煤炭学报
 
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2018年 43卷 8期
刊出日期 2018-09-30

论文
论文
2091 潘一山
煤矿冲击地压扰动响应失稳理论及应用

针对煤矿冲击地压问题,对扰动响应失稳理论展开研究,使其从机理、预测和防治方面形成一个完整体系。提出了煤岩体变形系统控制量、扰动量和响应量的概念,分析了冲击地压扰动响应的失稳机理及条件,认为冲击地压是煤岩变形系统在扰动下响应趋于无限大而发生的失稳,若系统处于非稳定平衡状态,则无论扰动增量大小,都会导致系统失稳。严格按扰动响应失稳理论导出了圆形巷道发生冲击地压的解析解,并得到煤岩变形系统扰动量、响应量存在临界指标,临界指标由控制量决定。从控制量、扰动量和响应量的角度对冲击地压的监测和防治进行了叙述,采动应力监测等是针对扰动量的监测,钻屑法、微震法等是针对响应量的监测,合理开采布局、开采保护层、合理留设煤柱、断顶等是针对扰动量的防治,煤层钻孔、注水、爆破、加强支护等是针对控制量的防治。

2018 Vol. 43 (8): 2091-2098 [摘要] ( 108 ) [HTML new] [PDF 2038KB] ( 290 )
2099 万志军,毕世科,张源,王骏辉,吴栋,王靖超
煤-热共采的理论与技术框架

煤炭与地热资源共采是煤及煤系共伴生资源共采的积极探索,是煤炭安全开采和地热能利用的有机结合,开发和利用矿山地热,可为绿色矿山建设和地热能发展做贡献。总结了我国高地温矿井的类型及其成因,统计了我国高地温矿井的分布情况,论述了开发和利用矿山地热资源的必要性和可行性。提出了煤-热共采的概念,从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践等方面阐述了煤-热共采的基本理论与技术框架。探讨了煤-热共采的科学问题,包括煤系储层的地质力学问题,高地温矿井热源分析及深部地温分布规律,矿山地热资源的技术经济评价方法,煤-热共采的多场耦合及其演化规律等问题。在此基础上,分析了煤-热共采的关键技术,包括共采工艺,井下钻井与成井工艺,井下抽采与回灌技术,高效能热泵技术,高效能集输与间接换热技术,动态监测和智能调峰技术等。

2018 Vol. 43 (8): 2099-2106 [摘要] ( 79 ) [HTML new] [PDF 2801KB] ( 231 )
2107 刘少虹,潘俊锋,夏永学,秦子晗,杜涛涛,陈法兵
基于地音与电磁波CT 的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法研究

目前掘进工作面冲击地压事故频发,通过分析各评价方法在掘进工作面应用中存在的优势与局限,建立了一种基于地音监测与电磁波CT 探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法;该方法将冲击危险性评价目标在时间和空间上进行分解,通过地音实时监测确定评价的时间层,通过电磁波CT 探测确定评价的空间层,以时间层的执行结果做为空间层的执行判据,克服了基于单一监测或探测手段的评价方法在掘进工作面应用中存在的不足,实现了掘进工作面冲击地压实时预
警及危险区域精准划分的双重功能,提高了掘进工作面冲击地压评价的效率与准确性,指导了现场实际卸压工作。

2018 Vol. 43 (8): 2107-2116 [摘要] ( 30 ) [HTML new] [PDF 3524KB] ( 126 )
2117 郭文兵,白二虎,杨达明
煤矿厚煤层高强度开采技术特征及指标研究

在分析煤矿高强度开采现状与定义的基础上,从地质采矿条件、工作面尺寸、技术装备、推进速度、产量效率高、深厚比、覆岩与地表破坏等方面系统研究了厚煤层高强度开采的主要技术特征。基于绿色开采理念,从地质采矿技术和采动影响破坏方面研究建立了高强度开采的主要技术指标和评价体系,并采用层次分析法对采动影响破坏指标进行了分析研究。研究表明,地质采矿技术因素和采动影响破坏因素均是描述厚煤层高强度开采的重要组成部分,采动影响破坏因素是厚
煤层高强度开采不可忽略的特征。研究成果可为煤矿安全高效绿色生产、采动损害与保护等提供借鉴。

2018 Vol. 43 (8): 2117-2125 [摘要] ( 49 ) [HTML new] [PDF 3699KB] ( 172 )
2126 张华磊,涂敏,程桦,唐永志
薄基岩采场覆岩破断机理及风氧化带整体注浆加固技术

采用物理模拟、理论分析、现场实测等方法对厚松散含水层载荷传递作用下不同覆岩结构的采场覆岩运动规律、支架围岩关系及风氧化带整体注浆加固技术进行了研究。研究表明:采场覆岩仅有一层关键层时,随着工作面的回采,在松散含水层的载荷传递作用下覆岩大范围的垮落下沉作用于下方支架,支架受力较大,易发生压架事故;采场覆岩中有两层关键层时,垮落至高位关键层时形成“砌体梁”结构,该结构能将松散含水层传递的上覆冲积层载荷转移远离工作面支架,改善
了液压支架受力状态;基于此,以顾北矿1512(3)工作面为例,针对松散含水单一关键层地质条件,从地面采用J 型水平羽翼分支孔注浆方法对风氧化带进行整体注浆加固,人为的在采场上方构筑一层高位承载层,减缓了工作面来压时矿压显现程度,工作面安全开采,验证了研究结果的合理性。

