煤炭学报
 
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2018年 43卷 04期
刊出日期 2018-05-04

论文
论文
903 王国法,庞义辉,任怀伟, 马英
煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践

2030年之前我国以煤为主的能源格局难以改变,煤炭资源安全高效开采仍然面临一系列技术挑战。基于不同层位围岩破断的应力路径效应研究成果,研究了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用原理,提出了液压支架适应围岩失稳的“三耦合”动态优化设计方法;针对厚煤层超大采高综采,建立了顶板岩层断裂失稳的“悬臂梁+砌体梁”力学模型,分析了“悬臂梁”破坏失稳的空间条件与力学条件。通过数值模拟方法分析了煤壁破坏的主要影响因素,得出了各影响因素对煤壁破坏的敏感度排序。研发了增容缓冲抗冲击立柱、液压支架群组协同控制系统及“大梯度+小台阶”配套方式,实现了金鸡滩煤矿8.0 m超大采高工作面安全高效开采;针对特厚煤层大采高放顶煤开采,研发了三级强扰动高效放煤机构与尾梁冲击破碎装置;针对薄煤层研发了调高范围为0.5~1.4 m的超大伸缩比液压支架,在黄陵一号煤矿实现了常态化远程监控、工作面无人操作的智能化开采。对未来需要突破的安全高效开采关键技术进行了展望,提出了稳定割煤与连续推进、高可靠性设计、综采设备机器人化及透明开采4个技术方向。

2018 Vol. 43 (04): 903-913 [摘要] ( 98 ) [HTML 1KB] [PDF 7058KB] ( 504 )
914 赵毅鑫,王浩,焦振华,卢志国,张旭
逆断层下盘工作面回采扰动引发断层活化特征的试验研究

为分析逆断层下盘工作面回采对断层面错动失稳影响,在双轴等压加载条件下,试验获得了逆断层下盘煤层回采扰动下断层活化失稳特征。结果表明:回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区的动态演化将诱发断层构造错动活化,且逆断层构造更易受回采工作面扰动区影响;双向等压条件下逆断层下盘煤层开挖,垂直方向扰动与水平方向扰动载荷比由1逐渐增加至6,断层面发生离层或剪滑失稳的危险升高;断层构造面附近应变呈不均匀分布,且煤层处应变明显高于顶、底板岩层;煤层开挖引发的声发射事件84%能量分布在10-13~10-10 J,主要分布于煤层顶板岩层,且跨越断层面声发射事件较少,表明断层构造对应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉处是声发射事件集聚区域,发生错动失稳危险性较高。对比赵楼煤矿1303工作面实际矿震数据,矿震震源与试验声发射源空间分布特征具有一定相似性,佐证了类逆断层组合结构岩石试验方法的可行性。

2018 Vol. 43 (04): 914-922 [摘要] ( 51 ) [HTML 1KB] [PDF 4479KB] ( 242 )
923 陈梁,茅献彪,陈彦龙
考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。

2018 Vol. 43 (04): 923-930 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 2298KB] ( 284 )
931 肖晓春,金晨,丁鑫,潘一山
基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究

为探究含水煤样冲击倾向指标与其声发射时频特征的关联性。采用物理试验和信号处理分析方法,以河南耿村煤矿7609工作面煤样为研究对象,考虑饱水、自然含水和烘干24 h三种含水条件,深入研究不同含水煤样冲击倾向的变化规律;建立不同含水率煤样冲击倾向与其声发射时频信号的对应关系。结果表明:煤样加载破坏过程监测获得的声发射时频信号分布特征能够反演其受载阶段,声发射幅频信号的变化不仅能够判定煤体结构的破坏尺度,而且可利用不同频率范围声发射能量分布推断其冲击倾向强弱和发生动力破坏的可能性。定义了煤体结构冲击倾向的声发射反演能量比值Kae和频率幅值相对值比值Kaf;以河南耿村矿7609工作面煤样为例,验证了声发射信号时频特征和关键参数反演煤体结构冲击倾向的可行性。

2018 Vol. 43 (04): 931-938 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 2948KB] ( 150 )
939 高超,徐乃忠,刘贵
特厚煤层综放开采地表沉陷预计模型算法改进

近浅埋深特厚煤层综放开采因其一次性采出煤层厚度大,其地表移动变形特殊性较明显,该地质采矿条件下按概率积分法进行地表沉陷预计结果与实际情况有一定程度的偏差。对试验区近浅埋深特厚煤层综放开采条件下的地表移动变形特殊性进行了分析,考虑到厚硬岩层对地表沉陷的控制作用,并基于层状弹性梁板岩层沉陷控制理论和随机介质理论,建立适合近浅埋深特厚煤层综放开采沉陷预计模型。实践应用表明:该沉陷预计模型算法与实测结果吻合程度较好,适合于特厚煤层综放开采地表沉陷预计应用;较好地解决了概率积分法边界收敛迅速、盆地两侧不对称等问题,提高了地表沉陷的预计精度。

