煤炭学报
 
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2018年 43卷 01期
刊出日期 2018-02-02

论文
论文
1 钱鸣高,许家林,王家臣
再论煤炭的科学开采
科学采矿是指在保证安全的前提下、在环境容量的允许范围内,经济、高效、高采出率地采出煤炭。从人与自然相处的三大学问“获取—使用—回归”出发,再次明确了科学采矿的内涵与框架。综述了科学采矿理念指导下我国煤炭行业所取得的各项进展,分析了新形势下科学采矿面临的若干问题,并再次阐明了发展科学采矿的必要性。在此基础上,提出了全面实现科学采矿的条件,重点应从制定新建矿井准入标准、制定落后产能退出标准、分步实现科学产能以及加强行业协调和政策法规完善等方面
做好煤炭科学开采的顶层设计,同时还要加强煤炭资源经济规律研究、加大科技投入和技术攻关以及改革人才培养模式。对煤炭的科学开采和煤炭行业的健康发展提出了方向性的意见。
2018 Vol. 43 (01): 1-13 [摘要] ( 171 ) [HTML 1KB] [PDF 1627KB] ( 806 )
14 袁亮,姜耀东,王凯,赵毅鑫,郝宪杰,徐超
我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,〖JP2〗无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。

2018 Vol. 43 (01): 14-20 [摘要] ( 80 ) [HTML 1KB] [PDF 3003KB] ( 469 )
21 武强,李松营
闭坑矿山的正负生态环境效应与对策

为了科学应对大量矿山闭坑后出现的环境问题,有效开发利用其采掘空间和地面设施及伴生资源等,做到趋利避害、化害为利,应用水文地质学、工程地质学、环境学和采矿学等理论,全面研究了闭坑矿山的正负生态环境效应,提出了有针对性的开发挖掘和预控治理对策。研究指出:闭坑矿山存在着形成劣质矿井(坑)水、污染地下水与地表水、危害城乡供水、造成地表二次塌陷与山体滑坡、影响高层建筑地基稳定或致建筑物破裂等负效应;同时也存在着采掘空间可供农作物、石油、城市垃圾、工业“三废”储藏(存)与种养殖、汛期拦洪,也可开发为地下科技原位试验场、军事防御工程、疗养院、地下城市以及旅游、科教、休闲场所、光伏发电站等,还可以利用势能差与电价差发电以及开采地热、煤层气、水等伴生资源与开发利用所属土地、地面建筑等正效应。提出了诸如做好收尾地测工作、采掘资料归档、开展专题研究与生态环境监测、防治地质灾害与环境污染、加强相邻生产矿井防治水工作、制定规范闭坑矿山开发利用的相关法规和技术标准、结合当地经济发展、多渠道融资以及在开发挖掘闭坑矿山生态环境正效应时应采取合理措施避免出现新的负生态环境效应等主要对策与建议。

2018 Vol. 43 (01): 21-32 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 1365KB] ( 270 )
33 王国法,庞义辉
特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理

针对厚煤层综采(放)开采过程中遇到的技术难题,提出了大采高综采(放)开采面临的3个科学问题,建立了基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应性评价指标体系与评价模型。基于液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合原理,建立了液压支架与围岩的耦合动力学模型及煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,提出了大采高综采(放)液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法。基于大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定性控制的矛盾,提出了增大液压支架的初撑力及优化液压支架架型结构等方法缓解2者之间的矛盾。通过开发厚煤层大采高综采(放)关键技术与装备,实现了厚煤层的安全、高效、高回采率开采。

2018 Vol. 43 (01): 33-42 [摘要] ( 59 ) [HTML 1KB] [PDF 5297KB] ( 452 )
43 王家臣
我国放顶煤开采的工程实践与理论进展

系统总结了35年来我国放顶煤开采的工程实践历程,将其分为探索阶段、推广应用阶段、拓展阶段、成熟与输出阶段,放顶煤技术已经成为我国煤炭开采在世界上的标志性技术和成果。将放顶煤开采的理论研究与进展归纳为借鉴阶段、探索阶段和创新阶段,介绍了在放煤规律方面的创新性理论成果,提出了下一步放顶煤开采的理论研究要针对性地开展顶煤破碎机理、散体顶煤放出规律、支架与围岩关系、岩层移动规律、全煤巷道支护机理、放顶煤开采的经济学基础等方面研究,深入的理论研究可以进一步指导放顶煤技术完善和扩大应用范围。

