煤炭学报
 
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2018年 43卷 10期
刊出日期 2018-11-28

论文
论文
2661 武强,徐华,赵颖旺,杜沅泽,张小燕,穆文平,姚义
基于云平台的矿井水害智慧应急救援系统与应用

随着云计算、物联网、大数据、人工智能等技术的发展,智慧应急救援已成为矿山安全生产监察的迫切需求。提出了基于云平台的矿井水害智慧应急救援服务体系,采用混合云架构,提供按需和弹性计算能力及存储资源。通过集成与挖掘所有可能的历史和实时数据,建立云环境下多源异构、大规模、跨领域、动态信息资源“一张图”,推动信息资源共享,建设应急救援智库。在此基础上,研发了应急救援系统,实现数值模拟、预测预警、应急疏散、应急评估、人员设备管理等功能,支持矿山应急演练和应急决策,依托现代信息技术为矿井水害应急救援提供智能化的服务和管理,实现矿井水害事故预防、检测、预警、处置、评估等全过程动态管理和控制。

2018 Vol. 43 (10): 2661-2667 [摘要] ( 39 ) [HTML new] [PDF 3720KB] ( 122 )
2668 余伟健,吴根水,刘海,王平,安百富,刘泽,黄钟,刘芳芳
薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制

针对百色矿区薄煤层开采条件下半煤岩巷道大变形及难控制等问题开展了一系列研究工作。首先,在巷道工程资料与数据的基础上,开展了薄煤层回采巷道工程地质特征的分析,发现薄煤层巷道围岩地质构造普遍较为复杂,岩体完整性差;现场监测了回采巷道围岩的变形全过程,分析了掘巷影响阶段、掘巷影响稳定阶段和工作面回采期阶段等时期的围岩工程行为及变形特征。然后,根据所收集的岩样和自制的煤岩组合体试样,分别进行了点载荷强度和不同高度比的煤岩组合体力学强度试验,结果表明,此类岩石力学强度较低,煤体与岩体破坏呈不均匀性。最后,在现有的理论基础上,分析了半煤岩巷道的滑移机制,推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程,根据锚索的挤压承载和锚杆抗剪作用机理等阐明了软弱半煤岩巷道控制原理和支护要点,提出了以“顶板预应力长锚索+帮高刚度桁架锚索”为主体的“锚、网、索、梁”整体支护技术。支护试验表明:所提出的支护技术对于半煤岩巷道的控制效果较好,围岩变形在可控范围之内。

2018 Vol. 43 (10): 2668-2678 [摘要] ( 40 ) [HTML new] [PDF 5210KB] ( 115 )
2679 潘俊锋,刘少虹,秦子晗,王书文,张晨阳,马文涛
深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。

2018 Vol. 43 (10): 2679-2686 [摘要] ( 28 ) [HTML new] [PDF 7964KB] ( 132 )
2687 黄克军,黄庆享,王苏健,邓增社,赵萌烨
浅埋煤层群采场周期来压顶板结构及支架载荷

现场勘查发现,神府矿区浅埋煤层群间隔岩层厚度大多在15~45 m时,间隔岩层易存在单一关键层结构。文章通过现场实测得出了浅埋煤层群开采周期来压的基本特征:来压步距减小、强度增大、煤壁片帮严重,动载现象、台阶下沉现象和大、小周期来压现象明显。物理相似模拟实验揭示了间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层同步与非同步破断的大、小周期来压机理,发现了间隔岩层关键层与已扰动关键层共同形成的“梁-拱-壳”结构形态,给出了上煤层已扰动关键层结构形态的判别方法,得出了浅埋煤层群开采顶板周期破断可形成“台阶-台阶”、“砌体-台阶”、“砌体-砌体”的基本结构。综合建立了浅埋煤层群开采间隔岩层周期破断结构与力学模型,给出了支架受动静载荷作用的工作阻力计算方法,并得到了现场验证。

2018 Vol. 43 (10): 2687-2693 [摘要] ( 21 ) [HTML new] [PDF 4857KB] ( 102 )
2694 伍永平,胡博胜,解盘石,李少华,皇甫靖宇
大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制

