采矿与安全工程学报

张源, 万志军, 李付臣

2012, 29(4): 451-458.

摘要 ( 5963 )

PDF (618KB) ( 4498 )

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为了掌握不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形的机理，采用矿用钻孔窥视仪对不稳定覆岩下的沿空掘巷顶板岩层进行了钻孔摄像观测，提出了“基本测量尺度-裂隙条数法”钻孔裂隙统计方法，采用该方法对沿空掘巷顶板岩层中的裂隙进行了统计分析，并研究了裂隙分布及其演化规律。研究表明：纵向裂隙和横向裂隙为不稳定覆岩下沿空掘巷顶板岩层中2种基本的裂隙形式，其中纵向裂隙多分布于巷道上部顶板岩层中，而横向裂隙多出现在靠近采空区煤壁的顶板下部岩层中；随着上区段采空区上覆岩层稳定时间的延长，纵向裂隙逐渐演化成断裂带，横向裂隙逐渐演化成离层和径向错位，2种裂隙相互交叉延展极易形成异常破碎带；不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形的根本原因是基本顶的断裂、回转和滑移，控制该类巷道围岩大变形的基本思路就是控制基本顶断裂后的关键块的回转和滑移。

掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分布研究

郑西贵, 姚志刚, 张农

2012, 29(4): 459-465.

摘要 ( 7420 )

PDF (676KB) ( 5586 )

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基于理论分析、FLAC3D数值模拟及现场工程实践的方法，研究了不同宽护巷煤柱沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律，分析了煤柱宽度对沿空掘巷煤柱和实体帮应力演化的影响。提出确定沿空掘巷合理煤柱宽度时，不仅需考虑掘巷扰动影响，还应将本工作面的超前采动影响作为一个重要影响因素。研究结果表明：仅考虑掘巷扰动影响时，沿空掘巷煤柱宽度应大于6 m，此时掘巷稳定后围岩变形量较小；当考虑超前采动影响时，煤柱增加到8 m后不仅对控制回采期间沿空掘巷两帮变形量的作用不再显著增加，反而会使顶底板变形量增大，因此合理的护巷煤柱宽度为8 m。

大采高沿空留巷围岩分位控制对策与矿压特征分析

薛俊华, 韩昌良

2012, 29(4): 466-473.

摘要 ( 5540 )

PDF (594KB) ( 4236 )

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结合沙曲矿24207工作面的生产条件，运用理论分析和数值模拟方法探讨了采高因素影响下沿空留巷顶板应力的分布特性，得到了4.2 m大采高条件下留巷全断面变形分布特征。沿空留巷处于采空区侧向支承应力区的应力降低带；工作面采高越大，则其对岩层活动的影响幅度及范围就越广；大采高沿空留巷采动期间将发生剧烈变形，断面收缩率达到55.3%，需针对留巷各个边位的变形特征分别采取有效的支护控制对策；留巷断面选择最优跨高比并采用以高初撑力为核心的高强支护体系，能够合理控制围岩变形。工业性试验及观测数据表明，留巷受采动剧烈影响范围为工作面至后方200 m，与工作面倾斜长度相当，该范围内巷道变形持续增长，顶板压力不断增加，工作面后方250 m以外，矿压显现趋于稳定。

软弱破碎围岩高强高预紧力支护技术与应用

王宏伟, 姜耀东, 赵毅鑫

2012, 29(4): 474-480.

摘要 ( 4655 )

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为了达到对软弱破碎围岩巷道的一次支护到位，从加固破碎岩体、提高支护阻力和降低围岩采动应力3方面综合研究入手，提出了以高强高预紧力锚网喷主动支护为基础，配合U型钢可缩支架的支护方式，旨在使各支护方式在承载力上优势互补，并且充分调动围岩的承载能力，使支护体系与围岩形成承载整体。基于小康矿和木城涧矿等不同地质条件下的软弱破碎围岩巷道变形破坏原因，分析了软弱破碎围岩巷道破坏特征和高强高预紧力支护技术特点。现场试验结果表明，针对不同地质条件，高强高预紧力支护技术能够通过调动深部稳定岩层的承载能力和提供较大支护阻力等手段有效控制巷道围岩的剧烈收缩，并且一定程度上降低了工作面采动应力的影响，取得了良好的支护效果和经济效益。

深部高应力软岩巷道变形破坏特性研究

孟庆彬, 韩立军, 乔卫国

2012, 29(4): 481-486.

