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2023年 第40卷 第5期    刊出日期：2023-09-15

上一期   

论文

钱鸣高院士指导西部干旱半干旱煤矿区生态修复研究

彭苏萍, 毕银丽

2023, 40(5):  857-860.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0280

摘要 ( 869 )  

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本文回顾了钱鸣高院士鼓励和鞭策团队开展西部干旱半干旱煤矿区生态修复的发展历程,聚焦西部煤炭开发中水土生态保护这一关键科学问题,明确西部干旱半干旱生态修复的核心是水资源的保护与利用；针对西部地质环境和现代化开采的主要特征,从思维方式、技术方法、修复模式等方面领会并践行；研发出西部水资源保护利用与生态修复的关键技术,提高了矿区水资源利用率,促进了生态修复成效；初步建成一支致力于西部干旱半干旱煤矿区环境治理与生态修复的专家队伍,实现了煤矿绿色开采与生态安全和谐发展。

煤炭安全智能精准开采关键技术与应用

袁亮, 吴劲松, 杨科

2023, 40(5):  861-868.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0240

摘要 ( 820 )  

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针对煤矿数据信息孤岛的问题,介绍了我国矿山综合地质保障技术进展和主要内容,阐述了煤炭设备智能感知与健康监测研究进展,总结了煤矿灾害风险智能判识技术手段,综述了近年来我国在煤炭安全智能精准开采方面的关键技术进展,并对未来的发展方向和挑战进行了思考。煤炭安全智能精准开采的核心在于传感与感知技术的发展、数据处理与分析手段的应用。通过传感与感知技术获取煤矿地质信息和监测信息,实现对设备状态的智能感知、健康分析;利用矿山的实时监测、数据挖掘、智能优化和远程控制,实现矿山的优质高效开采;综合数据清洗、特征提取、模型建立、融合算法等方法,实现对煤层动力灾害的智能监测和决策,提高煤炭开采的效率和安全性。以期建立一个集感知、分析、决策和控制为一体的智能系统,实现矿山生产过程的自动化、智能化、安全化和无人化,提高矿山的资源利用率、生产效率和环境保护水平,同时降低矿山的安全风险和生产成本。

无煤柱自成巷开采理论与110工法

何满潮

2023, 40(5):  869-881.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0316

摘要 ( 819 )  

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我国能源资源禀赋的特点决定了煤炭在今后相当长一段时间内仍将是我国的战略支柱能源,在能源强国建设方面具有重要的地位和作用。目前,我国井工煤矿普遍采用长壁留煤柱开采方式,存在资源浪费、巷道掘进量大、灾害频发及环境破坏等问题。在系统总结我国煤炭地下开采发展历程的基础上,基于钱鸣高院士的“砌体梁”理论和宋振骐院士的“传递岩梁”理论,笔者提出了切顶短臂梁力学模型及平衡开采理论,明确了切顶碎胀充填卸压的力学机理,构建了无煤柱自成巷110工法配套工艺及关键技术。在此基础上,系统总结了110工法现场推广应用的效果,探讨了在综采放顶煤、高瓦斯煤层、冲击地压等复杂开采条件下,采用无煤柱自成巷110工法实现灾害源头治理的有效性。

厚煤层智能绿色高效开采技术与装备研发进展

王国法, 庞义辉, 许永祥, 孟令宇, 韩会军

2023, 40(5):  882-893.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0278

摘要 ( 718 )  

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厚及特厚煤层是我国西部矿区的主采煤层,超大采高综采(放)开采技术装备的创新实践为我国煤炭资源安全稳定供给奠定了坚实基础。以超大采高综采(放)开采理论、技术与装备的发展为主线,综述了我国厚煤层智能绿色高效开采技术与装备的研发历程和最新进展。基于大量现场实测与模型计算,提出液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合模型,并将该理论模型应用于超大采高综采(放)开采实践。针对超大采高开采围岩控制难题,建立了工作面覆岩断裂失稳的“悬臂梁+砌体梁”力学模型,以及煤壁片帮的“拉裂-滑落”力学模型,并提出了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制方法,开发了液压支架支护质量监测控制系统及顶板灾害预测平台,研发了6～10 m系列超大采高液压支架及配套装备,并在西部矿区进行了实践,实现了坚硬厚煤层的安全高效开采。针对坚硬特厚煤层综放开采围岩控制难题,分析了大采高综放液压支架与围岩结构耦合系统,提出了综放工作面煤壁片帮呈现板裂化特征及片帮机理,研制了最大机采高度为7.0 m的超大采高综放液压支架,为浅埋深坚硬特厚煤层安全高效高回采率开采提供了理论、技术与装备支撑。