飞矸具有动态运移、危害巨大的特点,合理控制其损害是大倾角煤层安全开采的前提之一。基于卡尔曼滤波原理获取飞矸的冲击能特性,以挡矸网为控制元件,多手段综合研究了飞矸的冲击损害机制及控制元件参数,提出了一种飞矸冲击损害控制方法。研究结果表明飞矸碰撞设备时冲击能耗损为多种形式的能量,其中设备的变形能占比最大;飞矸碰撞设备前的冲击能和设备的冲击能恢复系数共同影响飞矸冲击能的耗损程度,由此飞矸损害控制可以从提高设备的冲击能恢复系数和降低飞矸的冲击能两方面入手。LS-DYNA数值碰撞模型确定了大倾角大采高工作面控制元件参数为涤纶直径6 mm,菱形网格大小100 mm×100 mm。将控制元件应用于现场,降低了飞矸伤人毁物事故的次数,改善了防护设备使用周期短的问题。

2018 Vol. 43 (10): 2694-2702 [摘要] ( 29 ) [HTML new] [PDF 4439KB] ( 63 )
2703 王超超,许家林,轩大洋
覆岩隔离注浆充填地面输浆管路堵塞机理研究

为确定覆岩隔离注浆充填工程中地面输浆管路堵塞机理,对输浆管路运行工况进行了监测,基于实测数据将输浆管路堵塞划分为附着型堵塞、沉积型堵塞和综合型堵塞3种类型。通过对粉煤灰浆体的流变特性、粉煤灰水化反应进行理论分析与实验验证,揭示了3种堵塞类型的形成机理,分析了管路粗糙度、化学成分、流速等因素对各类堵塞形成的影响。结果表明:附着型堵塞主要受粉煤灰水化反应胶凝化合物形成速率和浆体流速的双重影响;沉积型堵塞则主要是浆体流速过低导致的。据此提出了防止管路堵塞的建议措施。

2018 Vol. 43 (10): 2703-2708 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 2294KB] ( 43 )
2709 尹光志,鲁俊,李星,刘超,李铭辉,马波
真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。

2018 Vol. 43 (10): 2709-2717 [摘要] ( 30 ) [HTML new] [PDF 5483KB] ( 136 )
2718 经纬,薛维培,荣传新
巷道(隧道)围岩稳定蠕变上下阈值及确定方法

基于岩石蠕变特性和稳定蠕变终止轨迹线的形成机理,揭示了岩石稳定蠕变上下阈值的存在并给出了试验确定方法。剖析了围岩径向各点不同的加载路径和不同的载荷终止水平对围岩变形分区形成的影响,并以此为基础揭示了稳定蠕变上下阈值在围岩中的基本属性。利用弹性区环向应力与径向应力之间的关系直线和不同围压下的稳定蠕变上下阈值拟合直线给出了围岩中塑性硬化区内外边界应力的确定方法。研究成果可为围岩应变软化模型的正确建立、围岩变形分区的科学研究及支护参数的量化设计提供参考。

2018 Vol. 43 (10): 2718-2723 [摘要] ( 23 ) [HTML new] [PDF 1768KB] ( 58 )
2724 赵红泽,杜海瑞,苏海云,厉美杰
露天矿多煤层软岩复合边坡底摩擦实验研究

以新疆某露天矿设有排土场的东帮复合边坡为研究对象,采用正交设计法设计实验方案,研究利用底摩擦实验相似模拟边坡的破坏过程。4种典型露天矿生产状态模型的底摩擦实验全面反映了露天矿多煤层软岩复合边坡的破坏过程,实验结果表明:21煤底板弱层是边坡滑动的关键因素,结合监测点位移变化规律分析得复合边坡的潜在滑移面具有4种形态,直线形、斜直线形、折线形、圆弧曲线形,通过分析实验现象得出边坡的破坏模式有2种,沉降、蠕滑—拉裂。讨论了弱层、时间和排土场对边坡稳定的影响以及底摩擦实验需要改进的地方,提出了提高边坡稳定性的合理加固时间,上覆排土场对边坡稳定性具有的两面性,它与弱层共同控制了潜在滑体的规模,以及合理制作底摩擦模型的重要性。

2018 Vol. 43 (10): 2724-2731 [摘要] ( 13 ) [HTML new] [PDF 5679KB] ( 28 )
2732 何满潮,王炀,刘冬桥,任晓龙,张晓云
基于二维数字图像相关技术的块系花岗岩超低摩擦效应实验研究

