煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第9期

• 多关键层跨煤组远程被保护层煤壁片帮机理及防治

  杨科, 刘帅, 唐春安, 魏祯, 池小楼,

  煤壁片帮是制约大采高软煤综采工作面安全、高效回采的主要因素之一。基于淮南矿区A组煤、B组煤煤系地层禀赋及下保护层开采生产条件，针对潘二矿11224工作面煤壁片帮破坏特点，采用现场实测、物理模拟、理论分析、工业试验等方法，研究了多关键层结构跨煤组远程下保护层开采覆岩采动裂隙发育规律和被保护层大采高软煤综采工作面煤壁失稳力学过程，揭示了回采前已受采动影响的煤壁片帮机理并提出控制措施。结果显示:① 被保护层煤壁破裂形式主要为不规则滑移体沿破裂面的滑移运动，同时伴有区域多发性及倾向蔓延性，片帮迹线观测到贯穿煤层的节理弱面;② 物理模拟显示，受下保护层开采影响，远程被保护层11224工作面处于覆岩“三带”中弯曲下沉带内，并出现大量随机分布的法向节理裂隙;③ 薄板模型极限挠度分析显示，采高、关键层空间结构、垮落带和断裂带岩层碎胀系数是决定“三带”发育高度的主控因素，理论计算所得“三带”发育特征与物理模拟一致;④ 基于煤壁片帮形式和受扰动影响特征，建立被保护层煤壁单元受力简化模型，给出考虑围压作用任意形态三棱柱体剪切破坏判据;⑤ 三棱柱体破裂后形成滑移体，主控弱面控制滑移体的摩擦滑动，提出滑移体沿结构面摩擦滑动失稳判据;⑥ 提高支架阻力和护帮力、采用“棕绳+注浆”柔性支护以及工字钢辅助铺网加强支架支护，可显著提高煤壁单位稳定性。

• 煤壁柔性加固工艺参数优化试验研究

  杨胜利, 杨 毅,

  近年来,工作面煤壁柔性加固技术的提出丰富了煤壁破坏防治技术理论。 为了进一步揭示 煤壁柔性加固技术中柔性棕绳的作用机制,明确浆液和柔性棕绳的耦合关系,降低柔性加固技术的 技术成本和应用难度,通过物理实验、理论分析、设备开发、工程应用等研究手段,优化了煤壁柔性 加固工艺。 通过三维相似模拟实验,对比研究了煤壁无加固、煤壁注浆加固和煤壁柔性加固条件下 煤壁的破坏特征,从宏观上揭示了煤壁柔性加固机理和柔性棕绳作用机制;将钻孔直径与柔性棕绳 直径的比值定义为孔径比,通过“柔性棕绳、浆液、煤体”拉拔试验,研究了孔径比、浆液类型对柔性 加固效果的影响,从而确定了浆液和柔性棕绳的数量耦合关系,开发了低成本的柔性加固注浆材 料;通过设备开发,研制了半环形注浆管。 研究表明:煤壁采用柔性加固可有效提高煤体的整体性 并减小煤壁破坏深度;当孔径比介于1.6~1.9时,煤壁柔性加固效果最佳,且越接近 1.9,柔性加 固效果越好;采用“超细水泥、矿粉、水玻璃”混合材料作为柔性加固注浆材料,矿粉添加量不超过 30% ,水玻璃的添加量不超过 10% ,可降低柔性加固技术应用成本;研制的半环形注浆管可有效减 小所需钻孔直径,降低技术应用难度;最后通过在瑞隆煤矿仰斜开采工作面应用煤壁柔性加固技 术,有效的缓解了煤壁破坏的发生,提高了煤壁的稳定性。 本文通过一系列实验研究,系统的优化 了煤壁柔性加固工艺,为煤壁柔性加固技术的科学应用提供了借鉴。

• 综放工作面多放煤口协同放煤方法

  刘闯, 李化敏, 周 英, 李东印,

  针对当前综放工作面存在顶煤采出率低、混矸率高、放煤效率低等问题,提出综放工作面多 放煤口协同放煤方法。 根据给出的综放工作面多放煤口协同放煤方法的定义,以理论分析和数值 模拟为手段,研究了多放煤口放煤条件下,起始放煤、中间放煤和末端放煤 3 个阶段的放煤方法和 煤岩分界面特征,提出“多放煤口同时开启逆次关闭”的起始放煤方法。 根据放煤口放煤的影响范 围,以及顶煤冒落过程中的速度方程和顶煤颗粒移动方程,建立了多放煤口起始放煤方式的算法模 型,理论上推导出起始放煤过程中放煤间隔时间差的计算方法,为起始放煤方法的应用提供了方 法。 通过分析综放工作面的特点,得出综放工作面顶板稳定性、瓦斯浓度、后部刮板输送机运输能 力、粉尘浓度、工作面采放协调等是影响和限制放煤口数量的主要因素。 以同忻煤矿 8202 综放工 作面煤层条件为例,建立沿工作面方向的数值模拟模型,模拟并对比不同的单放煤口放煤方式和不 同放煤口数量的多放煤口放煤的放煤规律、顶煤采出率和放煤效率,得出在多放煤口放煤条件下, 放煤过程中的煤岩分界面相对平滑,顶煤采出率随同时打开的放煤口数量增加而增大。 多放煤口 放煤效率是单放煤口放煤效率的4~8倍,多放煤口放煤的顶煤采出率比单放煤口高 5% 左右。