2018 Vol. 43 (04): 939-944 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 1853KB] ( 133 )
945 汤伏全,李庚新,原一哲
煤矿采空区地表重力异常效应模拟研究

地下大规模采煤形成的空洞效应导致重力场发生变化,通过地面重力变化来反演采空区上方空洞特征及其演变对于煤矿安全生产和地面保护具有实际意义。长期以来,煤矿地下采空导致的地表重力异常效应因量级较小而被忽视。基于布格重力理论采用数值模拟方法得到采空区地表的重力异常分布特征,建立采空区深度、宽度、厚度及开采边界与地表重力异常分布的关系,并使用三阶紧致差分逼近算法得到采空区地表重力异常的一次差分曲线。通过加入随机误差模拟得到采空区地表重力异常值,采用不同拟合方法进行曲线平滑处理,依据其一次差分曲线的峰值来推断采空区的边界位置,为现有技术条件下利用重力变化反演煤矿采空区演变提供了可行性。

2018 Vol. 43 (04): 945-950 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 2844KB] ( 176 )
951 肖双双,黄甫,李克民,马力,洪勇
露天矿内排长远规划模型及其求解方法

不同于以往短期排土规划模型,构建长远排土规划模型能够降低露天矿剥离物总运输费用,避免内排土场高度频繁调整。根据露天矿采排场发展时空关系,提出了排土场动态调整约束条件,并以剥离物总运输费用最小为目标,建立了露天矿内排长远规划模型。此外,定义了模型基础数据,提出了模型的求解方法,给出了排弃阶段坡底位置、坡面切割实体后的质心和体积、排弃高度等的计算方法。以某露天煤矿为例,构建了三维地质模型,计算结果表明:与传统方法设计结果相比,该模型计算结果能够降低剥离物总运输费用17.8亿元,各阶段排弃标高波动较小,有利于排土及后续复垦作业。

2018 Vol. 43 (04): 951-958 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 3564KB] ( 89 )
959 陈宇龙,张玉
加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响

选取3种不同岩性的岩石,进行2次不同加载速率的单轴循环加载试验,结合声发射技术,分析加载速率对Kaiser效应的影响。结果表明:若前期所承受过的最高应力水平超过损伤应力时,Kaiser效应失效,Felicity效应成立。Felicity比的变化趋势也能充分反映岩石损伤的演化过程。基于应力和其他物理力学参数的Felicity比均随着加载速率的增加呈增大趋势。加载速率对脆性岩石的Kaiser效应影响较小,对塑性软岩的Kaiser效应的影响显著。岩石内部矿物成分、含量、胶结方式和结构等差异,导致了各种岩石力学特性和声发射特征的不同。加载速率越大,岩石的峰值强度越高,累计振铃计数越小。

2018 Vol. 43 (04): 959-966 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 3516KB] ( 148 )
967 杨阳,杨仁树,王建国,方士正,张念念
低温条件下红砂岩动态力学性能试验研究

应用SHPB试验和分形方法研究饱水冻结红砂岩的动态力学性能和破碎分形特性,分析负温变化对红砂岩动态强度性能和变形破坏规律的影响,结合SEM扫描实验,探究应力波作用下饱水冻结红砂岩的微观破裂机制。研究结果表明,负温变化显著影响红砂岩的动态力学性能和分形特性,其中动态强度随温度降低(25~-40 ℃)呈先增大后减小的趋势,形似“几”字形,峰值应变则是先减小后增大,这与冻岩的静载试验结果迥然不同。经引入分形维数D,建立冻结红砂岩块度分形计算模型,经模型计算得到红砂岩在25,-5,-10,-20,-30,-40 ℃时的分形维数分别是2.37,2.12,2.29,2.35,2.41,2.44,这与试验筛分结果基本吻合。通过对红砂岩断口形貌的观察和分析,发现低温条件下红砂岩最终断口多发生于黏土胶结物上或其与矿物颗粒的交界处,常温条件下红砂岩断口形貌较为复杂,很难看出规律性,但在引入低温梯度后,由黏土胶结物和矿物颗粒组成的断口形貌会逐渐呈现出规律性,在对相应规律分析总结后推断,负温条件下胶结物的性质和断裂性能对红砂岩力学性能有着更为显著的影响。

2018 Vol. 43 (04): 967-975 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 9139KB] ( 139 )
976 王培涛,任奋华,蔡美峰
基于离散元方法的粗糙性节理岩体直剪力学及尺寸效应特性