摘要 ( 4845 )

PDF (561KB) ( 4269 )

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以济北矿区唐口煤矿为工程背景，基于巷道围岩地质力学测试，阐述了深部高应力软岩巷道的基本工程地质特征；基于Burgers流变模型的黏弹性理论分析，得到深部高应力软岩巷道围岩表面位移及位移速率的表达式，并利用数学软件Matlab绘制了不同原岩应力、弹性模量和黏滞系数的巷道围岩表面位移及变形速率随时间的变化曲线；采用FLAC3D模拟了深部高应力软岩巷道的流变特性，分析了在高应力作用下，软岩巷道围岩的顶板、底板和两帮的流变变形规律。

大尺寸高水材料巷旁充填体蠕变特性试验研究

孙春东, 张东升, 王旭锋

2012, 29(4): 487-491.

摘要 ( 4977 )

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针对高水材料巷旁充填体具有蠕变特性的特点，采用自行研制的大尺寸（1500 mm×600 mm×900 mm）蠕变实验系统和FLAC3D数值模拟软件对其蠕变特征进行了试验研究，分析了高水材料充填体蠕变过程中瞬时、稳定及加速3个阶段位移和应力随时间的变化特征，指出充填体蠕变极限载荷随高水速凝材料水灰比降低而提高；结合充填体在加速蠕变阶段变形速度过大的特点，为确保井下充填体长期稳定，需保证充填体保持在稳定蠕变阶段，认为充填体载荷不超过其强度的70%~80%时较为合理。

富水基岩井筒冻结壁砂质泥岩力学特性试验研究

杨更社, 吕晓涛

2012, 29(4): 492-496.

摘要 ( 4137 )

PDF (421KB) ( 3278 )

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在深厚表土层或基岩中建设煤矿井筒，冻结法是有效穿越不稳定的厚表土层或基岩的有效施工方法。为了给立井冻结壁和井壁设计提供合理的设计参数，对冻结壁岩石的力学特性试验很有必要。以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结施工工程为背景，对主井井筒砂质泥岩，进行了不同冻结温度梯度状态下的单轴、三轴力学特性试验研究。研究了砂质泥岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度和变形特性的变化规律。试验结果表明：随着冻结温度的降低，冻结砂质泥岩的强度在提高，主要原因是温度降低时，岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的强度得到提高。

高垂直应力状态下巷道围岩分区破坏特征试验研究

洛锋, 杨本生, 孙利辉

2012, 29(4): 497-504.

摘要 ( 5976 )

PDF (1151KB) ( 4223 )

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通过自行研制的CM60/10平面应变试验台配合三轴伺服试验机，发挥伺服稳压性能，采用相似材料模拟配合数值模拟验证的手段，分析了高地应力 <1状态下无支护巷道围岩破坏过程及特征。试验结果表明：1）破坏首先发育在巷道两帮中线，局部破坏产生后，逐渐形成一对“楔形”破坏区域。在应力卸压区内，围岩呈分区破裂形式。深部滑移线由“楔形”破坏区域尖端点处开始延伸，基本符合对数螺线形式；2）巷道破坏过程中，依次出现“楔形破裂带”，“二次破裂带”“贯通失稳带”3个过程分区。研究指出此类地应力下不同变形时期内，除控制顶底板初始变形外，围岩裂隙控制的重点应依次在巷道两帮、肩部和底角、顶板；3）通过对 <1状态下围岩破坏的数值模拟发现：两帮围岩垂直应力呈“波浪状”分布，塑性破坏区呈“分区演化”，垂直位移呈“锯齿状”分布，与物理试验基本吻合。

煤层气注热开采的热-流-固耦合作用分析

张凤婕, 吴宇, 茅献彪

2012, 29(4): 505-510.

