采矿与安全工程学报

姜福兴, 尹永明, 朱权洁, 温经林

2014, 31(2): 167-174.

摘要 ( 1785 )

PDF (878KB) ( 2208 )

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基于高精度微地震监测技术，并结合岩石力学理论进行分析，得到滕东生建煤矿3107工作面回采过程中覆岩运动规律，对千米深井厚煤层开采条件下小采宽综放工作面支架围岩关系进行了研究。结果表明，微震事件在低位岩层高密度分布，在高位岩层低密度分布；微震事件在空间和时间上的周期性分布规律与顶板岩层的周期运动过程相一致，高位岩层的断裂强迫低位岩层断裂；工作面支架围岩关系随着基本顶的周期性断裂运动存在2种情况：1) 基本顶非周期来压期间，支架压力来源于厚度4.4 m的顶煤、厚度20 m的下位直接顶和部分厚度15 m的上位直接顶共同产生的静压；2) 基本顶周期来压期间，支架压力来源于基本顶断裂产生的动压以及顶煤和直接顶产生的静压。动压对支架产生冲击载荷，这是工作面支架被压死的主要原因，通过提前减小顶煤放出率、减小支架控顶距等措施，可减弱动压对支架的冲击影响。

扰动载荷对冲击矿压危险性的影响研究

卢爱红, 茅献彪, 逄增伟

2014, 31(2): 175-179.

摘要 ( 1482 )

PDF (890KB) ( 2023 )

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能量积聚程度及积聚位置是判别冲击矿压是否发生的2个重要参数，据此提出了评价冲击矿压危险性的能量密度准则。运用LS-DYNA模拟了扰动载荷作用下巷道围岩的能量积聚过程及应力波强度对冲击矿压危险程度的影响，得到了一定围岩应力状态下巷帮围岩能量积聚的大小、位置及能量密度因子等结果。模拟研究表明: 1) 随扰动强度pmax的增加，能量积聚区总体向外扩张，范围增大，且能量积聚区逐步向巷道边缘位置移近；当pmax由5 MPa至20 MPa变化时，巷道围岩能量积聚区最大能量密度Udmax由2.007 MJ/m3增至3.981 MJ/m3，增幅达到198%。2) 受扰动影响，能量积聚区逐步向巷道边缘位置移动，能量密度因子值增大，k值由1.384 MJ/m4增至4.976 MJ/m4，增幅达到259%，发生冲击矿压的危险性显著提高。

断层活化与煤岩冲击失稳规律的实验研究

王涛, 姜耀东, 赵毅鑫, 张韵一

2014, 31(2): 180-186.

摘要 ( 1584 )

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基于义马千秋煤矿21221回采工作面原型，设计了过断层的工作面回采相似模型实验，通过再现断层活化和煤体冲击失稳的物理过程，研究了采动影响下采场覆岩的运动规律和断层应力演化特征，分析了煤层开采引起断层活化的机理。研究发现：邻近断层活化时，其正应力和剪应力快速增加，断层滑移危险性增大；工作面沿上盘开采至距离断层25 m时，受采动影响断层出现活化；采动影响增加了断层活化的可能性，工作面煤体承载力的局部失效是引起断层滑移的重要原因，断层滑移对工作面煤体的作用形式表现为非稳态的冲击和加卸载作用。

基于多源信息融合的冲击地压态势评估方法

贾瑞生, 闫相宏, 孙红梅, 樊建聪, 杨惠斌, 吴春芳

2014, 31(2): 187-195.

摘要 ( 1455 )

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冲击地压态势评估是煤矿安全监测预警领域的热点及难题之一。本文以微震、电磁辐射及声发射等实时监测数据为基础，将态势评估理论引入冲击地压预测领域，建立了基于监测系统日志审计与实时修正算法相结合的冲击态势评估模型，通过改进D-S证据理论提出一种冲击地压态势量化方法。利用该方法计算得到连续时段的冲击地压态势值后，分别基于一阶灰色模型GM(1,1)及ARMA模型对冲击地压态势值进行预测并对比分析。实例结果及相关分析表明，所提冲击地压态势预测方法合理有效，能动态地反映冲击地压的发展趋势

基于聚类分析的微震定位二次优化研究

朱权洁, 姜福兴, 缪华祥, 武颖奎, 刘晓辉

2014, 31(2): 196-202.