2018 Vol. 43 (01): 43-51 [摘要] ( 267 ) [HTML 1KB] [PDF 1296KB] ( 397 )
52 谢广祥,李家卓,王磊,唐永志
采场底板围岩应力壳力学特征及时空演化

针对采场底板围岩三维应力场特征及演化规律,以谢桥煤矿1232(1)综采工作面为研究对象,采用综合研究方法开展了系统研究。结果表明:煤层回采过程中,伴随着采场围岩三维应力场的不断调整,在采场底板围岩空间区域也存在高应力束,高应力束在三维空间形成了采场底板围岩应力壳,应力壳壳体内外岩体主应力均低于壳体中的主应力。应力壳内边界之上垂直应力和水平应力均显著降低,部分岩层内压应力转化为拉应力,壳体和应力壳外边界岩层垂直应力降低,水平应力仍然较大,存在水平应力集中现象,三维应力场作用的选择性是采场底板围岩应力壳形成的内在力学本质。采场底板围岩应力壳形态随着采场结构的变化而调整,具有典型的短边依赖效应,破裂区和最大位移区主要发育在应力壳壳体内边界之上的低应力区内。采场底板围岩应力壳是抵抗底板岩层卸压膨胀、进而发展到拉剪破坏的主要集中力系,采场底板围岩应力壳的失衡可能引起较大的动力现象。

2018 Vol. 43 (01): 52-61 [摘要] ( 56 ) [HTML 1KB] [PDF 6695KB] ( 290 )
62 马立强,张东升,王烁康,谢玉晟,余伊河
“采充并行”式保水采煤方法

针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足,采煤与充填作业协调困难等问题,提出“采充并行”式充填保水采煤方法。在开采过程中,首先将整个开采块段内的所有采场支巷划分为多个开采阶段,每当开采并充填完一个阶段内的所有采场支巷后,再进行下一阶段采场支巷的开采和充填,直至开采和充填完所有采场支巷,最终实现充填体与煤炭的完全置换。为有效控制覆岩移动,每个采场支巷开采完毕后就立即对其进行充填。为确保正在开采的采场支巷两帮是实体煤或已达到设计强度的充填体,在阶段内对采场支巷进行间隔开采。研究成果应用于王台铺煤矿,在块段内煤炭资源采出率达96.8%的条件下,实现了浅表水资源的保护,地表变形量也小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标。该方法采用一采一充一备的“采充并行”式充填开采模式,充分发挥快速连采和充填采煤的优点,可实现保水采煤。

2018 Vol. 43 (01): 62-69 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 3631KB] ( 168 )
70 来兴平,杨毅然,单鹏飞,吕兆海,王宁波
急斜煤层顶板应力叠加效应致灾特征综合分析

针对乌鲁木齐矿区急斜煤层粉砂岩顶板可能面临的突然性断裂垮落所引发的动力灾害问题,采用现场调研、理论分析、数值计算和联合分析方法,综合分析综放短壁工作面顶板集中应力叠加效应诱致动力灾害特征。根据煤岩层赋存条件和开采布局,考虑采场裂隙分布规律和开采扰动影响,采用分区组合方法构建三维有限差分数值计算模型。计算结果表明:① 43号和45号煤层顶板均以其深部区域岩体为“支点”产生倾向和走向撬压效应,两者在空间上的叠加效应加剧了局部岩体的应力集中程度,使顶板岩层破断呈现“破断—平衡—破断”周期规律性;② 两煤层顶板集中应力分别位于其相应工作面南巷南帮的左下方和左上方,距南帮中点20.5和13.7 m;③ 顶板应力集中区走向长度分别为68.2和61.5 m,集中应力峰值分别位于工作面前方28.5和25.3 m,顶板对巷帮应力集中影响系数分别为0.52和0.81。基于研究成果制定了“注水-爆破”耦合致裂顶板防控措施,动力灾害得到有效控制,这为急斜煤层开采顶板动力灾害防控提供借鉴。

2018 Vol. 43 (01): 70-78 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 6534KB] ( 249 )
79 刘娟红,吴瑞东,周昱程
基于深地复杂应力条件下混凝土冲击倾向性试验