• 综放开采顶煤采出率预测模型的构建与应用

  朱帝杰, 陈忠辉,

  顶煤采出率是厚煤层综放开采最为关注的的核心问题之一,为了明确放煤终止原则,最大 程度地提高顶煤采出率,基于随机介质流理论,首先推导了煤矸分界线和放出体方程,根据放出体 方程分析了顶煤放出体的形态演化特征。 协同考虑煤矸分界线和顶煤放出体的形态演化,建立了 顶煤采出率与含矸率的理论计算模型,并根据此模型探讨了不同顶煤厚度条件下顶煤采出率与含 矸率的相互关系;然后结合塔山煤矿生产实际,利用模型试验设置了两种顶煤厚度,获得了顶煤采 出率与含矸率的试验关系曲线;最后对塔山煤矿 8101、8102 和 8111 三个工作面顶煤采出率与含矸 率进行现场实测,并根据实测数据拟合出顶煤采出率与含矸率的关系曲线;将模型试验和现场实测 所得顶煤采出率与含矸率关系曲线分别与理论研究对比分析,验证了理论分析的可行性。 研究结 果表明:顶煤放出过程中,放出体轴偏角随放出体高度增加逐渐减小,即放出体逐渐向煤壁方向倾 斜,其形状由尾梁切割类圆形逐渐过渡为类椭圆形;针对某一固定采高和放出体高度,顶煤越薄,对 应的放出体轴偏角及放出量越大;顶煤采出率与含矸率呈非线性增大关系,提出了顶煤拐点采出率 与拐点含矸率概念,生产实际中,可将含矸率 9%~16% 作为厚煤层综放开采放煤终止的参考依据。

• 基本顶板结构初次破断与全区域反弹时空关系

  谢生荣, 陈冬冬, 曾俊超, 张晴, 岳帅帅, 吴晓宇,

  为了研究基本顶初次破断与全区域反弹压缩场的时空关系,建立弹性基础边界基本顶板结 构初次破断扰动力学模型,基于有限差分理论与主弯矩破断准则计算研究了基本顶板结构初次破 断时全区域反弹压缩场的基本形态特征以及基本顶破断长度、破断发展过程及破断程度对全区域 反弹压缩场的影响。 结果如下:① 基本顶深入煤体断裂时,在破断线外侧依次产生“半椭圆形反弹 I 区”、“椭环形压缩区”、“椭环形反弹 II 区”及“椭环形压缩区”;② 断裂线前侧反弹 I 区中部位置 的反弹量最大,断裂线的两端部为压缩区;③ 首次断长与二次断长均较小时,破断线外围依次为 “M 形反弹 I 区”、“椭环形压缩区”及“椭环形反弹 II 区”;首次断长与二次断长均较大时,断裂线 外围依次为“M 形反弹 I 区”、“环 8 字形压缩区”及“环 8 字形反弹 II 区”;④ 基本顶破断程度越 大,反弹量越大,而反弹压缩的分区特征与破断程度无关;⑤ 反弹 II 区包围了“悬顶区”且贯穿两 巷及邻侧巷道区,反弹 II 区的内、外边界线的垂距基本相等,所以基本顶深入煤体破断时可在邻侧 巷道及两巷区监测到反弹压缩信息。 采用特制高精度位移传感器实验与工程实践验证了结论的合 理性。 形成预警基本顶大面积初次破断的“一同时与两滞后”原理及“两区域与两指标”监测位置 及方法。

• 大倾角煤层走向长壁开采支架稳定性力学分析

  罗生虎, 伍永平, 解盘石, 王红伟, 张浩,

  大倾角煤层走向长壁工作面安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而围岩控制的难点 在于“支架-围岩”系统的稳定性控制。 在综合厘定与研究工作面“顶板-支架-底板”系统相互作 用关系的基础上,采用理论分析方法,将底板假设为弹性地基,构建支架倾向力学模型,研究顶板载 荷作用下支架的行为响应,并探讨采高、底板物理力学属性和架间作用等因素对支架稳定性的影 响。 结果显示,在大倾角煤层走向长壁开采中,工作面顶板在其自重及上覆岩层载荷作用下,沿着 渐进于重力方向的曲线处于非连续运动状态中;受工作面顶板非连续运动影响,其对支架的作用载 荷处于渐进累积过程,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其运动幅度处于非连续渐进累积过程; 支架稳定性随着顶板法向载荷的增大、顶板切向载荷的减小、顶板载荷偏载程度的减小、底板硬度 的增大、采高的减小和支架侧护板千斤顶刚度的增大而增强;顶板法向载荷、底板地基系数、采高和 支架侧护板千斤顶刚度仅能在一定程度上增大或减小支架的运动幅度,而顶板切向载荷和顶板载 荷作用位置不仅能影响支架的运动幅度,亦会改变其运动方向,且较其它因素而言,其对支架稳定 性影响较显著。 严控工作面倾斜中上部区域顶板稳定并及时调整支架位态,以减小工作面顶板对 支架的切向载荷和顶板载荷的偏载程度,是控制支架稳定的有效途径。