摘要 ( 1484 )

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为了提高微震定位的精度，利用MATLAB软件及其工具箱编制相关分析、处理程序，进行了关于微震定位结果的二次优化研究。利用传统数学方法，将微震定位问题简化为求解线性方程组，建立基于多传感器的四四组合定位模型，四四一组求解其定位结果；并采用k-means聚类方法对组合定位结果进行优化处理，减小定位结果的奇异性。设定核心簇和外围簇2类，引入聚心曲线拐点及噪声偏移距离概念，建立聚类继续与否的判定准则。通过某矿现场验证表明，优化后的结果与真实震源误差为(1.8，2.83，11.6)，空间距离约为12.08 m。该方法算法简单，操作方便，且精度较之单一定位方法有所提高，基本满足现场需求。

基于粒子群算法和BP神经网络的冲击危险性评估

李慧民, 李振雷, 何荣军, 闫玉彪

2014, 31(2): 203-207.

摘要 ( 1668 )

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为评价冲击矿压危险程度，提出一种基于粒子群算法和BP神经网络(PSO-BP)的冲击危险评估方法。利用已有冲击矿压数据，通过BP网络建立回归模型，并采用PSO算法对模型的连接权重和阀值进行优化，克服了BP网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。选取冲击矿压的10种主要影响因素，利用典型冲击矿井的20组工程数据建立PSO-BP评估模型，并将该模型与标准BP模型进行对比分析，结果表明PSO-BP模型较标准BP模型的评估准确率提高15%。最后，通过某矿冲击危险评估的工程实例验证了该方法的可行性和普适性。

顶煤成拱机理的数值模拟研究

白庆升, 屠世浩, 王沉

2014, 31(2): 208-213.

摘要 ( 1600 )

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在分析支架后上方顶煤及直接顶破碎、冒落特性和运动准则的基础上，建立了放顶煤的离散元数值模拟模型。从煤岩块体运动特性和接触力场演化规律2个方面论述了顶煤架后成拱机理：1) 顶煤成拱的运动学机理为：在放煤口上方存在一个顶煤运动高速区，其两侧块体的运动速度较小，局部顶煤块体在放煤口两侧产生“淤积”，从而在放煤口上方形成不稳定接触力拱，造成放煤口附近顶煤运移速度减小，当更高层位的大块顶煤涌向放煤口时，容易产生挤压成拱；2) 顶煤成拱的力学机理为：散体顶煤的放出过程，可以看做是接触力拱不断形成和破坏的过程，当上位接触压力大于成拱块体间由挤压而产生的摩擦阻力时，接触力拱破坏，否则，形成稳定的接触力拱，堵塞放煤口。现场观测验证了上述理论分析。

近浅埋煤层顶板破断力学模型研究

刘学生, 宁建国, 谭云亮

2014, 31(2): 214-219.

摘要 ( 1598 )

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为了研究近浅埋煤层工作面顶板运动规律，采用深部多基点位移探测仪对高家梁煤矿近浅埋20307工作面顶板运动规律进行探测，建立近浅埋煤层顶板破断力学模型，分别将关键层初次和周期断裂简化为四边固支和三边固支一边受均布载荷的矩形板，采用塑性极限分析定理推导关键层的断裂步距，并提出亚关键层断裂步距的修正方法。矿压实测表明，断裂步距平均误差为7.03%，且理论计算与实测大周期来压出现的位置基本一致。本研究可为近浅埋煤层工作面顶板控制设计提供理论依据。

含水层下矸石充填提高开采上限方法与应用

张吉雄, 李猛, 邓雪杰, 李剑

2014, 31(2): 220-225.