针对深地复杂应力条件下,混凝土发生了类似岩爆的瞬时破坏现象。对不同强度等级的混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和声发射参数进行试验研究,提出以脆性系数、 动态破坏时间、冲击能量指数作为评价混凝土冲击倾向性指标。结果表明:脆性系数小于20、动态破坏时间大于500 ms、冲击能量指数小于1.5的混凝土无冲击倾向性,C50强度等级以下的混凝土无冲击倾向性,强度越高冲击倾向性越强;对高强混凝土进行声发射监测,声发射能量随混凝土强度增加而增大,临近峰值应力时,声发射参数会剧增,可据此监测高强混凝土的冲击破坏;活性粉末混凝土显著提高了动态破坏时间,降低了脆性系数和冲击能量指数,是一种无冲击倾向性的材料,对深地复杂应力条件下混凝土的冲击破坏有明显改善。

2018 Vol. 43 (01): 79-86 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 1900KB] ( 123 )
87 杨仁树,陈程,岳中文,王煦,许鹏,丁晨曦
正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。

2018 Vol. 43 (01): 87-94 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 5355KB] ( 104 )
95 张艳博,杨震,姚旭龙,田宝柱,刘祥鑫,梁鹏
花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。

2018 Vol. 43 (01): 95-104 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 2653KB] ( 135 )
105 单鹏飞,崔峰,曹建涛,来兴平,孙欢,杨毅然
考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性,垂直地应力与最小水平主应力数值稳定,受开采扰动影响,最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统,给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像,发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展,且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型,分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况,初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂,这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因,且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点,主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大,水体流速不断增加,较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时,出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。

2018 Vol. 43 (01): 105-117 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 13041KB] ( 215 )
118 单仁亮,宋永威,宋立伟,黄鹏程,戴旭,周桐
西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。

2018 Vol. 43 (01): 118-123 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [PDF 1437KB] ( 115 )
124 林柏泉,王瑞,乔时和
高压气液两相射流多级脉动破煤岩特性及致裂机理

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。

2018 Vol. 43 (01): 124-130 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 3276KB] ( 188 )
131 尹光志,刘玉冰,李铭辉,邓博知,刘超,鲁俊
真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。

2018 Vol. 43 (01): 131-136 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 2697KB] ( 227 )
137 王德明
煤矿热动力灾害及特性

煤矿热动力灾害被分为瓦斯、火灾、煤尘等灾害分支,未能形成完整的体系,导致其防治缺少系统性和综合性。对国内外发生的煤矿重特大事故进行了系统调研与总结,提出了煤矿热动力灾害概念,构建了煤矿热动力灾害学内容体系。重点对煤矿热动力灾害中的一些热点问题进行了分析,指出了在瓦斯与煤着火的复合灾害、低瓦斯矿井的安全性、抽采瓦斯在防治瓦斯事故中的作用、事故与管理的关系、注惰性介质防灭火的有效性、矿井隔爆设施的作用、事故中的人员逃生等问题上的认识误区。

2018 Vol. 43 (01): 137-142 [摘要] ( 54 ) [HTML 1KB] [PDF 1454KB] ( 191 )
143 刘剑,郭欣,邓立军,蒋清华,高科,赵丹
基于风量特征的矿井通风系统阻变型单故障源诊断

将矿井发生巷道冒落变形、风门开关或者破损、风机性能下降、巷道延伸及报废、矿车运行、罐笼提升、煤仓放空等变化引起通风系统风量发生异常变化的现象称为阻变型故障,根据风量传感器感知的风量变化确定通风系统发生阻变型故障的网络拓扑位置及其等效风阻,对矿井通风安全智能化管理,提高通风系统的安全保障能力意义重大。通风网络具有较好的自适应性及鲁棒性,利用矿井通风仿真系统MVSS生成训练样本,分别构建了基于SVM的分类器和回归器对故障位置和等效风阻进行诊断。仅以风量为特征的通风系统SVM分类与回归问题是一个不适定问题,研究表明诊断的准确性与传感器的个数及布置位置的分散程度有关,与传感器所在巷道的网络拓扑灵敏度以及巷道风量大小无关。

2018 Vol. 43 (01): 143-149 [摘要] ( 92 ) [HTML 1KB] [PDF 3300KB] ( 161 )
150 张群,葛春贵,李伟,姜在炳,陈家祥,李彬刚,吴建国,巫修平,刘嘉
碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式