基于国内外超低摩擦效应的实验研究现状,设计了块系花岗岩超低摩擦效应模拟实验。制作了中心含圆柱形洞室的花岗岩立方体模型试样,运用自主研发的实验设备研究了在静荷载的基础之上施加动态荷载后块系花岗岩的变化特征。实验过程中采用二维数字图像相关测试方法(2D-DIC),获得了试件表面的全场位移信息,依据位移信息求出块体加速度值,利用牛顿第二定律对试件受力分析,求得了块系岩体摩擦力随时间的变化曲线。结果表明:2D-DIC测试技术能够准确的测得石块的位移变化,依据位移变化可以证实伴随着水平向扰动荷载作用,洞口上方岩块左右两侧节理间隙逐步增大,岩块间的摩擦力降低,且摩擦力的变化周期与扰动荷载的周期相同;利用2D-DIC测试技术是有效的,从实验的角度验证了超低摩擦效应的存在。

2018 Vol. 43 (10): 2732-2740 [摘要] ( 18 ) [HTML new] [PDF 4892KB] ( 62 )
2741 吕鹏飞,陈学华,宋卫华
单向扰动加载触发煤体冲击破坏特性试验研究

运用MTS-C64.106型压力机开展纯煤试件的单轴动静组合加载试验。结合PIC-2声发射卡和高速摄像机的监测结果,分析了单向扰动加载下煤体的力学、冲击性能、声发射特征、动态破坏特征、碎片分形特征。结果表明,扰动加载应变率增大,煤体强度呈对数增加;冲击性能增强;扰动能量输入速率、声发射振铃计数、撞击数呈现“缓增—急增—突增”的转变,试件破裂形式经历“剪切破裂—竖向劈裂—爆裂”的转变;碎片质量分维与动载应变率呈二次方关系,存在动载应变率极值使试件破坏程度达到最大,试验显示的应变率极值为2.8×10-3 s-1。

2018 Vol. 43 (10): 2741-2749 [摘要] ( 18 ) [HTML new] [PDF 6914KB] ( 65 )
2750 潘孝康,陈结,姜德义,谢凯楠,宋中强,潘鹏志,蒋翔
三轴卸围压条件下砂岩声发射统计特征

为深入探究深部开挖过程中岩体卸荷致灾过程的内部响应特征及其灾变规律,利用自主研发的三轴声发射采集系统,对砂岩进行不同围压、不同卸荷速率下的常规三轴卸围压声发射试验,并采用地震统计学方法对声发射绝对能量E,等候时间δ等参数进行统计分析。结果表明:① 卸荷过程释放绝对能量的概率密度函数在101~104 aJ 4个能级内服从幂律分布;② 随着卸载速率减小,出现在小能量区间的声发射事件可能性增大,相同卸压速率下随着围压的增大也会出现类似的变化趋势;③ 声发射“余震”事件在不同围压和卸荷速率下遵循同一线性关系,且不受“主震”事件能量大小波动的影响;④ 在小等候时间区间内(<0.1 s),幂指数不受围压和卸载速率的影响,对于大等候时间区间(> 0.1 s),幂指数在1.3到1.9区间波动,并且不同能量阈值下的等候时间分布具有一致性。

2018 Vol. 43 (10): 2750-2757 [摘要] ( 15 ) [HTML new] [PDF 3193KB] ( 83 )
2758 刘峰,于永江,曹兰柱,张伟,张国宁
基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。

2018 Vol. 43 (10): 2758-2764 [摘要] ( 21 ) [HTML new] [PDF 2683KB] ( 62 )
2765 班力壬,戚承志,单仁亮,陶志刚,夏晨,姜宽
节理峰前剪切刚度软化模型及其影响因素分析

节理峰前剪切应力-位移曲线是研究节理剪切行为的重要内容。然而目前对于节理峰前剪切行为大多以线性描述,不能较好的描述非线性的特点。对于非线性的描述也仅仅是唯象描述剪切应力-位移曲线,未能反映影响模型的参数物理意义及影响因素。以峰前节理刚度软化行为为出发点,采用归一化的思想将节理剪切刚度与位移无量纲化,用双曲线函数表示出剪切刚度与位移之间的关系。提出了考虑刚度软化的峰前剪切本构关系,通过与试验结果对比验证了本构关系的合理性。影响该模型最重要的两个因素是初始剪切刚度与峰值剪切位移。以Greenwood和Williamson模型为基础在细观上探讨了初始剪切刚度的影响因素;抓住法向应力与节理粗糙度主要因素,探讨了影响峰值剪切位移的影响因素。对模型参数的研究有助于进一步阐明节理峰前剪切机理。