摘要 ( 1615 )

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基于矸石充填采煤控制采动裂隙高度发育的原理，采用FLAC3D数值模拟软件研究了矸石充填采煤导水裂隙带发育高度的变化规律，利用统计分析软件SPSS建立了基于采高与充实率的多元线性回归矸石充填采煤导水裂隙带发育高度计算模型，进而提出了含水层下矸石充填提高开采上限的确定方法。结果表明：在采高小于3.5 m，充实率达到85%条件下，开采上限可由-300 m提高至-255 m，多回采煤炭资源182.6万t。经五沟煤矿矸石充填采煤工作面试验，采用钻孔冲洗液漏失量监测法，得到实测导水裂隙带发育高度仅为10 m，与理论计算结果相吻合。

寒武系上段隔水性及在马陵山矿带压开采中的应用

朱宗奎, 徐智敏, 孙亚军

2014, 31(2): 226-231.

摘要 ( 1489 )

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煤层底板隔水岩层的结构、厚度是影响承压水上采煤安全性的重要因素。河南省局部地区缺失奥陶系，煤层开采受底板高承压寒武系石灰岩岩溶水突水威胁严重。以位于豫中矿区的马陵山煤矿为例，通过现场钻探查明了该矿煤层底板寒灰上段至少25 m厚度的含隔水层结构。以此为基础，评价了该层段的阻隔水能力，研究了基于GIS平台并利用寒灰上段的相对隔水性开展底板突水危险性评价的方法。应用研究成果，解放了马陵山矿约1 340万t的煤炭资源储量，并实现了近400万t煤炭的安全采出；同时，成功完成了该矿-350 m水平上车场进入寒灰上段垂深55.5 m、320 m长巷道的施工。研究表明，将寒灰上段岩溶不发育段作为隔水层考虑更符合实际，并成功指导了马陵山矿的带压开采工作。

浅埋煤层长壁工作面保水开采地表水位变化分析

马立强, 孙海, 王飞, 李嘉明, 金志远, 张炜

2014, 31(2): 232-235.

摘要 ( 1733 )

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为了解决保水与采煤这一矛盾，在论证了保水开采机理及其可行性后，神东矿区补连塔煤矿32202长壁工作面在正常回采过程中，根据浅埋煤层保水开采适用条件的初步分类研究成果，确定采高为5.3 m以下，并选用高强度液压支架和大功率高可靠性配套设备，保证工作面推进速度大于15 m/d。工作面回采后，地面水井水位观测显示，工作面中部10号水井水位，在采后25 d左右就渐趋稳定；靠近回风平巷的18号水井水位，在近1个月后才能够稳定。工作面回采稳定后，10号水井水位相对于地面升高0.66 m，18号水井水位相对于地面下降0.87 m，对第四系松散含水层影响较小，地表主要植被能够正常生长。工业性试验表明，以工作面快速推进为核心的长壁工作面保水开采技术在适宜地质条件下能够取得成功，为我国西部浅埋煤层矿区的生态环境建设和提高煤炭资源回收率提供了借鉴。

基于主成分分析与距离判别分析法的突水水源识别方法

宫凤强, 鲁金涛

2014, 31(2): 236-242.

摘要 ( 1574 )

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矿井突水是采矿生产过程中威胁最大的自然灾害之一，快速有效地判别矿井突水水源是采矿工程安全生产的重要保障。选取7种水化学成分指标作为突水水源识别的样本变量，采用主成分分析与距离判别分析相结合的方法建立了突水水源判别模型。以淮南老矿区谢一煤矿不同水层的水化学特征资料中的33个为学习样本，11个为预测样本，对该方法进行了检验和应用，并与现有的灰色关联度判别模型、Bayes判别模型的判别结果进行分析比较。研究结果表明：基于主成分分析与距离判别方法的突水水源判别模型其回判准确率为95%，预测正确率为91%，为矿山突水水源的识别提供了一种新方法。

近地表倾斜矿体开采地表及覆岩变形破坏模拟

陈陆望, 孙瑞, 白世伟, 冒海军, 刘金龙

2014, 31(2): 243-248.