摘要 ( 4908 )

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如何提高煤层气产量是目前煤层气开采研究中的重要课题。煤层气在煤层孔隙中主要以吸附状态存在，提高煤层温度可以促使气体由吸附态转变为游离态，增加其渗流扩散能力。根据热弹性力学、非线性达西渗流理论和多孔介质热力学原理，对在煤层中注热提高煤层气产量的机理进行了系统研究，建立了包含煤的变形方程、气体渗流方程、热传导方程的热流固多物理场耦合数学模型。在此基础上利用COMSOL Multiphysics 数值软件，对耦合模型进行了数值求解，结果表明：注热后煤层温度升高可以促进煤层气解吸、提高煤层渗透率，增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论基础。

煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究

苏承东, 唐旭, 倪小明

2012, 29(4): 511-515.

摘要 ( 6554 )

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通过对漳村煤矿3#煤层煤样进行单轴压缩、巴西劈裂、捣碎法以及点荷载试验，对试验结果进行分析。结果表明：捣碎、巴西劈裂、单轴压缩和点荷载试验结果的离散程度依次增大；非规则试样与规则试样相比，点荷载试验结果的离散程度明显偏大，规则试样平行层理与垂直层理加载方式得到的点荷载强度结果大致相同；煤样的坚固性系数、单轴抗压强度、抗拉强度与点荷载强度具有关联性，能够实现相互转换得到相应参数，转换后的强度参数可为煤体强度分级指标的确定提供了依据。

基于矿图的微地震事件时空域可视化处理

缪华祥, 姜福兴, 宋雪娟

2012, 29(4): 516-521.

摘要 ( 3413 )

PDF (596KB) ( 2535 )

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为了使微地震监测结果能有效地反映岩体破裂的动态过程,研究了微地震定位数据在矿图上合成显示的方法。将数字化的矿图、微地震定位数据和事故数据分别转换到大地、工作面和固定工作面3个不同的坐标系中，实现了矿图、微地震定位数据和事故数据在不同时空域中的联合处理和显示，并开发了基于矿图的微地震事件时空域可视化处理软件。现场使用结果表明：在不同坐标系中，基于矿图的微地震事件时空域可视化图件，直观地展示了微地震定位数据与岩层破裂的动态过程和特点,可以在采矿工程中广泛应用。

冲击危险区卸压减震开采机理的相似模拟

吴向前, 窦林名, 陆菜平

2012, 29(4): 522-526.

摘要 ( 2763 )

PDF (394KB) ( 2279 )

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为了提高冲击危险煤层的开采安全和生产效率，研究了冲击危险性煤层卸压减震的解放开采机理。依据相似理论，以济宁三号煤矿十二采区地质开采条件为基础，进行了解放层开采的相似材料模拟试验研究。试验结果表明：解放开采对被解放层及其上下方岩体的应力集中水平及能量积聚程度均在一定程度上得到弱化；解放层下方煤岩层向采空区膨胀变形，形成解放带，解放层上覆顶板垮落压实后，对被解放层变形、破坏有所减缓；解放层采空区形成人造“松散破碎弱结构”，可充分吸收顶板震源能量，对下方煤层开采起到了减震解放作用。这一机理在冲击矿压防治工程实践中得到了验证。

基于粗糙集与遗传算法的岩爆倾向性预测方法研究

李亚丽

2012, 29(4): 527-533.

摘要 ( 2505 )

PDF (522KB) ( 2321 )

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结合粗糙集理论与遗传算法，提出一种新的岩爆倾向性预测方法。以碳化矿床采场工作面岩爆倾向性预测为例，选取9种岩爆影响因素作为条件属性，将采场工作面岩爆倾向性结果作为决策属性，选取77组采场岩爆或非岩爆工程实例数据，构成岩爆倾向性预测样本集合。将样本集合随机分为训练样本和测试样本2个集合，对2个集合的属性值进行量化，建立训练样本决策表与测试样本决策表。采用遗传算法对训练样本决策表的条件属性进行约简，得出条件属性的最小约简和核。应用粗糙集理论从约简结果中提取精简的岩爆倾向性判别规则集。用获得的规则集对测试样本决策表中的岩爆倾向性进行预测，并与实际结果对比，验证了判别规则集的可行性和有效性。结果表明，基于粗糙集与遗传算法的岩爆倾向性预测方法更具客观性和科学性，有较高的工程实用价值。

类VCR法在金属矿采空区放顶工程中的应用

陈先锋, 钟永晓, 王亚平

2012, 29(4): 534-537.