2018 Vol. 43 (10): 2765-2772 [摘要] ( 13 ) [HTML new] [PDF 3310KB] ( 37 )
2773 孙东玲,曹偈,苗法田,孙海涛,赵旭生,戴林超,王波
突出煤-瓦斯在巷道内的运移规律

以煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置进行了巷道中突出煤-瓦斯两相流试验研究,通过试验观察将煤颗粒的运动过程分为加速、平衡减速及沉降等运动阶段,并综合运用固体颗粒在气流中的悬浮运动机理和能量守恒定律,建立了一维情况下突出煤在巷道中的运移数学模型。通过模型计算分析得到,突出煤颗粒运移距离随初始气流速度的增大呈增大趋势,随颗粒粒径的分布规律由于其符合的流动状态不同而不同。

2018 Vol. 43 (10): 2773-2779 [摘要] ( 19 ) [HTML new] [PDF 2605KB] ( 75 )
2780 蒋仲安,王龙飞,张晋京,刘庆军,陈举师
煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响

煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响。选取首山矿己15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数。结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大。煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯。

2018 Vol. 43 (10): 2780-2788 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 2635KB] ( 55 )
2789 解北京,赵泽明,徐晓萌,赵越超
含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的“变形效应”特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的“静态损伤变量法”确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:① 相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。② 相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。③ 含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。

2018 Vol. 43 (10): 2789-2799 [摘要] ( 19 ) [HTML new] [PDF 9104KB] ( 42 )
2800 邓军,雷昌奎,曹凯,马砺
采空区煤自燃预测的随机森林方法

煤自然发火温度的准确预测是矿井煤自燃防控的关键。为了准确可靠地预测采空区煤自燃温度,在大佛寺煤矿40106综放工作面开展了长期的采空区温度和气体观测实验,提出了一种基于随机森林(RF)方法的采空区煤自燃预测模型,并将预测结果与支持向量机(SVM)和BP神经网络(BPNN)方法对比。采用粒子群优化算法(PSO)对RF和SVM超参数进行优化,建立了参数优化的PSO-RF和PSO-SVM预测模型。结果表明,RF,PSO-RF,SVM和PSO-SVM模型均具有较强的泛化性和鲁棒性;RF在建模过程中拥有宽广的参数适应范围,当树的数量(ntree)超过100后,其训练误差趋于稳定,ntree的改变对预测性能没有实质的影响;虽然PSO算法可以找到RF最优超参数,但默认参数的RF模型就能获得满意的预测性能;SVM预测结果则对超参数十分敏感,PSO优化可以显著提高其预测精度,其预测性能依赖于超参数的最优选择;BPNN模型在训练阶段拥有极佳的预测结果,但易出现“过拟合”,导致泛化性弱,测试阶段误差较大。通过在其他矿井煤自燃预测中应用,验证了RF方法的稳定性和普适性,且无需复杂参数设置和优化就能获得良好的预测性能,可进一步应用于其他能源燃料领域。

2018 Vol. 43 (10): 2800-2808 [摘要] ( 18 ) [HTML new] [PDF 3972KB] ( 51 )
2809 陆新晓,赵鸿儒,朱红青,韩宇,薛雪
氧化煤复燃过程自燃倾向性特征规律

煤自燃是矿井安全生产中的主要灾害之一,火区启封时的氧化煤复燃问题尤其需要重视。为揭示不同氧化程度煤复燃特性,研究分析氧化煤指标性气体产生规律,并对特征官能团进行吸光度定性分析和峰面积定量分析。结果表明氧化煤自燃倾向性判定指数为Iym<I80 ℃yh<I40 ℃yh<I120 ℃yh<I160 ℃yh<I200 ℃yh(ym代表原煤,yh代表氧化煤),原煤中还原性官能团多于氧化煤,含氧官能团少于氧化煤,低温氧化析出指标性气体速率大于氧化煤,氧化煤较原煤与氧结合能力减弱,煤自燃倾向性降低,80 ℃氧化10 h后的煤气体析出速率较其他温度更接近原煤,还原性官能团亦接近原煤,煤自燃倾向性更高,更易复燃。基于以上研究,确立了不同氧化程度煤复燃规律。

2018 Vol. 43 (10): 2809-2816 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 4619KB] ( 41 )
2817 王天明,李宗翔,王欢
节点法中风机处理方法及通风网络建模

目前主流的通风网络解算方法有回路法和节点法,节点法相对回路法有着很多优势,但一直没有被普遍应用。一方面,节点法中风机需要依赖节点才能参与到网络中,而风机节点处的风压描述和节点风压方程的构建复杂且困难。另一方面,矿井井巷布置规模庞大,具有特殊条件的节点和分支及其之间的组合多样化,导致节点风压方程构建过程规律性弱,用编程语言进行算法实现时判别困难。针对以上两个问题,对节点法理论进行分析和推导,给出风机的处理方法和通风网络建模方法。基于C#语言进行算法实现,用不同网络模型对同一算例进行求解,并与回路法进行对比验证。结果证明研究开发的节点法中风机的处理方法和网络建模方法具有可行性与通用性,可以处理真实矿井的复杂情况。