天然岩体中存在多组随机结构面,同时结构面几何上存在粗糙特性,基于这两种特性,建立了一种粗糙离散节理网络(Rough Discrete Fractures Network)RDFN模型,并基于颗粒流PFC2D开展了RDFN模型直剪条件下力学特性研究,与直线型DFN模型进行了对比。结果表明:节理几何粗糙特性对裂隙岩体的抗剪特性影响显著。相同加载条件下,考虑粗糙性后RDFN模型的抗剪强度、剪切模量均较DFN模型显著增高;DFN模型中微裂纹沿节理方向贯通,局部存在少量的基岩破坏,RDFN模型破坏模式相对复杂,沿剪切方向基岩单元破坏显著;随着样本尺寸的增大,节理模型的抗剪强度、剪切模量总体上均呈现降低趋势;尺寸效应分析结果表明抗剪指标均在尺寸达到4.0 m后趋于稳定。

2018 Vol. 43 (04): 976-983 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 7460KB] ( 137 )
984 王学滨,侯文腾,潘一山,董伟
基于数字图像相关方法的单轴压缩煤样应变局部化过程试验

为了进一步揭示煤样的应变局部化过程,利用数码相机记录单轴压缩煤样一个观测表面的散斑场,采用数字图像相关方法计算应变场,根据清晰应变局部化带位置布置相互垂直的测线,获得了最大剪切应变的变异系数与纵向应力的依赖关系。研究发现:① 子区尺寸及测点间距不会对最大剪切应变的变异系数-纵向应变曲线的发展趋势产生影响;② 应变局部化带法向的最大剪切应变分布左右并非严格对称,应变局部化带切向的最大剪切应变分布并非均匀,前者应与煤的非均质性有关,后者反映了应变局部化带的传播;③ 随着纵向应变的增加,应变局部化带宽度有变窄的趋势,应变局部化带法向的最大剪切应变剖面有变陡峭的趋势;④ 只有应变局部化带经历由模糊到清晰的过程才能引起最大剪切应变的变异系数的突增,此时,应变局部化出现时的纵向应力与单轴抗压强度之比为0.56。

2018 Vol. 43 (04): 984-992 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 3695KB] ( 166 )
993 纪洪广,蒋华,宋朝阳,刘志强,谭杰,刘阳军,武亚峰
弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。

2018 Vol. 43 (04): 993-999 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 4711KB] ( 158 )
1000 张俊文,王海龙,陈绍杰,李玉琳
大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径<15 mm的含量均有增加,粒径>20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。

2018 Vol. 43 (04): 1000-1007 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 2522KB] ( 165 )
1008 王登科,吕瑞环,彭明,魏建平,姚邦华,刘勇
含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为了研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。

2018 Vol. 43 (04): 1008-1015 [摘要] ( 51 ) [HTML 1KB] [PDF 2174KB] ( 202 )
1016 周伟,袁亮,张国亮,都海龙,薛生,贺光会,韩云春
采空区瓦斯涌出来源量化判识方法——以寺河矿为例

为准确量化和动态反映工作面采空区瓦斯涌出来源,以沁水盆地寺河矿为研究区,采集煤体解吸瓦斯,测试分析了3号煤层及其7层邻近煤层解吸瓦斯组成成分,CH4,C2H6,CO2稳定碳同位素值,CH4氢同位素值及其分布特征,建立了基于稳定碳氢同位素和组分平均值的采空区瓦斯分源计算模型,实现采空区沿走向推进时各煤层瓦斯来源的量化分源计算,并完成了与传统分源预测计算结果的对比分析。研究表明,寺河矿主要煤层解吸气组分和稳定碳氢同位素值在横纵向均存在差异,总体表现为瓦斯中甲烷体积分数随煤层深度增大而增大,瓦斯碳氢同位素随深度增大出现偏重的特点,5302工作面采空区沿走向瓦斯涌出动态变化过程可以分本煤层涌入主体阶段、近邻近层涌入过渡阶段、动态平衡稳定阶段。随工作面推进,采空区内3号煤瓦斯涌出占比逐渐下降,最终稳定在20%~25%,近邻近层呈现先升后降并趋稳的特征,最终稳定在20%~25%,远邻近层9和15号瓦斯涌入主要在滞后工作面110 m后逐渐上升后趋稳,9号煤瓦斯最终占比20%~25%,15号煤瓦斯最终占比30%~35%。与传统分源预测结论相比,稳定碳氢同位素量化分源可以反映采空区内各煤层瓦斯涌出的动态演化过程,相比分源预测结论更有利于指导工作面生产实际。

2018 Vol. 43 (04): 1016-1023 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 1681KB] ( 170 )
1024 施峰,王宏图,舒才
基于固气耦合模型的煤巷掘进煤壁瓦斯动态涌出规律