摘要 ( 1656 )

PDF (1923KB) ( 1897 )

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为了揭示近地表倾斜矿体开采过程中地表及覆岩变形破坏机制，以某铜矿一典型地质剖面为原型，运用物理概化模型试验，联合UDEC数值模拟，分析了地表及覆岩变形破坏随不同开采步的变化规律。物理模拟与数值模拟均表明：开采-45 m以上的矿体，覆岩局部扰动，位移小。当开采-75~-45 m之间的矿体，覆岩位移加大，陷落区范围逐渐扩大，岩体出现离层，破坏波及地表。如果对预留矿柱进行开采，覆岩整体崩塌，离层显著，覆岩块体出现错动与转动，破坏直达地表。合理采用概化物理模型试验技术，联合数值模拟，可以既直观又准确地模拟地表及覆岩变形破坏的动态演化过程。

采动覆岩“三带”高度相似模拟及实证研究

张军, 王建鹏

2014, 31(2): 249-254.

摘要 ( 2137 )

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基于采动覆岩破坏、断裂机理及其裂隙分布、发育特性，采用相似材料模拟实验方法，对杜儿坪矿68303工作面采动覆岩“三带”进行了研究；通过分析采空区顶板断裂、离层、下沉、裂隙分布及延伸特性，得出冒落带高度12.5 m，裂隙带高度37.5 m，弯曲下沉带高度大于80 m；采用仰斜钻孔分段注水及钻孔参数分析法现场实测了冒落带、裂隙带高度，与相似模拟实验结果进行了对比，分别相差0.8，2.5 m。表明基于采动覆岩裂隙分布特性的相似模拟实验研究结果合理、可靠，可以作为工作面顶板“三带”高度研究的有效手段。

大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定

张科学, 姜耀东, 张正斌, 张永平, 庞绪峰, 曾宪涛

2014, 31(2): 255-262.

摘要 ( 4386 )

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大煤柱内沿空掘巷是基于工作面双U型巷道布置方式提出的一种新技术，本文针对其具体生产地质条件，运用极限平衡理论、数值分析和现场实践相结合的方法，得出大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定方法，即从上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤柱应力分布、巷道围岩应力分布、巷道围岩塑性区分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系及窄煤柱宽度的极限平衡理论计算6个方面综合考虑窄煤柱的宽度，最终确定窄煤柱宽度为5 m，并深度分析了本区段工作面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应力分布规律的影响。

构造复杂区硐室群围岩失稳机理及控制技术研究

王其洲, 谢文兵, 荆升国, 费小保

2014, 31(2): 263-269.

摘要 ( 1707 )

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为了得出构造复杂区硐室群围岩稳定性特征及控制对策，本文以裴沟煤矿42采区泵房硐室群为研究对象，利用地质雷达与钻孔窥视仪探测硐室群围岩松动圈发育情况，运用数值模拟软件FLAC分析了水平构造应力对巷道围岩塑性区分布的影响，以及硐室群结构特点对其自身围岩稳定性影响。在此基础上，针对42采区硐室群围岩岩性特点，提出棚索协同支护与锚网索控底技术，现场工业性试验结果表明，在采用合理支护方案后硐室群维护效果理想。

近距离煤层综放回采巷道合理位置确定

孔德中, 王兆会, 任志成

2014, 31(2): 270-276.

摘要 ( 1584 )

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针对近距离煤层开采下部煤层回采巷道布置这一难题，采用理论分析与数值模拟等手段对上位煤层开采后造成的底板破坏深度、残留煤柱在底板的应力分布以及巷道在非均布载荷下易于破坏的原因进行研究。研究表明：煤层开采引起的侧向支承压力对底板造成的最大破坏深度为25.3 m，已经波及到下位煤层巷道所在水平；在煤柱两侧边缘出现一定范围的应力降低区，煤柱正下方出现一定范围的应力增高区，煤柱底板的应力分布具有明显的非均匀性；下位煤层巷道在非均布荷载作用下，更易出现局部拉应力过大，从而造成巷道变形破坏。采用主应力改变量Δσ表示应力不均衡程度，考虑最大限度回收资源，结合数值模拟主应力分布特征，确定下位煤层回采巷道布置在距煤柱水平距离14 m。

大安山煤矿三维可视化系统的建立及安全监测分析

李杨, 杨天鸿, 刘洪磊, 张鹏海, 王薪荣, 殷大发

2014, 31(2): 277-283.

