煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第7期

• 2025年中国能源消费及煤炭需求预测

  谢和平, 吴立新, 郑德志,

  煤炭在相当长时间内依然是我国最重要的能源资源，为预测未来我国能源消费结构，尤其是煤炭消费需求，以更好的指导煤炭工业发展，系统分析了中国近20 a经济发展、各分能源消费、能源弹性系数等变化特点，根据变化情况对经济发展、能源消费和弹性系数等进行了阶段划分。采用弹性系数法预测了2025年中国能源消费总需求;提出了煤炭等各分能源增量对能源消费弹性系数贡献值的概念和计算公式，并采用分能源增量贡献值法测算了2025年我国煤炭、石油、天然气和非化石能源消费需求。研究表明:2000—2025年，我国经济发展可划分为规模速度型、中高速增长型和质量效率型增长3个阶段;能源消费总量可划分为更多依靠高耗能重工业的粗放发展、粗放发展向高质量发展过渡和新常态高质量发展3个阶段;能源消费弹性系数以及分能源增量贡献值也明显呈现出3个阶段特征。研究认为2025年中国能源消费需求为55亿~56亿t标准煤。其中，煤炭、石油、天然气、非化石能源消费需求分别为28亿～29亿t标准煤、11亿t标准煤、6亿t标准煤、10亿t标准煤,分别占能源消费总量的50%～52%,20%,11%,18%。中国能源消费结构将进一步优化，煤炭占比由2007年最高72.5%降至2018年59%，2025年进一步降到50%~52%;非化石能源占比由2018年的14.3%增加至2025年的18%。

• 浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型及应用

  尹希文,

  针对浅埋煤层矿压显现强烈，易于发生切顶压架事故的问题，以神东矿区浅埋煤层为例，统计分析了7个矿、30余个综采工作面矿压数据，结果认为，与普通埋深及深部煤层相比，浅埋煤层工作面液压支架载荷大、周期来压步距短、动载系数大。采用钻孔位移计实测分析了上湾矿88 m超大采高工作面覆岩破断及地表岩移特征，破断位置位于工作面后上方，各层位测点呈整体同时破断，破断范围快速波及地表，当工作面推进11 m后，距顶板26 m处测点最大下沉量227 mm，当工作面推进296 m后，地表最大下沉量589 m。对比分析覆岩破断与液压支架工作阻力的对应关系，认为覆岩破断后没有直接与采空区矸石接触，而是形成某种结构并产生缓慢下沉现象。采用相似模拟方法分析了上湾矿88 m超大采高工作面覆岩破断及运动规律，认为正常情况下，呈整体同时破断的块体能够相互铰接并形成结构，当支护质量不足或者遇到地质异常区时，结构易发生整体滑落失稳，导致工作面压架事故。基于以上认识，提出了浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型，分析了切落体结构的稳定条件及失稳类型，认为浅埋煤层覆岩呈整体切落式破断，形成以滑落失稳为主的铰接结构。研究得到了液压支架合理工作阻力计算公式，并以上湾88 m工作面为例进行了验算，结果表明，基于“切落体”结构计算的支架工作阻力能够满足工作面顶板支护要求。“切落体”结构为浅埋煤层液压支架合理工作阻力确定提供了理论依据，丰富了浅埋煤层开采岩层控制理论。

• 深部近距离煤层群采动力学行为探索

  彭高友, 高明忠, 吕有厂, 张瑞皋, 谢晶, 刘强, 何志强, 陆彤, 杨本高,

  我国深部近距离煤层群赋存开采比重大，采动力学机理不清，导致开采效率低，安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异，尤其在深部近距离煤层群开采条件下，临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题，依托平煤十二矿己14和己15深部近距离煤层群工程实践，在己15-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验，理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式，初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己14煤层底板破坏深度理论值约21.24~30.88 m，上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变，巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm，巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式，其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现“近线性增长—跃阶式降低”两阶段演化模式，顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数，巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40m，采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35m，采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%，24.5%，己15煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系，在此基础上，进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式，并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。

• 薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数研究

  袁超峰, 袁永, 朱成, 孟朝贵,

  针对薄直接顶大采高工作面顶板垮落后不能及时充满采空区，造成上覆厚硬顶板在工作面侧向形成悬臂梁结构，进而向留巷侧传递覆岩压力导致留巷围岩破坏失稳的现象，以某矿12408工作面薄直接顶、厚硬基本顶条件为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法，研究了薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数。建立了留巷顶板的力学模型，量化了未贯穿面的拉应力与切顶高度和切顶角度的关系，确定了未贯穿面拉应力随切顶高度和切顶角度的变化规律，得出了切顶角度一定时，未贯穿面处的拉应力与切顶高度近似指数函数规律分布，拉应力随切顶高度的增大而增大，且增长速率逐渐加快;切顶高度一定时，未贯穿面处的拉应力随切顶角度的变化曲线呈抛物线形，随着切顶高度增大，未贯穿面处的拉应力超过极限所需的切顶角度的范围也增大。数值模拟方法分析了留巷中锚索轴力变化系数的变化规律、区段煤柱和相邻巷道竖直方向应力的分布特征，确定了11m的切顶高度和大于0°的切顶角度即可切断顶板间的应力传递。现场考虑到实际岩层赋存条件的复杂多变、爆破后切缝面的不平整性和贯通程度的差异性以及保证厚硬顶板在矿山压力作用下顺利垮落，采用13.6 m的切顶高度和10°的切顶角度，结合顶板垮落后的碎涨系数，理论验证了顶板垮落后的高度大于工作面实际高度，即垮落顶板能够及早支撑上覆岩层，减轻覆岩运动对留巷和煤柱稳定性的影响。现场监测到巷道顶底板及两帮变形量较小，围岩较稳定，验证了数值模拟结果的可靠性以及切顶卸压技术的可行性，可为类似条件的切顶留巷提供借鉴和参考。