2018 Vol. 43 (10): 2817-2822 [摘要] ( 10 ) [HTML new] [PDF 1346KB] ( 33 )
2823 王鹏飞,谭烜昊,刘荣华,王海桥,李泳俊,田畅
出口直径对内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响

为了掌握喷嘴出口直径对气水喷雾降尘的影响,基于自行设计的气水喷雾降尘实验平台,对不同出口直径的空气雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了实测,并对实验结果作对比分析。研究结果表明:随着出口直径的增加,喷嘴耗水量几乎保持线性增长,而耗气量呈现指数增长的变化趋势;喷雾射程和雾滴体积分数均随着出口直径的增大不断增大,而雾化角先增大后减小;出口直径为2.0 mm的喷嘴雾化质量最好,所形成的雾滴索太尔平均直径D[3,2]最小,且雾滴粒径呈现正态分布,雾滴尺寸较为集中;雾滴速度沿喷嘴轴线方向不断衰减,且喷嘴直径越大雾滴速度衰减越缓慢;随着喷嘴直径的增加,雾滴速度呈现先增大后减小的变化规律;全尘和呼吸性粉尘降尘效率随着喷嘴出口直径的增加均有所提高,但增幅较小;综合考虑喷嘴降尘性能、耗水量和耗气量等因素,在采掘作业场所进行气水喷雾降尘时,选择出口直径为2.0~3.0 mm的空气雾化喷嘴较为合适。

2018 Vol. 43 (10): 2823-2831 [摘要] ( 15 ) [HTML new] [PDF 4922KB] ( 25 )
2832 石月月,刘永启,孙鹏,郑斌,毛明明,杨化震,高召强
陶瓷填充床内H型翅片管换热特性实验研究

基于热逆流氧化床内置翅片换热器的取热过程,自行搭建陶瓷填充床内置翅片换热器稳态取热实验台,实验研究陶瓷多孔介质围成的狭小空间内H型翅片管的换热特性,并通过外壁镀银的方法分析传热方式对H型翅片管换热系数的贡献。结果表明:H型翅片管边缘的温度随入口温度增加最大增长264 ℃,随入口雷诺数增加最大仅增长35 ℃,且靠近基管管壁处温度随入口温度和入口雷诺数变化不大;蜂窝陶瓷的存在强化了H型翅片管外壁面的热辐射作用,同时减小了29.80%的散热量,但在一定程度上抑制对流传热;辐射传热贡献度随入口温度增加从48.17%增至60.34%,随入口雷诺数增加从57.2%降至55.35%。对试验数据进行归纳分析,得到陶瓷氧化床内H型翅片管换热特性的试验关联式。

2018 Vol. 43 (10): 2832-2838 [摘要] ( 10 ) [HTML new] [PDF 2564KB] ( 14 )
2839 梁卫国,张倍宁,黎力,贺伟
注能(以CO2为例)改性驱替开采CH4理论与实验研究

在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO2在煤体表面的吸附势大于CH4,CO2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH4,注能(CO2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO2/CH4置换率;提高注入CO2温度,有助于部分吸附CH4解吸,但同时煤体对CO2吸附能力也减弱,导致CO2/CH4置换率有所降低。

2018 Vol. 43 (10): 2839-2847 [摘要] ( 18 ) [HTML new] [PDF 2728KB] ( 59 )
2848 孙健,魏强,晏波,肖贤明
煤层吸附气的全解吸过程及组分与碳同位素变化:基于热模拟实验结果

解吸法是测试煤层含气量、评价煤层气地球化学特征的常用方法,但由于存在一定数量的损失气,使得对煤层气的全解吸过程了解甚少,也难以评估损失气拟合计算的可靠性。利用自主研发的煤层气/页岩气生成与解吸实验装置,对一块煤岩样品(Ro=0.84%)进行了模拟(模拟后样品Ro=1.80%),精确测定了在设定条件下的损失气、解吸气与残留气的数量、成分与甲烷碳同位素,对比研究了USBM直线法和多项式回归法对损失气拟合计算的制约条件与可靠性,探讨了煤层气解吸过程中成分与甲烷碳同位素分馏的机理。结果表明:损失时间是影响损失气量估算结果可靠性的关键,当损失时间较短(<0.25 h),USBM直线法与多项式法估算的均损失气量较接近真实值;相比之下,多项式法的结果更为可靠。样品气体解吸过程存在成分与甲烷碳同位素分馏,表现为:气体干燥系数(C1/C1-3)总体降低,甲烷碳同位素(δ13C1)逐渐变重。样品广泛发育纳米孔隙结构,在气体解吸过程中存在的解吸-扩散-运移分馏是导致气体组分和甲烷碳同位素分馏的重要原因。