摘要 ( 3248 )

PDF (578KB) ( 2299 )

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融冠矿业西矿区▽1 158以下水平将改用无底柱分段崩落法回采，为保证回采工作顺利进行，需对在▽1 158水平的众多采空区实施强制放顶，从而形成足够厚度的覆盖层。针对典型采空区，通过数值模拟分析了采空区稳定性，结合现场条件提出类VCR法处理方案，即通过采空区放顶工程相关爆破参数设计，实施一次起爆放顶工艺。实践结果表明，类VCR法是处理采空区切实有效，是对常规放顶方法的重要补充与改进。

分段空场崩落采矿法顶板稳定性分析

周宗红, 侯克鹏, 任凤玉

2012, 29(4): 538-542.

摘要 ( 3811 )

PDF (449KB) ( 2684 )

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蜂子山铅锌矿ⅪV1主矿体上下盘围岩均不稳固，试验应用改进的分段空场崩落采矿法。采用三维有限元对其护顶矿层和隔离矿柱的稳定性进行模拟分析。通过比较4种方案的应力、安全率和塑性区分布，优选了合理的采场结构参数。研究结果表明：矿房回采时，护顶层厚度对顶板稳定性有显著影响，顶板稳定性随护顶层厚度增加而提高；采场跨度对顶板稳定性也有较大影响，随采场跨度增加而降低。选取适当的护顶层厚度和控制采场跨度可有效保证空场稳定性，论文研究成果可为实际采矿设计和岩层控制提供理论依据。

空区顶板安全厚度和临界跨度确定的数值模拟

张敏思, 朱万成, 侯召松

2012, 29(4): 543-548.

摘要 ( 8300 )

PDF (537KB) ( 5063 )

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为了确定空区上方顶板厚度和临界跨度之间的关系，本文以某露天铁矿采空区群为工程实例，通过现场取样测定的岩石力学参数为基础获得顶板岩体力学参数，采用K.B.鲁别涅依他公式法、厚跨比法、结构力学梁理论、平板梁理论法对其进行计算。同时，作者利用RFPA数值模拟方法对空区顶板的损伤及垮塌过程进行数值模拟，计算空区顶板发生初始损伤和失稳垮塌时顶板安全厚度与临界跨度之间的关系。K.B.鲁别涅依他公式法所得结果与RFPA计算的顶板发生初始损伤时的数值结果最为接近，两者的比值可认为是从数值模拟获得的安全系数。由此可见，由K.B.鲁别涅依他公式法计算的顶板临界厚度保留了很大的安全系数，基于RFPA的数值模拟可以计算该安全系数，具有更为广泛的适用性。

煤矿塌陷水域水环境现状评价及综合利用分析

徐良骥, 严家平

2012, 29(4): 549-554.

摘要 ( 4705 )

PDF (416KB) ( 3366 )

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为了准确评价煤矿塌陷水域水质，采用主成分分析法和模糊综合评价法2种方法并进行改进，构建煤矿塌陷水域水质综合评价模型。选择了淮南潘集矿区14个大型塌陷水域，布设采样点对水质采样监测，综合评价塌陷水域水质污染现状。评价结果显示，改进后的主成分分析法计算的第一主成分方差贡献率显著提高，方差贡献率达98%；第一主成分方差贡献率大于85%，采用第一主成分所有指标作为模糊综合评价法评价因子，评价结果显示各塌陷水域受到了不同程度的污染。由于选取了统一的评价指标项，同类型塌陷水域的水质评价结果具有可比性，评价结果可以为合理规划利用塌陷水域水资源、建设淮南“平原水库”提供基础资料。

基于支持向量机（SVM）综合地质环境评价研究

都平平

2012, 29(4): 555-558.