• 软岩回采巷道底臌破坏机制与支护技术

  文志杰, 卢建宇, 肖庆华, 陈广印, 杨涛, 蒋宇静, 李利平, 杨胜利, 赵仁乐, 程卫民,

  软岩巷道底臌治理一直是软岩支护中重点攻关的难题之一，作为受采动压力影响的软岩回采巷道来说，巷道的底臌问题尤为突出。针对山东能源临矿集团上海庙矿区软岩大变形技术难题，首先从巷道底臌变形的力学机制入手，根据巷道围岩本构关系及应力作用模式，在结合朗肯压力理论的基础上建立了剪切错动型巷道底臌力学模型，导出了巷道底臌力源P0的计算方程。计算分析知，当底臌压力P0大于底板岩体的强度极限时，巷道底板岩体将发生剪切和扩容变形挤入巷道空间，随时间效应的加大最终导致巷道底臌;其次，结合建立的底臌力学模型，提出了一种与剪切错动型巷道底臌力学机理相适应的新型反底拱底臌控制技术，对反底拱伸出段、底板预应力锚杆和反底拱主体段3部分在底臌控制过程中的作用进行理论分析，揭示了其“控底-助帮”的底臌控制机理，并综合数值计算和正交实验的方法对新型反底拱结构的3个主要参数进行试验优化，模拟显示影响巷道底臌量指标的主要因素为底板超挖深度和反底拱伸出段长度，影响巷道两帮移近量指标的主要因素为反底拱伸出段长度;最后，通过对榆树井矿13803工作面回风巷原始支护条件下底板压力的验算，确定了底板围岩压力与矿井水的耦合作用是造成该巷道底臌的主要原因，并根据优化后的底板治理方案在榆树井煤矿13803工作面回风巷返修段进行工业性试验。工程实践表明，该项新技术控制软岩回采巷道底臌及两帮变形效果较好，有效保证了工作面回采期间巷道的稳定性。

• 构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

  王书文, 鞠文君, 潘俊锋, 陆闯,

  在新建深部矿井，原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出，且现场破坏具有区间性和方位性特征，为揭示这一机制，针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷，基于数值模拟和理论分析研究，建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型，划定能量非稳态释放边界，分析其分布形态与能量特征，结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同，构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间，顶底板内同时分布能量积聚区和释放区，而巷帮仅存在能量释放区，这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时，围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展，非稳态释能边界沿走向不断拉长，具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中，巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近，其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高，加上顶板和帮部支护作用，导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合，对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。

• 千秋煤矿微震震源参数特征以及震源机制分析

  陈栋, 王恩元, 李楠,

  为了解释和量化采矿诱发微震的危险性，提高采矿作业安全性，首先基于Brune模型和网格搜索法，求取千秋煤矿微震的地震矩、拐角频率、震源半径和应力降等震源参数以及矩震级，分析震源参数与矩震级之间的关系，最后基于震源参数和P波反演法来反演震源机制解。研究结果表明:①千秋煤矿微震震源位移谱很好地符合 Brune模型，基于此通过网格搜索法可以迅速准确地求取震源的拐角频率fc和拐角谱值Ωc;②基于拐角频率fc和拐角谱值Ωc和相关的理论公式,可以进一步迅速准确地求取各个震源参数和矩震级;③随着矩震级增加，拐角频率呈线性减小趋势，震源半径和应力降都呈线性增加趋势。在同等震级条件下，该矿微震的拐角频率和应力降的值都要小于天然地震，表明该矿微震的破裂尺度和形式不同于天然地震;④应用P波反演法很好地反演出了千秋煤矿的剪切破坏、剪切张拉破坏和剪切挤压破坏震源机制。千秋煤矿开采活动会引起地质不连续面的滑动，产生区域内的动载荷作用，对自由面附近的节理面产生推动作用，从而造成岩体破坏，由于巨厚砾岩层顶板容易积聚大量弹性能，岩体破坏时会产生很大的冲击。上述成果可以在震后迅速准确地量化和评估震源破裂的尺度和机制，而且根据不同震级对应震源参数的范围，可以对将要发生微震的震源参数进行迅速评估，为进一步研究矿山微震震源的破裂过程和危险性的评估提供借鉴。

• 冲击地压巷道锚杆支护金属网静载和动载力学性能试验研究

  付玉凯, 孙志勇, 鞠文君,

  为揭示冲击地压巷道锚杆支护常用金属网的静载和动载力学性能，从而为冲击地压巷道锚杆支护中金属网的选取提供设计依据，采用专门制作的金属网静载和动载力学性能试验装置对常用的经纬网、菱形网和钢筋网的力学性能进行了测试，分析了常用金属网在静载和动载荷下的受力特征和变形状况。实验结果表明:静载作用下，菱形网、经纬网和钢筋网的最大挠度分别为240，236和225 mm，最大承载能力分别为20，16.2和77 kN，3种金属网的最大挠度差别不大，但承载速率差别较大，钢筋网承载速率最大，其次是经纬网，最小是菱形网;动载作用下，菱形网、经纬网和钢筋网的最大吸能能力分别为1 743，938和2 010 J，最大挠度分别为350，420和360 mm，钢筋网吸能能力最大，挠度中等，而菱形网吸能能力次之，而挠度反而最小。菱形网无论是静载还是动载，其初期刚度较低，承受效率慢，而其受力均匀，能承受较大的静载荷和动载荷，且四周绑丝处不易破断，勾接连接方式有很好的承载和缓冲能力，但其主要的缺陷在于承载效率慢，支护刚度太低，通过提高初期张紧力是提高菱形网支护效果的主要途径;经纬网刚度较高，承载效率快，但强度相对较低，易产生经线和纬线错动失效，且经纬网变形时，受力不均匀，绑丝易断裂，四角固定处受力较小，受力传递效果较差，要想提高经纬网支护效果，需提高经纬网经线和纬线之间的约束力;钢筋网初期刚度高，强度大，吸能能力强，但钢筋网的缺点是强度不能充分利用，尤其是钢筋网焊接处和四周绑丝处强度较低，制约了钢筋网支护效果，要想提高其支护效果，需提高焊接点强度和四周绑丝强度。

• 内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

  王学滨, 田锋, 马冰, 张智慧, 潘一山,

  巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。 巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。 采用以FLAC3D应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。 研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;② 并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。 本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。

• 冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

  杨仁树, 许鹏, 景晨钟, 范军平, 方士正, 张航,

  针对层状砂岩的各向异性，探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件，利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验，并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看，层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时，圆盘试件在加载端处首先产生应变集中，并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展，最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时，圆盘试件中间首先形成多个应变集中区，表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹，并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通，最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时，圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区，由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体，因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出，在相同加载速率下，垂直层理试件的强度最高，水平层理试件的强度最低，倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高，不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征，但与无层理砂岩相比，含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外，层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响，受剪应力的影响，倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。