为掌握煤巷掘进煤壁瓦斯涌出量的动态变化规律,在传统二维煤巷瓦斯涌出量计算方法中引入固气耦合模型,提出基于固气耦合及巷道断面瓦斯涌出量时间积分的煤壁瓦斯涌出计算方法,并通过现场实测瓦斯涌出量验证了计算结果的准确性。研究结果表明:煤巷掘进速度恒定,煤壁瓦斯涌出量随掘进距离逐渐增大,增幅不断减小,符合指数衰减多项式的变化规律;间断式掘进循环的煤壁瓦斯涌出量呈锯齿状增加,总体涌出趋势与恒速掘进相同;随时间增加,不同掘进循环瓦斯涌出总量差异趋于稳定,长时间掘进,掘进循环内瓦斯涌出量波动对瓦斯涌出总量的影响可忽略;瓦斯压力对煤巷煤壁瓦斯涌出具有较大影响,瓦斯压力越大,煤壁瓦斯涌出量随掘进距离的增幅越大,且存在瓦斯压力临界值,当巷道煤层瓦斯压力超过该值后,巷道瓦斯浓度可能超限。根据项目背景的工程条件,计算得到该煤巷掘进的临界瓦斯压力。

2018 Vol. 43 (04): 1024-1030 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 3246KB] ( 141 )
1031 杨漪,邓军,张嬿妮,王伟峰
煤氧化特性的STA-FTIR实验研究

采用同步热分析-红外联用技术(STA-FTIR),以4种不同变质程度的新鲜煤样为研究对象,从特征温度点、热量变化、逸出气体、氧化反应动力学等多角度分析煤的氧化放热特性及其规律。研究结果表明,随着煤变质程度降低,煤中挥发分含量增高,煤氧化过程特征温度点逐渐减小;各个阶段反应活化能逐渐变小,最大热释放速率和放热量相应增加;同时,氧化过程中所释放的CO,CO2,H2O,CH4等气体的初始温度和峰值温度均呈现出逐渐减小趋势,生成CO量减少,CO2和水量增加;此外,不同煤样在水分蒸发及脱附阶段、吸氧增重阶段的反应机理接近。实验结果说明不同煤样的氧化反应过程具有相似性,变质程度越低的煤,发生氧化和燃烧反应越容易,自燃危险性越高。应根据煤样存储、开采、运输环境,针对初始放热温度较低的低变质煤样,及时采取冷却降温、封堵裂隙、阻化剂阻化等措施预防煤自燃发生和发展。

2018 Vol. 43 (04): 1031-1040 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 5557KB] ( 116 )
1041 东振,鲍清英,张继东,孙钦平,陈姗姗,董荟思,熊涛
高陡倾斜煤层沿煤层钻井研究——以准南昌吉地区为例

针对准噶尔盆地南缘煤层倾角大、地应力复杂的煤层气井钻探难题,基于弱面理论研究了煤层倾角、地应力、造(降)斜对井壁安全的影响,建立起多目标约束的沿煤层钻井轨迹优化模型。研究表明:① 昌吉地区煤层倾角为10°~25°,局部达到25°~40°,属于高陡倾斜煤层,具有渗透率各向异性强、地应力各向异性强、岩体力学性质各向异性强的特点。② 钻水平井时,根据倾角对井壁稳定影响分为作用区、过渡区和反转区,倾角在5°~25°时为作用区,沿倾向钻井最安全,沿走向钻井最危险;倾角大于65°后进入反转区,沿倾向、走向都成为安全钻井方位。地应力各向异性越大,坍塌压力越高、安全钻井方位的范围越小。③ 沿煤层倾向钻井时,倾角小于35°时建议沿煤层上倾方向钻井;倾角大于65°时建议沿煤层下倾方向钻井;倾角在35°~65°范围内井壁安全性最低,建议沿煤层走向钻井;井斜角在45°~65°时是最危险造(降)斜段,应尽量避免在此井斜范围对煤层造(降)斜。④ 为降低煤层着陆点到首靶点的坍塌压力,提出S型、J型两种沿煤层钻井轨迹类型,从对比结果看出本文方法比常规方法设计的井眼进尺更短、摩阻扭矩更小。

2018 Vol. 43 (04): 1041-1051 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 6491KB] ( 93 )
1052 李贵红
鄂尔多斯盆地黄陵地区侏罗系煤层气来源判识

鄂尔多斯盆地黄陵地区在煤田勘探、建井和采煤中,发现了小规模的油气显示,推测该区域煤层中存在油型气,这一点与煤层气作为自生自储型资源的常规认识不同。为进一步验证这一推测,从煤层顶板、煤层、底板及采空区采集220组气体样品,开展气体组分、甲烷碳同位素δ13C1、甲烷氢同位素δD、乙烷碳同位素δ13C2的测试。测试结果表明,煤层中气体来源为煤成气和油型气组成的混合气,进一步利用Schoell图版分析,煤层及其围岩中油型混合气主要为裂解凝析气、生物气和石油伴生气。这些气体来源于下部三叠系延长组泥页岩,通过地层中的断层与裂缝,向上运移至侏罗纪煤系中储存下来,提高了煤层含气性。

2018 Vol. 43 (04): 1052-1057 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 2255KB] ( 176 )
1058 吴丛丛,杨兆彪,秦勇,陈捷,张争光,罗开艳
贵州松河及织金煤层气产出水的地球化学对比及其地质意义