2018 Vol. 43 (8): 2126-2132 [摘要] ( 27 ) [HTML new] [PDF 4434KB] ( 131 )
2133 张俊文,刘畅,李玉琳,王志强
错层位沿空巷道围岩结构及其卸让压原理

错层位沿空巷道特殊的围岩卸让压结构能够解决常规沿空掘巷在深部开采、坚硬顶板时存在巷道维护困难的问题。对比分析了留煤柱护巷和沿空留(掘) 巷围岩结构特征,阐述了影响沿空巷道围岩稳定性的主控因素———侧向基本顶关键块的运移。通过力学分析和实验室实验,研究了错层位巷道侧向基本顶下方卸让压围岩结构体系卸让压的力学机理。研究表明:错层位布置使巷道远离侧向集中应力,实现了侧向支承压力向煤体深部转移的效果,避免了沿空巷道受深部高地应
力的影响,实现了自动卸压的效果;矸石-三角煤柱结构通过松散矸石大变形缓冲顶板显著运动动载,通过高承载限侧矸石、高稳定性三角煤柱承担关键块静载;自由空间-碎胀矸石组合结构使坚硬顶板充分回转、降至低位态,实现结构性让压,避免顶板受侧向关键块剧烈运动的影响。

2018 Vol. 43 (8): 2133-2143 [摘要] ( 37 ) [HTML new] [PDF 6075KB] ( 144 )
2144 杨柳,李飞,王金安,翟清秀,韩现刚
综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化特征

:综放开采顶煤及覆岩非连续结构体系中力链形成机制及其演化规律,是采场支架载荷计算、优化采放工艺和矿压控制的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹实验,拍摄到综放开采过程中顶煤与覆岩中的力链分布,并基于拓扑学理论对力链网络结构进行了研究。研究表明:初始状态下,顶煤与覆岩中力链分布均匀;开采后在放煤口附近形成拱形力链,并随着工作面的推进向工作面前方和上部延伸。顶煤与覆岩力链主要有3 种构型,即链状,环状和链-环耦合,分别分布在工作面前方,未受扰动的覆岩区和受扰动的覆岩区,可用Betti 数作为表征力链构型的参数。通过对综放采场力链分布特征分析,揭示了工作面前方支撑压力形成机理和工作面支架受载荷作
用的力学本质。对力链强度、力链方位角和接触力频率的统计分析,发现上部覆岩中未受开采扰动区域的强力链分布均匀,而受扰动区域的强力链沿着拱迹线发育,工作面前方的强力链始终以竖直方向的链状力链为主。

2018 Vol. 43 (8): 2144-2154 [摘要] ( 46 ) [HTML new] [PDF 7472KB] ( 140 )
2155 罗生虎,伍永平,王红伟,解盘石
大倾角煤层长壁开采底板非对称破坏形态与滑移特征

底板破坏滑移是大倾角煤层开采亟待解决的关键问题之一,以2130 煤矿25221 大倾角综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法,系统研究了底板的破坏和滑移特征。结果表明,在采动应力和支架载荷作用下底板的力学性状发生改变,由层状连续介质状态演化为具有“结构体+结构面” 的块裂介质状态;底板沿工作面倾向的破坏形态呈现为下大上小的非对称反拱,其最大破坏深度位于工作面倾向下部区域,且其破坏深度和范围随着煤层倾角的增大而减小;支架载荷对底板破坏影响有限,主要涉及采场直接底岩层;在底板重力倾向分量及支架和相邻块体载荷作用下,当滑移体存在临空面、滑移体所受主动力与滑移面相交、且主动力
合力与滑移面法线方向的夹角大于滑移面的摩擦角时出现底板滑移,且底板岩体结构失稳滑移的概率随着煤层倾角的增大、支架倾斜幅度和范围的增大、直接底破碎程度的增大而增大。

2018 Vol. 43 (8): 2155-2161 [摘要] ( 30 ) [HTML new] [PDF 2922KB] ( 96 )
2162 宋高峰,杨胜利,王兆会
基于利兹法的煤壁破坏机理分析及三维相似模拟试验研究

针对严重影响大采高工作面生产和安全的煤壁片帮问题,提出了采用能量原理中基于位移变分原理的利兹法分析煤壁破坏机理,并利用煤壁稳定性三维相似模拟实验平台研究“顶板-支架-煤壁”系统的协调变形规律。结果表明:基于利兹法的煤壁破坏机理模拟出了煤壁上部片帮、上下部同时片帮、整体片帮3 种现场常见的煤壁片帮形态,煤壁稳定性的重要影响因素确定为煤体黏聚力、煤壁集中力、煤壁弯矩、顶板载荷等;在煤壁集中力和煤壁弯矩的作用下,顶板下沉近似呈直
线增长,顶板下沉速率和煤壁水平变形速率大,煤壁在短时间内发生整体片帮,并具有突发性;在支架的支护作用下,顶板呈现阶梯式下沉规律,顶板下沉速率和煤壁水平变形速率显著减小,煤壁表面仅出现局部破碎,煤壁在较长时间内保持了一定的稳定性。