• 冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

  王恩元, 孔祥国, 何学秋, 冯俊军, 鞠云强, 李金铎,

  为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征，建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验，研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段，轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合，初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时，应力应变曲线呈现“跃进”现象，可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度，试样破坏，应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关，应变率效应明显，应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论，建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型，该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素，明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响，轴向静载会劣化煤体，造成动态强度降低，围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度，理论模型反映的特征与试验结果相吻合，并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线，其与试验应力应变曲线基本重合，且应变率越高，一致性越好。

• 砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

  刘正和, 杨录胜, 廉浩杰, 冯增朝, 杨栋,

  针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害，提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样，在试件中心打通孔，孔径为25 mm，沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝，共制备试件16块，利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验，监测获得注液压力-注液时间的变化曲线，统计压裂裂缝路径形态，并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征，研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响，并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝，且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大，随着水平应力差异系数的增加而减小，随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加，在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时，可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时，适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。

• 含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

  张波, 郭帅, 杨学英, 李垚, 许新骥, 杨磊, 张柏楠,

  页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题，水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响，采用真三轴水压加载系统，对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验，研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响，并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用，水平应力差系数越低，天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大，裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱，水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时，两裂尖所处位置的应变能密度较大，主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应，水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置，主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近，主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应，裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱，水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。

• 煤体单轴压缩感应电荷时频演化规律与失稳破坏电荷评价指标

  吕进国, 张建卓, 丁鑫, 潘一山, 唐治, 王学滨,

  To effectively forecast the dynamic disasters caused by coal and rock failure,the mechanism of charges gen- eration and the monitoring principle of charge induced by loading on coal with deformation and failure are introduced. The monitoring experiment of charge in the course of uniaxial compression coal is carried out. The initial time of effec- tive charge generation is studied by the method based on hypothesis principle. The commonality characteristics of time series relationship with stress and induction charge in the process of evolution of coal failure are obtained. The time- frequency characteristics of charge signals in the early stage of loading and the late stage of failure are studied,and a low-pass filter based on the FIR method is designed to obtain the effective charge signals. Based on the time-frequency characteristics of induction charge in the process of coal failure evolution,the evaluation indexes of charge signals for instability failure are constructed. An intrinsically safe charge monitor is developed. The test of charge monitoring dy- namic appearance in the underground is developed. Also the effectiveness of monitoring results is verified. In conclu- sion,the results show that the method with the lilliefors test can identify the effective charge signals produced in the in- itial stage of coal loading. The charge signals of compaction stage are basically white noise. In the elastic stage,a small amount of low-amplitude effective charge signals which are difficult to identify and mixed with white noise will be pro- duced,and in the elastic-plastic transition stage,a charge signal with easy identification,relatively increased amplitude and poor continuity will be produced. In the plastic stage and failure stage,the effective charge signals increase with the increase of stress drop times and the increase of stress drop amplitude. The fluctuation amplitude of charge signals in the two stages is more intense and the continuity of high-amplitude charge signals is stronger. Through time-frequen- cy transformation,the main frequency of white noise of charge signals is not less than 50 Hz,the main frequency of charge signals produced by coal fracture is not more than 15 Hz,and the FIR low-pass filter designed can effectively reduce the noise signals and retain the high amplitude and fluctuation signals. Three evaluation indexes of charge accu- mulation,average charge intensity and charge variation coefficient are established,which can reflect the fracture state of coal body. Mean charge intensity can also reflect the stress level of coal body. The variation coefficient can more ac- curately identify the precursor points of coal body entering the accelerated failure stage. Under the influence of mining, the coefficient of variation of charge and the average charge intensity of each measuring point in the field are obviously larger than those without mining influence,and the coefficient of variation of charge decreases gradually with the dis- tance from the working face,and the average charge intensity reaches the maximum value in the range of the peak in- fluence of the abutment pressure at the advanced working face. It shows that the charge monitoring method can obtain the situation of dynamic failure of roadways. It can provide a new monitoring mean for the early warning of coal mine dynamic disasters. Key words:inducti

• 深部砂岩力学特性试验与本构模型

  张向东, 蔡冀奇, 唐楠楠, 李庆文, 孙闯,

  为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景，对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验，结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点，推导出砂岩损伤软化本构模型，探讨了模型参数F0和m与围压的函数关系，结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点，采用非线性拟合方法对模型参数进行修正，最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC3D对修正后的本构模型数值求解，将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用，并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低，强度参数受围压影响较大，不同围压条件下，当应力达到峰值后，砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC3D数值验证结果可知，损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合，说明模型具有较高的真实性，能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明，在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏，并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。

• 基于可释放应变能岩石扩容准则的研究

  郭建强, 黄武峰, 刘新荣, 陈建行, 蒋建国,

  针对当前扩容准则计算精度不高，且难以反映震源释放应变能对岩体扩容影响的问题，基于能量转化是物质物理过程的本质属性，通过理论分析和试验研究，从弹性应变能的角度对已有扩容准则进行了研究，并据此建立了广义扩容准则。结果表明，已有扩容准则将泊松比等于0.5看作是任意应力状态下材料扩容的前提;已有线性扩容准则未考虑中间主应力对扩容影响，且扩容应力随围压线性增加。在对扩容准则分析的基础上，从能量角度提出弹性应变能达到某一临界值时材料开始扩容，并据此建立广义扩容准则;该准则突破了材料扩容时泊松比恒为0.5的传统假设，且能反映中间主应力、弹性模量、泊松比及未知可释放应变能(或震源释放应变能等)等对岩体扩容的影响;当泊松比等于0.5时，该准则蜕化为既有扩容准则;应力水平相同时，泊松比越小，广义扩容准则计算的扩容应力越小;随中间主应力增加，广义扩容准则计算的扩容应力可能会降低。广义扩容准则为地震预报提供了理论支撑，既可计算受震源释放应变能影响的岩体是否扩容，又可计算发生扩容的岩体吸收应变能大小。三轴拉伸与三轴压缩条件下岩石扩容应力的计算表明，广义扩容准则可描述岩石的扩容特性，并分析了产生上述结果的内在机理。广义扩容准则能够用于岩石扩容、地震预报、深部矿产资源的开采及地下工程的稳定性均具有重要意义。

• 岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

  刘新荣, 邓志云, 刘永权, 路雨明, 刘树林, 韩亚峰,

  利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验，并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果，验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大，节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展，且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限，甚至可以忽略，但随着循环加载幅值的增加，节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多，表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加，且有增速的趋势，在循环加载次数增加到某个量级时，裂纹出现激增的现象，表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下，节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势，表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度，但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果，有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。