摘要 ( 1361 )

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为了能使现场监测得到的数据和采矿时空关系有机地联系起来，以及做到整体预测分析和监控，达到评价围岩稳定性和开采安全性的目的，本文结合大安山煤矿的实际情况，基于东北大学虚拟现实系统软件开发出具有真三维场景以及带有虚拟漫游、数据库查询和交互控制功能的一整套三维可视化矿山系统，并在此基础之上对虚拟现实软件进行二次开发，加强其集成众多三维数据信息的能力。通过综合分析，得到了基本顶来压步距、超前支护压力及顶板来压破坏的形式与机理等结果，为进行有效顶板控制和安全开采提供科学依据。

高围压高水压条件下岩石非线性蠕变本构模型

蒋海飞, 刘东燕, 赵宝云, 李东升

2014, 31(2): 284-291.

摘要 ( 1405 )

PDF (435KB) ( 1682 )

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基于高围压高水压条件下砂岩三轴压缩蠕变试验结果，分析岩石蠕变规律，选取Burgers模型对低应力水平下的蠕变特性进行描述，效果较为理想。当应力水平高于屈服应力时，岩石在经历一段时间后发生加速蠕变。采用幂函数、对数函数混合方程对加速蠕变段进行拟合，再通过类比的方法提出一个新的非线性黏性元件，并将其与塑性体并联，得到一个可以反映岩石加速蠕变特性的非线性黏塑性模型，将该模型与Burgers模型串联，构建一个新的六元件非线性黏弹塑性蠕变模型，并推导了该模型在常规三轴应力状态下的蠕变本构公式。结合试验结果，运用通用全局优化算法，对提出的非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行了辨识，辨识结果验证了新构建模型的正确性与合理性。

单轴循环载荷与渗透水压下预应力裂隙岩石破坏试验研究

周志华, 曹平, 叶洲元, 赵延林, 万文

2014, 31(2): 292-298.

摘要 ( 1608 )

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为研究受地应力与渗透水压耦合作用下的深部岩体受到爆破等动力扰动的力学响应，研制了渗透水压加载装置，对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后，进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明，在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化；在有渗透水压作用下，单轴循环加卸载后岩石的强度降低，降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关，在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度，而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性的岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性，同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。

负温条件下梅林庙矿红砂岩强度特性及变形规律研究

单仁亮, 宋立伟, 李东阳, 刘念, 刘衍, 夏宇

2014, 31(2): 299-303.

摘要 ( 1435 )

PDF (512KB) ( 1774 )

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利用冻三轴试验机研究了负温条件下梅林庙矿红砂岩的力学特性与变形规律。在-15 ℃低温条件下对红砂岩施加4种围压，分析了围压对岩石强度和弹性模量的影响。结果表明，在冻结条件下红砂岩轴向抗压强度与围压、弹性模量与围压均呈线性关系，红砂岩仍然遵循库仑强度准则。经回归分析得到红砂岩黏聚力为12.7 MPa，内摩擦角为30.4°。岩石破坏形式与围压大小相关。

超细水泥注浆溶液配比优化及扩散规律研究

吴爱祥, 于少峰, 韩斌, 王贻明, 黄明清, 王勇

2014, 31(2): 304-309.

摘要 ( 1897 )

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某铜矿节理裂隙发育，矿体围岩极其破碎，需大量加固支护，优选超细水泥注浆工艺，采用正交设计试验方案，针对不同水灰比(W/C)及水泥浆/水玻璃体积比(C/S)开展了配合比优化室内试验和理论研究，提出满足注浆强度要求的最佳水灰比(W/C)、水泥浆/水玻璃体积比(C/S)，并基于推荐注浆溶液配合比进行现场注浆试验，确定了注浆压力及扩散半径等参数，建成了注浆工艺系统。现场工业应用表明：按照推荐注浆材料配比及工艺施工，炮孔成孔率提高25%，采场顶板允许暴露面积增大了110 m2，采场中矿石滞留量减少了约10%，矿石回收率提高了23.3%，实现了加固矿体，提高炮孔成孔率，增大矿石回收率的目标。

固体充填采煤物料垂直投放缓冲装置振动和冲击分析

刘展, 张吉雄, 巨峰

2014, 31(2): 310-314.

