深部岩体力学与开采理论研究进展

作者：谢和平 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”和“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部�

深部开采中的强扰动特性探讨

作者：彭瑞东; 薛东杰; 孙华飞; 周宏伟 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。

基于稀少样本数据的地应力场反演重构方法

作者：李飞; 周家兴; 王金安 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

地应力测量昂贵的成本限制了测点数量,稀少样本实测数据难以对区域地应力场进行全面的描述与表达。如何依据稀少样本地应力实测数据准确地构建地质体内部地应力场分布状态,一直是岩土工程关心的重点问题,尤其随着深部工程的建设,掌握地应力场的分布规律是进行工程安全设计和防灾工作的基础。提出的GMDH(批数据处理)神经网络算法,结合地应力场分布随埋深的非线性特征及局部地质构造处地应力场的非连续性特点,构建出形成复杂地质体地应力场的边界条件模式,并基于现场的稀少样本测点数据进行复杂边界条件的生成,拟合出边界载荷非线性表达式。通过Matlab编程构建GMDH神经网络算法平台,该平台具有结构最优性和全局性等优势,克服了传统神经网络方法假设过多(网络结构假设)和网络结构过于简单等缺点,实现复杂地质体边界载荷表达式与实测点应力值的非线性映射,从而获取了较为合理的地应力场分布。为了验证算法的有效性,构建二维急倾斜地层地质区域模型,分别选取15个、12个、9个及6个测点数据进行地应力场反演。结果表明:随测点数量的减少,GMDH神经网络算法反演精度均大于83%,特别是6个测点稀少样本数据中,GMDH神经网络算法反演精度为84%,BP神经网络算法反演精度为76%,说明GMDH神经网络算法在稀少样本测点数据下具有较高的反演精度。另外,对稀少样本测点数据下的杏山铁矿地应力场进行反演和重构,结果显示,GMDH神经网络算法反演精度达到84%,绝大多数测点应力分量反演误差小于10%。因此,GMDH神经网络算法在稀少样本测点数据的反演计算中,具有良好的泛化性和非线性数据预测性,可为今后日益复杂的工程设计和施工提供有效的理论依据。

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

作者：任伟光; 周宏伟; 薛东杰; 王路军; 荣腾龙; 刘建锋 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现“W”型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。

煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的影响

作者：郝晋伟; 齐庆新; 舒龙勇; 霍中刚; 张浪 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

钻孔密封性是钻孔瓦斯抽采的关键基础之一,而煤岩力学特性对钻孔密封参数的选择及密封效果具有重要影响作用。因此,为准确认识钻孔围岩密封环境并深入分析煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的控制作用,进而为钻孔密封参数的合理选择提供可靠的依据。基于煤岩全应力应变曲线及煤层力学参数,通过引入煤层软化系数k及扩容系数η1和η2,在构建煤岩线弹塑性力学软化“三折线”模型的基础上,依据线性Mohr-Coulomb屈服准则,对钻孔围岩弹性区、塑性软化区及塑性流动区半径、钻孔围岩径向位移以及钻孔围岩理论密封半径等参数进行理论数值解析计算,并对相应解析结果进行对比分析。同时结合钻孔成像技术及钻孔瓦斯抽采浓度数据监测等手段,综合分析塑性软化及扩容特性对煤层钻孔密封性的影响作用。研究结果表明,与理想弹塑性模型(Kastner)解相比,受塑性软化及扩容特性共同作用下的煤层钻孔围岩径向位移及理论密封半径分别增加12.93倍和2.60倍,且在构造煤层区域内钻孔缩径现象明显。在钻孔密封参数及密封材料相同的条件下,缩径现象明显的钻孔内初始平均抽采瓦斯体积分数较相邻完整钻孔降低59%,在29d考察期内平均抽采体积分数同比降低64.92%,瓦斯体积分数衰减率同比增加3倍。因此,塑性软化及扩容效应是造成钻孔初始密封性降低及后期抽采瓦斯衰减的主要原因之一,而采用Kastner方程求解获得的煤层钻孔围岩理论渗透半径及注浆压力等参数并不合理;同时,钻孔密封参数需应根据钻孔围岩特性进行区别选择。

混合药剂对浮选柱中气泡性质及其分散特征的影响

作者：朱宏政; 朱金波; ALEJANDRO; López; Valdivieso; 闵凡飞; 王海楠; 徐文玉; 李梦闪 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

为研究十二胺和仲辛醇对浮选柱内气泡性质及其分散特征的影响,利用图像分析法测定了气泡的粒径分布,分别采用表面张力仪和量筒法测定了表面张力和充气量,并进一步分析了气泡的吸附密度和表面积通量。研究表明,随着十二胺和仲辛醇药剂浓度的增大,气泡粒径逐渐减小并在达到临界兼并浓度后分别稳定在0.6303和0.6020mm,其中气泡粒径衰变程度为99%时,十二胺和仲辛醇的浓度分别为0.0811和0.0703mmol/L,相同药剂浓度时,十二胺溶液中的气泡尺寸大于仲辛醇溶液的;溶液的表面张力随着药剂浓度的增大而线性减小,相同药剂浓度时,十二胺溶液的表面张力低于仲辛醇溶液;充气量随着药剂浓度的增大而逐渐增大,相同药剂浓度时,十二胺溶液的充气量大于仲辛醇溶液。在临界兼并浓度时,十二胺和仲辛醇在气泡表面吸附密度分别为0.9662和0.2827μmol/m^2,仲辛醇的气泡表面积通量大于十二胺。随着仲辛醇溶液中十二胺添加量的增大,气泡临界兼并浓度和稳定粒径均逐渐减小,其中十二胺添加量为0.0324mmol/L时,混合药剂溶液的临界兼并浓度达到最小值为0.0216mmol/L,气泡稳定粒径也达到最小值为0.5833mm;表面张力和吸附密度均随着十二胺添加量的增大而逐渐减小,其中十二胺添加量为0.0324mmol/L时,气泡表面药剂吸附密度达到最小值0.1540μmol/m^2;充气量和气泡表面积通量均随着十二胺添加量的增大而逐渐增大,当添加量为0.0324mmol/L时,气泡表面积通量达到最大值7.734s^-1。