• 基于响应能量和无响应时间的冲击危险性 动态评价技术

  李宏艳, 莫云龙, 孙中学, 李 磊, 蒋军军, 赵善坤,

  煤岩冲击危险性评价的研究在煤矿安全生产领域引起广泛关注,已有多种静态评价方法指 导现场防冲工作。 一方面,对于冲击地压的致灾机理和影响因素目前尚未完全掌握;另一方面,伴 随着开采活动,煤岩冲击危险性是动态变化的,因此静态评价方法不足以解决井下煤岩冲击危险性 评价的问题。 而基于现场监测的冲击危险性动态评价技术对于井下安全生产活动具有更强的参考 性。 依据统计损伤力学原理,对煤岩受载条件下的能量演化行为进行分析,发现累积能量释放速率 对时间的响应具有临界敏感性,即在煤岩临近灾变时,累积能量释放速率会激增。 此外,依据统计 学原理,复杂系统处于正常状态(无危险性)的行为应该占据较大概率,非正常状态(有危险性)的 行为应该占据较小概率,故某一时刻系统行为偏离正常状态的程度实际上反映了其自身所处危险 状态的变化。 基于以上原理,初步建立了以响应能量异常系数和无响应时间异常系数为指标的冲 击危险性动态评价的微震技术,对短期预警或临震预警展开尝试。 最后在典型冲击地压矿井已有 微震数据基础上,进行了现场验证。 研究结果表明,微震累积能量释放速率可直接反映煤岩所处冲 击危险状态;缺震时间频次分布规律满足正偏态分布;在此基础上构建的两个异常系数指标相互结 合能够实现对现场冲击危险性的实时连续评价;基于统计学原理,随着开采活动的进行,对冲击危 险性指标的阈值进行动态修正,保证动态评价结果更为灵敏、准确,这一思想可应用于其他动态评 价技术中。

• 采空区下近距离特厚煤层回采巷道失稳机理及其控制

  郝登云, 吴拥政, 陈海俊, 褚晓威, 李 杨,

  采空区下近距离煤层开采时,下层煤回采巷道将受到上煤层采空区遗留煤柱、本煤层相邻 工作面动压的影响,针对孙家沟煤矿特厚煤层放顶煤工作面 13311 回风巷严重的冒顶、两帮内挤和 底臌等变形破坏现象,采用现场实测、理论分析及数值模拟等研究方法,探讨了回采巷道失稳机理 及主要影响因素。 研究表明,13311 回风巷变形失稳主要影响因素为迎邻近工作面回采动压响掘 进、巷道布置方式和巷道支护参数不合理。 与上层煤回采巷道垂直布置、巷道支护强度低且迎采动 掘进时,下层煤回采巷道容易失稳。 为改善 13313 回风巷围岩稳定性,有效控制巷道变形,根据试 验巷道围岩物理力学性质及受力特征,研究提出了有针对性的解决方案:首先改进巷道布置方式, 将下煤层回采巷道布置在采空区下,且应距离上煤层采空区遗留煤柱不小于 20 m;其次增大护巷 煤柱宽度,把区段护巷煤柱宽度增加到 20 m 以上,减少迎采动掘进动压的影响;最后,采用高预应 力全锚索加强支护,提高锚杆锚固段的整体性及其承载能力。 据此,在 13313 回风巷进行了工业性 试验并进行了巷道矿压观测,结果表明:经受相邻 13311 工作面回采动压影响后,区段煤柱整体完 整,具有良好的承载性能;锚索受力达到了250~300 kN,约为其破断力的 50% ,锚索受力增长平 稳,较好地控制了巷道离层和围岩变形;13313 回风巷顶底板移近量为 400 mm 左右,两帮移近量为 300 mm 左右,巷道围岩变形量得到了有效控制,保证了巷道的整体稳定性,取得了良好的支护效 果。 但是,采用该种巷道布置方式,下层 13 号煤层 13313 工作面回采时,因工作面上方 11 号煤层 区段煤柱集中应力的影响,对其顶板和煤壁管理提出了更高的要求,需引起高度重视。

• 低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

  王 斌, 宁勇, 冯涛, 郭泽洋,

  外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较 少。 锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护 破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从 0.001~0.1 mm / s 等 5 种低应变率加载速度工况 下的单轴压缩试验。 试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影 响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变 形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加 锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减 弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试 样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹 转变为剪切裂纹。 进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了 低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试 样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传 递不能发挥作用。 研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广 “锚支卸”联合防冲支护措施。

• 真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为试验研究

  张俊文, 宋治祥, 范文兵, 丁露江, 姚子祥, 霍英昊, 宿文桐,

  借助于多功能真三轴流固耦合试验系统,基于深部初始高地应力状态还原思路,对砂岩进 行了不同应力路径、不同模拟深度下的真三轴正交力学试验,获得了真三轴不同工况下砂岩变形全 过程应力-应变曲线,深入分析了砂岩在 Z,Y,X 三个方向上的渐进变形演化规律,表征了真三轴条 件下砂岩渐进破坏力学行为演化特征,较好地反映了与之相对应的深部矿井巷道开挖后围岩的渐 进变形演化特征及其渐进破坏力学机制。 研究结果表明:① 同一应力路径、不同模拟深度下的砂 岩峰值强度随模拟深度的增加而不断增大,这表明深部效应对砂岩强度演化规律存在显著影响;② 同一模拟深度、不同应力路径下的砂岩 Z 向主应变随 Z 向主应力的增大而不断增加,X 向主应变 却是随 Z 向主应力的增大而不断减小,这表明应力加载路径是影响砂岩 X 方向与 Z 方向渐进变形 破坏机制的一大因素;③ 路径 2 与路径 3 下的砂岩 Y 向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增 大,而路径 1 下的砂岩 Y 向主应变却是随着模拟深度的增加呈现出先增大后减小的渐变规律,这说 明应力卸载程度会显著影响砂岩 Y 方向的渐进变形特征。 另外,不同应力路径下的砂岩 X 向主应 变均是随着模拟深度的增加而不断增大,深部效应显著。