2018 Vol. 43 (8): 2162-2172 [摘要] ( 51 ) [HTML new] [PDF 7987KB] ( 104 )
2173 周建,经来旺,叶金胜,陈思羽
考虑空间和锚固效应的硐室围岩弹塑性分析

为研究圆形硐室围岩在开挖-支护过程中的力学机制,根据围岩力学特征将围岩划分为弹性区、软化区及残余区,考虑围岩软化、扩容和空间、锚固效应,引入软化模量、扩容系数和剪胀角,推出了围岩弹塑性区应力、位移和范围的解析表达式。通过算例分析了不同因素对塑性区范围、应力和硐室周边位移的影响。结果表明:对于软化模量较大的围岩,锚固效应可有效地减小塑性区半径和位移;而考虑空间效应时,当开挖面到计算面的距离x 值越小,围岩应力、位移越大,当x 值大
于10 m 时,空间效应基本失效;锚固残余区扩容系数h3 对硐室周边位移的影响大于锚固软化区扩容系数h2;根据不同长度锚杆支护下的硐室周边位移为支护结构围岩预留变形量设计提供了参考。

2018 Vol. 43 (8): 2173-2179 [摘要] ( 35 ) [HTML new] [PDF 1734KB] ( 90 )
2180 沈世伟,廖文旺,徐燕,李冬
不同节理间距条件下岩体双孔爆破动焦散试验研究

采用爆炸加载数字激光动态焦散线测试系统(DLDC),研究双孔同时起爆条件下3 条平行预制裂纹的扩展行为及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,分析预制裂纹间距对其扩展及断裂破坏的影响规律。研究结果表明:双孔同时起爆条件下,炮孔近端预制裂纹尖端应力强度因子均呈先增大后减小的趋势,表明爆炸荷载作用分为两个阶段:加载阶段和卸载阶段,其中卸载阶段裂纹尖端应力强度因子逐渐减小,但扩展速度较大,在爆炸过程中占主导地位;中间裂纹扩展效果明显的试样中,其尖端应力强度因子从峰值6. 52×105 N/ mm3/2 逐渐减小,并且两组试样的中间预制裂纹尖端扩展方向不同,表明中间预制裂纹扩展属于卸载扩展,爆炸应力波对中间预制裂纹尖端扩展主
要起导向作用,爆生气体在中间预制裂纹尖端扩展过程中占主导作用;中间预制裂纹尖端扩展效果受与其贯通的两条次生裂纹的垂直距离影响,距离越小,中间预制裂纹尖端扩展越充分。

2018 Vol. 43 (8): 2180-2186 [摘要] ( 22 ) [HTML new] [PDF 2688KB] ( 69 )
2187 王岗,潘一山,肖晓春
预制大尺度单裂纹煤样破坏特征及电荷规律试验研究

为有效提取含有宏观构造煤体失稳破坏的前兆信息,采用试验方法开展了完整煤样和预制不同倾角大尺度单裂纹煤样单轴压缩过程破坏特征及电荷信号规律的研究。结果表明:随预制裂纹倾角(裂纹与轴线方向的夹角)减小,煤样的峰值应力逐渐降低,达到峰值应力时间逐渐缩短,煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变,同时新生翼裂纹由垂直预制裂纹面的翼裂纹向平行预制裂纹面的翼裂纹转变;预制裂纹煤样由于宏观裂纹的存在,更容易发生破裂,在应力峰前就有显著电荷信号产生,因此预制裂纹煤样破裂前兆信息比完整煤样更容易被捕捉; 随预制裂纹倾角由60°→45°→30°减小,煤样破裂首次高值电荷信号出现的时间逐渐提前,分别为68. 5% σc 和
65. 5%T,60. 5%σc 和47. 0% T,37. 5%σc 和30. 0% T(T 为煤样全程破坏时间),应力峰后破坏阶段电荷信号幅值逐渐减小,电荷累积量曲线突变点增多且首次突变点有所提前;预制裂纹的存在通过改变煤样的变形破裂过程及形式从而实现对煤样破裂产生电荷规律的影响;可根据预制裂纹煤样破裂电荷信号相关特征,对现场进行宏观地质构造探测、以及对煤岩体节理或断层的产状进行合理的推断。有望为预测预报煤岩动力灾害提供新的方法和途径。

2018 Vol. 43 (8): 2187-2195 [摘要] ( 33 ) [HTML new] [PDF 5544KB] ( 100 )
2196 王路军,周宏伟,荣腾龙,任伟光
深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。

2018 Vol. 43 (8): 2196-2203 [摘要] ( 30 ) [HTML new] [PDF 2222KB] ( 116 )
2203 经纬,薛维培,姚直书
巷道围岩塑性软化区岩石内摩擦角与黏聚力变化规律

为研究巷道(隧道)塑性软化区岩石的内摩擦角与黏聚力的变化规律,基于18项公开发表的试验研究成果,结合摩尔-库伦准则对岩石全应力-应变曲线峰后阶段内摩擦角和黏聚力的变化性质进行了分析。结果表明,岩石峰后阶段内摩擦角变化很小,可近似认为不变。针对广泛应用的4阶段和3阶段应变软化模型,研究获得了围岩黏聚力与环向应变之间的线性关系及黏聚力软化模量的常量性质。研究结果揭示了围岩塑性软化区岩石内摩擦角和黏聚力的计算方法,黏聚力及黏聚力软化模量的变化规律,可为煤矿软岩巷道变形分区的研究提供参考。