"深部岩体力学与开采理论"专辑特约主编致读者

作者：谢和平 期刊：《煤炭学报》 2019年第05期

目前世界上主要矿业大国相继进入深部开采,超过1000m的矿井已有100余座,分布在南非、加拿大、德国、俄罗斯、波兰等国家,其中以南非最具代表性。几十年持续的大规模资源开采使得我国浅部矿产资源已趋于枯竭,我国未来矿产资源开发将全面进入1000~2000m深部。2004年我国的千米深井仅有8处,2015年全国千米深井已达80余座并且还以每年10~25m的速度向下延伸。另外,我国有一批即将开发的千万吨级特大型金属矿山其开采深度超过1000m。

煤炭开采与岩层运动

作者：钱鸣高; 许家林 期刊：《煤炭学报》 2019年第04期

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个“黑箱”,目前仅仅在控制原理上得到解释,达到“灰箱”程度。因此,岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。“砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4~8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的�

综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制

作者：贾后省; 王璐瑶; 刘少伟; 彭博; 张伟光; 范凯 期刊：《煤炭学报》 2019年第04期

针对综放工作面煤柱巷道非对称底臌剧烈、支护维护困难、起底工程量大等难题,以大南湖一矿综放工作面煤柱巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等综合研究方法,分析了煤柱巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。结果表明:煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象,进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布,是造成非对称底臌的内在原因;底臌变形规律监测结果显示,非对称底臌程度与放煤厚度有内在联系,放煤厚度在5.9m范围内,放煤厚度越大,基本顶岩层破断偏转角度亦越大,巷道围岩周边主应力比值、主应力旋转角度等参数越大,底板塑性破坏引起的非对称底臌变形越剧烈;底板最大塑性破坏深度位置随着主应力方向旋转角度的增加,逐渐向巷道中部位置移动,导致底臌变形最大位置分布不同,同时,煤柱巷道的这种底臌变形可控性较差,现有技术条件下企图采用高强支护是不可行的,控制上应以适应底臌变形为主;然而,当放煤厚度超过5.9m,基本顶岩层有沿煤柱边缘失稳切落的可能,巷道围岩应力环境趋于原岩应力状态,巷道围岩塑性区分布范围大幅降低,底臌变形较小。据此,以巷道非对称底臌规律为依据,提出了以调整采掘关系、优化巷道底臌硬化方案为主的底臌控制对策,现场应用效果良好,底臌变形量有效减少的同时,巷道底臌处理工作量亦大幅降低。

基于动态强度折减DDA法的边坡多滑面稳定性分析

作者：王述红; 朱承金; 张紫杉; 任艺鹏; 王鹏宇; 邱伟 期刊：《煤炭学报》 2019年第04期

为解决岩体结构面损伤的程度不一性问题及边坡多滑面分析中数值模型的选取问题,借鉴DDA计算位移的优势,考虑块体间相对位移,提出动态强度折减DDA法(Dynamic Strength Reduction Discontinuous Deformation Analysis,简称DSR-DDA)的边坡多滑面搜索,通过对不同破坏程度下岩体结构面动态折减不同的强度及动态变化边坡多滑面分析中的数值模型,以解决数值分析中岩体结构面损伤的程度不一性问题及边坡多滑面分析中数值模型的选取问题。利用倾斜平面滑块经典案例测试位移阈值,验证方法的可行性及计算精度,并将其应用到抚顺西露天矿岩质高边坡多滑面稳定性分析中,且与自主研发的GeoSMA-3D系统进行耦合。研究结果表明:在设定位移阈值为1mm时,DSR-DDA与理论解误差在0.5%以内,满足计算要求。后续得到了抚顺西露天矿边坡最危险滑落面(对应安全系数为1.136),与分析现场监测位移得出的潜在滑落位置基本一致,并在首次滑坡后的数值边坡模型基础上,得到了次级滑落面位置(对应安全系数为1.189),与常规分析得出的结果大相径庭,佐证了边坡多滑面稳定性分析中数值模型需动态变化的必要性。DSR-DDA法与GeoSMA-3D系统识别出的关键块体耦合效果良好,从块体理论角度印证了DSR-DDA法的实用性。抚顺西露天矿边坡破坏模式为牵引式滑动破坏,中下部油母页岩对边坡稳定性起关键作用,故不可继续开采剩余油母页岩,以免引起边坡上部大面积滑坡及矿坑-城市边界滑坡。

煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

作者：梁运涛; 王树刚; 蒋爽; 胡沛裕; 林琦; 宋双林 期刊：《煤炭学报》 2019年第04期

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是“尺度上联”。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。