• 基于竖向位移差的块系岩体超低摩擦效应理论分析

  李利萍, 李卫军, 潘一山,

  深部块系岩体在强冲击扰动下其相对压紧程度会随时间变化，引起超低摩擦效应，而块体间竖向位移差是表征块体间相对压紧程度的直观指标。以块系岩体为研究对象，建立了考虑上覆岩层压力的岩体动力模型，推导得出垂直冲击作用下新的块体间竖向位移差公式并与试验结果进行了对比，验证了理论公式的正确性。最后分析了块体间阻尼、块体质量、垂直冲击幅值和频率等影响因素对相邻两块体间竖向位移差影响规律并以其最小值变化判断超低摩擦效应发生难易程度。竖向位移差最小值越小，超低摩擦效应愈趋显著。研究表明:块体模型受垂直冲击扰动作用时，块体在时间尺度上依次发生强迫振动和自由振动，而其运动过程按竖向位移差变化可分为超强挤压、强挤压、弱挤压和相互脱离4个阶段，相互脱离阶段和弱挤压阶段是超低摩擦效应易发阶段;块体质量、结构面阻尼变化对竖向位移差幅值及周期有明显影响，块体间竖向位移差最小值随块体质量增加以对数规律递增、随块体间结构面阻尼增加以线性规律递增;块体质量和结构面阻尼越小，超低摩擦效应更易发生。垂直冲击频率和幅值亦对块体间竖向位移差影响显著，竖向位移差最小值随垂直冲击载荷幅值增加而线性递减，随垂直冲击频率增加以对数规律递增，即低频、强冲击扰动更易诱发超低摩擦型冲击地压。

• 深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

  姚直书, 赵丽霞, 程桦, 徐华生,

  针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题，对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先，采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验，实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力，研究了该种井壁结构的受力机理，结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物，由于内表面的圆形结构特征，在侧向压力作用下，井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态，其混凝土抗压强度提高了1.592～1.765倍，井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式，获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后，基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求，根据模型试验结果和内壁受力机理，提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法，给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位，井壁厚度由原设计的1 150 mm优化为900 mm，厚度减薄达21.74%。最后，通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明，优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8~-136.9 MPa、竖向钢筋应力值为-39.5~-53.2 MPa，远小于钢筋强度设计值300 MPa，井壁中混凝土环向微应变为-730~-790με、竖向微应变为-380~-390με，远小于C70混凝土的极限压应变值，说明设计优化后的井壁结构不但经济合理，而且安全可靠。

• 基于岩体质量评价与分区的露天矿岩质边坡生态重建技术

  吴杨, 夏冬, 梁冰, 贾淯斐, 杨意德,

  露天矿岩质边坡生态恢复与重建是绿色矿山建设的重要组成部分，开展露天矿岩质边坡生态重建技术研究，对于实现我国绿色矿山建设具有重要的推动作用，岩质边坡极端恶劣的立地条件制约了该项工作的顺利开展。以研山铁矿东帮边坡为研究对象，在详细分析该边坡地层分布特征、岩性、结构面产状及风化程度的基础上，采用三维激光扫描技术，构建东帮边坡DTM模型，在三维激光扫描结果与地质平面图对比分析的基础上，将东帮边坡划分为北、中、南3个区域;根据岩石力学试验结果，结合各区域岩体结构面空间几何信息，采用BQ分类法对上述各区域岩体质量进行评价，结果为:北、中、南区岩体质量等级分别为Ⅳ级、III级和II级，以矿区公路为同区上、下半区的分界线，下半区岩体质量好于上半区;根据边坡岩体质量分级结果，在不同区域采用与该区域岩体质量等级及节理、裂隙发育情况相适应的生态重建方案，其中，北区上、下半区分别采用客土喷播技术和厚层基材喷播技术，且下半区喷播基材中的黏结剂和团粒剂含量高于上半区，中区上、下半区均采用以铁尾矿为基质的人工土壤喷播技术，南区上、下半区均采用爆破燕窝、植生孔与高保水绿化喷播相结合的岩质边坡生态重建技术方案;边坡平台在前期采用林地、草地相结合的生态重建技术，待平台上土壤熟化后，采用林地、中药种植地相结合的生态重建技术;根据边坡最终境界与新河的相对位置关系，采用疏干排水的方式降低地下水对边坡稳定性影响的同时，设计了边坡生态重建所需的滴灌系统。研究成果为露天矿岩质边坡生态重建技术方案选取提供了新思路。

• 城市地下不规则采空区的超载破坏模型试验

  李东阳, 王杰, 杨韶珺, 王波, 张垒志,

  为研究某城市地下小型采空区的岩层稳定性，采用三维相似模型方法，对城市潜在地质灾害问题进行了超载破坏试验研究。根据相似模拟理论，以中粗河砂为骨料配置了相似材料，采用砌筑法建立了相似模型。对岩层进行逐级竖向加载至破坏，同时监测了地表位移、矿柱和岩层顶板的应变变化，并采用内窥镜拍摄了顶板和矿柱的破坏演变过程。计算分析了岩层表面的位移、曲率变形、顶板的应变，及矿柱的破坏随荷载增加的变化曲线。综合几个方面来分析岩层的稳定性。试验结果表明:①岩层表面荷载小于2 MPa时，岩层表面变形很小，属于稳定状态;2 MPa后岩层变形呈随荷载迅速增大的状态，并表现出明显的不均匀变形特征。②岩层表面荷载不超过1.2 MPa时，顶板应变处于线性小变形阶段，属于稳定阶段;而后顶板应变随岩层表面荷载迅速增加，当荷载增大到5 MPa时，应变曲线上出现明显的拐点，顶板开始出现破坏现象。③根据影像记录，顶板先于矿柱出现受拉裂缝破坏，而后矿柱出现剪切破坏现象。因此，未来的破坏模式必将是顶板先于矿柱出现拉裂缝破坏现象，所以要从防止顶板拉裂的角度来控制岩层的稳定性。综上所述，最终确定岩层表面瞬时荷载为1.2 MPa，并且在未来的开发设计中，应充分考虑该区域岩层因存在地下不规则采空区而导致的不均匀变形问题。