2018 Vol. 43 (8): 2203-2210 [摘要] ( 29 ) [HTML new] [PDF 3181KB] ( 102 )
2211 凌天龙,吴帅峰,刘殿书,梁书锋,李晨,马建会
砂岩Holmquist-Johnson-Cook模型参数确定

 

模型在混凝土动态破坏数值模拟中应用广泛,但由于模型中包含参数较多,确定参数需要大量实验,目前缺乏准确可信的岩石材料HJC模型参数。为合理确定砂岩HJC模型参数,对取自四川威远的粉砂岩进行相关静力学实验,获得岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。应用三轴压缩实验和单轴SHPB冲击实验,分别得到了该砂岩极限面参数、率效应参数、压力参数和损伤模型参数的取值。基于上述模型参数利用有限元程序LS-DYNA对粉砂岩SHPB冲击实验进行数值模拟,结果表明,实验和模拟的应力-应变曲线形态吻合较好,模拟得到的动态峰值强度和峰值应变与实验结果的平均误差均未超过10%,验证了该HJC模型参数实验测定方法的合理性和有效性。
2018 Vol. 43 (8): 2211-2216 [摘要] ( 17 ) [HTML new] [PDF 2216KB] ( 64 )
2217 蒋景东,陈生水,徐婕,刘泉声
不同含水状态下泥岩的力学性质及能量特征

 不同的含水状态对岩石的力学性质和破坏机制有重要的影响。利用RMT-301岩石力学试验机,开展泥岩烘干样、天然样和饱水样在不同围压条件下的三轴压缩试验,研究不同含水状态下泥岩的力学性质和能量机制。结果表明:含水量越低,泥岩吸收的总能量越多;弹性能存储速率在压密阶段和弹性阶段随含水量的增大而降低,在弹塑性阶段弹性能增长速率减缓,失稳破坏阶段含水量越低,存储的弹性能越高,同一围压条件下,泥岩的储能极限随着含水率的增高而线性降低;耗散能在压密阶段和弹性阶段数值较小且增长缓慢,含水率越大,耗散的能量越多,进入弹塑性阶段后,吸收的总能量用于耗散作用的比例急剧增长,含水率越小,增长速度越快。声发射事件率随含水量的增大而降低,随围压的增大而降低,表明含水量越低,围压越小,泥岩内部破坏越剧烈,塑性减弱。

2018 Vol. 43 (8): 2217-2224 [摘要] ( 22 ) [HTML new] [PDF 3505KB] ( 101 )
2225 李成武,付帅,王菲茵,李光耀,解北京
层理对煤体破坏中磁信号特征影响的数值模拟研究

为进一步完善煤矿动力灾害磁信号监测预警技术的相关机理,根据弹性力学、损伤力学、统计学等学科建立了煤体静载破坏中磁信号的力-磁耦合模型,结合RFPA2D软件,研究了层理性质、数量对试样破坏特征及磁信号变化特征的影响。结果表明:① 不含层理试样以单斜面剪切破坏为主,含垂直层理试样以顺层理滑移剪切-拉伸破坏为主,含水平层理试样先产生局部拉伸破坏,随后裂纹出现发散状扩展;② 整个加载过程中累积磁脉冲数及磁能可划分为4个阶段,其变化过程呈“零值段—缓慢增加段—跳跃增加段—平稳变化段”的趋势;③ 含垂直层理试样累积磁脉冲数及累积磁能远低于含水平层理试样,且两类试样累积磁能的差值幅度远高于累积磁脉冲数;④ 含水平层理试样,层理数量与其累积磁能及脉冲数呈现出很好的正线性相关关系,且累积磁能增幅远高于累积磁脉冲;对于含垂直层理试样,层理数量与累积磁能之间存在较好的线性负相关关系,而与累积磁脉冲数之间不存在明显关联特征。

2018 Vol. 43 (8): 2225-2232 [摘要] ( 15 ) [HTML new] [PDF 3710KB] ( 90 )
2233 郭德勇,吕鹏飞,赵杰超,朱同功
煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。

2018 Vol. 43 (8): 2233-2242 [摘要] ( 24 ) [HTML new] [PDF 4186KB] ( 102 )
2243 于斌,夏彬伟,喻鹏
特厚煤层综放开采坚硬顶板破断对瓦斯涌出影响

针对具有坚硬顶板的特厚煤层综放工作面周期来压期间瓦斯异常涌出问题,基于坚硬顶板“O-X”破断机理,从能量的角度分析了坚硬顶板破断回转对采空区的冲击过程,得到破断块体轴向作用力与采空区垮落煤岩碎胀系数之间的关系。同时研究了顶煤放出率及垮落煤岩碎胀系数对坚硬顶板破断回转前后采空区体积变化的影响规律,建立了周期来压期间采空区瓦斯涌出增加量计算模型,并与现场实测进行对比。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断回转压缩了采空区体积,使采空区高浓度瓦斯涌向工作面,导致周期来压期间瓦斯异常涌出现象。塔山煤矿8214工作面周期来压期间采空区瓦斯涌出增加量理论计算值为 14. 5 m3 / min,与现场实测增加量相比误差在1. 79%~8. 83%,两者结果较为相符,验证了模型的正确性。