碎软低渗煤层的煤层气高效抽采一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈。以安徽淮北矿区芦岭煤矿8号碎软低渗煤层为研究对象,通过开展现场调研、分析测试、理论分析、水力压裂物理模拟和数值模拟等工作,提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式,揭示了该模式下水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理,构建了该模式实施的主要工艺流程。研究结果表明:顶板岩层相对脆性、裂缝扩展压力较高,碎软煤层相对塑性、裂缝扩展压力低。在顶板岩层水平井进行套管射孔和水力压裂,顶板岩层中产生的压裂裂缝,在垂向上向下扩展伸延并穿入碎软煤层;同时在水平方向上也快速扩展延伸,由此产生的牵引作用撕裂下部碎软煤层形成较长的压裂裂缝。数值模拟结果显示,在给定的压裂施工参数条件下,顶板岩层中压裂在碎软煤层中形成的压裂裂缝长度,是直接在碎软煤层中压裂形成的压裂裂缝长度的6.7倍。碎软煤层和顶板岩层中形成的这些压裂裂缝在后续加砂压裂过程中被充填,成为煤层气从下部煤层向顶板岩层水平井运移的导流通道。显然,采用这种抽采模式,碎软低渗煤层可以获得良好的压裂改造效果。研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿煤层气顶板岩层水平井抽采示范工程,取得了很好的产气效果,水平井单井曾连续3,6,12个月平均日产气量分别为10 358,9 039,7 921 m3,截至2017-11-16,已累计产气500万m3,日产气量仍在3 200 m3以上,创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新记录。

2018 Vol. 43 (01): 150-159 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 4620KB] ( 227 )
160 文光才,孙海涛,李日富,付军辉,赵旭生
煤矿采动稳定区煤层气资源评估方法及其应用

受多煤层赋存条件和煤矿井下回采工艺影响,采空区内的大量遗煤导致废弃矿井或老采空区内赋存丰富煤层气资源,对这一资源的准确评估、合理开发和高效利用是我国进行非常规油气资源开发的重大需求,如何准确评估废弃矿井或老采空区的可抽采煤层气资源量是进行高效开发的关键问题。因此,通过分析煤层气的来源、赋存空间和关键影响因素,建立了基于“间接减法”理念的采动稳定区(废弃矿井或老采空区)煤层气资源评估模型,提出了进行采动稳定区煤层气资源评估的方法。运用建立的评估模型和方法,在晋城矿区成庄矿5310工作面区域进行了采动稳定区煤层气资源的地面井抽采试验,单井连续抽采433 d,抽采煤层气资源243.27万m3,抽采量核算与评估结果基本一致,初步证明了评估方法的适用性。

2018 Vol. 43 (01): 160-167 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 1545KB] ( 142 )
168 孟尚志,李勇,王建中,顾根堂,王赞惟,徐兴臣
煤系“三气”单井筒合采可行性分析——基于现场试验井的讨论

煤层气、致密砂岩气和页岩气(三气)在含煤地层叠置共生,能否实现同井筒合采,决定了煤系非常规天然气的开发效率和技术攻关方向。从分析“三气”赋存特征入手,结合鄂尔多斯盆地东缘临兴地区煤层气和致密砂岩气合采试验井生产情况,探讨了“三气”合采可行性。结果表明:“三气”高效产出的关键在于利用机抽设备排出地层产出液,逐步降低井底流压;持续合采过程中单层的气、水产出对其他层位没有干扰;但停排时,由于不同产层能量衰竭程度不同,动液面上升会产生地层水倒灌导致低压层伤害。根据现场试验,“三气”合采是可行的,各产层类似江河支流向干流流动或电路并联形式存在,进入井筒后协同产出,即“储层并联,气水串联,井下检测、井上控制”。今后工作需进一步研究合适的修井工艺防止停井过程中储层伤害。

2018 Vol. 43 (01): 168-174 [摘要] ( 54 ) [HTML 1KB] [PDF 3038KB] ( 135 )
175 卢义玉,廖引,汤积仁,张欣玮,韩帅彬,凌远非
页岩超临界CO2压裂起裂压力与裂缝形态试验研究