原位赋存环境下煤体结构损伤演化机理研究

敬鹏飞, 谢和平, 周宏伟, 贾文豪, 谢森林, 陈波岑, 陆明远

2023, 40(5):  894-904.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0286

摘要 ( 739 )  

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煤炭资源进入深部开采之后,由于深部原位赋存环境的特殊性,深部煤体的孔隙结构、力学性质和工程响应均与浅部煤体具有较大的差异性。采用微CT扫描三维重构技术对煤体内部细观孔隙结构进行三维定量化分析,研究原位赋存环境下煤体细观孔隙结构的差异性对其宏观力学性质及细观损伤机理的影响。通过数字岩芯数值模拟技术对含有不同孔隙结构的数字化煤体进行单轴压缩损伤破裂数值模拟研究。研究结果表明:孔隙度、分形维数和孔隙等效直径3个参数能够较好地定量化表征三维孔隙结构特征;数字化煤体受压时，内部拉伸损伤滞后于压缩损伤且细观孔隙结构对数字化煤体力学特性和脆延性都具有较大影响;数字化煤体的弹性模量和峰值强度随着孔隙度和分形维数的增大而减小。孔隙结构降低了数字煤体的“损伤应力阈值”,当分形维数较大时,增大了贯穿整体裂纹出现的概率,降低了数字化煤体破坏时的损伤体积占比。

蒙东草原区大型露天煤矿减损开采与生态修复关键技术

李全生

2023, 40(5):  905-915.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0407

摘要 ( 602 )  

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基于蒙东草原区生态功能重要、气候酷寒、半干旱、土壤瘠薄的本底生态特征和国家能源安全作用突出、煤炭储量大、开采条件好的资源开发特征,以生态减损为主线,提出了“开采源头减损与系统修复一体化”的大型煤电基地生态修复理念与模式;针对蒙东草原区生态数据采集与监测难题,创建了酷寒草原区“地下地表空天”全空间多尺度煤炭开采生态影响监测技术体系,可实现对酷寒地区(最低-47 ℃)多生态要素实时监测和数据传输;基于监测系统数据采集和分析,从宏观、中观、微观尺度研究了大型露天开采对多生态要素的影响特点,揭示了大型露天煤矿开采对水、土、植被等草原生态要素及系统的影响规律;根据露天开采的特点,结合蒙东草原区生态本底特征,研发了蒙东草原区露天煤矿节地增时减损型开采、大型露天矿生态减损型排弃、露天开采生态多要素系统修复等关键技术。通过技术体系的实施，解决了蒙东草原区露天开采水资源保护和利用问题。

动态磁化活性剂对煤体润湿性影响的实验研究

李树刚, 张陶乐, 白杨, 闫冬洁, 严敏, 秦雪燕

2023, 40(5):  916-924.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0638

摘要 ( 541 )  

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为进一步探究不同流速条件下动态磁化后表面活性剂溶液对煤体润湿性影响,选取典型矿井煤样,配制不同质量分数(0.01%,0.05%,0.10%,0.20%,0.40%)的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液,进行5个不同流速(0.35,0.55,0.75,0.95,1.15 m／s)条件下的动态磁化实验。通过测定磁化后表面活性剂溶液表面张力、磁化后表面活性剂溶液处理后煤样的接触角,计算了磁化后表面活性剂溶液的表面活性、胶束化热力学及润湿参数,分析了不同流速下动态磁化后表面活性剂溶液表面活性及其对煤体润湿性的影响。结果表明:随磁化流速增加,临界胶束浓度逐渐减小,其流速在0.75 m／s时临界胶束浓度、表面张力和接触角均达到最小值;随表面张力的减小,SDBS溶液的单分子饱和吸附量减小,SDBS溶液分子极限占有面积增大,当流速大于0.75 m／s时,饱和吸附量值和极限占有面积不稳定,降低SDBS溶液表面张力能力呈现先增大后减小的变化规律;随临界胶束浓度变化,胶束化热力学参数中气液界面处吸附过程的吉布斯自由能、胶束化吉布斯自由能和焓变均为负值,熵变为正值,表明形成胶束是自发、放热并且熵增的过程;SDBS溶液以流速0.75 m／s速度经磁场处理后,煤体润湿性参数表面自由能绝对值、铺展系数和黏附功均最大。研究得出0.75 m／s为最佳磁化流速,该流速条件下表面活性剂的表面活性及煤体润湿性最好。