基于松河和织金区块16口煤层气井产出水样品的常规离子,微量元素,氢氧同位素测试,结合其地质背景、产能特征,对比分析了两区块产出水地球化学特征及其对产能的指示意义。研究表明:松河产出水Cl-,Na+质量浓度高度异常,水质为Na-Cl型,表明地层水受压裂液污染;织金产出水来自煤层,Na+和HCO-3富集,水质为Na-HCO3型,反映出较封闭的地下水环境。松河和织金产出水均表现出明显的D漂移特征,且松河区块煤中氢氧同位素组成较重。除Li元素外,松河产出水中大部分微量元素溶出量均大于织金。提出了更具普适意义的反映地层水环境的封闭性指数。封闭性指数和日产气量、累计产水量相关关系显著,中等封闭指数更有利于实现高产,可提取作为评价产能潜力的地化指标,并初步建立了基于HCO-3和Cl-质量浓度的产出水来源判识模板,划分出两个区域:低产井产出压裂液区和高产井产出煤层水区。

2018 Vol. 43 (04): 1058-1064 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 3417KB] ( 139 )
1065 李绍红,朱建东,白兰英,王少阳,李部,吴礼舟
联合信息融合和解析方法的微震源定位研究

针对现有微震源定位算法大多基于均匀速度假设以及采用迭代解法导致计算量大且稳健性不佳的不足,通过对走时方程的变换和求解,推导了考虑速度各向异性的微震源解析解,提出了一种新的微震源定位方法。新方法由6个有效检波器数据实现定位。考虑到波速特征的复杂性,将随机模拟方法应用于产生大量震源备选解,并从信息融合角度对最终震源解进行探讨,将粗大误差判别准则和聚类分析方法用于获取最终的震源解。通过算例验证表明:提出的解析方法正确合理,且采用的信息融合方法科学合理,并建议在实际应用中采用粗大误差判别准则确定最终微震源。

2018 Vol. 43 (04): 1065-1071 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 1462KB] ( 93 )
1072 李凯瑞,何兵寿,胡楠
基于一阶速度-胀缩-旋转方程的多分量联合逆时偏移

弹性波逆时偏移是多分量地震勘探领域的重要研究内容,逆时偏移过程中纵、横波传播方向的准确求取是实现纵、横波偏移噪声压制和横波极性校正的前提,坡印廷矢量是指示纵横波传播方向的重要依据。常规一阶速度-应力方程只能求取纵、横波混合波场的坡印廷矢量,其指示的波场传播方向也只是混合波场的传播方向而非单纯纵波或横波的传播方向,故无法准确解决偏移噪声压制和横波极性校正等问题。理论上,一阶速度-胀缩-旋转方程能够求取纯纵波或纯横波的坡印廷矢量,获得单一类型波的传播方向信息,从而克服常规方法的局限。基于一阶速度-胀缩-旋转方程的弹性波逆时偏移技术,首先给出了该方程逆时延拓的交错网格时间2阶、空间2N阶差分格式和稳定性条件,其次在波场延拓过程中通过求取纵、横波的坡印廷矢量获得了单一类型波的传播方向,并利用基于行波分离的互相关成像条件实现了该方程的多分量联合逆时偏移。模型试算表明:基于一阶速度-胀缩-旋转方程的弹性波逆时偏移能够准确解决横波的极性校正问题,并取得优于常规算法的偏移噪声压制效果。

2018 Vol. 43 (04): 1072-1082 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 9869KB] ( 87 )
1083 屈晓荣,李俊,孙彩蓉,张庆辉,唐书恒,魏建光
鄂尔多斯盆地东缘柳林地区上古生界暗色泥页岩稀土元素地球化学特征

鄂尔多斯盆地东缘晚古生代含煤地层中暗色泥页岩广泛发育,通过系统采集柳林地区上古生界太原组和山西组暗色泥页岩岩芯样品,借助电感耦合等离子质谱方法开展了稀土元素与微量元素测试。研究表明,柳林地区暗色泥页岩中稀土元素含量较高,轻稀土元素富集,重稀土元素亏损且平稳,配分曲线相互平行且右倾,可见微弱的Ce负异常和中等Eu负异常,指示稳定的上地壳物源注入。结合δCe与δE、ΣREE和w(La)N/w(Sm)N较差的相关性,以及w(U)/w(Th)<1可排除泥页岩中REE的非源岩影响因素,REE指标的源岩及环境指示意义可靠。综合δCe,Ceanom以及氧化还原敏感元素指标(w(V)/w(Cr),w(Ni)/w(Co),w(V)/w(V+Ni),w(U)/w(Th)和δU)表明山西组与太原组泥页岩沉积环境整体为弱还原-弱氧化环境,且山西组沉积期氧化程度更强。δCe、ΣREE和部分微量元素指标(w(Ba),w(Sr)/w(Ba),w(Ba)/w(Ga))的差异特征和变化规律在层序地层格架内指相意义明显,显示从SQ2到SQ3期,研究区具有从海相、过渡相到陆相的变化趋势。研究区物源来自盆地北部的阴山古陆,以长英质源岩为主,源区构造背景与大陆边缘环境相关。