我国页岩气储层普遍黏土含量高,且多富集于缺水地区,超临界CO2(SC-CO2)因具有低黏度、低表面张力及对储层无伤害的特性,有望成为一种新型无水压裂方法。采用页岩露头与砂岩开展了真三轴SC-CO2与水力压裂对比试验,结合工业CT扫描分析裂缝形态,并研究了温度对起裂压力的影响。结果表明:SC-CO2压裂页岩时较水力压裂的起裂压力低约50.9%,压裂砂岩时起裂压力低约57.1%;相比水力压裂,SC-CO2压裂升压过程中,由于CO2的压缩性,增压速率较慢,由于页岩本身的层理特征,页岩SC-CO2压裂有多次起裂的现象,更易形成复杂的裂缝;随着温度的升高,SC-CO2压裂起裂压力呈下降趋势;CT断面扫描显示超临界CO2压裂页岩时更容易形成多条网络化裂缝,达到类似体积压裂的效果。

2018 Vol. 43 (01): 175-180 [摘要] ( 52 ) [HTML 1KB] [PDF 2908KB] ( 238 )
181 姚艳斌,刘大锰
基于核磁共振弛豫谱技术的页岩储层物性与流体特征研究

页岩以纳米级孔隙为主,具有特殊的孔隙结构、复杂的岩石组成和超低的渗透性等特点,这给常规表征技术手段的应用带来了困难。基于对四川盆地龙马溪组海相页岩的低场核磁共振系统实验分析,提出了一套较为完善的针对页岩孔隙度、渗透率、孔隙类型、孔隙结构和甲烷吸附能力的精细定量表征技术,从理论和技术两个角度阐明了核磁共振弛豫谱技术在页岩储层物性与流体特征分析中的应用。结果表明:核磁共振技术可有效识别页岩的黏土束缚流体、毛管束缚流体和可动流体,并计算它们的孔隙度;提出的基于双T2截止值的页岩孔径划分方案可有效应用于评价页岩的储集和产出性能;提出的基于饱和流体和束缚流体双T2几何平均值的SDR渗透率计算模型在页岩渗透率预测方面具有较强的适应性;利用核磁共振技术可定量识别页岩中吸附态、孔束缚态甲烷和游离态,可获得样品的等温吸附曲线;利用核磁共振实验模拟页岩中注CO2后甲烷的相态变化过程,发现注CO2可有效提高页岩中吸附气的采收率。总体上,基于低场核磁共振的页岩储层物性和流体特征表征为页岩储层研究提供了一种全新的技术思路。

2018 Vol. 43 (01): 181-189 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 2286KB] ( 166 )
190 卞正富,雷少刚,金丹,王丽-卞正富,雷少刚,金丹,王丽
矿区土地修复的几个基本问题

通过对与土地复垦有关的概念梳理后,提出以土地修复作为高一级学科建设的名称涵盖土地复垦的名称。基于生态系统自恢复力的假说,讨论了矿区土地修复过程中,自然恢复与人工干预的作用,提出了引导型矿山土地自修复模式及其应用条件,指出了对关键限制性因素及其阈值的识别与修复是矿山生态系统引导自修复的关键;并进一步讨论了引导型矿区土地修复目标的合理程度。还讨论了采前预防及采后修复在矿区土地修复中的作用,对于露天矿山,采前预防或减损工艺应成为主流,在剥采排复一体化工艺实现后,土壤重构成为露天矿区土地修复成功的关键,而对于井工开采矿山,采前预防措施通常被用于局部需要特殊保护的地表建构筑物或具有重要保护价值的生态类型区,采后修复仍是主要的技术手段。

2018 Vol. 43 (01): 190-197 [摘要] ( 57 ) [HTML 1KB] [PDF 5151KB] ( 191 )
198 胡振琪,多玲花,王晓彤
采煤沉陷地夹层式充填复垦原理与方法

充填复垦是提高耕地恢复率的有效途径。现有充填技术采用一次性充填方式,形成典型的“土壤层+充填层”双层土壤剖面构型。在覆盖土壤厚度不足的情况下,复垦土地的生产力低,为此,提出 “土壤层+充填层+夹层+充填层……”的夹层式多层土壤剖面构型,并以黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地为例,从夹层式充填复垦的原理和方法两个方面进行研究分析。结果表明:根据不同充填材料土壤质地情况,在充填材料层中设置与其质地相异的夹层,可以改善充填材料的水分和营养元素状况,改良了“土壤层+充填层”的双层土壤剖面构型存在的弊端,提高复垦耕地的质量。提出了一种充填复垦采煤沉陷地交替多层多次充填土壤重构方法,通过条带间交替充填工艺和多次充填与土壤回填,实现了夹层式土壤剖面结构重构的连续施工作业。在山东省邱集煤矿进行了实践,夹层式土壤剖面构型的小麦产量可以当年达到甚至高于对照农田。