基于Mask R-CNN的煤矿巷道掘进迎头裂隙检测与定位算法

张农, 袁钰鑫, 韩昌良, 李永乐

2023, 40(5):  925-932.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0303

摘要 ( 537 )  

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针对当前煤矿巷道掘进迎头裂隙图像识别精度不高、井下环境难以批量化快速识别的难题,提出基于Mask R-CNN的煤矿巷道掘进迎头裂隙检测与定位算法。首先,建立一个包含1 000张图像的煤矿巷道掘进迎头裂隙图像数据库。然后,基于Mask R-CNN深度学习网络构建一个裂隙检测与定位框架,并选择该数据库对神经网络模型进行训练和测试,进而开展煤矿井下干扰环境下的鲁棒性和适应性评价,并与传统图像处理算法进行对比。结果表明,在相同样本条件下,基于Mask R-CNN的深度学习算法能够高效实现煤矿巷道迎头裂隙的检测与定位,该算法能有效避免低照度、多尺度边缘、截割刻痕、非均匀光照等干扰因素的影响,具有更高的分割准确度和计算速度,可满足煤矿井下裂隙批量化快速识别的要求,为煤矿巷道裂隙迹线的检测与定位提供了新路径。

深部矿山相变蓄热功能充填采热构想及技术体系

张吉雄, 刘恒凤周楠, 闫浩, 李百宜

2023, 40(5):  933-944.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0314

摘要 ( 560 )  

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深部矿山地热能作为地热资源的重要组成部分一直是世界各国关注的热点,但受地热开发技术和成本的限制,深部矿山地热能还未被广泛开发利用。随着我国逐渐向深部煤炭资源开采的转变,矿山地热能的高效开发迎来了机遇和挑战。为此,本文创新性地提出了矿山相变蓄热功能充填采热方法,研发了适合深部矿山地热能开发的相变蓄热功能充填材料,揭示了矿山功能充填采热结构的相变蓄热机理,探究了矿山相变蓄热功能充填采热的热量补给机制,研究了功能充填采热性能的调控特征,形成了深部矿山相变蓄热功能充填采热的系统优化分析与设计流程。研究成果为实现深部矿山地热能高效开发、拓展煤基固废资源化利用途径和实现能源结构低碳转型奠定了基础。

关键柱柱旁双侧充填遗留煤柱链式失稳防控效果研究

冯国瑞, 马俊彪, 白锦文, 朱卫兵, 毋晧田

2023, 40(5):  945-956.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0241

摘要 ( 500 )  

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关键柱是采空区遗留煤柱群中最薄弱环节。关键柱的局部失稳可能导致遗留煤柱群的链式失稳。关键柱柱旁充填有望提高遗留煤柱群的整体稳定性，亟待开展关键柱柱旁充填防控遗留煤柱链式失稳的评价研究。选取元宝湾煤矿蹬空采动影响下柱式采空区遗留煤柱群为工程背景，通过FLAC3D数值模拟软件研究蹬空开采过程中遗留煤柱群的稳定性变化和关键柱位置，分析不同宽度和高度关键柱柱旁双侧充填体对遗留煤柱群稳定性的影响。结果表明：蹬空开采过程中，遗留煤柱群中9-2煤柱率先失去了承载能力，可以视为关键柱；柱旁双侧充填体的宽度越大，关键柱能够分担越多的覆岩载荷与上行扰动载荷，邻近煤柱的应力集中程度随柱旁双侧充填体宽度的增大而降低；当柱旁双侧充填体高度与关键柱高度一致时，关键柱内部应力集中程度会明显降低；合理选取柱旁充填体的宽度和高度，能够有效提升遗留煤柱群整体稳定性。本研究有望为遗留煤柱群的链式失稳防控提供理论指导。

深部大变形巷道支护原理与柔性锚索支护技术

马念杰, 马海燕, 王银伟, 吕坤

2023, 40(5):  957-964.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0339

摘要 ( 578 )  

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针对深部巷道在“高强”或“超高强”支护强度下仍会出现围岩剧烈变形或破坏的问题,采用Kastner公式和Flac3D数值模拟研究支护阻力与围岩塑性破坏之间的关系。结果表明,随着支护阻力的增加,围岩塑性破坏深度总体上呈减小的趋势,但计算工况下只有支护阻力达到2.3 MPa以上,塑性区深度才会明显减小,即在现有的工程技术条件下,支护强度的增大对深部大变形巷道的控制作用有限。据此提出采用高延伸性、可持续提供支护阻力、适应围岩变形而不发生破断的支护材料控制深部大变形巷道的有效途径,研发了适用于深部大变形巷道围岩控制的柔性锚索,该锚索的延伸率超过10％,抗冲击性能是普通锚索的1.25～2倍,现场应用效果良好。