摘要 ( 2827 )

PDF (415KB) ( 2099 )

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榆神府矿区位于毛乌素沙地与陕北黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，该矿区煤层埋藏浅、开采厚度大、上覆基岩厚度较薄且有松散潜水含水层分布。区内常年干旱少雨、植被稀疏，是典型的生态脆弱区，大规模煤层开采容易导致较严重的地质环境问题。分析了影响研究区生态环境的地质采矿因素，研究煤层开采对各地质环境因素的影响；采用支持向量机（SVM）理论和方法，建立了综合地质环境质量评价及预测非线性模型，对研究区煤炭资源开采地质环境多因素非线性相互作用演变结果进行了评价和预测，得到了5个等级综合地质环境现状分区、开采变化的预测结果。该方法在评价复杂地质环境多因素非线性相互作用及预测综合地质环境演变方面具有更科学、精细、接近现实的效果。

直巷道中突出冲击气流的形成及传播特征研究

王凯, 周爱桃, 魏高举

2012, 29(4): 559-563.

摘要 ( 3225 )

PDF (366KB) ( 2430 )

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煤与瓦斯突出产生的冲击气流有很强的破坏效应，首先分析了突出冲击气流的形成原因；然后建立了直巷道的几何结构模型，设定相应的初始条件与相关参数，对突出冲击气流的运动过程进行了数值模拟计算，得出了不同时刻的冲击气流压力、速度以及瓦斯相对质量浓度在巷道内的分布情况，同时分析突出发生区域出口断面处的冲击气流平均压力和速度随时间变化过程，并根据模拟结果得出定性与定量化的结论；最后，构建了煤与瓦斯突出在直巷中传播的实验系统，通过实验的手段分析了冲击波在直巷中衰减规律。研究结果表明，突出能在巷道空间内形成较高速度运动的冲击气流及冲击波；与突出区域原始瓦斯压力相比，冲击气流压力发生了急剧下降；冲击气流强度在断面不变的直巷道中传播会发生衰减，前期超压衰减较为缓慢，后期超压衰减增快。

下向穿层钻孔综合水力化防突技术研究

刘震, 李增华, 杨永良

2012, 29(4): 564-569.

摘要 ( 2354 )

PDF (982KB) ( 2522 )

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针对近距离、低透气性、极松软突出煤层群区域防突难题，提出了下向穿层钻孔综合水力化防突技术。理论分析了下向穿层钻孔综合水力化防突技术防突机理。模拟了注水润湿前后不同孔径钻孔周围煤体应力分布规律。结果表明：水力冲煤孔径增加，钻孔卸压范围增加；相同孔径，注水软化同时增加卸压范围；增加水力冲煤孔径的卸压效果优于注水软化的卸压效果；卸压影响范围与水力冲煤半径负倒数存在指数函数关系。根据技术原理，研发了下向穿层钻孔综合水力化技术工艺，建立了技术防突效果指标考核体系。该技术在青东煤矿得到成功应用，为该条件下区域防突提供新的技术途径。

不同应力路径下含瓦斯煤渗透特性的实验研究

朱卓慧, 冯涛, 谢东海

2012, 29(4): 570-574.

摘要 ( 2545 )

PDF (422KB) ( 2986 )

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通过对含瓦斯煤渗透特性的实验研究，系统分析了不同应力路径下含瓦斯煤的渗透率变化规律，建立了含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压及瓦斯压力等之间的定性与定量关系，探讨了不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明应力路径对含瓦斯煤的渗透率有着重要影响：1）含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增加而减小，随瓦斯压力的增加而增加。2）含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力呈指数关系变化。3）三轴压缩下全应力-应变实验过程中，含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型走势；渗透率随煤样的应变先减小后增大，然后达到最大值，而且渗透率的增加速率小于其减小速率。

煤自燃过程温升特性及产生机理的实验研究

许涛, 王德明, 辛海会

2012, 29(4): 575-580.

