2133 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 2433KB] ( 125 )
2134 戴财胜,张仲欢,马淞江
半焦调质城市污泥的成浆性能及其污泥煤浆的流变特性

采用成浆实验法研究了半焦调质城市污泥的成浆性能以及半焦调质城市污泥与煤混合物的成浆性能及其浆体流变特性。结果表明:半焦的含量是影响半焦调质城市污泥成浆性能的关键因素,半焦调质城市污泥的成浆性能随其半焦含量的增加而变好,当半焦的含量增大到80%时,半焦调质城市污泥的定黏浓度仍只有33.88%,说明其成浆性能差;泥煤混合物的成浆性能随半焦调质城市污泥配比的增大而变差,其定黏浓度(φ)与半焦调质城市污泥配比(x)呈良好的线性相关关系:φ=68.835 1-1.201 1x,R2=0.953 6;污泥煤浆的浆体为假塑性流体,呈现剪切变稀的性能。上述研究成果对制备高能效的污泥煤浆,实现污泥的能源化利用有重要意义。

2017 Vol. 42 (08): 2134-2140 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 1358KB] ( 128 )
2141 任阳光,徐志强,周燕,郑家兴,李群,胡佳木,邵帅
基于多重散射光理论的石油焦/褐煤共成浆稳定性的研究

利用基于多重散射光技术的Turbiscan LAB稳定性分析仪,从宏观相分离程度和介观颗粒粒度的角度研究了石油焦/褐煤配比对混合浆体稳定性的影响。结果表明:焦煤比>7∶3时,浆体在静置0~7 d内出现明显的颗粒团聚并迁移的现象,且焦煤比越大,顶部分层厚度越大,颗粒向下迁移速率越大。焦煤比<7∶3时,浆体在静置1~7 d内颗粒团聚,浆体整体的平均粒径增大但没有因迁移形成明显的澄清层。焦煤比>6∶4时,浆体在0~90 min内顶部较大颗粒的沉降造成中部平均粒径增大;1~7 d内中部大颗粒团聚并逐渐向下迁移,中部平均粒径逐渐减小。焦煤比≤6∶4时,浆体平均粒径在0~90 min内保持稳定不变;1~7 d内中部颗粒团聚但没有迁移,中部平均粒径逐渐增大。在静置7 d中,不同焦煤比浆体稳定性由好到坏的焦煤比顺序为:0∶10和5∶5最好,其次依次为6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶0。因此从宏观和介观角度分析,焦煤比>7∶3的混合浆体由于颗粒聚结和迁移导致体系析水、分层及不稳定;焦煤比≤7∶3的混合浆体颗粒在静置过程中团聚但不迁移,体系稳定性较好。

2017 Vol. 42 (08): 2141-2148 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 4984KB] ( 111 )
2149 韦鲁滨,李大虎,苗畅,孙铭阳,朱学帅,曾鸣,王茂源
基于Euler-Lagrange方法的细粒煤脉动气流分选数值模拟

传统的欧拉模型和离散相模型难以准确模拟细粒煤气流分选过程,为此采用DDPM(Dense Discrete Phase Model)模型,引入相体积分数和软球碰撞模型,提出了一种基于离散相体积分数和颗粒间碰撞作用的新的细粒煤气流分选过程数值模拟方法。通过数值模拟与实验室连续分选实验,研究了分选机内流场分布和6~3 mm细粒煤脉动气流分选效果。结果表明:采用DDPM模型可有效模拟细粒煤气流分选过程中颗粒相对流场的扰动作用;分选柱内流场受被分选物料的影响,速度分布和压降值较加入颗粒前变化明显,且分选机处理量越高,压降变化越明显;实验条件范围内,DDPM模型模拟得到的各密度级重产物分配率均方根误差低于3%,且相同风量时,分选机处理量越大,分选密度越高。

2017 Vol. 42 (08): 2149-2156 [摘要] ( 12 ) [HTML 1KB] [PDF 1985KB] ( 132 )
2157 李昌伦,王永刚,林雄超,杨远平,田震,武欣
内在矿物对高灰褐煤热解焦收率及特性的影响

利用分选、酸洗和添加矿物的方法制备出不同灰含量和矿物成分的褐煤煤样;使用沉降管反应器(DTR)和热重分析仪(TGA)研究内在矿物在800~1 200 ℃对褐煤热解的影响。结果表明,内在矿物可以降低褐煤的热解反应活性,增加低温(800 ℃)热解焦收率;碱金属和碱土金属(AAEM)是起主要作用的矿物成分。在高温条件下(≥1 000 ℃),内在矿物可通过催化原位水蒸气气化反应降低焦收率。焦收率的减少量正相关于煤样的灰分含量和内水含量,以及碱性金属总量。Raman光谱分析表明,内在矿物有延缓半焦微晶结构有序化和抑制交联键断裂的作用。内在矿物可促进半焦孔结构的形成,增大半焦的比表面积;钙为起主要作用的矿物成分。随热解温度的上升,过多的矿物会抑制半焦孔结构的进一步扩展。

2017 Vol. 42 (08): 2157-2163 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 2096KB] ( 117 )
2164 张丹,刘春生,李德根
瑞利随机分布下滚筒截割载荷重构算法与数值模拟