沟谷区域浅埋厚煤层开采动载矿压机理及覆岩导气裂缝分布特征

刘长友, 李建伟, 赵杰, 陈毅琪, 张涵锐, 余鑫

2023, 40(5):  965-971.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0256

摘要 ( 503 )  

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针对我国西部沟谷区域浅埋厚煤层开采易发生动载矿压灾害、地表采动损害、覆岩导气裂缝造成的采空区地表漏风等影响工作面安全绿色开采的科技难题,采用现场实测、三维地质建模、数值模拟、理论分析和现场工业性试验相结合的研究方法,研究了沟谷区域浅埋煤层开采动载矿压发生机理、地表采动裂缝形成机理以及覆岩导气裂缝时空分布特征。结果表明:沟谷区域浅埋厚煤层开采动载矿压事故的发生受到地表沟谷形态、工作面与地表沟谷空间位置关系以及工作面支护条件等的综合影响;地表采动裂缝及覆岩导气裂缝随覆岩失稳运动呈现动态性变化特征,裂缝贯通发展区内导气裂缝导气性能随其距工作面距离的增大而减弱。形成了沟谷区域浅埋厚煤层安全绿色开采的相关理论与系列控制技术,现场应用取得了显著的技术效果和经济效益。

大同矿区煤层群开采覆岩结构分类及其运移特征

何富连, 刘炳权, 吕凯, 高奥, 宋佳宇

2023, 40(5):  972-982.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0279

摘要 ( 510 )  

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以大同矿区煤层群下行开采为背景,采用理论分析、数值模拟及现场实测等方法,对煤层群开采覆岩结构分类及其运移特征进行了研究。结果表明:煤层群开采,根据层间岩体是否存在关键层以及各层位关键层的赋存状态,提出2类7种煤层群开采覆岩结构模型。当层间岩体不存在关键层时,依据推导得到的上下煤层安全间距和极限稳定间距,将上部煤层上覆主控关键层的赋存状态划分为完整承压、极限稳定和破断失稳3种类型。层间关键层的赋存状态存在3种形式,分别为上部煤层底板高应力造成的损伤失稳、下部煤层回采扰动致使的梁式失稳、层间关键层有效承压。层间关键层运动失稳以后,可以按层间岩体不存在关键层进行考虑,并依据上下煤层安全间距和极限稳定间距进一步确定主控关键层的赋存状态。地质条件相同时,覆岩运移程度表现为:层间不存在关键层>层间关键层低位梁式失稳>层间关键层高位损伤失稳。数值模拟和工程案例实测结果一定程度上验证了煤层群开采覆岩结构分类及运移特征研究的合理性与准确性。

峁梁区浅埋采空区下开采顶板活化结构与支架动载研究

黄庆享, 王小军, 胡俭, 周海丰, 李军, 贺雁鹏

2023, 40(5):  983-990.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0613

摘要 ( 452 )  

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为了揭示峁梁区浅埋采空区下开采支架动压机理,以陕北张家峁煤矿4^-2与5-²浅埋近距离煤层开采为背景,采用现场实测、物理相似模拟、理论分析及工程实例验证相结合的方法,研究了顶板间隔岩层结构和采空区覆岩“活化结构”运动特征,分析了下煤层工作面在进出峁梁载荷影响阶段的支架动载及超前支承压力变化规律,建立了上覆“活化砌体梁”与间隔岩层“砌体梁-台阶岩梁”耦合结构力学模型,揭示了峁梁区浅埋采空区下采场支架动载机理,并得出了峁梁采空区下采场支架动载分区。研究表明:工作面在过峁梁载荷影响区动载最大,出峁梁载荷影响区后次之,进峁梁载荷影响区前最小。工作面在峁梁载荷影响区超前支承压力峰值较大,约为出峁梁载荷影响区后的1.12倍,为进峁梁载荷影响区前的1.61倍。通过建立进、出峁梁载荷影响区时的顶板耦合结构力学模型,揭示了峁梁区采空区下开采的支架动载主要源于上煤层垮落顶板“活化结构”与间隔岩层结构同步运动,使峁梁区载荷通过“活化结构”传递于间隔岩层结构,导致支架强烈动载。研究得出,工作面支架阻力的确定应当以峁梁区顶板结构同步运动的大周期来压载荷作为依据,并通过实例分析验证了支架动载计算公式的可靠性。