摘要 ( 1351 )

PDF (1971KB) ( 1960 )

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缓冲装置的稳定性是固体充填采煤物料连续投放的重要保障。在ABAQUS软件中根据缓冲装置的典型设计建立了有限元模型，对缓冲装置进行了模态分析和频响分析，并使用刚性球形物料颗粒进行了模拟工况下的冲击响应分析。缓冲装置在垂直周期激励作用下将在第1阶固有频率4.8 Hz附近发生共振，提示在物流投放过程中应避免流量以该频率反复波动，模拟工况分析表明缓冲装置能够承受700 t/h的投料流量带来的冲击，潜在危险点为各关键部件之间的连接部位。

回采工作面上隅角瓦斯拖管抽采技术参数研究

吴兵, 雷柏伟, 华明国, 管海鹤, 赵志研

2014, 31(2): 315-321.

摘要 ( 1656 )

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针对传统埋管抽放上隅角瓦斯技术中抽放点在空间位置不连续抽放效果差、管材浪费严重抽放成本高等重大缺陷，提出了上隅角瓦斯拖管抽采技术，可使抽放点匹配工作面推进速度，实现了采空区瓦斯抽放最佳效果的连续性，并且能回收管材降低抽放成本。采空区瓦斯抽放最佳位置的选择即抽放参数的确定是成功实现上隅角瓦斯拖管抽放的关键。利用Brinkman方程、菲克扩散定律和瓦斯扩散平移方程来描述瓦斯的流动扩散行为，建立工作面瓦斯流动多物理场耦合模型，并利用Fluent对模型进行求解，从而确定拖管抽放最佳布置参数，并对其进行实际应用和效果测试。结果表明：数值模拟和现场测试结果基本一致，最终确定了最佳抽放点位置为距离底板2.4 m、沿倾斜方向距离回风巷道1.57 m、沿走向深入采空区17.4 m处；应用期间杜绝了上隅角瓦斯超限，上隅角瓦斯拖管抽采技术具有较好的适用性和可行性。

受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析

魏建平, 李波, 王凯, 王登科

2014, 31(2): 322-327.

摘要 ( 1586 )

PDF (559KB) ( 1878 )

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为了探讨受载含瓦斯煤体渗透性的影响因素，利用自主研制的含瓦斯煤热-流-固-力耦合实验装置，研究了不同有效应力、不同孔隙压力和不同温度条件下煤样瓦斯渗透特性，在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上，分别建立了受载煤体渗透性与有效应力、孔隙压力和温度之间的定性定量关系。研究结果表明：1) 在温度一定情况下，煤样渗透率随有效应力的增大而呈现负指数变化关系；2) 将围压轴压固定，在考虑Klinkenberg效应情况下，煤样渗透率与孔隙压力呈现“V”字型变化关系，并根据实验结果，得到了围压为2.0，3.0 MPa条件下Klinkenberg效应发生的孔隙压力临界值；3) 不同温度条件下，有效应力与渗透率并非单调函数，而存在一个转折点，在低应力区，渗透率随温度升高而增大，表现为以向外膨胀为主导；在高应力区，透率随温度升高而降低，表现为以内膨胀为主导；根据实验结果，提出了应力与温度共同影响下的渗透率计算式。

井下瓦斯含量直接法测定关键技术研究

张淑同

2014, 31(2): 328-332.

摘要 ( 1325 )

PDF (515KB) ( 1683 )

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针对煤层条件，按照采取煤样的粒径将其分为4类，在基于煤样粒径的瓦斯解吸速度理论研究基础上，采用现场实测及实验室瓦斯解吸数据分类对不同粒径煤样的采取条件、采样方法及采样时间进行了系统分析，结合现有成熟的岩芯管、压风引射取样装置、反循环正压快速采样装置以及孔口接煤屑等取样装置及方式的技术使用条件，提出了不同煤样粒径类型及采样条件下的合理采样技术工艺及方法，规范了瓦斯含量直接法测定工作。

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