• 高温作用后2种层理砂岩的动态力学试验及细观分析

  顾超, 许金余, 孟博旭, 闻名, 娄传鑫,

  为研究层理岩石的动态力学和细观结构方面的各向异性特征,利用大直径(ϕ100 mm)分 离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行高温作用后层理砂岩的动态压缩试验,而后对试件破坏断口 进行 SEM 电镜扫描试验,分析其断口形貌特征与能耗规律,并对提取出的微裂缝网络进行数值分 析。 试验结果表明:高温作用后各向异性砂岩的动态力学性能受冲击弹速、温度效应、层理各向异 性的共同影响,随着冲击弹速的增加,砂岩的峰值强度逐渐增加,峰值应变逐渐增大,变形模量也逐 渐增加;随着温度的升高,砂岩的峰值强度逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而变形模量逐渐减小;平 行层理砂岩的峰值强度、峰值应变和变形模量普遍高于垂直层理岩样,整体性更好。 层理砂岩在高 应变率下破坏的断口表面比在低应变率下整体度差,形貌更加粗糙。 经历温度不大于 400 ℃时,断 面以沿晶破坏和穿晶破坏为主,表现为脆性断裂;经历温度为 800 ℃时,除前 2 种断裂模式外,断面 局部还出现塑性破坏和韧性破坏特征。砂岩在高应变率下破坏时能耗普遍高于低应变率破坏。 断 口裂隙的数量、裂隙的面积、裂隙的形状三者均存在明显的各向异性差异,水平层理的裂隙数量普 遍高于垂直层理;水平层理岩样的微观裂隙率曲线低于垂直层理岩样;垂直层理的裂隙形状普遍比 水平层理规则。 高温处理后岩样动态破坏断口的裂隙形态趋于规则。

• 含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

  朱栋, 靖洪文, 尹乾, 陶祥令, 宗义江,

  天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂 纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征还不够全面,基于此 在板状黄砂岩试样内预制了不同 γ 值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂 岩的力学特征。 利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同 γ 值弧形裂隙缺陷, 采用 YNS-2000 型电液伺服控制试验系统、DS2 声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙 γ 在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量和割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂 应力和破坏形式的影响规律。 利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问 题,获得尖端应力强度因子表达式。 试验结果表明:① 弧形裂隙缺陷砂岩试样随着 γ 的增大,峰后 试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当 γ = 0.2时峰 值强度最大为 27.09 MPa;当 γ = 1 时峰值强度最小为 18.99 MPa。 ② 预制弧形裂隙 γ 对试样起裂 应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着 γ 值的增大,试样起 裂应力呈总体减小趋势,当 γ = 0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为 4.99 MPa;当 γ = 0 时,试 样的平均起裂应力值为 11.08 MPa,平均起裂应力值最大。 ③ 随着 γ 的增大,试样的破坏模式由 拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当 γ = 0 时,试样为拉剪破坏;当 γ 在 0.2~1.0 时,试样为拉伸破 坏。 初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致 试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。 通过对含弧形 裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲 线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。 研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂 隙 γ 对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂 岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。

• 复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

  杨 桢, 苏小平, 李鑫,

  为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力 灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照 1 ∶ 1 ∶ 1 比例制备复合煤岩试样,采用 0.1,0.3, 1.0 mm / min 三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变 形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复 合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着 加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两 者呈二次相关性,系数在 0.8 以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短, 信号特征为阵发性的,当以 0.1 mm / min 速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm / min 速率加 载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大 值。 结合复合煤岩破裂 SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应 电压之间的数学关系,构建了 SCT(stress-electricity-thermal)耦合模型。 针对 12 组试样进行试验, 数据拟合结果表明:SCT 模型参数 n,b′的数据拟合精度较 SET 耦合模型 m,b 稍高,复相关系数基 本均在 0.9 以上,具有较高契合度。 试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部 微破裂、摩擦等因素有关。 在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采 用 SCT 耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。

• 一种基于能量耗散理论的岩石加速蠕变模型

  刘文博, 张树光, 李若木,

  岩石加速蠕变阶段的启动条件是分析蠕变全过程的难点问题,现有的西原体模型在描述岩 石黏塑性阶段的加速蠕变特性时也存在明显的不足。 为了更好地描述岩石蠕变的全过程、划分蠕 变的不同阶段和表征加速蠕变阶段的变形特性,基于能量耗散理论定义了加速蠕变启动的控制阈 值,将 Perzyna 黏塑性模型引入西原体模型,由此构建了一种新型的岩石加速蠕变本构模型,并且 通过三轴逐级加载蠕变实验数据对模型进行了验证。 结果表明:蠕变加载过程中的能耗和蠕变损 伤主要来源于岩土类材料内部的内能变化,基于能量耗散理论和考虑蠕变速率变化构建的岩石加 速蠕变模型能更好地描述岩石黏弹塑性蠕变特性,不仅反映了岩石能量耗散与蠕变变化之间的关 系,也进一步突出了岩石的蠕变速率和蠕变应力状态对加速蠕变的影响;同时,该模型克服了传统 的西原模型难以描述加速蠕变变形特征的缺点,更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的 蠕变特性;最后,对比分析结果验证了采用耗散率值来定义由稳定蠕变阶段转化为加速蠕变阶段的 控制阈值是可行的,引入 Perzyna 黏塑性模型对改善西原体模型描述岩石加速蠕变阶段的变形特 征是有效的,研究结果为分析蠕变变形全过程和划分蠕变变形阶段提供了一个新方法,为研究蠕变 模型和蠕变力学特性提供了一个新思路。