基于压汞、低温N2吸附和CO2吸附的构造煤孔隙结构表征

作者：李阳; 张玉贵; 张浪; 侯金玲 期刊：《煤炭学报》 2019年第04期

温度对煤矸石动态淋溶特性的影响

作者：冉洲; 刘文礼; 潘永泰; 刘文昌; 高自然; 赵英霄 期刊：《煤炭学报》 2019年第04期

煤矸石长期堆存将对周边环境造成酸性污染和重金属含量超标。为研究煤矸石山发生氧化自热对酸性污染物降雨淋溶释放特性的影响机理,以山西省阳煤集团煤矸石为研究对象,建立了自动温控喷淋系统,通过对不同温度煤矸石进行动态淋溶实验,研究了淋溶液中pH值、电导率(EC)值、氧化还原电位(ORP)和硫酸盐(SO4^2-)含量的淋溶规律,并对淋溶前后煤矸石矿物组成进行半定量分析。结果表明:风化煤矸石中含有大量硫酸盐等可溶性组分,且酸性组分含量大于碱性组分和黏土矿物组分中和量总和,初期润湿液SO4^2-含量超过地下Ⅲ类水指标,可看作高度矿化水,呈弱酸性和氧化状态,但氧化性未超过一般界定氧化性土壤的值(400mV);随着累计淋溶时间延长,淋溶液pH值先增大后减小并最终趋于稳定,在t=3h达到最大值为7.34~8.03,SO4^2-含量和EC值先急剧减小后趋于稳定,稳态值分别约为2500mg/L和2mS/cm,ORP在325.9~435.2mV波动;随着温度升高(50~200℃),淋溶液稳态pH值(pHs)和煤矸石剩余黄铁矿含量先减小后增大,150~200℃的pHs值小于5.79,SO4^2-含量和石膏相对质量分数先增大后减小,ORP波动性增强,相对标准偏差RSD由9.54%增大到10.06%,EC值受温度影响不显著;淋溶液各项指标均在150℃条件下取得极值,pHs,min为4.98,呈较强酸性;ORPmax为435.2mV,呈强氧化态。由此可得:煤矸石中产酸物质氧化作用可分为风化氧化和自热氧化,主要受环境温度、含水量和与空气接触程度的综合影响;煤矸石自热氧化造成的酸性污染演变过程是由碱性组分、含氮物质和氧化产生的酸性组分共同决定的,且3种组分淋溶释放速率经长期堆存后逐渐趋于稳定。本研究解释了煤矸石中黄铁矿氧化产酸受环境温度的影响机制,为自热煤矸石山降雨淋溶造成酸性污染动力学演变预测提供依据。

保水采煤面临的科学问题

作者：范立民 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

保水采煤理念是基于榆神府矿区开发初期采煤引起的潜水位下降、植被退化而提出的。经过多年理论研究和工程实践,已初步建立了保水采煤技术体系,有效指导了生态脆弱矿区煤炭资源开采和生态环境保护。在国家关于生态文明建设标准日益提高的格局下,我国西部干旱半干旱地区煤水资源共生区生态环境保护面临历史考验。首先综述了保水采煤技术取得的成果,认为地质条件探查、岩层移动、保水采煤方法等方面的研究基本解决了单煤层开采中存在的突出问题,而生态脆弱矿区水与生态约束和生态修复与重构方面的研究滞后。其次探讨了保水采煤领域中5个紧密相关的科学问题,包括矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测,大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法,有效隔水层厚度的量化与评价,大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制、矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。在新形势下,矿区生态环境保护的责任和任务重大,有待于投入更多研究来支撑我国西部矿山保水采煤理论与技术的突破,促进绿色矿区建设。

生态脆弱区保水采煤矿井(区)等级类型

作者：李文平; 王启庆; 刘士亮; 王苏健 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

水资源保护性采煤是生态脆弱矿区可持续发展的必然选择,如何深化保水采煤研究,使之更好的付诸工程实践,是西北煤炭开发规划和建设生产亟需解决的问题。以陕北榆神矿区为例,结合浅表层水资源(保水采煤目的层)量分布和煤矿开采对浅表层水资源的影响程度两方面,研究了保水采煤矿井(区)类型。首先,分析了研究区生态-水-煤系地层空间赋存结构特征,提出了以保水采煤为目的的生态地质环境类型,将其划分为潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、地表径流(黄土)沟壑型和区域性(深埋)地下水富集型;其次,计算确定了浅表层水资源单位面积总储存量分布;然后,基于煤层开采对生态层及浅表层水的影响程度,提出了4种保水采煤环境工程地质模式(环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型及环境灾变型),在分析影响其分区的导水断裂带高度、残余隔水层釆动隔水性等关键指标的基础上,建立了不同环境工程地质模式分区阈值和确定方法;最后,基于浅表层水资源量和保水采煤环境工程地质模式分布特征,提出了保水采煤矿井等级类型划分方法,将其划分为:正常开采矿井、保水采煤一级矿井、保水采煤二级矿井和保水采煤三级矿井,总结了各级保水采煤矿井适用的开采方法与水资源保护、利用方法。