2018 Vol. 43 (10): 2848-2856 [摘要] ( 19 ) [HTML new] [PDF 4139KB] ( 44 )
2857 李波波,杨康,李建华,任崇鸿,许江,左宇军,张敏
力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。

2018 Vol. 43 (10): 2857-2865 [摘要] ( 20 ) [HTML new] [PDF 1880KB] ( 59 )
2866 赵瑜,何鹏飞
基于PPCZ模型的KGD水力压裂数值模拟

Pore pressure cohesive zone模型以Barenblatt裂尖黏聚力模型为基础,考虑了裂尖断裂过程区对裂缝扩展的影响,对模拟水力裂缝扩展问题具有一定优势。采用该数值模型对KGD水力压裂问题进行研究,验证了模型模拟KGD水力裂缝的能力,分析了裂尖断裂过程区及流体黏度μ对裂缝扩展的影响,揭示了排量Q0、黏度μ和注入时间t三者之间的联系。研究表明:① 断裂过程区对压裂结果有较大影响,其内在原因是:随着裂缝刚度Knn的变化,缝内流体不同程度地渗透到裂尖断裂过程区,改变了裂尖断裂的难易程度和缝内流体压力的响应行为;② 流体黏度增加导致缝内净压力和缝宽的增加、缝长的减小;③ 对于两种主控型水力裂缝,排量Q0、黏度μ和注入时间t之间存在着内在联系:μQ0不变、Q0t不变情况下,最终可得相同的缝压、缝宽和缝长值;④ 相比于弹性状态,弹塑性状态下的岩体需要更高的缝内净压力,才能使得岩体开裂扩展。数值模型具有模拟不同类型水力压裂的能力。

2018 Vol. 43 (10): 2866-2875 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 2539KB] ( 33 )
2876 张磊,石军太,张庆辉,辛翠平,施里宇,王晖
鄂尔多斯盆地东南部页岩核磁共振实验研究

鄂尔多斯盆地东南部地区页岩气资源开发前景广阔,准确评价不同层位的页岩储层特征意义重大,借助核磁共振实验研究长7段、山西组和本溪组页岩特征,分析页岩孔径分布规律,实验研究表明:① 页岩T2谱响应特征表现出Ⅰ类单峰、Ⅱ类双峰和Ⅲ类三峰等3种类型,Ⅱ类双峰态T2谱在鄂尔多斯东南部页岩中最为发育;② T2截止值分布在0.49~6.64 ms,平均1.57 ms,山西组和本溪组T2截止值可借助左峰峰值快速确定;③ 核磁孔隙度分布范围为0.55%~10.26%,核磁可动流体百分数分布范围为27.29%~66.31%,渗透率与孔隙度之间整体呈现幂函数递增关系;④ 长7段页岩裂缝占比2.65%~10.13%,山西组页岩裂缝占比4.89%~48.65%,本溪组页岩裂缝占比2.97%~8.18%,长7段页岩主要发育微细孔隙且孔径分布范围最广,山西组页岩裂缝发育程度最高,本溪组部分页岩存在少量大尺寸裂缝;⑤ 鄂尔多斯东南部地区山西组和本溪组页岩开发效果优于长7段页岩,推荐山西组和本溪组作为页岩气开发的主力层位。