2018 Vol. 43 (04): 1083-1093 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 3410KB] ( 165 )
1094 张杰芳,刘桂建,付彪,桑树勋
贵州晚二叠世高硫煤中黄铁矿的赋存特征及其地质成因

采用光学显微镜、XRD,SEM-EDX等方法,研究了贵州晚二叠世5号,7号,16号,32号高硫煤层的矿物学特征和12种有害微量元素的含量特征,重点探讨了黄铁矿的赋存特征以及控制黄铁矿形成的地质因素。结果表明:贵州高硫煤中矿物主要为高岭石、黄铁矿、石英;与中国煤及贵州煤相比,高硫煤中有害微量元素含量较低,仅Cr和Zn富集,其中水城大河边5号煤中富集Hg,Cd,Cr,Cu,Mn,Sr和Zn;高硫煤中黄铁矿赋存形态多样,包括莓球状、自形晶体状、块状、胶状、充填状、结核状;黄铁矿常与高岭石和石英互相伴生,水城大河边5号煤中高岭石发生绿泥石化,并且黄铁矿部分交代菱铁矿;高硫煤中黄铁矿成因复杂,经历多个期次形成,海水入侵与玄武岩陆源碎屑输入为高硫煤的形成提供了稳定的物源供给,同时后生黄铁矿的发育,表明多层高硫煤均受到后期热液的叠加作用。

2018 Vol. 43 (04): 1094-1103 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 9424KB] ( 176 )
1104 袁世冲,张改玲,郑国胜,蔡逢华,钱自卫
斜井穿越风积砂层水砂突涌注浆治理研究

陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井筒表层广泛分布厚层风积砂,由于短时间内载重运输车的重复碾压,导致斜井底板破裂,发生水砂突涌灾害,严重威胁矿井安全。针对金鸡滩煤矿副斜井水砂突涌灾害治理难题,工程前期采用水泥注浆治理,起到了很好的固砂减水效果,但是并未完全封堵涌水通道;后期通过补注化学浆液,成功封堵了残存涌水通道。结合工程实践与模型试验,分析了斜井底板破裂原因、注浆治理效果及不同种类浆液的固砂堵水机理。现场治理效果与模型试验结果表明,水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主;化学浆液以劈裂和渗透堵水为主,在封堵残存涌水通道上更具优势,因此两种类型浆液配合使用效果更佳。本文研究结果可为该类水砂突涌灾害注浆治理提供试验依据和参考。在充分分析现场工程现象的基础上结合现场模型试验,对水泥浆液和化学注浆的扩散特点以及固砂堵水机理进行了研究。结果表明水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主,并不能完全封堵涌水通道;化学浆液以劈裂和渗透堵水为主,在封堵残存涌水通道上更具优势。并提出了两种类型浆液配合使用效果更佳的观点。

2018 Vol. 43 (04): 1104-1110 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 3775KB] ( 117 )
1111 姚强岭, 刘亚鹏, 陈田, 李学华,杨书懿,段宏飞
地下水库人工坝体强度损伤演化特征试验研究

在我国西部生态脆弱矿区,地下水库储水技术已成为煤水资源共采技术的重要组成部分,其中人工坝体的稳定性是评价地下水库能否构建并长期安全使用的关键因素之一。为研究地下水库人工坝体在吸水-失水、采动及矿震等循环作用下强度变化规律,以大柳塔矿地下水库人工坝体所使用的C30混凝土试样为例,开展了超声-回弹综合测强、循环加载和单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:超声-回弹综合测强公式可以对水作用下混凝土试样强度进行预测;循环加载影响下试样强度最大下降比例约17%,而水作用下的循环加载试样强度最小下降比例达26%;并结合声发射振铃计数研究了混凝土试样受载下的损伤演化特征。由此可知,循环加载(采动及矿震)和水(吸水-失水)共同作用下,对地下水库人工坝体稳定性影响较大。

2018 Vol. 43 (04): 1111-1117 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 3127KB] ( 145 )
1118 张治国,胡友彪,郑永红,陈孝杨
煤矸石堆存对土壤盐分空间分布特征的影响及主要因子的研究