复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响

作者：冯国瑞; 白锦文; 杨文博; 王善勇; 康立勋 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

近距离煤层群复合采动影响下,层间岩层中隔水层的稳定性至关重要。若层间岩层中隔水层的稳定性遭受破坏,则上覆采空区中的积水会向下方渗流扩逸,甚至瞬间涌出,威胁下部煤层的安全开采。提出了复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念,运用损伤力学的基础理论构建了复合采动影响下层间岩体损伤参量 D 的计算模型,分别研究了损伤参量 D 与层间岩体抗压强度及破坏范围之间的关系,分析了不同条件下复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响。研究结果表明:①层间隔水控制层是指复合采动影响下层间岩体中不发生破断失稳且能起到阻隔上方采空区积水向下渗流扩逸的控制岩层。②损伤参量 D 可以用来衡量复合采动影响下层间岩体的损伤破坏程度。③层间岩体抗压强度 RD 与损伤参量 D 的关系为:随着损伤参量 D 的增大,层间岩体的抗压强度RD表现出线性递减的变化趋势,其折减系数为1-D。④层间岩体破坏范围与损伤参量D的关系为:层间岩体的最大破坏深度/高度Hmax及其距工作面端部的距离Lmax均随着损伤参量 D 的增大而增加;D 越大,Hmax 和 Lmax 的增幅也越大。⑤层间隔水控制层的稳定性与复合采动产生的叠加损伤密切相关;通过综合考量上下煤层多重开采后层间岩体的损伤破坏范围与隔水控制层的层位关系,全面分析了6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性,并给出了合理有效的控制措施,来减轻上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁,并保障安全生产。复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响研究可以为积水采空区下伏煤层的安全开采提供理论指导。

基于保水采煤理念的地质环境承载力研究

作者：孙魁; 范立民; 夏玉成; 李成; 陈建平; 仵拨云; 彭捷 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化,已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展,结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状,提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究,应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合,系统分析“采煤活动水资源破坏地质环境效应”作用机理,从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究,可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法,重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算,可采用模拟实验,取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据,进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法,确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上,提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法,并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路,以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵,为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。

干燥-饱和循环作用下砂质泥岩抗剪性能劣化试验研究

作者：汤传金; 姚强岭; 王伟男; 王烜辉 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

西部生态脆弱矿区煤炭开采过程中的地下水资源保护与利用是实现该区域煤炭绿色开采的前提和必要条件。其中,保水开采与地下水库技术的广泛应用为解决煤水共采问题提供可能。本文以煤矿地下水库煤岩边界在水反复浸入条件下稳定性变化为研究背景,以神东矿区乌兰木伦矿3-1号煤层顶板砂质泥岩为研究对象,通过无损浸水试验获得试样的自然吸水性规律,获得试样含水率到达饱和状态的浸水时间。根据浸水时间,对试样进行干燥-饱和反复浸水,得到不同循环浸水试样含水率随浸水次数呈指数增加关系,而试样抗剪强度和浸水次数呈指数降低关系。黏聚力随浸水次数的增加呈下降趋势,而内摩擦角先增加后减小,表明材料的均一性以及破裂面的形态及裂隙发育的形态、尺寸、方向变化造成了内摩擦角增加,而后期循环浸水占主导因素,表现为内摩擦角减小。根据黏聚力、内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系,建立了基于干燥-饱和循环次数的 Mohr-Coulomb 准则。声发射计数曲线与剪应力曲线有较强的对应性,在试样破坏时刻声发射事件明显增加,对应声发射累计计数曲线的明显上升阶段。试样在破坏过程中以低 RA 值为主,破坏时刻对应高 RA 值,即试样破坏过程中的基础裂隙类型是张拉裂隙,破坏时刻对应明显的剪切裂隙。研究结果表明,地下水库边界煤岩柱在地下水库蓄水-抽水过程中,在浸水-失水作用下其强度发生显著变化,建议在构建地下水库时应考虑水作用引起的边界煤岩柱强度弱化作用。

软弱基底内排土场支挡煤柱的力学效应

作者：王东; 李广贺; 曹兰柱; 白润才; 宋子岭 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

留设支档煤柱是提高软弱基底内排土场稳定性的重要手段之一。为了解决软弱基底内排土场支挡煤柱形态参数设计难题,实现矿山安全生产和经济效益兼顾,对软弱基底内排土场支挡煤柱的力学效应及形态设计方法进行研究。在构建软弱基底内排土场支挡煤柱力学模型的基础上,进行三维受力状态分析,将支挡煤柱视为在内排土场静止土压力及底界面剪切力双重作用下的固定梁,以摩尔-库伦准则作为失稳判据,推导获得了煤柱三维支挡效应的表达式;基于对煤柱三维支挡效应的力学成因类型及影响因素的认识,提出了煤柱支挡效应的二维等效方法,推导了底界面等效黏聚力 cd 与等效内摩擦角φd 的表达式,从理论上揭示了支挡煤柱形态参数对支挡效应的影响。将该方法在胜利东二露天煤矿内排土场支档煤柱设计中进行了应用,并采用数值模拟方法进行验证。研究结果表明:煤柱底界面的等效黏聚力cd及等效内摩擦系数tanφd与其顶宽a、下底角β,ω均呈正相关反比例函数关系,与高度 H 呈正相关倒差函数关系,与长度 d 呈负相关反比例函数关系;胜利东二露天煤矿内排土场边坡稳定系数 Fs 随支档煤柱顶宽 a 增加而增加,与煤柱高度 H 呈线性递增关系;煤柱的最佳尺寸为高度H=28m,顶宽a=43m,与传统的二维分析结果相比,可多才出原煤75600m3,经济效益显著。成果可用于优化设计软弱基底内排土场支挡煤柱形态参数,弥补采用传统方法设计造成的煤炭损失过大的不足,实现经济效益最大化。

“保水采煤的理论与实践”专辑特约主编致读者

作者：范立民 期刊：《煤炭学报》 2019年第03期

保水采煤是指在干旱半干旱地区煤层开采过程中,通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内,寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采新技术。这一概念是根据陕北侏罗纪煤田(神府煤田)开发中遇到的地质生态环境环境问题而提出的,对水资源供需矛盾突出、地下水生态价值明显的矿区同样适用。

煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑

作者：王国法; 刘峰; 庞义辉; 任怀伟; 马英 期刊：《煤炭学报》 2019年第02期

提出了煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心技术支撑的科学思想,阐述了煤矿智能化的定义和总体要求,明确了煤矿智能化发展的目标是建设智慧煤矿,分析了煤矿智能、智慧、信息化、数字化等术语的内涵和关联关系,提出了我国煤矿智能化建设原则和阶段目标。进行了煤矿智能化顶层设计,提出了统筹规划煤矿智能化发展模式、科学设计智慧煤矿总体架构、建设100个智能化示范煤矿的发展思路。探讨了井工煤矿精准地质探测与4D-GIS系统、智能化开拓规划与工作面设计、智能化巷道快速掘进成套技术、智能化综采工作面成套技术、智能化主/辅运输技术、危险源智能感知与预警技术、智能化洗选系统、智能化综合保障技术、矿井物联网综合管控系统和操作平台等主要环节的发展路线。阐述了露天煤矿智能化发展方向,提出了建设露天煤矿信息化系统、开发露天煤矿智能化连续开采技术、建立露天煤矿空-天-地一体化安全预警系统、推进露天煤矿生态环境协调绿色发展的理念。大力发展煤机装备智能制造,提高煤机装备的可靠性与适应性,促进煤炭资源开发的机器人化替代,为煤矿智能化发展提供智能装备保障。提出了加大煤矿智能化发展政策支持、设立煤矿智能化标准体系建设专项、建立国家级煤矿智能化技术创新研发实验平台等政策建议。

深部软岩巷道高预应力增阻大变形锚杆研究及工程应用

作者：张红军; 李海燕; 张太平; 王强; 王薇; 王新; 赵慧; 常涛; 郭天婵 期刊：《煤炭学报》 2019年第02期

为解决深部软岩巷道大变形、返修率高等问题,在前人研究基础上研发了一种新型高预应力增阻大变形锚杆,该新型锚杆主要由托盘、夹片、杆体1、杆体2、连接套、锥形套、滑移套管等组成,可以施加不低于120 kN的高预应力,让压点可控为180~240 kN,变形量可在150~1 000 mm内灵活调节,锚杆的破断力可达到350 kN左右,且在变形的过程当中能保持较高的渐增支护阻力;室内静力拉伸特性试验结果表明,该新型锚杆与传统锚杆相比,具有'先抗后让再抗,防断增阻'的优良特性;为进一步研究新型锚杆的力学支护机理,在建立该锚杆杆体轴向力学特性曲线的基础上,采用Fish语言编程对FLAC3D数值模拟软件CABLE单元进行了相应二次开发,数值试验获得的试验结果与室内试验结果基本完全一致,高精度模拟了大变形锚杆的轴向拉伸力学行为;典型深部大变形软岩巷道-金阳煤矿-500 m疏水巷变形机制研究表明,围岩强度低、地应力高以及锚杆初始预应力低是导致其变形的主要因素,采用传统等强螺纹钢锚杆支护已经无法解决三者之间的突出矛盾,必须设法加强支护强度降低围岩的变形速率,同时提高支护构件适应围岩大变形的能力,才能保持巷道围岩的稳定;为验证该新型锚杆的支护效果,提出了以该新型高预应力增阻大变形锚杆为核心的新'锚网喷'支护技术,数值模拟及现场监测结果表明,该支护方案可有效提高锚杆受力状态,降低围岩变形量,与原支护方案相比,围岩最终变形量减少了近60%,取得了良好的支护效果,具有重要的推广应用价值。

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

作者：解北京; 严正 期刊：《煤炭学报》 2019年第02期

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩:煤:砂岩分别是1:1:1,2:1:1,1:1:2,1:2:2)进行不同速率(4. 590~8. 791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明:①不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;②组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110. 41~195. 49 s-1)冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。

咪唑类离子液体处理煤热失重以及传热特性

作者：肖旸; 尹岚; 吕慧菲; 刘承志; 陈炜乐; 李达江 期刊：《煤炭学报》 2019年第02期

离子液体作为新型阻化剂,溶解破坏煤中的活性结构从而抑制煤氧化反应进程,达到阻化煤自燃的效果。为了考察咪唑类离子液体对煤热失重以及热传递特性的影响,采集淮南矿区丁集1/3焦煤作为实验煤样,选取[EMIM][BF4],[BMIM][BF4],[BMIM][NO3]和[BMIM][I]对焦煤处理,并将未处理煤样作为对照组,开展热重-差热同步热分析实验和激光导热实验,得出咪唑类离子液体处理煤的热失重和热物性参数。结果表明:离子液体对煤的氧化热失重过程有明显的减弱作用,且不同离子液体的作用效果不同,效果最好的为[BMIM][BF4]。此外,差热结果显示离子液体处理煤的放热量均低于离子液体未处理煤,其中[BMIM][BF4]处理煤相比较于原煤,波峰温度提高28℃。煤样的热物性参数呈现出阶段性变化。30~210℃,随着温度的增加,煤样的热扩散系数逐渐降低,比热容和导热系数逐渐增大;210℃之后,煤样的热扩散系数逐渐上升,比热容趋于平稳,导热系数快速上升。在同一温度下,离子液体处理煤的热扩散系数以及导热系数均低于原煤,离子液体处理煤的比热容均高于原煤,其中[BMIM][BF4]处理煤的热扩散系数最小,比热容最大,导热系数最小。此外,[BMIM][BF4]处理煤热物性参数变化率最低,对温度的敏感性明显减弱,对煤热量传递抑制作用明显。结果可为煤火的防治提供一定的理论基础和现实依据。