2018 Vol. 43 (8): 2243-2249 [摘要] ( 31 ) [HTML new] [PDF 3074KB] ( 125 )
2250 杨娟,郝静怡,魏建平,王云刚,戴俊
吸附型复合催化剂光催化消除煤矿瓦斯的机理

为研究自制的氧化镓/煤基活性炭吸附型催化剂(15% Ga2O3/AC)光催化消除矿井瓦斯机理,开展了复合催化剂光助消除模拟矿井瓦斯中甲烷气体的实验。采用X-射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、N2吸附-脱附技术对催化剂的复合效果、微观界面结构、孔体积、孔径分布和比表面进行表征,利用荧光发射谱、电子自旋共振谱(ESR)对光生电荷分离、光电子迁移和活性物种的产生进行测定;结合对甲烷降解动力学的分析可知,15% Ga2O3/AC可循环多次用于低浓度煤矿瓦斯的光助消除,煤基活性炭在增强复合催化剂对CH4分子吸附能力的同时还促进光生电荷分离以产生更多光空穴(h+)和超氧自由基(O·-2),使CH4经h+抽氢产生的·CH3进一步被O·-2氧化,提高催化剂消除瓦斯性能,为利用光氧化技术治理矿井局部瓦斯提供理论依据。

2018 Vol. 43 (8): 2250-2255 [摘要] ( 13 ) [HTML new] [PDF 2844KB] ( 70 )
2256 李宗翔,刘汉武,刘宇,陈显奎,叶玉清
工作面与采空区漏风交换风量测算方法

针对工作面向采空区漏风问题,提出一种漏风量的测算新方法。 分析采空区漏风的风量平衡原理,通过现场实测工作面风速分布,可得到漏风分布类型曲线(由于工作面断面积难于测准,直接计算漏风量误差大),为此,引入实测风速回归曲线的投射面积,作出 S-v(x)图,在如采空区瓦斯涌出量、注氮流量和漏风量等外来风量已知的情况下,将外来风量与由外来风量导致的漏回风侧风速投射面积增量之比,得到单位风速投射面积上的漏风量权重 Δ,根据漏风量权重 Δ 计算得到工作面与采空区之间的漏风交换风量。 结合九道岭矿 E1S6 工作面的风速实测,计算得到,注氮量为25 m3 / min 时漏风量面积权重为 0. 087 33 m,由此得到工作面漏出风量为 65. 5 m3 / min、漏回风量为 90. 6 m3 / min,该值约占工作面总通风量 650 m3 / min 的 10% ~ 15% ,结果符合一般经验值范围。

2018 Vol. 43 (8): 2256-2260 [摘要] ( 29 ) [HTML new] [PDF 1503KB] ( 77 )
2261 潘瑞凯,曹树刚,李勇,李国栋
浅埋近距离双厚煤层开采覆岩裂隙发育规律

针对中国神东矿区浅埋近距离双厚煤层开采的工程实际,建立三维物理相似模型、PFC2D数值模型和理论模型,对双厚煤层开采后的覆岩裂隙发育规律进行研究。综合研究表明:上煤层开
采后,裂隙带发育高度约为55.5 ~60.3 m,而下煤层推进约60 m,层间关键层初次断裂,引起上、下采空区连通,并在主关键层断裂以后形成的裂隙直达地表,高度约为146.5 ~153 m;采动空隙场呈“双拱”形态,并结合关键层理论,将覆岩划分为不规则空隙带和周期性空隙带,以及拱间优势空隙带和拱下微空隙带;提出了近距离双煤层开采综合采厚的计算方法,结合修正的综放开采裂隙带发
育高度预计公式,可进行近距离双厚煤层裂隙带发育高度计算。研究成果揭示了浅埋双厚煤层开采后地表-上采区-下采区的漏风机制,并根据采动空隙场分布特点提出了堵风治燃的工程对策,
可为类似矿井的防灭火提供借鉴。

2018 Vol. 43 (8): 2261-2268 [摘要] ( 22 ) [HTML new] [PDF 3913KB] ( 134 )
2269 孙彪,程卫民,王昊,王家远
综采工作面滚筒旋流风对截割煤尘侧向逸散规律的影响

为探究滚筒旋流风对截割煤尘侧向逸散规律的影响,对工作面中风流-煤尘在滚筒旋流风汇入前、后的流动及逸散规律进行数值模拟,并将呼吸带作为一个高度范围分析其平均煤尘质量浓度的分布情况;针对研究结果研发了采煤机雾化封闭式除尘器并通过煤尘质量浓度的实测考察其应用效果,同时验证数值模拟的准确性。结果表明,滚筒旋流风具有很强的稳定性,同时对截割煤尘具有极为明显的诱导作用,其中前滚筒截割煤尘在采煤机中心下风侧14.2 m处的底板附近汇入人行道空间,后滚筒截割煤尘则首先由采煤机中心的底板附近汇入人行道空间,随后在其下风侧2.9 m处的全断面空间大范围涌入。在呼吸带范围的人行道侧,采煤机下风侧18.3~21.8 m为峰值浓度分布区,煤尘质量浓度约为300~400 mg/m3。初始实测煤尘质量浓度与数值模拟结果对比的相对误差均小于15%;采煤机雾化封闭式除尘器的降尘率为50%~80%,平均降尘率为66.9%。