顶板定向压裂应力转移保护采动大巷

黄炳香, 邵鲁英, 赵兴龙, 李浩泽, 陈树亮

2023, 40(5):  991-1002.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0364

摘要 ( 565 )  

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回采动压和采空区悬顶引起的高静压能够通过关键岩层较为完整地传递到采动大巷,引起动载和静载叠加,造成采动大巷的围岩结构失稳大变形。为减小采动大巷的变形,提出并实施顶板定向压裂应力转移保护采动大巷的方法。该方法通过切断基本顶阻断动压和切断悬顶降低静压的方式,解决大巷受静压和动压双重影响致使巷道围岩结构失稳大变形问题。通过施加动载应力波模拟分析动压对巷道变形的影响规律,认为偏应力和有效应力的增加是动压致使巷道变形的主要原因,并给出最优压裂位置参数。在顾北煤矿13321工作面进行顶板定向压裂工业试验,顶板定向压裂水压力为20～35 MPa,压裂半小时内,裂缝扩展范围半径超过10 m,压裂裂缝连通范围的平均半径达到20 m,贯通范围的最大半径可达到40 m。顶板定向压裂成功地阻断了采动应力和采空区高应力向采动大巷的传播,回采末期停采前微震事件数降低了77％,动压影响范围减少了约200 m,降低了64％,底板胶带机巷两帮移近量减少86％,顶底板移近量减少93％。顶板压裂应力转移保护大巷的方法可以有效减少采动大巷变形。

煤矿采动空间CO2地质封存、运移与固化理论和技术框架

姚强岭, 曹胜根, 闫仑, 李存宝, 李学华, 陈胜焱, 李海涛, 种照辉

2023, 40(5):  1003-1017.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0337

摘要 ( 611 )  

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“碳达峰、碳中和”是煤矿行业转型的重大机遇与严峻挑战。我国因煤炭资源开发产生了规模巨大的地下空间资源,结合煤矿行业绿色开发的切实需求,聚焦煤矿采动空间的资源化利用,基于我国煤系沉积岩地质盖层概况与CO2理论封存能力,提出煤矿采动空间CO2地质封存、运移与固化理论和技术框架。该理论的核心科学问题是CO2-水-煤系沉积岩相互作用机理与CO2采动空间的运移规律;亟待解决的关键技术包括:煤系沉积岩地质盖层保护性开发与盖层人工修复技术，基于多功能测井的CO2高效示踪技术，采动空间CO2矿化辅料研发，矿井水污染监测、识别与处理技术。研究煤系沉积岩地质盖层封存能力影响因素,揭示CO2采动空间运移规律,分析CO2采动空间多场多相耦合作用机理,掌握CO2封存工况条件下的矿井水水质演变特征,形成时空尺度上的采动空间CO2地质封存、运移与固化规划理论和体系,提高其技术经济合理性。实现煤矿采动空间CO2地质封存、运移与固化,助力煤矿企业对煤系资源充分开发,增加我国碳封存潜力与封存路径,经济社会效果显著。

综放开采上覆巨厚砾岩层变形垮落冲击相似模拟研究

翟新献, 赵晓凡, 郭钊洋, 任柱安

2023, 40(5):  1018-1030.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0257

摘要 ( 465 )  

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巨厚砾岩层的垮落对下伏综放工作面前方的煤岩体造成冲击,甚至诱发冲击地压。论文以耿村煤矿13230综放工作面为工程背景,利用相似模拟试验和理论分析,研究综放开采过程中砾岩层变形移动垮落特征、声发射和震动加速度响应特征等。研究结果表明:综放开采上覆巨厚砾岩离层后处于悬顶状态,当砾岩层底部高倾角采动裂隙向上扩展与上部次生裂隙相互连通且贯穿砾岩层时,砾岩层发生初次垮落;垮落体对下伏综放面煤岩体产生冲击作用。综放工作面超前支承压力具有“单峰”特征;砾岩层初次垮落时超前支承压力的峰值应力集中系数最大;综放工作面后方采空区底板处于低应力区。声发射事件定位反映出砾岩层中主控裂隙的孕育产生、扩展演化以及砾岩层垮落的全过程;砾岩层初次垮落前声发射事件数较多,垮落后声发射事件数显著降低;声发射事件参数即最大幅值、振铃计数和绝对能量均与工作面推进度有关,砾岩层初次垮落前声发射事件参数均达到极值,初次垮落以后声发射事件参数均显著降低;砾岩层初次垮落具有强冲击和瞬时性的特征。研究结论为义马矿区综放开采围岩控制和冲击地压防治提供技术支撑。