基于高分二号卫星影像高潜水位煤矿区沉陷地土壤含水量监测

作者：麦霞梅; 胡振琪; 赵艳玲 期刊：《煤炭学报》 2019年第02期

高潜水位地区煤炭开采破坏导致地表沉陷出现积水和斜坡,沉陷内土壤含水量会分布不均匀,影响农作物的生长,从而严重影响矿区居民的生产和生活。因此大范围快速、精确监测高潜水位地区煤矿开采区的土壤含水量具有重要现实意义。卫星遥感技术可以快速、准确、高效监测矿区土壤含水量。通过遥感手段对高潜水位采煤塌陷地土壤含水量进行监测,探求出一个比较方便、快速、合理监测高潜水位采煤塌陷地土壤含水量分布状况方法,为矿区环境影响评价、农作物估产、破坏等级评价、耕地损害补偿与土地复垦方案的编制提供参考依据。借鉴土壤含水量遥感监测经验,通过野外实地采集土壤样本并测量土壤光谱数据,在室内测量土壤含水量,分析实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系,结合实测的土壤含水量与光谱特征数据,对土壤含水量与实测水体光谱进行相关性分析,得到土壤含水量光谱数据敏感波段范围。结合高分二号卫星影像谱段数据特点,将实测光谱波长按照波段范围划分为与高分二号卫星影像谱段对应的4个波段,即450~520,520~590,630~690,770~890 nm,再取各个波段范围反射率的平均值与土壤含水量光谱反射率进行相关性分析,寻求高分二号卫星影像监测土壤含水量最敏感的波段数据,在确定遥感探测敏感波段的基础上,建立了土壤含水量与光谱反射率的遥感反演模型,即:S曲线模型、逆函数模型,基于预处理的高分二号卫星影像进行沉陷区地土壤含水量遥感反演,从而得到高潜水位采煤塌陷地土壤含水量的空间分布情况。研究结果表明不同土壤含水量的光谱特征基本相似,实测地面光谱数据与土壤含水量的变化关系为土壤光谱反射率随着波长的增长而增大,呈正相关关系;土壤含水量与高分二号卫星影像数据B3波段的反射率具有显著的负相关关

基于云化QFD的采煤机服务型制造模型构建

作者：丁华; 刘恒强; 杨琨; 杨兆建 期刊：《煤炭学报》 2019年第02期

为更好地满足用户需求并给企业带来新的价值增长点,将'产品+服务'理念引入到采煤机概念设计中,构建基于云化质量功能配置的服务型制造模型,实现有形产品与无形服务的相互促进和影响。以顾客价值为驱动,围绕顾客价值挖掘、价值要素到方案特征的传递与分配及产品与服务方案交互配置设计3个关键问题,以采煤机为研究对象,构建基于价值域、性能域、方案域、3个域之间映射关系及产品与服务交互设计的服务型制造模型框架。首先从顾客期望系统实现的目标出发,构建包含结果层和属性层的价值域模型挖掘顾客价值,采用云模型处理具有模糊性和随机性的群决策值得到价值要素基本重要度,并利用市场竞争性分析和卡诺模型对其修正以提高其准确性。然后将云模型嵌入质量功能配置中实现价值要素到方案特征的传递分配,并充分利用以往采煤机产品设计中积累的大量数据,基于极限学习机理论进行模型推理辅助方案特征目标值分析。最后基于方案特征目标值进行产品与服务的交互配置和实例化信息交互得到服务型制造方案。该服务型制造模型能够从顾客期望系统实现的目标出发深入挖掘顾客价值,解决了群决策的模糊性和随机性问题、提高价值要素重要度的准确性并实现价值要素到产品与服务两类不同对象的传递与分配,通过产品服务交互设计获取产品与服务相互促进的整体解决方案。服务型制造方案与单一产品方案相比实现了服务对产品的促进和影响,完善了采煤机产品设计且以个性化的服务提高企业竞争力、提升用户满意度。结合采煤机典型机械产品,验证了上述方法的可行性与有效性。

煤及共伴生资源精准开采科学问题与对策

作者：袁亮 期刊：《煤炭学报》 2019年第01期

面临新一轮以大数据、云计算、人工智能、物联网、区域链、互联网为代表的信息技术革命,及煤、铀、油气相继走向智能化无人开采的发展趋势,深度融合现代信息技术、资源开采理论技术助推煤及共伴生资源无人(少人)开采,保障国家能源及战略需求,成为新时代能源资源开发模式变革的导向,基于此率先提出煤及共伴生资源精准开采的科学构想。煤及共伴生资源精准开采是以创新地球空间物理科学、多相多场耦合理论及智能管控系统为核心保障,互联网+现场监测、物理/数值模拟、基础实验的“三位一体”科研手段为支撑,实现煤及共伴生资源禀赋、原生/扰动地质灾害、开采装备工况全息实时展现,资源开发规划、矿井运行管理及退役矿井生态修复方案的智能弹性决策,潜在致灾因素的智能深度感知、精准圈定及高效解危,突发灾害的损伤体自主修复、管控系统韧性恢复、装备自适应调整的能源资源科学开发模式。煤及共伴生资源精准开采可有效破解资源开发面临的勘探监测、协同开发、灾害防控及环境负外部性等重大难题,为未来煤及共伴生资源开发提供了新思路。本文凝练了煤及共伴生资源精准开发的5个关键科学问题和7个主要研究方向,为实现新时代资源安全高效绿色开发提出了阶段性规划。