• 彬长低阶煤高瓦斯矿区瓦斯地质及其涌出特征

  蔺亚兵, 秦勇, 王兴, 段中会, 马东民,

  针对近年来低煤阶煤矿区高瓦斯矿井数量增多，但瓦斯赋存规律及涌出特征知之甚少的问题，以陕西省黄陇煤田彬长矿区为例，依据勘查阶段和煤矿生产过程中测试的瓦斯参数及抽采数据，总结分析低煤阶煤矿区矿井瓦斯参数及瓦斯富集规律，讨论地质因素对低煤阶煤矿区瓦斯涌出特征的影响及其机理。研究表明，低阶煤煤化程度低，孔隙度较高，游离气含量高，煤层透气性好，瓦斯富集规律和涌出特征明显区别于中、高阶煤。彬长矿区发育大佛寺瓦斯富集区、小庄－亭南瓦斯富集区、胡家河瓦斯富集区3个瓦斯富集区。地质构造是控制低煤阶煤矿区矿井瓦斯富集的主要因素，煤质特征决定了低煤阶矿区瓦斯赋存状态。瓦斯涌出量同时受控于开采层瓦斯含量、煤厚、煤层底板标高、地质构造等地质因素。开采煤层原位瓦斯含量越高，煤层厚度越大，煤层底板标高越大，回采工作面瓦斯涌出量越大。褶曲翼部瓦斯涌出量明显要大于向斜轴部宽缓区域，翼部地层倾角越大，回采工作面瓦斯涌出量越大，褶曲对煤层倾角的影响控制了低阶煤瓦斯涌出特征。断层附近受游离气含量的影响，易造成回采工作面瓦斯涌出量突然增大。综采放顶煤采煤工艺在显著提高煤炭产量的同时，也造成了近年来低煤阶煤矿区高瓦斯矿井数量增多。

• 煤吸附甲烷结构变形的多尺度特征研究

  周动, 冯增朝, 王辰, 沈永星,

  通过扫描电镜对细观无烟煤样表面结构进行观测，研究了由结构镜质体与细观裂隙引起的煤体细观结构多尺度非均质特征;对比煤样表面CT扫描测试与分析结果，证实了不同尺度下煤体细观结构非均质特征与密度非均匀分布的一致性，即，在较小尺度下，由于煤中结构镜质体与细观裂隙结构的多样性，煤的细观结构和密度分布非均匀性很强,随着尺度的增大，煤的细观结构非均质特征减弱，密度分布非均匀性也减弱。通过对不同吸附压力下煤吸附甲烷CT扫描的数据进行多尺度三维分割与统计，揭示了煤吸附甲烷后细观结构膨胀/挤压变形与密度分布的相关性随结构尺度变化的规律;在小尺度上，低密度结构容易被挤压，中密度结构膨胀和挤压变形同时存在，高密度结构易于发生膨胀变形。随着煤结构尺度的增大，变形方式与原始结构密度的相关性降低。通过对不同尺度与吸附压力下的煤结构膨胀/挤压变形量、膨胀/挤压变形体积统计与分析，发现在甲烷吸附过程中，煤结构的膨胀变形和挤压变形均随结构尺度的增加而减小。煤的膨胀变形主要受吸附压力和结构尺度的影响，而挤压变形主要受结构尺度的单一因素的影响;煤中挤压变形体积始终小于膨胀变形体积。煤体结构的膨胀变形量与挤压变形量随尺度增加的衰减过程是非同步的，在小尺度下，煤体结构的挤压变形量比膨胀变形量更大，随着尺度增加，挤压变形量衰减速度比膨胀变形量衰减速度更快。研究结果对于煤层气开采过程中的气体渗流特征的多尺度精准动态评提供借鉴。

• CO影响CH4爆炸及自由基发射光谱特性实验

  罗振敏, 王涛, 文虎, 张江, 程方明, 赵婧昱, 王秋红, 王亚超, 刘长春,

  为深入研究CO对CH4爆炸特性的影响并分析其作用机制，采用可燃气体爆炸极限测定装置测定了CO作用下的CH4爆炸极限参数;结合自主设计、改进的密闭球形爆炸实验测试系统与光谱测量系统获取了CO-CH4-空气爆炸压力参数，并同步采集爆炸过程3种自由基(H*,OH*,CH2O*)的瞬态发射光谱参数，通过对比分析CO-CH4-空气爆炸压力参数与火焰发射光谱强度参数，以宏观-微观相结合的方式评估了CO对CH4爆炸特性的影响规律。结果表明:少量CO会增大CH4爆炸危险性，减小其临界氧体积分数，并显著增加惰化混合体系所需的惰性气体量。CO对CH4爆炸压力的影响主要取决于体系中的氧含量和其自身化学性质，在富氧状态下，CO会加剧预混体系的爆炸强度，随着体系中氧的减少促进作用逐渐减弱，在贫氧条件下则体现出阻尼效应。CO对CH4爆炸压力参数和3种自由基发射光谱参数的影响规律具有良好的一致性，最大爆炸压力时间光谱强度极值时间的变化规律相互吻合，而自由基开始大量积累的时间与预混体系中可燃气体含量及爆炸强度存在相关性。爆炸强度越大则越早开始积累且积累速度越快，中间产物大量且快速的积累是造成体系爆炸加剧的原因之一。相关数据可加深对多元混合体系爆炸机制的理解，为优选化学抑爆介质、提升相关抑爆效能提供理论基础。即，进一步深入开展以气体燃爆过程中的关键自由基团为直接作用目标的化学抑制剂改性相关研究，通过提高其阻断链式反应进程水平的方式加强其抑爆效能。

• 页岩微观结构灰度图像的标准化方法

  俞雨溪, 王宗秀, 程明, 尹锦涛,

  采用灰度图像分析方法获取页岩孔隙结构参数是目前页岩微观结构表征的一种重要手段。在扫描成像过程中，往往需要根据样品自身特点调节亮度、对比度等参数以达到较好的成像效果，这会导致不同视域、不同样品的图像灰度分布特征发生变化，从而导致识别孔隙的灰度阈值产生差异。为了实现统一标准识别页岩孔隙，研究以SEM图像为例，由图像灰度分布影响因素分析入手，在提取一系列标志参考物灰度的基础上，通过合成灰度累计概率分布建立了待校正图像的代表性灰度分布，在此基础上确定了待标准图像与标准图像合成灰度累计概率分布之间的映射关系，采用图像灰度直方图匹配算法实现了图像标准化。研究结果表明，页岩中的孔隙、有机质、自生石英、黄铁矿等4种组分组合后可覆盖整个图像灰度分布，是有效的标志参考物组合。利用该标志物组合所合成灰度累计概率分布作为不同图像间的对比参数进行标准化，可以消除组分含量差异对灰度分布的影响，达到校正对比度和亮度等扫描参数设置差异对图像灰度的影响。经验证，该方法对采用不同拍摄参数的图像均具有较好的应用效果，经过标准化处理后的图像能够实现同一灰度阈值自动识别页岩孔隙和有机质等地质元素，提高了图像提取孔隙结构参数的可对比性，为页岩微观图像孔隙结构定量分析提供了可靠基础。