2018 Vol. 43 (01): 198-206 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 5502KB] ( 135 )
207 范立民,向茂西,彭捷,马雄德,贺卫中,李涛,仵拨云,李永红,李成,宁建民,高帅,姬怡微,宋一民,姚超伟,任海香,何意平,刘海南
毛乌素沙漠与黄土高原接壤区泉的演化分析

随着我国煤炭开发战略西移,近20 a来毛乌素沙漠与黄土高原接壤区成为我国重要的煤炭产地。区内水资源整体匮乏、生态环境脆弱,泉作为珍贵地下水资源的显现和生态、生产、生活用水的主要来源,具有重要存在意义。在1994年、2015年两次对比观测研究区2 580处泉点水文和生态的基础上,依据研究区旱季泉点补给源对泉点进行了分类,分析了泉的天然赋存特征,并结合煤炭开采影响剖析了泉点演化机理及生态效应,预测了泉点未来演化趋势。研究结果表明:依据不同旱季泉点补给源可将泉点分为3种类型,即沙地入渗补给泉点、黄土入渗补给泉点和混合入渗补给泉点。沙地入渗补给泉点单个涌水量大于10 L/s的泉数量最多,混合入渗补给泉点总体数量最多,黄土入渗补给泉点生态效应最显著。1994年前调查区分布有泉(群)2 580处,总流量为4 997.059 7 L/s。2015年残存泉(群)376处,总流量996.392 L/ s,混合入渗补给泉点受含隔水层结构损坏和侧向补给截断影响大量消失是近20 a泉点大量衰减的主要原因。未来开采区主要是沙地入渗补给泉点,该区域煤炭开采含隔水层结构稳定,多受采动沉降和含水层越流影响,泉点会在波动后趋于平稳。煤炭高强度开采泉群的减少使得研究区水体、湿地面积减少,直接影响了流域生态。

2018 Vol. 43 (01): 207-218 [摘要] ( 112 ) [HTML 1KB] [PDF 7912KB] ( 471 )
219 郭惟嘉,张士川,孙文斌,陈军涛
深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。

2018 Vol. 43 (01): 219-227 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 5137KB] ( 227 )
228 董兴玲,董书宁,王宝,靳德武
黄土淋滤液作用下土工合成黏土衬垫的渗透特性研究

通过开展室内渗透试验,评价两种不同类型土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)用作煤矸石处置场覆盖层的可行性。试验中,使用黄土淋滤液对天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL进行渗透。当有效应力为15 kPa时,两种GCL的渗透系数均在2.80×10-9 m/s左右,此值高于1.00×10-9 m/s,无法满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求;而当有效应力增大至90 kPa时,GCL的渗透系数则降低至3.52×10-10 m/s,满足防渗要求。试验结果显示:黄土淋滤液渗透作用下两种GCL的渗透特性没有显著差别。增大有效应力,可降低黄土淋滤液对GCL渗透特性的影响,但为了使GCL满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求,其上部黄土植被层的覆盖厚度必须达到5.0 m以上,这在现场不易实现,故今后有必要对具有一定抗化学侵蚀能力的GCL展开研究。

2018 Vol. 43 (01): 228-235 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 2730KB] ( 132 )
236 赵丽,孙艳芳,杨志斌,王世东,杨建,孙超,田云飞
煤矸石去除矿井水中水溶性有机物及氨氮的实验研究

煤矸石去除矿井水中污染物的有效性对于评价目前煤矿区实施的地下水库技术及实现矿井水的高效综合利用具有重要意义。以神华神东煤炭集团公司补连塔煤矿取得的煤矸石为水处理剂、取得的矿井水作为研究对象,通过柱实验研究室温条件下煤矸石对矿井水中有机物和氨氮的去除效果。研究结果表明:在6.44个孔隙体积数(PV数)的矿井水的淋滤实验过程中,煤矸石对矿井水中DOC的去除能力可达到64%,这与煤矸石中高岭石、白云母、伊利石和绿泥石等铝硅酸盐矿物对有机物的吸附、降解作用有关,但其对矿井水中芳香族化合物的阻滞及去除能力小。实验过程中煤矸石对氨氮的去除效率逐渐下降但仍能达到81%,因此研究用煤矸石对矿井水中氨氮有着较高的去除能力,这主要是由于煤矸石中含有的伊利石及高岭石均具有一定的阳离子交换容量而对氨氮起到吸附作用。试验中后期,流出液pH值高于了原水值,这与氨氮的水解作用有关,出水ORP显著下降,这说明在模拟的水-岩系统中还原环境不断增强,有机物的降解作用得到增强。