煤矿“采选充+X”绿色化开采技术体系与工程实践

作者：张吉雄; 张强; 巨峰; 周楠; 李猛; 张卫清 期刊：《煤炭学报》 2019年第01期

煤炭接续资源多在深部和优质资源多在西部并存的现状使得深部与西部开采成为煤炭资源开发的新常态,绿色矿山建设、绿色矿业发展与绿色化开采推进已势在必行。本文提出了煤炭资源“采选充+X”绿色化开采技术构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选、矸石充填与“岩层移动主动控制、沿空留巷、瓦斯抽采、灾害防治、保水开采”一体化生产系统,形成了煤炭“采选充+X”(控、留、抽、防、保)协同生产模式;明确了“采选充+X”绿色化开采技术的内涵与技术框架,阐述了“采选充+X”的四代演化历程,分析了其践行绿色化的技术优势,给出了科学化的工程设计方法;阐述了5类典型“采选充+X”技术对应的技术原理、工程需求、设计流程与方法、关键技术及工艺装备等。工程实践分别证明了采选充+控、采选充+留、采选充+抽等“采选充+X”技术具有的显著技术优势与工程示范效应。未来“采选充+X”绿色化开采将延伸采选充+处、采选充+智、采选充+调、采选充+协等技术模式。整体形成的“采选充+X”技术体系,可为实现煤炭及伴生资源绿色化开采提供有力的技术支持。

孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨

作者：姜福兴; 陈洋; 李东; 王存文; 盖德成; 朱斯陶 期刊：《煤炭学报》 2019年第01期

孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下“充填体-煤柱-顶板”力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:(1)采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;(2)受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;(3)充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;(4)决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。

[BMIM][BF4]对不同变质程度煤自燃热行为的影响研究

作者：邓军; 吕慧菲; 李达江; 肖旸; 王彩萍; 蒋志刚 期刊：《煤炭学报》 2019年第01期

离子液体作为新型阻化剂可溶解破坏煤中活性基团,抑制煤氧化反应进程,从根本上达到阻化煤自燃的目的。但不同变质程度煤样微观结构不同,而且离子液体成本较高,因此,难以在煤自燃领域现场实施应用。基于此,考察了离子液体对不同变质程度煤自燃热行为特征的影响,且从经济性和实用性方面考虑,选用低浓度(质量分数为5%) 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])对褐煤、长焰煤、气煤以及1/3焦煤进行热重-差热联用(TG-DSC)实验和热物性参数测试实验,得出离子液体处理不同变质程度煤的特征温度、热效应及热物性参数变化规律。结果表明:离子液体延后了煤失重过程中的特征温度,提高了煤自燃过程中的初始放热温度和最大热释放速率温度,对最大放热速率以及放热量都有着明显的抑制效应,且抑制作用随着煤变质程度的升高而减弱,说明离子液体对于低阶煤效果较好;与原煤样相比,离子液体处理煤样的热扩散系数和导热系数较低,比热容则较高,说明离子液体降低了煤体之间热量传递的速度,增加了煤体温度上升所需的热量,弱化了煤体因温差传递热量的能力,对煤样的传热性能起到了抑制作用,并且煤的变质程度越低,抑制效果越明显。结果可为离子液体抑制煤自燃领域的推广及现场应用提供借鉴。

改进分数阶Tikhonov正则化的截割煤岩载荷识别方法

作者：刘春生; 任春平 期刊：《煤炭学报》 2019年第01期

为探究截齿截割煤岩载荷的有效识别方法,实现截割载荷特征的提取与辨识,根据分数阶微积分理论,将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式,构造改进分数阶滤波因子,提出了一种改进分数阶Tikhonov正则化方法和算法。根据时域方法理论建立截割煤岩载荷的识别模型,通过核函数方法将载荷表示为一系列核函数的叠加,测量载荷表示为输入载荷和核函数响应之间的卷积分形式,采用离散化将卷积方程转化为线性方程组,利用改进分数阶正则化方法将反求过程转化为一类无约束优化问题,并采用新超记忆梯度法求解目标函数。研究表明:随着分数阶次的增大,均方根误差(RMSE)及迭代次数值呈先减小后增大的趋势,存在着最小RMSE和最少迭代次数值,可以判断存在最优的分数阶次,即α=0. 5,此时载荷识别效果相对理想。与整数阶和分数阶Tikhonov正则化方法相比较,改进的算法不仅能够保留较小奇异值对应的分量,且也能抑制较大奇异值对应的分量,从而能够有效克服载荷识别的病态性,且被识别载荷与试验载荷的均方根误差(RMSE)分别为0. 418 2,0. 388 4,0. 366 5,及迭代次数分别为19,14,11,具有较高的精度,能够克服其解的光滑性,且载荷细节特征能够较好被识别。据此,改进分数阶正则化方法在截割煤岩载荷识别方面具有更强的抗噪性和鲁棒性,为解决截割煤岩载荷及矿山机械工程中的载荷识别问题提供了一种有效研究方法。

智慧煤矿2025情景目标和发展路径

作者：王国法; 王虹; 任怀伟; 赵国瑞; 庞义辉; 杜毅博; 张金虎; 侯刚 期刊：《煤炭学报》 2018年第02期

智慧矿山是煤炭行业转变发展方式、提升行业发展质量的核心驱动力,是矿山技术发展的最高形式。基于数字矿山技术发展现状,结合生产系统智慧化特征及要求,给出了智慧矿山概念及内涵:将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术融合,形成矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统;到2025年,实现煤矿单个系统智能化向多系统智慧化方向发展,建立智慧生产、智慧安全及智慧保障系统的基本运行框架,初步形成空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化和控制网络化的智慧煤矿第二阶段目标。实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行。资源开发利用水平显著提高,煤矿职业健康和工作环境根本改善,矿山生态恢复和保护全面实施。