摘要 ( 3011 )

PDF (516KB) ( 2505 )

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为了研究煤在自燃过程中会出现温度上升突然加快所产生的原因，为煤矿现场煤炭自然火灾的防治工作提供理论依据，采用绝热法、程序升温法对北皂褐煤氧化过程中自热升温特性、耗氧、CO，CO2气体产物特性的研究，提出煤的氧化过程具有分阶段性，主要可以分为2个阶段：低温缓慢氧化阶段和高温快速氧化阶段；并采用原位傅里叶红外光谱实时连续地采集了北皂褐煤表面主要活性官能团在氧化过程中的变化规律。实验结果表明：煤的分阶段特性主要是由于OH的反应导致的，OH反应吸热是低温阶段热量难以积聚的主要原因，当OH反应消耗殆尽时，煤中热量迅速积聚，煤温迅速升高。

工作面采动瓦斯流场分布规律研究

董钢锋, 胡千庭, 王振

2012, 29(4): 581-585.

摘要 ( 5225 )

PDF (546KB) ( 3721 )

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掌握采空区瓦斯分布规律，是制定合理的抽采采空区瓦斯技术方案的前提。基于五虎山煤矿1201工作面回采过程中出现回风瓦斯超限的状况，在分析该工作面的瓦斯涌出来源的基础上，采用FLUENT数值软件，对1201工作面的采动瓦斯流场分布进行了模拟研究，模拟结果合理的解释了正常回采和顶板来压期间瓦斯涌出的不同规律，并为该工作面采空区瓦斯治理技术方案的制定提供了理论依据。现场实测结果证明了研究结论的科学、可靠性。

基于实时监测数据的综采工作面瓦斯涌出特征分析

张仕和, 才庆祥, 陈开岩

2012, 29(4): 586-590.

摘要 ( 3094 )

PDF (428KB) ( 2384 )

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根据盘江煤电公司土城煤矿15158综采工作面的瓦斯实时监测数据，采用数理统计的方法，分析工作面顶板来压和推进速度与瓦斯涌出之间的关系。研究表明，工作面瓦斯涌出的总体平均水平与工作面采煤推进速度关系密切。每班割煤刀数多，总体平均瓦斯涌出量则大，明显呈现出与工作面从初采、稳产到收尾3阶段产量相应变化的3个区域。工作面平均绝对瓦斯涌出量与班产量有很强的负幂函数关系；顶板来压是工作面瓦斯峰值出现、导致瓦斯涌出不均衡的主要原因。

高温高压平衡水分条件下变形煤的吸附-解吸特性

宋志敏, 刘高峰, 杨晓娜

2012, 29(4): 591-595.

摘要 ( 4935 )

PDF (382KB) ( 3930 )

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选用平顶山矿区十二矿己组煤层的不同类型变形煤作为研究煤样，模拟深部煤层瓦斯赋存条件，开展高温高压平衡水分条件下的吸附-解吸实验。研究结果表明，50℃条件下，煤的平衡水分含量随煤的破坏程度的增加有增大的趋势；高温高压平衡水分条件下，变形煤表现出吸附-解吸新特性，即随煤的破坏程度增加，朗格缪尔体积VL（无灰基）具有先减小，后增大，再减小的趋势，呈波浪状。分析表明，变形煤表现出的吸附-解吸新特性，是变形煤特有的孔隙结构和水分含量的差异综合作用的结果。变形煤吸附-解吸不可逆，解吸滞后；随着煤的破坏程度增加，煤的吸附-解吸不可逆程度加大。因此，在开展实验研究煤、特别是变形煤的解吸特性时，不能用吸附实验数据简单代替。

基于钻孔瓦斯流量和压力测定有效抽采半径

余陶, 卢平, 孙金华

2012, 29(4): 596-600.

摘要 ( 5619 )

PDF (438KB) ( 4354 )

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为了准确的测定有效抽采半径，提出基于钻孔瓦斯流量和压力的测定方法。以抽采钻孔影响范围内残余瓦斯压力小于0.74 MPa且预抽率大于30%为指标，基于钻孔瓦斯流量的负指数衰减规律，推导出有效抽采半径计算公式，并结合瓦斯压力变化共同确定有效抽采半径。该方法应用于区域预抽消突钻孔布置中，分析了不同预抽时间下的钻孔有效抽采半径和极限抽采时间，并依据预抽90 d有效抽采半径为2.5 m，布置消突钻孔。残余瓦斯压力和预抽率的检验以及煤巷掘进期间的区域验证，均证明按该方法布置的预抽钻孔，消突效果有效。

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