• 水岩反应中泥质夹层生成固相微粒的实验研究

  姚征, 曹代勇, 魏迎春, 熊先钺, 李宁, 王喆,

  在煤储层地质条件和煤层气开发工程的双重控制下，以煤粉为主的固相微粒生成和运移对煤层气井连续稳定排采的制约作用尤为严重。为查明复杂煤层结构对煤层气开发中固相微粒生成规律的影响，以叠置发育煤层和泥质夹层的岩芯样品为研究对象，应用单相液流岩芯驱替仪，开展了水岩反应物理模拟实验，对比分析了在不同浓度的KCl溶液环境中泥质夹层与煤层生成固相微粒的数量、类型、运移特征及其对玻璃珠层导流能力的伤害程度。结果表明:在相同的物理模拟实验条件下，与煤层相比，泥质夹层在水岩反应中易于生成数量更多、粒径更小的黏土矿物型固相微粒;KCl溶液浓度影响着泥质夹层中固相微粒的产出规律，低浓度的KCl溶液与泥质夹层会发生高强度的水岩反应，从而使固相微粒的生成量和迁移率增大;固相微粒的黏滞状态会伤害玻璃珠层的导流能力，随着溶液浓度升高，固相微粒的生成强度和运移距离减小，渗透率降低幅度的波动变化持续时间相应缩短。结合渭北石炭—二叠纪煤田韩城矿区煤层气开发实践研究认为，以复杂结构煤层为煤层气井排采对象会使煤中夹矸的层数增加、厚度变大、岩性多样和矿物复杂，这将导致泥质夹层等敏感岩层的矿物组分和岩石结构稳定性因水岩反应和应力破坏的综合作用而相应降低，造成煤储层固相微粒的产出类型趋于复杂多样化，使固相微粒的生成强度升高和运移距离增大，进而引起更加严重的储层伤害和频繁发生的设备故障，直接影响着煤层气井排采效果。通过查明煤层气井开发层内夹矸的空间发育特征、敏感矿物类型及其含量，可在钻井、压裂和修井等生产环节中适当使用防膨剂和稳定剂来降低黏土矿物的膨胀分散程度、增强煤岩表面疏水性和提高煤粉在裂隙面的黏附力，以此减少固相微粒的生成量和迁移率，从而有效防治煤储层固相微粒的产出问题。

• 镧系元素地球化学效应方程参数之科学意义初探

  杨建业,

  为量化给出以往发现的镧系元素地球化学效应的结果，运用镧系元素+3价离子半径与其某一地球化学行为参数的回归分析方法，研究了山西8号煤层气、肥、焦、廋、贫等5种烟煤镧系元素的地球化学行为，提出了镧系元素地球化学效应回归方程。初步推断认为，该方程可以反映任一地质体中某个镧系元素的任一可量化的地球化学或其他化学行为与该元素+3价离子半径以及该地质体中的∑REE,LREE/HREE之间的数学函数关系。其中，线性回归方程的斜率通常与其∑REE总量呈正相关，而幂函数的幂指数则与轻重稀土的分异程度呈高度正相关。但回归方程拟合优度的大小的地球化学意义尚难以确定，可能与地质体自然演化、变质过程某种热力学平衡程度有关,也与镧系元素自身的赋存状态和化学性质有关,但与演化、变质方向的关系尚难以确定。即便是同一演化或变质过程，LREE相比HREE达到平衡的程度亦不相同，通常LREE达到平衡的程度比HREE要高，但也有时候恰恰相反。其科学意义尚不清楚。如果是非自然的、人工干预的、快速的某种化学过程，如镧系元素的酸脱除率，由于远非充分的自然演化过程，因此亦远未能达到这种热力学平衡。此时回归方程虽然也可用，但拟合优度并不高。

• 湖南新化天龙山岩体侵位对煤系变形变质的构造效应

  李焕同, 陈飞, 邹晓艳, 左晓峰, 莫佳峰, 韩雪, 陈茜,

  煤对应力、应变和温度十分敏感，在多期次、多层次的构造-热运动下必然会留下各种应力作用(静压力和构造应力)痕迹。采用工业分析、元素分析、XRD,SEM及ICP-MS等方法，探讨了新化中生代天龙山岩体侵位对煤系变形变质、煤结构变化的构造效应以及元素迁移富集的应力-应变环境响应。研究结果表明:天龙山岩体侵位引起的岩浆热及构造应力作用，促进煤化程度升高逐渐转变为隐晶质石墨，煤及围岩出现大量热变质矿物;岩体侵位施加放射状挤压应力集中带，节理与岩组主压应力轴方位与岩体边界近于垂直，靠近岩体构造变形增强;构造应力与岩浆热变质叠加作用对煤的大分子结构影响显著，d002值、La/Lc分别随变质程度降低及远离岩体而减小。岩体附近煤层受岩浆热作用显著，岩浆侵位的构造效应(机械能、热能及化学能)造成煤岩结构破坏、变质程度升高以及元素富集、迁移，煤中REE含量增加;稀土元素球粒陨石标准化分配模式曲线特征可划分为3种类型，其中A型与C1型靠近岩体叠加了岩浆热变质作用，与泥盆纪灰岩及硅化灰岩稀土元素分配模式曲线相似，岩浆热液使围岩矿化，但局限于蚀变带。岩浆热变质作用驱使稀土元素向富轻稀土方向演化，构造应力驱使稀土元素向着富重稀土的方向演化，导致ΣL/ΣH比值偏低。