2018 Vol. 43 (8): 2269-2279 [摘要] ( 25 ) [HTML new] [PDF 6864KB] ( 94 )
2280 倪冠华,李钊,解宏超
基于核磁共振测试的煤层水锁效应解除方法

为提高煤层瓦斯抽采效果,提出利用核磁共振(NMR)无损害测试方法,结合煤矿实际需求,从孔隙负压和表面活性剂两个方面对煤层水锁效应解除方法进行实验研究。结果表明:随孔隙负压的增加,核磁共振T2截止值可分为3个阶段:“稳定—降低—稳定”阶段。当煤层内的孔隙负压小于360.9 Pa时,煤层内的外来水会堵塞煤体孔隙,产生煤体水锁效应;当孔隙负压大于769.6 Pa时,能够消除水分对煤层孔隙的封堵,解除煤层水锁效应。在表面活性剂方面,阴离子和非离子表面活性剂溶液可以解除煤体中的水锁效应,有利于瓦斯抽采,且阴离子表面活性剂溶液解除水锁程度要大于非离子表面活性剂溶液;阳离子表面活性剂溶液会抑制煤层水锁效应的解除,阻止瓦斯在煤层中的运移,抑制瓦斯的抽采。

2018 Vol. 43 (8): 2280-2287 [摘要] ( 26 ) [HTML new] [PDF 1921KB] ( 107 )
2288 汤积仁,王相成,卢义玉,敖翔,韩帅彬
页岩-煤吸附CO2 时间效应及变形各向异性试验研究

       为对比研究页岩和煤在CO2 作用下吸附解吸与变形特性,采用四川盆地龙马溪组页岩和塔山煤矿煤样,利用“高温高压页岩吸附膨胀仪” 在0 ~16 MPaCO2 压力下对以上两类样品进行了长达2 000 h 的等温吸附及变形试验。结果表明:在渗透率和CO2 密度共同影响下,页岩和煤吸附平衡时间在0 ~6 MPa 内随平衡压力升高逐渐增加;当CO2 压力到达临界压力附近时,吸附平衡时间急剧缩短(页岩9.3 h,煤4.8 h);继续升高平衡压力,平衡时间再次增加。垂直、平行层理方向弹性模量的差异致使页岩变形各向异性随平衡压力升高不断减弱;煤变形各向异性比页岩更显著,随平衡压力升高波动性较大。页岩在气体压力为10 MPa 附近达最大吸附量0.082 mmol/ g,其体积应变量与吸附量满足二次函数关系。煤在气体压力为7 MPa 附近达最大吸附量1.421 mmol/ g,其体积应变量与吸附量呈现良好的线性关系。

2018 Vol. 43 (8): 2288-2295 [摘要] ( 12 ) [HTML new] [PDF 3261KB] ( 87 )
2296 刘玉,李顺才,马立强,周楠
水沙混合物非Darcy裂隙渗流试验研究

西部煤田因埋藏浅、厚度大,常采取大采高、快速推进的方式开采,开采时,覆岩破坏易形成贯通裂隙,当煤层上方存在水源和厚沙层时,易引发采场突水溃沙事故。裂隙中水沙混合物的渗流规律及失稳条件是探究突水溃沙的关键问题,以径向裂隙岩样和不同粒径、不同质量浓度的水沙混合物为研究对象,设计一套裂隙水沙混合物渗流试验系统;通过改变沙的质量浓度和粒径大小进行裂隙水沙混合物渗透特性测试,得到水沙混合物裂隙渗流特性参数(有效流度Ie 和非Darcy 流因子β)。试验结果表明:当沙粒径小于0.180 mm、质量浓度小于80 kg/ m3 时,水沙混合物可以视为幂律型流体;随着沙质量浓度和粒径增大,稠度系数增大,幂指数随之减小。水沙混合物在裂隙中渗流速度-压力梯度可用二项式关系式拟合。有效流度Ie、非Darcy 流因子β 与水沙混合物的质量浓度ρs 分别呈幂指数函数关系,随质量浓度增大有效流度Ie 也随之增大,非Darcy 流因子β 则随之减小。水沙混合物在裂隙岩石渗流时,沙质量浓度和粒径对渗流参数都产生影响,但沙密度是主要影响因素。