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

作者：尹万蕾; 潘一山; 李忠华 期刊：《煤炭学报》 2018年第02期

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。

新型地质力学模型实验系统的研制与应用

作者：杨仁树; 张宇菲; 王梓旭; 王宇轩; 吕陈平; 王昌怀; 钱俊霖 期刊：《煤炭学报》 2018年第02期

为进一步完善地下工程领域模型试验研究手段存在的不足,自主研发了一套新型地质力学模型实验系统,并以某矿煤巷掘进期间围岩变形演化特征研究为依托,通过试验结果与现场实测结果对比,验证了试验系统的可行性与可靠性。采用280个液压作动器实现了多方向主动稳定加载,能够还原地下工程围岩真实应力场分布特征;扩大了有效加载区域,较为显著地降低了尺寸效应与边界条件因素对试验结果精度的影响程度;首次综合采用了EDC伺服液压控制系统、光电编码器及数据实时传输系统,实现了数据实时采集,提高了数据采集准确度。试验结果表明:巷道开挖与支护过程中,模型巷道围岩变形规律与现场实测基本吻合,围岩变形主要特征基本一致,验证了该系统能够较好体现原型巷道围岩动态演化特征,具有一定工程应用价值,为地下工程围岩稳定性研究提供了良好途径。

单轴循环加卸载岩石非均匀变形演化特征

作者：杨小彬; 韩心星; 刘恩来; 张子鹏; 汪腾蛟; 张立辉 期刊：《煤炭学报》 2018年第02期

为了研究循环加卸载下岩石材料的力学响应机制,开展了花岗岩试件单轴循环加卸载非均匀变形演化试验研究。采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了循环加卸载过程中试件的非均匀变形、局部化影响特征参数演化规律。研究发现:随着循环次数的增加,非均匀变形现象越来越明显;非均匀变形统计指标Sw随着加载应力的增大而增大,随着循环次数的增加而加剧;当试件出现局部化现象后,后续循环随着应力的增大及循环次数的增加,其挤压位移和局部化带影响宽度皆有所增大。

淮南潘集外围深部煤层气地球化学特征及成因

作者：刘会虎; 兰天贺; 胡宝林; 薛俊华; 徐宏杰; 张文永; 任波; 黄艳辉 期刊：《煤炭学报》 2018年第02期

潘集外围深部煤层气甲烷碳氢同位素分布及其成因对该区煤层气藏的形成和分布规律、煤层气资源评价均具有重要意义。采集了潘集外围深部主要煤层共25件煤样,通过解吸实验获得解吸气样进行了组分、甲烷稳定碳氢同位素测试,分析了深部煤层气组分及稳定同位素分布特征,探讨了煤层气稳定碳氢同位素随埋深的变化特点,结合煤层气形成与演化过程、煤的变质程度分析了煤层气稳定同位素的地质影响,通过Whiticar成因图版揭示了深部煤层气成因,结合相关经验模型估算了煤层气不同成因来源气所占比例。研究结果表明:深部煤样解吸煤层气中CH4含量介于16.2%~96.68%,平均为71.60%,重烃含量介于0.35%~32.13%,平均为9.86%,N2含量介于0.13%~74.72%,平均为21.20%,CO2含量介于1.62%~27.26%,平均为7.30%。自浅部至深部煤层甲烷碳同位素变化于-45.46‰~-31.17‰,平均为-40.92‰,甲烷氢同位素变化于-199.99‰~-133.87‰,平均为-178.04‰,稳定碳氢同位素具有随深度增加偏重的特点。构造热演化史表明研究区煤层气以热成因气为主,兼有生物气可能,研究区煤层Ro,max介于0.702 2%~0.998 3%,主要为气-肥煤,生成的煤层气为湿气,油型气的输入使得δ13C1偏重。Whiticar成因图版分析表明研究区煤层气为以热成因为主,经历了后生改造作用的混合气。估算结果表明13-1煤、11-2煤、8煤、7煤、6煤、5煤、4煤、3煤、1煤生成的煤层气中热成因气比例超过80%,生物气主要由CO2还原作用所形成。

晋城无烟煤的分子结构特征分析

作者：魏帅; 严国超; 张志强; 刘松孟; 张远方 期刊：《煤炭学报》 2018年第02期

利用工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)、高分辨率的透射电镜(HRTEM)、红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对晋城无烟煤进行了分析,对其化学结构获得了较为全面的认识。采用变接触时间和偶极去相方法相结合的13C-NMR技术以及HRTEM检测对其微晶条纹芳核结构进行了统计分类。结果表明:此类煤结构中桥碳比为0.46,平均结构单元分子质量为398,煤中的芳核结构缩合程度较高,芳香层片以苯并蒽,苯并芘以及尺寸更大的芳香环为主。对FTIR与XPS检测结果进行分峰拟合结果表明:芳香环取代度较高。煤中氮含量较少,以有机氮和无机氮的形式存在。煤样中硫主要以有机硫的形式存在,无机硫含量较少。煤中氧含量很少,且主要分布于脂肪烃结构中。煤样脂肪结构中侧链短,且分支度小。利用上述信息,初步构建了晋城无烟煤平均结构单元分子模型,其平均结构单元分子式为C30H22O0.5N0.5,为煤的大尺度分子聚集体结构模型构建提供基础。