2018 Vol. 43 (01): 236-241 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 2571KB] ( 122 )
242 闵凡飞,陈军,彭陈亮
煤泥水中微细高岭石/蒙脱石颗粒表面水化分子动力学模拟研究

煤泥颗粒界面水化是煤泥水难以沉降脱水的主要原因,采用分子动力学模拟研究了煤泥水中主要微细黏土矿物颗粒高岭石及蒙脱石颗粒界面水化分子动力学特性,模拟计算了矿物颗粒界面水平衡构型、界面原子浓度、水分子扩散系数及金属离子的影响。研究结果表明:水分子能够通过氢键在高岭石及蒙脱石颗粒表面发生水化作用;随水覆盖率(或水分子数)的不断增加,矿物颗粒表面对水分子的束缚力逐渐减小,界面处的氢键作用逐渐减弱,其中水分子在亲水性的高岭石和蒙脱石界面能逐渐形成3个水分子层,总厚度为(8~10)×10-10 m;高岭石(001)面水化程度大于蒙脱石(001)面;二价金属离子对蒙脱石水化的促进作用强于一价金属离子。

2018 Vol. 43 (01): 242-249 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 7569KB] ( 123 )
250 张守玉,江锋浩,黄小河,张一帆,李昊,王才威,吕俊复
五彩湾煤半焦水热脱钠提质及其燃烧特性的演变

利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)分析新疆五彩湾原煤及其热解提质半焦中钠的赋存形式,考察了水热脱钠前后半焦的钠含量,采用热重分析仪和Flynn-Wall-Ozawa(FWO)方法建立五彩湾煤焦燃烧反应动力学模型,获得半焦燃烧动力学参数并分析脱钠对半焦燃烧特性的影响。结果表明:五彩湾原煤及其半焦中钠的赋存形式以水溶性钠为主,半焦总脱钠率高于原煤,水溶性钠的存在不利于半焦燃烧。600 ℃热解半焦的水热脱钠率高达82.59%,在所有实验焦样中,经水热脱钠后的半焦燃烧特性指数最高,燃烧活性最好。

2018 Vol. 43 (01): 250-256 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 2452KB] ( 86 )
257 王春波,岳爽,许旭斌,李一鹏
O2/CO2气氛下煤焦恒温燃烧NOx释放特性

利用恒温热重-燃烧污染物在线测量系统,研究了O2/CO2气氛下,温度与反应气氛等对煤焦燃烧过程中NO与NO2释放规律的影响。结果表明:温度升高能显著缩短NOx析出时间,提高NO释放速度,降低NO2释放总量,并通过反应动力学参数的变化对该现象进行了解释;提高氧气浓度会导致NO瞬时释放量增加,同时有利于NO向NO2的氧化反应;水蒸气的存在造成CO2与H2O发生协同气化作用,导致煤焦燃烧过程因素更加复杂,一定浓度范围的水蒸气有助于促进NO与NO2的释放;空气气氛下NO瞬时释放量明显高于富氧气氛下,但NO2释放特性差别不大。

2018 Vol. 43 (01): 257-264 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 3874KB] ( 90 )
265 毛学锋
煤基液体产物中酚类化合物的组成研究

以5种不同煤加工转化过程得到的液体产物煤衍生油为原料,研究了其中酚类化合物的组成与分布特征。首先将不同煤衍生油蒸馏切取富含酚170~210 ℃酚油馏分,采用酸碱抽提法提取其富集酚类组分,其次对富集酚类组分进行硅醚衍生化预处理,最后利用GC/MS详细分析了酚油馏分中酚类化合物的组成与分布。结果表明:不同煤衍生油的酚油馏分中酚类化合物主要由烷基苯酚、茚满醇、苯二酚3种类型组成,其中烷基苯酚均占90%以上。4号CDO其酚类类型包括烷基苯酚、茚满醇、苯二酚3部分,其中烷基苯酚占92.4%。低级酚占全部酚类的86.1%,高级酚占13.9%;2号CDO其酚类类型由烷基苯酚、苯二酚2部分组成,其中烷基苯酚占99.89%。低级酚占全部酚类的99.5%,高级酚仅占0.5%;1号CDO和3号CDO其酚类类型只包含烷基苯酚类,高温炼焦产生的1号CDO全部以低级酚为主。3号CDO低级酚占全部酚类的98.4%,高级酚占1.6%;5号CDO其酚类类型包括烷基苯酚、茚满醇2部分,其中烷基苯酚占94.8%。低级酚占全部酚类的91.6%,高级酚含量占8.4%。因此,应足够重视不同煤衍生油中低级酚的提取利用。