2018 Vol. 43 (10): 2876-2885 [摘要] ( 22 ) [HTML new] [PDF 4604KB] ( 31 )
2886 杨建,刘基,靳德武,王强民
有机-无机联合矿井突水水源判别方法

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)在随地下水运移过程中,不同含水层水中DOM含量、类别、荧光强度等均存在较明显差异,因此结合无机水化学,开展了有机-无机联合的矿井突水水源判别方法研究,结果表明:地下水中无机组分浓度分布具有垂向分带性,利用pH、矿化度(TDS),HCO3,SO4等无机指标,可以判别浅部含水层和深部含水层水化学特征差异;DOM进入含水层后发生氧化还原反应强烈,其浓度(TOC含量和UV254)变化快、差异大,可以识别地表水与第四系水的水化学特征;第四系与白垩系含水层,以及覆岩破坏范围内的细分含水层,水中无机组分和有机组分含量非常接近,而荧光指纹技术灵敏度高,可以根据3DEEM光谱图分析DOM类型和荧光峰强度等差异,区分相邻含水层的水化学特征差异。陷落柱等地质异常体作为特殊的地质环境体,其内部水体中DOM相对丰富,其DOM含量和荧光指纹特征与奥灰水差异显著。将有机-无机联合开展不同含水层水化学特征分析,能够很好地区分不同水源,为矿井突水事故发生时快速判别水源提供科学依据。

2018 Vol. 43 (10): 2886-2894 [摘要] ( 17 ) [HTML new] [PDF 4538KB] ( 57 )
2895 周晓东,马凤云,刘景梅,钟梅,莫文龙,李怡招,孙志强,李显
包覆型Fe基纳米催化剂制备及对低阶煤直接液化的影响

采用两相-水热合成法,制备了油酸包覆型Fe2O3(OA@Fe2O3)和油胺包覆型Fe2O3(OLA@ Fe2O3)催化剂试样。TEM,TGA,XRD和IR等分析表征表明,其粒径分别约为5 nm和3 nm,Fe2O3含量为53.40%和66.62%(wt.%),无机部分和有机部分形成核-壳结构。以商用Fe2O3为参比,通过新疆淖毛湖煤样高压加氢液化实验,考察了油酸钠和油胺作为包覆剂对Fe2O3催化性能的影响。结果表明,不仅两试样的煤样转化率均超过96%,液化率分别提高了8.64%和8.34%,气产率分别降低了5.78%和6.34%,催化液化性能相差无几;而且OLA@Fe2O3试样的沥青烯和前沥青烯残碳率低于商用Fe2O3的,而OA@Fe2O3试样则高于商用Fe2O3的,表明前者对沥青质的轻质化作用强。故作为包覆剂,价格相对低廉的油胺可以替代油酸钠。

2018 Vol. 43 (10): 2895-2902 [摘要] ( 8 ) [HTML new] [PDF 5143KB] ( 15 )
2903 郝宗超,张小东,杨燕青,孙飞扬
不同煤级煤四氢呋喃阶段萃取物的化学组成与动力学机制

为了探讨溶剂萃取过程中不同煤级煤的小分子化合物溶出行为及其机制,以四氢呋喃(THF)为溶剂,对褐煤、长焰煤、肥煤、贫煤和无烟煤进行了分次索氏萃取,借助于柱层析法和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS),分析了不同分馏时间段各类煤的萃取率、族组成和化学组成的差异及其实质。结果表明:煤的萃取过程可划分为2个阶段,其中第I阶段萃取速率远大于第II阶段;相比于第I阶段,第II阶段的萃取物中烃类含量较低,非烃类含量较高;除了褐煤以外,随着萃取时间的增加,其他煤的萃取物中化合物的种类逐渐减少;各类煤的萃取物中,杂环化合物含量高且种类多,相比而言芳烃在中级烟煤萃取物中含量较高,而脂肪烃中长链烷烃在中低级煤萃取物中含量较大。

2018 Vol. 43 (10): 2903-1910 [摘要] ( 8 ) [HTML new] [PDF 4330KB] ( 36 )
2911 杜鑫,黄茂丽,齐彬彬,李云
粉煤热解含尘干馏气两级净化实验研究

为解决粉煤热解过程中的含尘干馏气净化难题,设计了由旋风分离器和颗粒床过滤器组成的高温两级除尘实验装置。基于该装置对旋风分离器和颗粒床过滤器的除尘性能进行了研究,同时探讨了滤料、温度、焦油气等因素对系统除尘性能的影响。结果表明,两级除尘装置中旋风分离器能够完全去除28 μm以上的粉尘,颗粒床过滤器能够进一步去除28 μm以下的粉尘,整个系统的总除尘效率高达99.89%。同时,颗粒床过滤器采用半焦作滤料比石英砂具有更高的过滤质量。此外,温度升高会降低旋风分离器和颗粒床过滤器的除尘效率,其对颗粒床过滤器的影响尤为显著。然而,在含焦油气的工况下,部分焦油气会在颗粒床过滤器内部产生冷凝,可以在一定程度上提高颗粒床过滤效率,还可提升焦油品质。