2018 Vol. 43 (8): 2296-2303 [摘要] ( 15 ) [HTML new] [PDF 2782KB] ( 59 )
2304 徐良骥,朱小美,刘曙光,黄 璨
不同粒径煤矸石温度场影响下重构土壤水分时空响应特征

为研究煤矸石基质风化过程中温度场变化引起的充填复垦重构土壤水分时空响应特征,选取不同粒径级配同等覆土厚度的煤矸石充填复垦田间试验小区,分层分区埋设温度和湿度传感器,动态监测重构土壤不同梯度的温度及水分。实验结果表明:煤矸石层及充填界面温度总体低于土壤剖面15 cm(H1 层),25 cm(H2 层)处温度,高于35 cm(H3 层) 处土壤温度,说明地表热传导作用于H1,H2 层土壤,但是在充填界面上存在由煤矸石风化作用引起的温度场变化演替现象;复垦地土壤水分随土壤深度的增加而降低,各复垦地土壤水分总体分布趋势为中粗粒径>细粒径>粗粒径,中粗粒径和细粒径复垦地块土壤水分平均差异值为3.7%;H3 层土壤温度与煤矸石层温度相关性最高;试验地各层土壤水分与煤矸石层温度相关系数大小呈H3>H2>H1;各复垦地土壤温度与水分相关性显著,粗粒径复垦地块的平均相关性系数为0.716,中粗粒径复垦地块的平均相关性系数为0.668,细粒径复垦地块的平均相关性系数为0.626。

2018 Vol. 43 (8): 2304-2310 [摘要] ( 17 ) [HTML new] [PDF 4377KB] ( 67 )
2311 黎艳,王晓军
铜离子在钙基蒙脱石上的吸附解吸行为

吸附去除水溶液中重金属离子是废水处理研究最主要内容之一,而它的工业应用受限于吸附剂的解吸效率。利用动力学及Langmuir 等温模型研究了铜离子在钙基蒙脱石上的吸附解吸行为。结果表明:吸附容量和去除率主要受铜离子初始浓度及溶液pH 值的影响,当初始浓度为40.84 mg/ L 且pH>6 时,99%的铜离子可被蒙脱石吸附去除。吸附过程符合伪二级动力学和Langmuir等温模型,线性相关性均在99%以上,吸附容量的实验值与Langmuir 模型计算值相吻合。吸附的铜离子很容易在高浓度的氯化钠溶液中解吸出来,解吸率可达90%。连续4 次吸附解吸后蒙脱石仍保持较强的吸附能力,且每次解吸后因层间为更易交换的钠离子,使前两次再生的蒙脱石吸附容量高于首次钙基蒙脱石的吸附容量。利用XRD 对吸附及解吸前后的蒙脱石进行表征,结果与上述实验一致。

2018 Vol. 43 (8): 2311-2317 [摘要] ( 12 ) [HTML new] [PDF 2101KB] ( 60 )
2318 涂亚楠,王卫东,李峰,徐志强,邵帅
离心力场中瘦煤水煤浆的沉降失稳特性

将离心加速沉降和Turbiscan 背散射光稳定性检测技术联合用于水煤浆稳定性分析,研究了一种瘦煤水煤浆经不同离心转速和离心时间处理后的沉降失稳特性。研究结果表明,水煤浆在静置状态下的失稳过程表现出显著的分层特征,而离心状态下主要表现出体系压缩过程而没有显著分层现象。但无论是静置还是离心处理,主导水煤浆失稳的核心因素均是颗粒的聚并和体系沉降。其中,颗粒的聚并主导了中部沉降区和底部沉淀区的演化过程,而体系的整体沉降则主导了表层的析水过程。研究发现,通过分析样品底部5 mm 区域的稳定性指标可以辨析样品出现软沉淀的时刻及其演化期,以及硬沉淀开始生成的时间。这个发现为快速、定量和准确表征水煤浆稳定性提供了参考。

2018 Vol. 43 (8): 2318-2323 [摘要] ( 17 ) [HTML new] [PDF 1467KB] ( 59 )
2324 杜国昌,张双全,岳晓明,朱俊生,杨昌,刘闯
原料煤的结构特性和添加剂对活性炭孔隙结构及吸附CO2 性能的影响

选用5 种原料煤,3 种添加剂分别考察煤结构特性和添加剂种类对制备活性炭性能的影响,以比表面积、孔径分布、CO2 吸附量、碘值、微晶结构尺寸对活性炭进行表征。结果表明:由于5 种原料煤结构特性的不同,经炭化之后微晶高度和层片宽度都有不同程度的变化。太西煤炭化料的微晶结构在后期活化阶段最为适宜,从而以灰分低、挥发分适中的太西无烟煤为原料,制备的活性炭微孔最为发达,吸附CO2 的性能最佳;3 种添加剂中NH4Cl+KNO3 效果最为显著,制备的活性炭比表面积为1 093 m2 / g,微孔孔容为0. 415 mL/ g,CO2 的吸附量为2.41 mmol/ g(0.1 MPa,25 ℃)。

2018 Vol. 43 (8): 2324-2329 [摘要] ( 21 ) [HTML new] [PDF 1869KB] ( 90 )
2330 司桐,王春波,严雪南,岳爽
新型喷淋散射法深度脱除SO2 实验研究及能效分析

搭建了新型喷淋散射塔实验台,研究了液气比、浸液深度、SO2 浓度、石灰石浆液质量浓度和pH 值等参数对SO2 脱除效果的影响。相同工况下,新型喷淋散射法比喷淋或鼓泡模式具有更高的脱硫效率;随液气比、浸液深度、浆液pH 值的增大,脱硫效率呈逐渐增大的趋势,而SO2 浓度变化对脱硫效率几乎没有影响。同时,计算了实际运行中的喷淋散射塔和喷淋塔的能效,分析了脱硫系统中循环泵、增压风机和氧化风机等主要设备的能耗。以某300 MW 机组为例,只考虑运行成本,喷淋散射塔主要设备的能耗约是喷淋塔的1/2,年节省标煤近8. 8×103 t。