不同加载速率下煤岩动力破坏特征实验研究

涂敏, 赵庆冲, 张向阳, 付宝杰, 党嘉鑫, 赵高明

2023, 40(5):  1031-1042.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0151

摘要 ( 567 )  

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临空侧巷道作为煤岩动力灾害的主显现体,探明回采过程中临空侧巷道煤岩动力显现及破坏特征,是采场安全高效生产的前提。基于此,采用高频振动采集及孔内成像三轴动静载试验系统,开展了不同加载速率下煤岩真三轴单面临空实验,揭示了加载速率对煤岩动力破坏的影响机制。研究结果表明:1) 不同加载速率下煤岩系统损伤破坏从临空面逐渐向深部转移:加载速率较小时,煤岩系统做出充分适应性调整,破坏特征及声发射信号具有明显的前兆规律,系统承载失稳发生前,临空侧煤岩张拉扩容、深部煤粉(颗粒)外流,声发射信号持续处于“高频高能”状态,加载速率的增大,裂隙发育受到抑制,原生裂隙尖端应力的骤增,临空侧煤岩层裂抛射,局部颗粒弹射动能大,声发射信号呈现“高频低能”状态,无前兆信息;2) 临空面煤岩均以张拉破坏为主,加载速率的增大,深部煤岩破坏形式呈现由屈曲层裂张拉破坏-剪切、张拉复合破坏-剪切破坏的转变;3) 加载速率较小时,煤岩系统裂隙较为发育,强度弱化,能量充分释放,加载速率增大,煤岩系统失稳峰值强度、破碎程度、抛射质量和动能都有较大增加,动力显现更为迅猛,加载速率的增加对煤岩动力破坏起到了正向激励作用。

刮板输送机直线度光纤精准感知与调直关键技术

方新秋, 陈宁宁, 冯豪天, 宋扬, 梁敏富, 吴刚, 张璠, 李家璇, 李猛, 乔富康, 吴洋

2023, 40(5):  1043-1056.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0238

摘要 ( 523 )  

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煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的必由之路,围绕煤矿智能化开采技术、刮板输送机直线度感知与调直技术、光纤形状传感技术现状及发展趋势,介绍了刮板输送机直线度光纤精准感知与调直的关键技术。针对刮板输送机形态感知不全面,感知信息可靠性差、感知精度低以及刮板输送机直线度调直不具备实时性、调直误差大等问题,基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”理念,提出了智能工作面刮板输送机直线度光纤精准感知与调直的研究技术路线。首先建立刮板输送机形态监测模型并开发光纤形状传感重构算法,然后研究在纯弯曲、旋转以及扭转受力下光纤形状传感器中心波长的响应特性,提出光纤形状传感器纯弯曲与旋转、扭转分离的理论方法,构建光纤形状传感器的误差补偿模型;其次研究基于LSTM神经网络算法的刮板输送机直线度误差预测模型,对刮板输送机的目标轨迹进行动态预测,建立刮板输送机目标调直轨迹的修正模型和刮板输送机调直理论模型;最后开展了刮板输送机直线度光纤感知系统的具体工程应用,实现了刮板输送机形态的实时曲线显示、历史数据及曲线查询、数据存储、自动预警／报警等功能。研究成果为研究智能化工作面刮板输送机形态感知与调直控制提供理论基础和现场实践经验。

充填体支撑作用下坚硬顶板运动模式与控制方法

杨胜利, 李杨, 王兆会, 王伟, 孙文超, 李增强, 曹鹏

2023, 40(5):  1057-1066.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0285

摘要 ( 544 )  