• 渗透-应力耦合作用下灰岩压缩破坏及声发射特性分析

  宋战平, 程昀, 杨腾添, 霍润科, 王军保, 刘新荣, 周冠南,

  富水隧道围岩体挖掘过程中,复杂的渗透-应力耦合作用经常导致岩体内部结构演化具有 不稳定性,进而诱发围岩体的劣化与失稳,这对地下渗流岩体稳定性的研究提出了更高的要求。 为 研究贵阳下麦西隧道进口区灰岩的宏观力学和声发射特性,利用自主研发的渗透-应力耦合试验 装置进行了不同渗透水压下的单轴压缩破坏、声发射和压汞试验,分析了灰岩的应力-应变、峰值 强度、特征应力、破裂和声发射特性以及劣化机制等。 研究结果表明:随渗透水压力增大,灰岩压密 阶段延长而弹性阶段相对缩短,峰值应力为指数衰减;闭合应力和损伤应力均随渗透水压力增加呈 线性减小,而随峰值应力增大而增加,表明溶蚀作用增加了灰岩损伤敏感程度;渗透水压力对灰岩 破裂形式未造成较大影响,以劈裂破坏为主,且碎块均匀度与渗透水压力、峰值应力均为指数关系; 不同渗透水压力下,灰岩声发射振铃计数大致经历了“平静-发展-突增-跌落”过程,水岩作用弱化 了灰岩结构稳定性,导致应变能提前释放;渗透水对灰岩具有溶蚀和引裂作用,随渗透水压力增加, 单位质量孔隙体积呈指数增加,起裂应力呈线性衰减。 研究结果可为地下富水岩体的开挖的稳定 性及减防灾分析提供理论基础。

• 高温作用后岩石裂隙渗流试验及其模型分析

  陈辉辉, 张小波, 姚池, 夏祖昊, 杨建华, 蒋水华, 姜清辉,

  在油、气能源地下存储、高放核废料地质处理中,岩石的温度和裂隙渗透压力会显著地影响 岩石裂隙的渗流性质。 当渗透压力梯度逐渐增加时,渗流流量随之增大,使得 Darcy 流转变为非线 性渗流。 为研究高温致裂岩石裂隙渗流的基本规律,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合仪 (该系统由围压、轴压和渗透水压三套相互独立的加载部分组成),在 1 MPa 的围压作用下,对高温 作用后的岩样进行不同渗透压下的渗流试验,研究渗流流量与压力梯度的演化规律,并基于三维 CT 扫描技术对渗流试验后的岩样内部裂隙开度进行逐层检测,获得岩石裂纹开度统计分析以及岩 石逐层孔隙率统计分布,能清楚的观测到岩石内部裂隙的网络结构,可为研究岩石多裂隙渗流提供 依据。 通过 Forchheimer 方程描述渗流流量与渗透压力梯度的关系,将渗流过程分为 Darcy 流与非 线性渗流 2 个阶段,并引入非线性因子 E,在实际岩体工程中大多定义 E = 0.1 作为线性流和非线 性流的分界点,从而求解出临界 Darcy 流的阈值和临界雷诺数。 为了研究不同渗透压力下动量相 对损失率的大小,采用欧拉数来计算岩石裂隙渗流的动量相对损失率。 结果表明,随着渗透压力的 增加,动量相对损失率呈现出先减小后增加的趋势。 在某一渗透压力下,欧拉数达到极小值,表明 在其压力作用下流体流动的变化率最小,对实际工程中研究高温致裂岩石裂隙渗流具有指导意义。

• 基于PCA-PNN原理的岩爆烈度分级预测方法

  吴顺川, 张晨曦, 成子桥,

  根据岩爆的影响因素、特点及成因,选取围岩最大切应力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、应 力系数、脆性系数和弹性能量指数构成岩爆预测指标体系。 搜集国内外 46 组典型岩爆案例数据, 考虑到概率神经网络(PNN)中高斯函数要求各指标变量互不相关,采用主成分分析法(PCA)对原 始数据预处理,消除指标间相关性并降维,得到线性无关的 3 个主成分即岩爆综合预测指标 RCI1 , RCI2 ,RCI3 ,构成概率神经网络的输入向量。 将岩爆烈度分级预测视为共有 4 种类别的模式分类问 题,在满足均匀分布的前提下,选取0.02,1.00 内的 50 个 Spread 值,观察模型预测正确率随 Spread 值的变化。 经测试,Spread 值为 0.36 时,预测结果首次同时达到最优,故创建平滑因子为 0.36 的概率神经网络。 岩爆案例数据由主成分分析法处理后分为训练样本和测试样本,对训练后 的 PNN 网络进行性能测试,两组数据预测正确率分别为 100% ,90% 。 将该结果与随机森林(RF) 模型、支持向量机(SVM)模型、人工神经网络(ANN)模型进行比较,可知 PCA-PNN 模型的预测结 果稍好于 SVM 模型、ANN 模型,误判率与 RF 模型的训练样本平均误判率、测试样本平均误判率一 致。 此外 PNN 网络收敛速度快,通常在数秒内即可完成,表明基于 PCA-PNN 的岩爆烈度预测模 型是合理可行的。