2018 Vol. 43 (8): 2330-2337 [摘要] ( 15 ) [HTML new] [PDF 2368KB] ( 53 )
2338 葛帅帅,秦大同,胡明辉,刘永刚
不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化

为了在不同截割工况下实现采煤机安全运行和高效生产,以牵引速度、滚筒转速为优化变量,以齿轮动载荷、采煤生产率、块煤率以及截割比能耗为子目标,建立了采煤机截割性能多目标优化模型;提出了基于权重系数轮换的各性能子目标权重系数的寻优方法,以确定适应不同截割工况的最优权重组合。利用遗传算法优化得到正常煤层、夹矸煤层和岩石断层工况下随截割阻抗变化的最优牵引-截割运动参数,并对比分析最优运动参数控制和传统牵引调速控制下采煤机的截割性能。结果表明,与传统牵引调速控制相比,采用最优运动参数控制不但明显提高了正常煤层和夹矸工况下的采煤经济性能,而且可安全快速通过断层区;此外,滚筒转速在24 r/ min 附近时截割传动系统出现局部共振,因此滚筒变速截割时应避免在共振转速下运行。所得结果为采煤机自适应变速截割的实施提供参考。

2018 Vol. 43 (8): 2338-2347 [摘要] ( 15 ) [HTML new] [PDF 5754KB] ( 70 )
2348 谢春雪,刘治翔,毛君,谢苗,卢进南
卡链工况下刮板输送机扭摆振动特性分析

考虑到常规研究刮板输送机卡链工况时仅考虑双侧同样载荷卡链工况,主要研究单侧卡链工况及其对刮板链条体系扭摆振动特性的影响。对卡链故障的产生原因以及卡链载荷的模拟施加方式进行了分析。研究了刮板输送机卡链工况的力学模型,选用Voigt 模型建立刮板输送机扭摆振动动力学模型,使用Matlab 软件建立动力学方程和状态方程,对建立的动力学方程构造出函数子程序,实现动力分析的前处理。通过仿真分析得到卡链位置前后物料不同的4 种工况下刮板链条体系扭摆振动速度、加速度以及张力情况,并进行了实验验证。研究结果可知,卡链过程会引起刮板链条体系强烈的扭摆振动,并且初始时候无物料情况下,扭摆振动更明显。前后方均有物料情况下,扭摆振动稍有减弱。

2018 Vol. 43 (8): 2348-2354 [摘要] ( 14 ) [HTML new] [PDF 2184KB] ( 53 )
2355 秦亚光,罗周全,罗贞焱,黄俊杰
复杂采空区三角网模型任意方向剖面生成算法

三维激光探测技术能有效探测并获取采空区复杂形态的点云数据,进而可构建采空区三角网模型。采空区三角网模型及其剖面能够在空区相邻采场设计、周围构筑物安全分析等方面提供依据。由于采空区实际形态复杂,如何精确生成其剖面轮廓线并有效封闭模型断面成为基于复杂采空区三角网模型任意方向剖面生成技术研究的关键。研究形成了一种新的复杂采空区三角网模型任意方向剖面生成算法,实现了确定任意剖切平面的多种交互方式、基于简化判据的相交判断和交线的提取、交线首尾相邻判断的剖面轮廓线生成,以及结合切耳法、插值和线圈间三角剖分的模型断面封闭等主要功能。实际应用表明:所建立的算法剖面生成效率及生成剖面轮廓线精度高,模型断面封闭结构完整。

2018 Vol. 43 (8): 2355-2360 [摘要] ( 19 ) [HTML new] [PDF 3631KB] ( 61 )
2361 薛少华,谭建平,邓积微,石理想
矿井井筒中电磁波传播特性研究与无线通信试验

为获得矿山井筒环境中的无线信道特性,在矿山井筒中开展了2. 4 GHz 典型电磁波频段在定向天线点对点通信形式下的窄带与宽带测量试验,呈现了路径损耗、时延扩展等关键信道参数及其分布规律并与地下巷道信道进行了对比讨论。结果表明:路径损耗系数小于自由空间,表现出波导效应;RMS 时延扩展符合对数正态分布,其均值小于巷道中的测量结果;随罐笼深度的增加,RMS 时延扩展先增加后减小;90%相干度带宽在绝大多数情况下小于12 MHz,可传输视频、语音、数据;综合来看井筒环境中信道条件良好。在信道认知的基础上设计了基于WLAN 的罐笼无线视频监控系统,该系统在现场运行一年多效果良好。这些研究对井筒通信与监测系统设计提供了重要依据和参考。

2018 Vol. 43 (8): 2361-2366 [摘要] ( 31 ) [HTML new] [PDF 2144KB] ( 76 )


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