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低位坚硬顶板破断释能引起的强扰动是深部矿井冲击地压灾害的一大诱因。为降低冲击地压对深部开采的影响,以古城煤矿1123充填工作面为工程背景,采用理论分析、室内试验和现场实测等手段研究充填体支撑作用对坚硬顶板运动模式的影响,探究低位坚硬顶板的控制方法。厚顶煤碎胀下沉导致采空区充实率低于80%,大埋深、多断层、不等宽煤柱和临近采空区等因素叠加影响下,充填工作面仍然面临围岩大变形破坏、采动应力集中程度高、顶板强冲击载荷等矿压控制难题。因此,本文构建了充填体支撑作用下坚硬顶板结构力学模型,提出了坚硬顶板下沉曲面预测方法,探究了充实率对沉降曲面形态的控制作用,发现了充填体接顶范围、坚硬顶板内部拉应力与充实率之间的线性和负指数关系。微震监测结果表明:1123工作面能级达到104 J的大能量事件仅出现两次,微震事件主要分布于应力集中程度高的底板岩层,坚硬顶板岩层事件急剧减少;充填开采条件下1123工作面直接顶(顶煤)发生大变形破坏,坚硬基本顶及上位岩层以弯曲下沉运动模式为主。充填开采避免了坚硬顶板破断释能形成的动力扰动效应,但无法消除煤层压缩变形引起的应力集中现象。本文提出了一种坚硬顶板预裂爆破卸压方法,一次卸压幅度达到2.0～2.7 MPa,有效降低了静态应力场集中程度;开发了坚硬顶板运动模式的“空区充填-钻孔卸压-预裂爆破”多手段控制技术体系,有效抑制了1123工作面顶板强动载、煤层高静载现象的发生,降低了深部矿井坚硬顶板工作面的冲击地压风险。

液氮循环冻融作用下煤体渗透率演化规律及模型研究

林海飞, 王裴, 李树刚, 李博涛, 罗荣卫, 秦雷

2023, 40(5):  1067-1077.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0250

摘要 ( 516 )  

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为进一步研究液氮循环冻融煤体渗透率演化规律,采用核磁共振仪、电子万能试验机和煤岩芯渗透率自动测试系统,分析了不同液氮循环冻融次数前后煤体内部温度、孔隙分布、力学特性和渗透率的演化规律;基于立方定律和循环冻融煤体损伤本构关系,建立了液氮循环冻融煤体渗透率计算模型。结果表明:液氮冻结过程中,煤体内部温度变化分为0～9 min,9～30 min两个阶段,不同时间段内温度下降关系为ΔT阶段二>ΔT阶段一,升温解冻时,煤体温度呈指数关系上升,升幅逐渐减小;液氮循环冻融作用下,煤体孔隙结构得到明显改善,微小孔隙数量增加,部分相互贯通扩展,逐渐转化为中大孔隙。随着冻融循环次数的增加,微小孔隙占比减小,中大孔隙占比显著增大;煤体孔隙度增量、孔隙度变化率呈正幂函数增加,渗透率增量、渗透率变化率呈正指数增加;煤体单轴抗压强度与弹性模量呈直线型降低,单轴抗压强度变化率、弹性模量变化率均呈负线性相关。所建立的液氮循环冻融煤体渗透率计算模型的计算结果与实验测试值绝对误差为0.006～0.016 mD,相对误差为1.61%～6.41%,计算模型在试验范围内的渗透率预测值与实际测量值基本一致。

采区坚硬岩层动力灾害致灾能量演化及充填弱化机理研究

周楠, 李泽君, 张吉雄, 李百宜, 闫浩

2023, 40(5):  1078-1091.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0330

摘要 ( 482 )  

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坚硬岩层变形破断是引起工作面动力灾害的主要原因之一，充填弱化坚硬岩层致灾能量是防治坚硬顶板型动力灾害的有效手段。为进一步研究采区坚硬岩层动力灾害致灾能量演化及充填弱化机理，以内蒙古某矿八采区为例，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，分析了采区坚硬岩层破断特征和不同开采方案下的动力致灾能量演化规律，得到了采区多工作面开采坚硬岩层动力灾害危险性及充填弱化因素。研究表明：高位坚硬岩层断裂尺寸由采区走向与倾向开采长度共同决定；采区第2个工作面开采时，坚硬岩层动力灾害危险性明显增加；当充填体与顶板同侧未接触面积小于或等于1个工作面时，充填开采可以有效减小煤体与坚硬岩层的积聚能量，弱化采区坚硬岩层动力灾害，不同充填方案弱化动力灾害效果排序为：全采全充>采3充2（间隔工作面充填）>采3充2（连续工作面充填）>采3充1（中间工作面充填）>采3充1（两侧工作面充填）。

煤矿绿色开采技术及经济评价方法研究

秦伟, 许家林, 轩大洋, 鞠金峰, 陈晓军

2023, 40(5):  1092-1101.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0293

摘要 ( 540 )  