• 开采沉陷中不同断层的活化模式

  于秋鸽, 张华兴, 邓伟男, 张玉军, 张刚艳,

  当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。 为了研究开 采沉陷中断层活化机理,通过理论推导将开采沉陷中断层活化分为“断层面产生离层空间”、“煤柱 压缩”两种断层活化模式并分别利用数值模拟和现场实例进行了验证。 研究结果表明:① 采动将 造成断层面产生离层空间,离层空间以下沉系数等于 1 传递给松散层造成断层露头处地表产生台 阶下沉,影响断层离层空间的主要因素有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断 层倾角、断层是否含水、断层带岩体内摩擦角及黏聚力等;② 断层面离层空间随着工作面推进长度 的增加而增加,当工作面推进一定长度时不再变化;断层面离层空间随着基岩厚度的增加而线性增 加;断层面离层空间随着保护煤柱宽度增加而减小;断层面离层空间随煤层厚度增加而线性增加; 断层面离层空间随断层倾角增大而增加;断层带岩体原生水的存在对断层面离层空间产生具有促 进作用;断层面离层空间随断层带岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小;③ 工作面主要影响角和 断层倾角的大小关系控制“断层面产生离层空间”模式断层活化,当断层倾角大于主要影响角并与 主要影响角在基岩内相交时,断层将活化;④ 当断层倾角小于主要影响角时,工作面超前支承压力 影响范围控制“煤柱压缩”模式断层活化,当工作面超前支承压力接触断层时,断层将活化。

• 基于Clifford代数的露天矿山路径优化算法

  柴森霖, 刘光伟, 赵景昌, 白润才, 李浩然, 张靖,

  露天矿山路径优化问题是指在满足特定物理和经济约束之下,搜索最佳运输线路的组合优 化问题,对于降低矿山运营成本具有重要的现实意义。 但目前常规的露天矿山路径优化算法,主要 从静态的道路有向图网络优化出发,无法实现大规模时变动态网络的高效分析和优化决策。 本文 以扎哈淖尔露天矿为例,将欧式空间内经典的有向图网络分析方法扩展至 Clifford 代数空间,建立 了节点、有向边以及路径的统一表达,提出了路径几何拓扑连通性和标量约束指标的计算方法,实 现了几何拓扑计算和数值最优化求解问题的分离;针对传统静态网络分析方法无法动态表达系统 能耗变化的问题,建立了基于时变运输功最小化的路径优化模型,并结合行驶阻力特征给出了时变 阻力的计算方法;研究了因路面频繁碾压破坏和周期性维护而导致的滚动阻力系数周期性时变效 应,并提出计算时变滚动阻力系数的方法;最后为进一步提高算法收敛效率,提出了两组推论和一 组数值计算优化策略对遗传算法的数值计算进行了改进。 经多次仿真实验验证,算法能快速收敛 于全局最优解,说明了算法对于解决矿山实际路径优化问题可行且有效。 其次,几何代数化方法的 引入也为传统路径优化问题求解提供了一种有效实现拓扑关系计算和数值计算解耦的新方法,弥 补了静态网络无法实现时变动态网络分析的不足,为提高露天矿运输系统大规模路网模型的快速 效率,提供了一种全新的求解思路。

• 甲烷在煤的微孔隙喉道通过性及其对解吸的影响机理

  周动, 刘志祥, 冯增朝, 沈永星,

  煤是天然的多孔介质,其内部含有大量破碎煤块与多种类型的微孔隙结构,甲烷在煤的微 孔隙喉道通过性是影响甲烷解吸效率的重要原因之一。 基于单孔喉模型,分别对孔喉直径、孔喉几 何形态与甲烷分子在孔喉附近的 Leonard-Jones 势的关系进行了分析;基于两能态模型,得到了孔 喉势阱/ 势垒的几何临界尺寸及变化规律,研究发现,当 R / r0(孔喉半径/ 甲烷分子直径) 0. 89 时,孔喉平面仅存在势 阱,势阱深度随着孔喉增大逐渐降低。 基于玻尔兹曼能量分布定律与麦克斯韦分子速率分布原理, 推导出了温度、压力、孔喉直径对微孔隙吸附/ 解吸甲烷过程中的孔喉通过性影响的定量关系,分析 表明温度、压力差、孔喉直径是影响甲烷通过孔喉的主要因素。 温度越高,压力差越大,孔喉直径越 大,孔隙甲烷的通过性越好,反之则通过性越差。 基于上述理论分析,建立了煤的非均匀孔喉结构 模型,通过数值模拟方法进行了含孔喉微孔隙吸附/ 解吸甲烷规律研究。 研究证明,煤中孔喉势阱 对甲烷分子运移的阻滞作用,是引起煤层甲烷吸附/ 解吸速率下降与甲烷解吸滞后现象,导致煤层 气开采期限内解吸率低下的重要原因之一;微孔隙孔喉越小,其影响越明显。 研究结果对于煤层气 开采效率评价及煤层原位致裂增透改性强化煤层气开采提供借鉴。