2018 Vol. 43 (10): 2911-2917 [摘要] ( 9 ) [HTML new] [PDF 3684KB] ( 22 )
2918 符世琛,成龙,陈慎金,王鹏江,宗凯,吴淼
面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法

为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位点仿真分布,并分析协同算法的三轴定位精度。建立了空间全断面定位误差场,得出协同算法的空间定位精度变化规律。对机身定位点进行布局设计,解算得到掘进机的姿态角。结果表明:在90 m范围内,协同算法的Y轴定位误差基本上可以保持2 mm,而X轴、Z轴定位误差由0.4至4 cm呈线性增加。随测量距离的增大,在巷道X-Y断面上,定位误差呈线性增加;在巷道X-Z断面上,定位误差的随机性增加。姿态角误差均由0.2°至1.5°呈线性增加,满足掘进机位姿检测精度的需求。

2018 Vol. 43 (10): 2918-2925 [摘要] ( 13 ) [HTML new] [PDF 4409KB] ( 42 )
2926 刘旭南,赵丽娟,周文潮,罗贵恒,杜章雨
运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律

由于夹矸煤岩赋存条件的复杂性及滚筒截割煤岩过程载荷的非线性,得到滚筒截割煤岩的应力信息非常困难,因此很难从可靠性方面对运动学参数进行匹配。以煤岩截割机理和有限元理论为基础,利用LS-DYNA建立螺旋滚筒截割夹矸煤岩的耦合模型,分别对不同工况进行截割过程的动态模拟,以获取煤岩体、滚筒截齿相关组件的最大应力信息。采用曲面拟合技术分析滚筒转速及牵引速度对煤岩体、滚筒截齿相关组件最大应力的影响规律,建立了相关零件应力关于滚筒转速及牵引速度的规律方程。以采煤机生产率、截割比能耗为目标建立了采煤机滚筒运动学参数的优化方程,并得到了滚筒转速与牵引速度的最佳匹配值,研究表明:当滚筒转速为61.63 r/min,牵引速度为4.776 m/min时,采煤机生产率可达190.64 t/h,截割比能耗仅为0.868 9 kW·h/m3。截齿合金头、齿体、齿座、叶片的应力分别为:1 339.4,887.5,454.7,105.2 MPa,岩石和煤体最大应力分别为:59.15,8.799 MPa。

2018 Vol. 43 (10): 2926-2933 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 3643KB] ( 33 )
2934 张强,顾颉颖,曹越超,吴泽光,刘永凤
温度-腐蚀面积耦合作用下矿用圆环链冲击特性

为研究温度与腐蚀面积对圆环链冲击特性的影响,建立圆环链腐蚀模型,利用ABAQUS有限元分析软件对圆环链不同区域(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区)在不同温度、不同腐蚀面积及温度-腐蚀面积耦合作用下的重载启动过程进行仿真研究,并提取启动过程中的冲击特性稳态值,利用MATLAB拟合得到冲击特性与温度及腐蚀面积的关系,并进行实验验证。结果表明:23MnNiCrMo54钢屈服强度随温度升高而下降,重载启动过程中,腐蚀位置位于Ⅲ区的腐蚀链环的最大稳态应力明显高于Ⅰ区、Ⅱ区,且均由较大面积达到屈服状态,并得到不同冲击特性(稳态应力、稳态摩擦耗散能、塑性耗散能、稳态内能)与温度及腐蚀面积的关系函数。

2018 Vol. 43 (10): 2934-2943 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 7795KB] ( 21 )
2944 李力,施万发,魏伟
基于VMD的多相介质超声回波检测技术

提取多相介质中有效超声回波信号是实现煤岩界面识别的关键技术。利用超声波探测煤岩介质所获取的回波信噪比低且为非平稳、非线性信号,难以有效准确的获取煤岩界面的回波波形,进而无法有效判断煤岩分界面。传统的小波分析手段需要根据信号特点选取特定的小波基,EMD,EEMD等自适应信号分解方法存在模态混叠及虚假分量等现象。提出利用VMD(变分模态分解)分析超声回波信号的组成成分,准确获取煤岩界面的首次回波的波形与时间,以达到识别不同介质界面和判断介质相关参数的目的。模拟仿真及实验表明,VMD可实现更优化的信号分解效果,实现对煤岩界面首波波形和首波时间的检测,达到准确识别以煤岩介质为代表的多相介质分界面的目的。

2018 Vol. 43 (10): 2944-2950 [摘要] ( 10 ) [HTML new] [PDF 2671KB] ( 28 )


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