• 华北型煤田奥灰顶部利用与改造判别准则及底板破坏深度

  董书宁, 王皓, 张文忠,

  随着我国华北型煤田开采深度逐年增加，大部分矿井已面临由上组煤转向深部及下组煤开采阶段，奥陶纪灰岩岩溶水害威胁呈上升趋势，底板突水危险逐年增加，而目前规范和规程中的底板突水系数法虽然应用较广泛，但并未充分考虑到奥灰顶部实际阻水能力，其评价方法存在一定的局限性。在现有奥灰顶部地质及水文地质条件认识的基础上，提出了部分矿区奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用的理念，将煤系隔水层厚度、风化充填带厚度、注浆改造段厚度和底板扰动破坏深度视为底板突水系数判别式的影响因素，建立了改造奥灰顶部岩层段厚度的判别准则，论述了底板破坏深度在判别准则中的重要性，并以韩城矿区桑树坪煤矿11号煤层3105工作面开采为典型案例，通过构建的17组数值模拟方案，分析得出了煤层开采深度对底板扰动破坏深度影响最大、开采厚度最小、开采宽度则存在尺寸效应等结论;同时将模拟数据与全国相似矿区实测样本结合，给出了采深、采宽和采高3因素影响的预测模型，并对其进行了验算和适用性分析，结果表明新模型拟合方程的误差均值、百分比、方差和均方差均优于统计公式，具有预测精度高、误差小、适用性广等特点，基本满足工程实际需要。其研究成果可用于奥灰顶部含水段的注浆改造实际工程中，对深部下组煤安全带压开采提供有利的技术保障。

• 榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建

  赵春虎, 靳德武, 王皓, 王强民, 王世东, 刘洋,

  煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因，针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题，根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征，总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层“侧向直接与垂向渗漏”复合失水模式，以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台，提出了中深煤层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型的构建方法:①利用岩石力学模块，通过建立煤层开采条件下覆岩采动应力、孔隙率与渗透率耦合关系，模拟输出弯曲带覆岩各剖分节点的位移变形量，计算采动渗透系数变化;利用Mohr-Coulomb塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围;②利用COMSOL软件平台中大变形几何体自动重新剖分计算模块，重新进行网格剖分，形成采动变形二次剖分网格;③在达西渗流模块中，根据含水层与导水裂隙带间的地下水运动状态的转化特征，把采动导水裂隙范围数值处理成达西渗流边界，重新输入采动渗透系数参数，以建立含水层地下水失水分析模型。最后以榆神矿区曹家滩煤矿为分析案例，建立工作面尺度上煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水分析模型，模拟得出工作面2-2煤层分层开采(5m采高)条件下导水裂隙最大高度为128m，发育至直罗与延安组基岩含水层内部，含水层失水总量35.84m3/h，其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为23.17,12.67m3/h，煤层开采对近地表松散含水层影响小;一次采全高(10m采高)条件下导水裂隙最大高度为202m，发育至富水性好的风化基岩含水层内部，失水总量增加至130.31m3/h，其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为92.65,37.66 m3/h，煤层开采对松散含水层影响较大。

• 低阶煤颗粒-气/油泡间的疏水力常数研究

  王市委, 陈松降, 陶秀祥, 石开仪, 陈鹏, 陈文辉,

  浮选实验表明油泡对低阶煤颗粒的捕收能力要远强于传统浮选过程的起泡。这主要是由于油泡表面被捕收剂覆盖，其表面疏水性要远高于气泡表面的疏水性。因此，在油泡浮选矿化过程中，低阶煤颗粒-油泡间水化膜的薄化速度要远快于煤颗粒-气泡间的薄化速度。诱导时间测试发现，随着DAH溶液浓度从10-7mol/L增加到5×10-5mol/L时，低阶煤颗粒-气泡间的诱导时间从93ms下降到12ms。随着DAH溶液浓度从5×10-5mol/L增加到10-3mol/L时，低阶煤颗粒-气泡间的诱导时间从12ms增加到35ms。当DAH浓度由10-7mol/L(纯去离子水溶液)增加到5×10-5mol/L，低阶煤颗粒-油泡间的诱导时间由35 ms降低到10 ms。随着DAH浓度的进一步增加到10-3mol/L时，低阶煤颗粒-油泡间的诱导时间由10ms增加到25ms。为了从微观尺度下去表征油泡表面较气泡表面所具有的强疏水性，本文通过低阶煤颗粒-油/气泡间的诱导时间，利用non-DLVO理论及Stefan-Reynolds水化膜薄化模型，拟合出初始水化膜厚度h与疏水性常数K132之间的关系，进而得到了低阶煤颗粒-油/气泡间的疏水力常数K132与十二烷胺盐酸盐DAH溶液浓度的关系。疏水力常数K132拟合结果表明，当DAH溶液的浓度为5×10-5mol/L时，低阶煤颗粒-油泡间的疏水力常数K132约为低阶煤颗粒-气泡间的疏水力常数K132的3倍;当DAH溶液的浓度为10-6mol/L时，前者是后者的15倍。因此，油泡表面较气泡具有更强的疏水性质。从而解释了低阶煤-油泡浮选矿化过程优于传统浮选过程的本质特征。

• 聚合氯化铝对选择性聚团法制备超纯煤的影响

  董子龙, 杨巧文, 窦蒙, 冯曜, 徐菁, 刘向辉,

  为探索选择性聚团法制备超纯煤的工艺条件，以太西无烟煤为研究对象，分析了太西无烟煤的性质和矿物质的种类。采用选择性聚团法对超细粉碎后的煤粉进行分选实验，研究了研磨时间、煤油用量、仲辛醇用量和聚合氯化铝用量对精煤灰分和收率的影响，并对比了氯化铝、26%和29%的聚合氯化铝对分选效果的影响。通过Zeta电位仪测定添加不同用量的聚合氯化铝的煤样Zeta电位，利用光学接触角测量仪测定不同聚合氯化铝用量下的太西煤样和人工矿物表面的润湿性，采用DLVO理论计算揭示聚合氯化铝对煤中异类矿物质颗粒间相互作用机制。结果表明，当煤油用量为1.19 kg/t、仲辛醇用量为0.40 kg/t、聚合氯化铝用量为50 g/t、研磨时间为30 min时，分选出的超纯煤灰分达到0.64%，精煤产率为68.91%。相同药剂用量下，添加聚合氯化铝比氯化铝的浮选精煤产率高，与未添加聚合氯化铝分选效果相比，精煤灰分降低了0.18%，精煤产率提高了19.38%。当26%和29%聚合氯化铝用量为50g/t时，两者精煤产率都达到最大，分别为68.91%和75.00%，精煤灰分分别为0.64%和0.71%，添加26%聚合氯化铝比29%聚合氯化铝脱灰效果好。随着聚合氯化铝用量的增加，煤的Zeta电位值不断增加，由-28.7 mV增加到-20.63 mV。添加聚合氯化铝后煤的接触角增加，疏水性增强，人工矿物表面亲水性增加，煤与人工矿物表面差异性增大。随着聚合氯化铝用量的增加，煤表面Zeta电位值不断增加，由-28.7 mV增加到-20.63 mV。添加聚合氯化铝后煤接触角增加，然而，人工矿物接触角减少，由于煤的疏水性和人工矿物亲水性增加，导致两者表面性质差异增大。根据DLVO理论计算，聚合氯化铝增强了煤与蒙脱石颗粒之间斥力作用，同时增加了煤中无机矿物质的团聚效果，减少了无机矿物质对煤颗粒表面罩盖和异质细泥夹带作用，降低了精煤灰分。聚合氯化铝和氯化铝对煤中矿物质脱除具有促进作用，低用量条件下聚合氯化铝分选效果优于氯化铝。