以潘一矿煤矸石山和周边复垦土壤为研究对象,重点研究煤矸石堆存过程中对周边土壤盐分空间分布特征的影响,并模拟雨水酸度进行煤矸石风化物静态浸泡实验,分析研究影响煤矸石风化物盐分溶解释放的主要因子。结果表明,复垦区土壤的盐分含量均值略高于土壤背景值,水平分布上在煤矸石山周边4 m范围内,土壤的盐分含量受煤矸石山淋溶运移等作用的影响较大,且距离煤矸石山脚处1和2 m处土壤盐分呈轻度盐渍化水平。土壤盐分含量垂直分布特征上,土壤盐分含量均值在垂直方向上呈V字型分布,不同深度土壤的盐分含量均值略高于土壤背景值。研究区土壤盐分组成中阳离子主要为K++Na+,阴离子主要为HCO-3,土壤盐分组成特征以NaHCO3为主,不同深度之间同一盐基离子含量显著性差异不大。煤矸石风化物静态浸泡实验表明,粒度越小,TDS的溶解释放速率越快,浸泡液中盐分含量值越大;不同固液比浸泡液中TDS值变化幅度比较大,呈现出TDS1∶5>TDS1∶3>TDS1∶15>TDS1∶10的变化规律;在不同酸度浸泡下,煤矸石风化物呈现出TDS5.6>TDS6.8>TDS6.0>TDS6.4的变化规律;随着浸泡液温度的逐渐升高,煤矸石风化物粒径越小受温度影响越大。最后,探讨了盐渍化土壤的植物修复技术和防控措施。

2018 Vol. 43 (04): 1118-1126 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 2385KB] ( 134 )
1127 张秀梅,郭德,王露,程雅丽,付晓恒
煤泥自载体浮选

粒度组成细、高灰细泥含量大的煤泥浮选时,浮选精煤易于超灰且精煤产率低、生产操作困难。针对这些问题,在总结载体浮选理论的基础上,研究了以浮选精煤作为自载体改善煤泥浮选效果的作用和机理。结果表明:用浮选出的精煤作自载体可显著改善煤泥的浮选效果。随自载体量的增加,精煤产率、浮选完善指标、尾煤灰分均提高,浮选精煤灰分降低。乌海煤泥采用该工艺浮选时,确定出最佳自载体用量为入浮煤泥的10%,加入自载体经4次循环后即可达到稳定的浮选效果,浮选精煤产率提高7.11%、灰分降低1.14%,浮选完善指标提高7.25%。EDLVO理论的计算研究表明,精煤本身的疏水性和捕收剂在煤粒表面吸附产生的疏水力,促使细煤粒黏附于粗颗粒载体,细颗粒间也会发生疏水絮凝,改善了浮选环境和浮选效果。

2018 Vol. 43 (04): 1127-1133 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 1536KB] ( 90 )
1134 葛荣存,张贤,蔡润夏,张守玉,刘青,张缦,杨海瑞,吕俊复
流化床选择性排渣的实验研究

根据流态化分选和终端速度差异分选原理,提出了一种采用不均等配风的选择性排渣的方法,搭建了流化床选择性排渣的可视化冷态实验台,研究了压力分布、流化风速、床料粒径分布对排渣分选效果影响。结果表明:不均等配风时,由床内压力分布特点可知床内颗粒存在循环流动特点;当高风速与低风速的比值越大,其对颗粒度分选效果越好;在相同的高风速与低风速比之下,随床内细颗粒比例的增加,由于粗细颗粒的混合程度增加,分选效果会变差;不均等配风的排渣方式能够实现对细颗粒的分选。

2018 Vol. 43 (04): 1134-1139 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 3064KB] ( 78 )
1140 朱宏政,王海艳,王海楠,朱金波,宋少先,闵凡飞,周争艳,王响响
机械搅拌式浮选装置中气泡粒径分布规律

为研究机械搅拌式浮选装置各可变操作参数对气泡分布特征的影响规律,选择仲辛醇作为起泡剂,利用图像分析法测定了不同条件下气泡的粒径分布,同时采用表面张力仪测定了不同条件下的表面张力。研究表明,随着药剂浓度由0.011 mmol/L逐渐增大到0.154 mmol/L,表面张力由73.577 mN/m线性减小到72.544 mN/m,气泡粒径逐渐减小,当达到临界兼并浓度0.103 mmol/L时,气泡粒径稳定于0.593 mm,仲辛醇的吸附浓度约为0.255 μmol/m2。气泡粒径随着叶轮转速(1 494~2 494 r/min)的增大而线性减小,且药剂浓度越大,气泡粒径降幅越小。随着吸气量由0.1 L/min增大到0.9 L/min,气泡粒径逐渐增大,且药剂浓度越低,气泡粒径增幅越大。气泡上升过程中其粒径随着取样高度(0~20 cm)线性增大,但药剂浓度越高,气泡粒径增幅越小。在各操作参数的研究范围内,药剂浓度小于等于临界兼并浓度时,取样高度对气泡粒径影响最显著,药剂浓度高于临界兼并浓度时,吸气量对气泡粒径影响最显著,而叶轮转速对气泡粒径影响最不显著。

2018 Vol. 43 (04): 1140-1145 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 1343KB] ( 98 )
1146 王昕,赵端,胡克想,丁恩杰
烟煤的太赫兹光谱特性研究