• 循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

  李清淼, 梁运培, 邹全乐,

  循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤 层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流 特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流 特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流 及损伤演化特征。 根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了 3 种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载, 采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤 样进行了瓦斯渗流试验。 结果表明:在 3 种循环加卸路径中,2 种煤样的渗透率变化与轴向应力应 变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减 小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。 相同应力 水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降 低后增大只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。 主要结论为:① 3 种循环加卸载路 径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为 3 个阶段且呈增长趋势, 单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。 ② 随 着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。 随着荷载的施加,应力 卸载对渗透率的影响先增强后减弱。 ③ 通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变 量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用 Boltzmann 函数表征,该 函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。 ④ 循环加卸载对煤样渗透率 及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。 研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循 环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。

• 松散煤体自然发火过程氡析出及运移规律

  文虎, 程小蛟, 许延辉, 马砺, 郭军, 姜希印, 王保齐, 简俊常,

  火源精准探测一直是煤火灾害防治方向的世界性难题,而同位素测氡是火源精准探测的主 要研究方法。 为了解采空区火源位置分布及发火情况,基于煤自然发火实验台研究松散煤体发火 过程中氡析出及运移规律。 为减小测氡过程对自然发火实验影响,设计局部气体循环系统,控制实 验取气量,获得松散煤体自然发火过程中氡活度浓度沿轴线分布规律;通过数据筛选及统计分析, 获得同一温度条件下氡活度浓度沿轴线分布规律;根据氡活度浓度分布理论,推导实验台轴线方向 氡分布方程;基于同一温度条件下氡活度浓度沿轴线分布规律及氡分布方程,获得松散煤体自然发 火过程中氡的运移规律,确定真实反映氡析出与煤温关系的节点位置;通过松散煤体单元划分及氡 析出理论分析,推导松散煤体氡析出与发火时间的对应关系;基于实验分析和理论推导,获得氡析 出与发火时间的变化规律。 结果表明:松散煤堆自然发火过程中,沿轴线方向松散煤体内氡运移主 要以渗流为主,当煤温 Tmax <50 ℃ 时,渗流影响范围为 0<L<175 cm,其中 L 为与进风口的距离;当 煤温 Tmax≥50 ℃ 时,渗流影响范围减小为 0<L<125 cm,多种运移方式耦合作用范围为 125<L<175 cm,可为采空区发火位置判断提供依据;在一定温度范围内,氡析出随煤温升高呈指数增长, 且存在临界温度值,可为松散煤体发火程度判断提供依据。

• 山西古交矿区煤层气组成特征及成因探讨

  夏鹏, 曾凡桂, 宋晓夏, 孙蓓蕾, 孟艳军, 闫涛滔,

  山西古交矿区煤层气资源丰富,是我国煤层气重点开发区块之一。 区内地质条件复杂,煤 层气地质研究起步晚,尤其是对煤层气组成特征及成因方面的讨论还较匮乏,制约了煤层气开发进 程。 煤层气组成特征及成因与煤层气母质性质、生成机理、运移和逸散规律等密切相关,对于煤层 气保存条件和分布规律的认识和煤层气资源评价具有重要意义。 为揭示古交矿区煤层气化学组成 特征及气体成因,采集矿区内 10 口煤层气井口排采气样品,开展了气体化学组分和碳、氮同位素检 测,分析了煤层气中甲烷及氮气的成因;结合构造演化背景、构造形态、水文地质条件和煤芯解吸气 化学组成,讨论了煤层气富氮气机理及保存条件。 结果表明:古交矿区内煤层气中氮气含量偏高, 为 0.86% ~ 14.13% ,平均 6.10% ,甲烷含量在 83.79% ~ 97.57% ,平均 91.33% ,乙烷含量在 0 ~ 0.46% ,平均 0.09% ,不含 2 个碳原子以上的烃类,二氧化碳含量在 1.47% ~ 4.71% ,平均 2.48% ; 煤层气属于极干气体,干燥系数(C1 / C1 ~ 5 )为 0.994 9 ~ 1,甲烷 δ13C 值在-47.13 ~ -39.26‰,平均 值为-44.03‰,为有机质热解成因;氮气 δ15 N 值在-1.16 ~ -0.51‰,平均值为-0.80‰,为大气与 有机质热降解混合成因,且以大气来源为主,有机成因氮气含量很少;地表水下渗与煤层发生相互 作用,地表水携带的大气与煤层气发生组分交换,导致煤层气解吸、逸散,煤层含气量降低、甲烷 δ13C 值降低、氮气含量升高。

• 不同矿化度水对煤储层吸附性能的影响

  魏迎春, 项歆璇, 王安民, 张 强, 曹代勇,

  为了探究水分及其矿化度对煤样吸附甲烷能力的影响,以准噶尔盆地南缘玛纳斯矿区侏罗 系西山窑组块状煤样为例,采用矿化度水配制—样品制备—样品大气压下水浸—高压下注水—等 温吸附实验的实验步骤,开展煤样干燥、饱水及含不同矿化度水条件下煤的等温吸附实验,探讨不 同矿化度水对煤储层吸附性能的影响。 研究结果表明:干燥煤样的兰氏体积显著大于注蒸馏水煤 样的兰氏体积,注蒸馏水煤样的兰氏体积大于注 10000mg / L 矿化度水煤样的兰氏体积,但后者与 注 20000mg / L 矿化度水煤样的兰氏体积相差不大。 其主要原因为注蒸馏水煤样中水分子比甲烷 分子更容易占据煤基质内表面或微孔内表面的吸附位,从而使得兰氏体积降低,而含矿化度水使得 煤基质表面的吸附位进一步减少,从而造成了煤样对甲烷的吸附能力降低,但这也存在着一个极限 值,大于 20000mg / L 矿化度水已不能明显降低煤样的兰氏体积。 因此可推断,在地下水径流区或 弱径流区,煤层水的矿化度不断增大至 10000mg / L 时,煤层中处于动态平衡的游离气含量会增 加,而吸附气含量会减少,当煤层水矿化度超过 10000mg / L,煤层中吸附气与游离气的含量比例趋 于稳定。 实验从研究创新的角度出发,以低煤阶煤样为例,对比分析了含不同矿化度水条件下煤样 对甲烷的吸附能力的差异,并且进行了相关的理论分析和机制解释,认为地下水矿化度影响煤储层 对甲烷的吸附能力。