为了获得滚筒截割载荷特性曲线,对截齿与滚筒的受力进行了分析研究,得到了截齿轴向阻力与滚筒截割载荷的数值关系,运用自制的多截齿旋转截割煤岩实验设备,进行了截齿截割煤岩实验,得到了截齿三向力曲线,建立了滚筒截割载荷随机载荷曲线重构模型,给出了载荷重构算法,利用测试数据对滚筒截割载荷进行了数值模拟,得到了滚筒截割载荷重构载荷谱。研究结果表明:实验条件下煤岩崩落周期约为0.04 s,滚筒截割载荷数值上大于滚筒上各截齿同一时刻各截割阻力之和;滚筒截割载荷与参与截割的截齿截割阻力峰值、随机分布状态、截齿位置角、煤岩崩落周期及各截齿作用位置有关;所提算法与修正离散正则化算法比较,计算速度提高了约70倍,少样本数据下,该算法精度优于修正离散正则化算法,但重构数据只在重构点处具有真实性;使用改进的FFT算法进行重构曲线数值拟合,与FFT算法相比,计算量减小为原来的1/16,计算速度提高了约27倍,拟合优度相同,均为0.94,拟合曲线在总体趋势上比较平滑,呈现月牙形,与截割厚度变化规律一致,波形特征比较容易辨识,特征值便于判断和提取。研究结果为截齿三向力与滚筒截割载荷的关联提供依据,同时为滚筒截割载荷重构及数值拟合提供高效便捷的算法。

2017 Vol. 42 (08): 2164-2172 [摘要] ( 13 ) [HTML 1KB] [PDF 1359KB] ( 114 )
2173 王超,李威,杨海,司卓印,张金尧
基于航位推测的刮板输送机形态检测研究

针对煤矿综采工作面自动化中刮板输送机直线度检测困难及测量精度不高的问题,利用捷联惯导提出了一种基于中部槽结构尺寸航位推测的刮板输送机形态检测新方法。首先,选择Rodrigues参数法进行惯导姿态解算,其次采用加速度传感器测量采煤机经过刮板输送机连接间隙时产生的振动信号,建立了Butterworth滤波下的刮板输送机节数检测模型,最后在考虑刮板输送机连接间隙的情况下构建刮板输送机形态检测模型。利用采煤机和轨道模型在水平、竖直面分别搭建实验平台,实验结果表明,刮板输送机形态的跟踪误差小于14 mm。该形态检测方法为刮板输送机形态的检测提供了一种新思路,并为综采工作面自动校直的实现提供了一定的理论支持。

2017 Vol. 42 (08): 2173-2180 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 4268KB] ( 130 )
2181 郭有权,司纪凯,司高杰,许孝卓,封海潮
磁极偏移法抑制表面-内置式永磁转子同步电机齿槽转矩分析

针对所提出的表面-内置式永磁转子同步电机(SIHPMSM)结构特点,建立不同充磁方式下SIHPMSM的齿槽转矩解析模型。分析SIHPMSM磁极偏移状态下整体和单个磁极的齿槽转矩解析公式,得到磁极整体偏移和磁极分组偏移的齿槽转矩优化方法。采用有限元法计算SIHPMSM在不同充磁方式下磁极偏移时的齿槽转矩,与实验样机测试结果进行对比,得出最优的齿槽转矩优化方案。对比分析优化前后电机反电势、电磁转矩、转矩波动、效率等性能参数,验证了所采用优化方法的正确性与合理性。

2017 Vol. 42 (08): 2181-2189 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 7288KB] ( 109 )
2190 智宁,毛善君,李梅
基于照度调整的矿井非均匀照度视频图像增强算法

由于煤矿井下空间环境受粉尘等因素的影响,视频监控系统获取的作业环境图像存在照度低、照度不均匀等问题,而且现有的算法在处理煤矿非均匀照度图像时会出现颜色失真或者过增强现象,这不利于对图像的判读和应用。结合煤矿的实际数据,提出了一种新的图像增强算法,克服了现有算法存在的问题:分析井下视频图像特点,采用具有边缘保持特性的多尺度引导滤波获取照度分量;基于Retinex理论,将图像分解为照度分量与反射分量;针对照度不均匀的特性,提出一种新的“S型”曲线函数对其进行调整;分析图像的特性,引入受限对比度自适应直方图对其对比度进行增强;提出新的图像增强模型,利用细节增强系数和照度增强系数实现对图像的综合增强。与其他4种算法的对比试验表明,本文算法在主观评价和客观评价方面都优于上述算法。实验证明,本算法具有有效提升图像整体亮度和对比度,同时避免光源附近亮区域的过增强现象的特点,能够满足矿山实际应用需求。

2017 Vol. 42 (08): 2190-2197 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 5699KB] ( 138 )
2198 耿蒲龙,宋建成,赵钰,高云广,郑丽君,呼守信
基于SVM增量学习算法的煤矿高压断路器故障模式识别方法

高压断路器故障模式的准确识别是矿井电网智能化发展过程中的重要支撑环节。针对高压断路器故障数据不易获取且故障样本较少的问题,提出了一种支持向量机与增量学习算法相结合的故障识别方法,确定了以断路器控制回路电流信号、电压信号以及分合闸振动信号为状态监测量,模拟了弹簧松动、铁芯卡涩、供电异常与线圈老化4种常见故障,提取了故障特征量并建立了故障数据样本与增量学习数据样本,采用支持向量机增量学习算法训练得到了故障识别模型,并利用新增数据样本对其进行了验证。结果表明:支持向量机增量学习算法可准确识别上述4种常见故障,并可以通过对新增样本的不断学习进一步提高识别精度。

2017 Vol. 42 (08): 2198-2204 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 1707KB] ( 143 )


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