为了研究烟煤在太赫兹频段下的光谱特性规律,采用太赫兹时域光谱技术对国内7种烟煤进行了测试,获取了烟煤的吸收谱和折射率谱,并分析了不同烟煤中灰分,挥发分含量及其变质程度等因素对太赫兹光谱特性的影响。实验数据表明,当样本厚度为2 mm时,烟煤的有效频谱带宽为1.2~1.8 THz,在有效带宽内无明显吸收峰。随烟煤变质程度的增加,烟煤的吸收效应会逐渐减弱,其折射率会逐渐变小;随烟煤中灰分含量的增加,烟煤的吸收效应会逐渐增强,其折射率也逐渐变大。虽然烟煤在太赫兹频段的吸收特性和折射率差异是由烟煤中各种成分差异综合造成的,但研究结果表明烟煤的变质程度和灰分含量是影响其太赫兹频段物理特性的主要因素,通过太赫兹时域光谱技术可以实现多种烟煤的准确分类。

2018 Vol. 43 (04): 1146-1154 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 4016KB] ( 107 )
1155 刘治翔,谢春雪,毛君,谢苗,卢进南
基于物料分布特征的刮板输送机运行阻力分析

考虑到常规的链条安全系数是按照两个链条共同承受外界载荷来计算的,而实际情况是两根链条载荷是不均匀的,因此研究了基于考虑物料分布特征的刮板输送机运行阻力计算方法。对煤块物料与中部槽底板的摩擦阻力、煤块物料与挡煤板摩擦阻力以及移动的煤块物料与煤壁侧静止物料的摩擦阻力进行理论推导。得到刮板和链条在运行时,不同负载情况下的运行阻力计算公式。依托国家能源局研发(实验)中心建设的综采成套装备模拟实验台对基于物料分布特征的运行阻力计算方法进行实验研究。研究结果表明:本计算方法与实验数据误差在允许范围内。基于考虑物料分布特征的刮板输送机运行阻力计算方法可为后续进行偏置载荷影响下的链条寿命预测、安全系数计算等提供依据。

2018 Vol. 43 (04): 1155-1161 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 5710KB] ( 94 )
1162 孟昭胜,曾庆良,万丽荣,王成龙
掩护式液压支架顶梁承载特性及其适应性研究

为研究掩护式液压支架顶梁承载特性及其对顶板载荷的适应性,基于空间载荷对称假设构建了单区承载条件下液压支架全高度范围载荷平衡区力学模型,分析了液压支架顶梁载荷平衡区分布特征及其影响因素。随后结合液压支架实际工况,分析了双区承载条件下液压支架顶梁极限平衡条件,进一步拓展了平衡区理论。最后运用ADAMS构建了液压支架的多体动力学模型,分别对液压支架单区、双区承载工况进行了模拟。通过与理论的对比分析表明,改善液压支架承载条件、合理优化平衡千斤顶及立柱参数等均可有效提高掩护式支架顶梁对顶板的适应性。

2018 Vol. 43 (04): 1162-1170 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 4332KB] ( 112 )
1171 马箫,潘一山,张建卓,肖永惠
防冲支架的核心吸能构件设计与吸能性能研究

为了解决巷道液压支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题,设计了一种能够快速变形让位、吸收冲击能的构件,用于门式吸能防冲液压支架中,从而保护液压立柱不损坏并且支架结构不失效。对吸能构件的构型进行设计并且研究了其吸能性能。首先,基于门式吸能液压支架的防冲功能提出吸能构件在承载力、反力变化、吸能方式、吸能量以及稳定性5个方面的性能要求。然后对吸能构件的构型设计及其吸能原理进行了详细论述,并结合数值模拟对构件的屈曲吸能机理进行了分析。最后通过室内实验,研究了1∶1吸能构件的力学性能,实验结果表明:吸能构件承载力均值为2 428 kN;后屈曲反力变化相对比较平稳;压缩量达50%时吸能量均值为357 kJ;吸收能量都转化为构件不可恢复的变形能;屈曲过程稳定且与数值模拟结果非常接近。

2018 Vol. 43 (04): 1171-1178 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 3378KB] ( 131 )
1179 张帆,韩会杰
多源传感器融合的矿井瓦斯释放源定位方法

针对煤矿井下采空区漏风现象导致瓦斯释放源难以定位或者定位不准问题,提出一种基于多源传感器融合的矿井瓦斯释放源定位算法。首先通过分析综放工作面采空区瓦斯分布规律,建立矿井采空区传感器观测模型与瓦斯释放源扩散模型,然后采用混合卡尔曼粒子滤波算法对采空区瓦斯释放源参数进行估计,并依据迭代运算得到估计参数的坐标位置,最后通过无线传感器目标源感知节点与簇头节点的数据融合,实现瓦斯释放源的精确定位。结果表明:与其他算法相比,混合卡尔曼粒子滤波算法在定位精度上具有明显的优势。该方法能有效解决因漏风现象导致的瓦斯释放源定位困难的问题,进而为采空区瓦斯突出预警及瓦斯抽采提供参考依据。

2018 Vol. 43 (04): 1179-1186 [摘要] ( 74 ) [HTML 1KB] [PDF 4319KB] ( 307 )


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