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煤矿绿色开采理念提出20年以来，我国煤矿绿色开采技术显著发展，对煤矿绿色开采的重视程度不断提高。然而，煤矿绿色开采技术及经济评价方面的研究仍相对滞后，这对绿色开采技术产业化发展极其不利。针对上述问题，提出了反映煤矿绿色开采技术应用程度的评价指标——绿色开采度，建立考虑土地保护、矸石减排、保水开采、煤与瓦斯共采、资源采出率的绿色开采技术评价指标体系；遵循煤炭开采完全成本要求，构建考虑投资估算、应用成本和经济效益的煤矿绿色开采经济评价方法，并以阳泉矿区煤与瓦斯共采为例开展经济评价，定量评价其财务效益、安全效益、环境效益和社会效益。研究结果明确了绿色开采技术产业化的经济条件和经济特点，为相关技术产业化发展提供经济理论支持，为制定各项优惠政策提供依据。

铁路隧道下综放面覆岩隔离注浆充填开采试验研究

轩大洋, 许家林

2023, 40(5):  1102-1110.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0298

摘要 ( 477 )  

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针对铁路隧道压煤开采问题,研究了长壁开采条件下铁路隧道的破坏形式及保护要求,提出覆岩隔离注浆充填保护隧道的方法。在采动影响下,铁路隧道保护的核心是变形后的内轮廓满足限界要求,其控制的关键在于减少开采导致的移动量。提出计算采动变形条件下隧道限界富余量的方法,推导出开采变形后隧道内轮廓的坐标方程,并计算其与限界的富余空间。开展长壁综放工作面覆岩注浆充填保护地面铁路隧道试验研究,共施工7个地面钻孔,对覆岩内裂隙进行注浆充填。通过实施注浆充填,隧道减沉率达到88%,限界满足列车通行要求。该方法为开采影响下地面隧道保护提供参考与借鉴。

深埋薄基岩大采高工作面支架阻力分布与急增阻效应分析#br#

李猛, 王兆会, 何吉清, 王志峰, 宋世雄

2023, 40(5):  1111-1121.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0367

摘要 ( 542 )  

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赵固二矿14030大采高工作面埋深大、基岩薄,顶板来压时支架增阻快,动载冲击频率高。为提高深埋薄基岩顶板控制效果,采用理论分析、现场实测、数值计算等方法分析了大采高工作面支架阻力分布及急增阻效应。结果表明:工作面中部支架平均工作阻力大于上、下部支架,顶板存在动载冲击风险,两端顶板破碎严重,支架阻力低,但易出现支架前倾、倒架问题;快速推进导致支架在来压期间工作阻力明显增大,动载冲击次数增多,非来压期间压力缓和;慢速推进顶板载荷传递充分,支架受力时间长,顶板损伤严重,导致了来压步距较短,来压时顶板动载冲击效应减弱;将支架增阻循环曲线分为三阶段,工作面中部支架在第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段都出现明显急增阻特性,说明工作面中部支架初撑力不足,且顶板压力较大,来压较快,易于发生动载冲击现象;深埋薄基岩大采高工作面冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构的失稳过程,是工作面中部支架急增阻的主要原因,通过数值模拟分析,提出将支架刚度维持在50 MN／m时,即可缓解顶板动载冲击,使支架及时让压,同时可最大程度控制支架立柱下降,保证采场煤壁稳定。

覆岩隔离注浆充填浆液减水改性试验研究

马成卫, 轩大洋, 许家林, 李建, 张哲, 宁晓明

2023, 40(5):  1122-1128.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0296

摘要 ( 539 )  

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覆岩隔离注浆充填技术是实现煤矿减损开采与固废减排的绿色开采方法,而浆液流动性是影响注浆充填效率、效果与安全性的重要因素。高水灰比浆液流动性好,但其需水量大、脱水量高,易导致充填效率低、缺水矿区应用受限、构造复杂区影响安全生产等问题。试验研究了粉煤灰浆液、矸石粉浆液中添加木质素磺酸钠(21F4型)、聚羧酸(HLX型)、萘系(FDN-C型)减水剂后,对配置用水、压实泌水、浆液析水率及浆液絮凝结构的影响。结果表明:聚羧酸减水剂减水效果最为显著,当其添加量为1.2%时,粉煤灰、矸石粉浆液的配置用水分别减少25%和35%；压实泌水分别减少60%和40%。研究发现,浆液需水量大的原因是浆液中存在大量絮凝结构,该结构束缚了部分自由水,减水剂通过打破絮凝结构提高自由水占比进而提高浆液的流动性。提出的粉煤灰和矸石粉浆液减水改性方法,可提高覆岩隔离注浆充填效率、效果与安全性,为该方法在缺水矿区的应用提供重要支撑。