2018 Vol. 43 (01): 265-271 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 1254KB] ( 92 )
272 刘春生,徐玉芸,李德根,袁昊
边缘牙齿形碟盘破碎煤岩的力学机理及其模型

为提高煤岩的破碎效率与破碎能力,介绍一种具有楔劈特征的边缘牙齿形碟盘轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法。采用抗压、抗剪等不同阶段主导作用相结合的力学方法,分析牙齿宽度对煤岩在挤压、压裂和破碎各阶段,以及由碟盘楔面倾角楔劈作用下大块煤岩崩落各过程的力学关系;运用复合作用效应的叠加原理,建立了各工况下破碎煤岩的力学模型,揭示边缘牙齿碟盘破碎煤岩的力学机理。研究表明:在煤岩由初期压馈小岩坑的形成、裂纹的产生、贯通直至由碟盘楔面楔劈作用下大块煤岩崩落过程力学描述的基础上,得到了碟盘径向与轴向载荷与碟盘结构参数,以及煤岩破碎相关联参数的数学模型;得出复合轴向向上运动方式有利于破碎煤岩依据;碟盘刀具径向与轴向载荷均随切削厚度的增加而增加,单切削作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差11%和4%,复合作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差3%和18%,验证了理论计算与数值模拟其载荷随破碎煤岩厚度等参数的变化规律具有一致性。该研究为高效率、高破碎能力的破碎机构研制提供了理论参考。

2018 Vol. 43 (01): 272-279 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2427KB] ( 112 )
280 毛善君,杨乃时,高彦清,张鹏鹏,吴道政
煤矿分布式协同“一张图”系统的设计和关键技术

实现煤矿空间信息的一体化管理是智能矿山建设的重要基础。在充分分析国内外现状的基础上,提出了建立煤矿空间数据管理平台,构建分布式协同“一张图”的理念,阐述了实现煤矿“一张图”的软件平台架构、标准规范体系、统一的时态空间数据管理、分布式协同更新、空间数据服务发布等关键技术问题的解决方案,开发了具有我国完全自主知识产权的煤矿专用地理信息系统服务平台,并在阳泉煤业(集团)有限责任公司、神华神东煤炭集团公司、中煤能源集团有限公司等得到实际应用,效果良好。

2018 Vol. 43 (01): 280-286 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 3638KB] ( 189 )
287 孙继平,蒋恩松
基于测距值二次重构的弯曲巷道目标定位方法

在矿井地下巷道环境下,多径效应和非视距信号会造成TOA测距精度大幅下降。针对这一问题,在研究井下巷道扩频测距偏差产生机制的基础上,发现非视距信号与视距信号在接收端有相似的时延统计规律,据此,提出了一种适用于弯曲巷道的基于测距值二次重构的定位方法,由于矿井巷道的位置、走向是已知的,为巷道内移动目标的位置估计带来了许多有利的空间约束,因此,方法充分利用了巷道的位置信息,首先对弯曲巷道的NLOS测距值进行第1次重构以获得移动目标与相应基站直线距离的估计值,利用此重构值建立观测方程;接着第2次重构将观测方程的解点投影到巷道空间,获得位置估计点;最后,设计卡尔曼滤波器进一步优化位置估计点的定位精度,从而实现在更为一般的曲线巷道下的定位。仿真结果表明,方法在平均曲率为0~0.30的弯曲巷道中具有较为理想的定位精度;进而在平均曲率为0.192的某地铁人行弯曲通道所做的实测实验显示,方法定位均方根误差为0.891 m,误差累积分布理想,适用于井下人员精确定位。

2018 Vol. 43 (01): 287-294 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 1649KB] ( 83 )


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