• 强场预磁化对高浊度黏土污水混凝沉降的影响

  李建军, 朋许杰, 谢蔚, 戎鑫, Islam Nazrul, 乔尚元, 朱金波,

  高浊度矿物污水难以高效澄清处理的主要原因之一是黏土矿物颗粒表面荷电且包覆有一层“水化膜”，使得矿物颗粒凝聚、絮凝困难。为了提升高浊度污水的混凝澄清效果，降低化学药剂用量，将强场预磁化处理引入混凝沉降过程，采用预磁化-混凝沉降工艺处理高浊度黏土污水。通过单因素变化试验及多因素正交试验，研究了磁场强度、磁化时间等预磁化工艺参数及药剂制度对黏土污水澄清效果的影响。研究结果表明，强磁场作用对高浊度黏土污水的性质具有显著影响，从而使得污水的混凝澄清效果显著提升。黏土絮团的平均沉降速度增大1.92倍，沉降20 min时的尾泥体积减少38.9%，上清液透光率提高54.1%。预磁化最佳的磁场强度范围为178~241 mT。磁场强度减小，磁化效果迅速减弱;磁化强度增加，磁化效果无明显增强。预磁化最佳的磁化时长为90s左右。在获得同等澄清效果的情况下，预磁化-混凝沉降比常规混凝沉降的絮凝剂用量减少了50%，CaCl2用量减少了75%。同时，最终尾泥体积反而减小了14.65%。机理分析表明，强场预磁化对矿粒表面的双电层结构及水分子排列构型具有较大影响，从而显著减小了zeta电位减小、减薄了矿粒表面的水化膜。矿粒表面性质的改善可以显著提升黏土矿粒的凝聚效率、促进矿粒与絮凝剂分子的结合，从而提升了高浊度黏土污水的混凝效果。本工作为高泥化矿物污水的澄清处理提供了一种绿色高效的新方法。

• 喷射式浮选机射流搅拌装置流场分析及结构优化

  周伟, 朱金波, 闵凡飞, 冯岸岸, 张勇,

  以喷射式浮选机射流搅拌装置结构优化为目的，选用合理的CFD数值模拟计算方案，综合考查引射性能和流场特性两个指标，对面积比、喉嘴距、喉管长度、引射管布置方式和位置进行优化计算;设计了长喉管、短喉管、导流叶片喷嘴和无导流叶片喷嘴共4组不同结构参数的射流搅拌装置试验，考查并验证了喉管长度和喷嘴内导流叶片对引射能力的影响;采用激光粒子测速仪测试了喷嘴内导流叶片对射流流束形态演变的影响。结果表明:面积比a=1.96～3.24，喉嘴距Le=0.2Dh～0.6Dh(Dh为喉管直径)、引射管采用双侧对称布置、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6Dz～12Dz(Dz为喷嘴直径)，射流装置的混合效率最理想，引射管布置位置对混合效率影响较小;喷射室压力在0.145～0.160 MPa时，喷嘴内设置导流叶片，长、短喉管吸气能力平均至少提高30.73%和33.94%，引射管全开时长喉管较短喉管的吸气能力高出15%以上。结构参数对流场的影响表现在，面积比增大及引射管靠近喷嘴出口布置，喉管内射流流束的中心速度衰减越快，喉嘴距变化对中心速度的衰减影响较小;喉管长度≤6Dz时，流束中心的流核一直持续到喉管出口，引射流体和工作流体在喉管内动、质量交换不完全;喷嘴内设置导流叶片，有利于流束中心的流核区减小，原因是流束以旋转射流的形式从喷嘴喷出，形成了更有利于工作流体与引射流体动、质量交换的湍流流场;基于理想的引射性能和流场特性，面积比a=3.24、喉嘴距Le=0.6Dh、引射管采用双侧对称且正对流核区域布置方式、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6Dz～12Dz为射流搅拌装置的最优结构参数，其研究结果可用于射流吸气、吸浆及混药的射流装置的结构优化中。

• 考虑物料因素的圆管带式输送机直线段托辊接触力研究

  黄伟, 郭帅平, 范星明, 李学军, 叶桂林,

  托辊接触力是圆管带式输送机托辊结构设计的关键参数，工程设计中基于输送带成形力、物料与输送带重力近似计算托辊组接触力，并将其作为单个托辊接触力的设计依据，使托辊接触力误差较大。为提高托辊接触力的计算精度，得到托辊接触力的计算方法，将托辊接触力分解为与物料重力、输送带成形力、输送带重力相关的3个分量，同时考虑托辊组中6个托辊的不同位置，分别研究各托辊接触力中3个分量，最终得到托辊接触力计算式。以管径为150 mm的圆管带式输送机直线段为研究对象，具体研究过程如下:首先，研究了物料因素对托辊接触力的影响，基于有限元法建立了输送带-托辊动力学模型，考虑8组不同物料填充率下各托辊接触力的变化规律，分析得到各托辊承受物料重力的占比，当物料填充率大于50%时，下方两侧托辊承受33%~34%的物料重力，最下方托辊承受约60%的物料重力;其次，基于输送带-托辊动力学模型，分别考虑承载5组不同密度的物料，分析得到物料密度对托辊承受物料重力的占比影响较小，可忽略不计;基于上述物料因素分析，确定了托辊接触力中物料重力分量的计算式。然后，研究了输送带重力、输送带成形力对托辊接触力的影响，分别建立了只考虑输送带成形力和只考虑输送带重力的2种输送带-托辊动力学模型，分析得到下方两侧托辊承受约32%的输送带重力，最下方托辊承受约70%的输送带重力;下方5个托辊受输送带成形力作用相近，最上方托辊受输送带成形力作用最大，约为下方5个托辊平均值的1.49倍。综合托辊接触力中3个分量，得到各托辊接触力的计算式。最后，通过实验测试了不同物料填充率下的托辊接触力，验证了托辊接触力计算式，其计算精度较高。