• 动态权-集对分析模型在矿井突水水源识别中的应用

  王甜甜, 靳德武, 刘基, 杨建, 王心义, 赵 伟,

  矿井突水是煤矿生产的主要威胁之一,准确判定矿井突水水源是突水灾害防控的重要环节。 为进行矿井突水水源识别,基于动态权和集对分析理论,针对葫芦素井田 5 种不同含水层中所 提取的 53 组水样,选取 K+ +Na+ ,Ca2+ ,Mg2+ ,Cl- ,SO2-4 及 HCO-3 六项水化学指标作为识别因子,确立 了其水源识别区间,构建了矿井突水水源识别的数学模型。然后利用 10 组已知矿井水样验证水源 识别模型,最后使用该模型对 2015-04-26 葫芦素井田 21102 工作面突水进行水源识别。 结果表 明:动态权重综合考虑主客观权重,既削弱了人为因素的影响,又考虑了识别指标的实际情况,权重 赋值合理。利用动态权计算的 6 项识别因子中,SO2-4 ,Cl- ,K+ +Na+的权重值分别为 0.38,0.25 及 0.20,远大于其他 3 项指标且其权重之和占总权重的 83% ,在突水水源识别中起决定性作用。利用 10 组已知矿井水样验证动态权-集对分析水源识别模型,9 组识别结果与实际情况完全吻合,仅有 1 组第四系水样识别结果与实际不符,为建模时第四系样本数据少,待测水样超出识别区间所 致。 使用已建模型识别葫芦素井田 21102 工作面突水水源,判别结果与实际完全一致,因 21102 工作面突水几乎均来自直罗组与白垩系,而直罗组与白垩系建模样本量大,所建识别区间合适。 大量 的水质数据及准确的识别区间是动态权-集对分析模型进行准确突水水源识别的基础与保障。

• Desulfuromonas alkenivorans S-7 联合稻壳处理酸性重金属废水

  佘臣杰, 唐婕琳, 何环, 张朦, 童丽, 唐俊, 陶秀祥,

  为了研究硫酸盐还原菌和稻壳联合生物反应器在重金属废水处理中作用及机理。 利用实 验室前期分离鉴定的硫酸盐还原菌 Desulfuromonas alkenivorans S-7 联合填充稻壳柱式生物反应器 处理人工合成酸性重金属(Fe3+ ,Mn2+ ,Cr6+ )废水。 比较了废水处理过程中理化特性(pH,Eh ,Ec)及 3 种重金属离子变化规律,并利用 FT-IR 光谱仪分析了微生物和稻壳联合处理作用下重金属离子 去除特性。 研究结果表明:S-7 能够明显提高酸性废水的 pH,20 d 后 pH 最终稳定在 6.20 左右,也 能使反应体系维持在较高的还原环境并降低体系的电导率。 S-7 菌株对 3 种代表性离子都有一定 的处理效果,对 Fe,Mn,Cr 三种金属离子的去除效率分别为 Fe>Mn>Cr。 反应器处理前期废水中离 子的去除速率较快,后期由于离子共存对废水处理的影响使废水中金属离子浓度趋于平衡,出现动 态制约平衡,S-7 菌株对 3 种重金属离子的去除机制可能存在差异。 处理后期由于 Cr6+浓度上升 明显,增大了 SRB 反应器中的重金属含量,明显影响 SRB 反应器的稳定性能;稻壳填充对 S-7 菌 株生长能够稳定维持 SRB 反应器的厌氧环境,并且稻壳对金属离子去除也存在一定程度的物理吸 附作用。 FT-IR 分析表明:S-7 菌体处理废水时会吸附 Fe,Mn,Cr 离子,其中羟基、胺基、酰胺基及 羧基是发生吸附作用重要的官能团;稻壳在处理重金属废水前后,稻壳的 Si—O—Si 和羰基在处理 重金属废水中可能发挥了作用。

• 基于水土资源损毁的长河流域煤炭开采模式模拟

  王瑾, 刘建, 毕如田, 张凯媛, 刘慧芳, 田晓红,

  为研究不同煤炭开采模式下水土资源损毁程度,基于系统动力学原理构建了煤炭-水土资 源经济系统的系统动力学模型,模型经过多次的运行完善,最后通过了检验,利用模型分析了不同 情境下水土资源损毁系统的发展特征。 通过对模型运行分析得出,影响煤炭开采量、耕地面积和水 资源量的因素中敏感性最高的 3 个影响因子是采出率、废水治理率和复垦率。 在将煤炭开采量控 制在 600 万 t 以下,耕地面积和总供水保有量分别控制在 31. 25 km2和 1872 万 t 以上的前提下,对 这 3 个主要影响因子进行了设置,模拟运行得出了长河流域煤矿区未来 2017—2030 年 3 种不同煤 炭开采模式下水土资源的损毁状况,在不同煤炭开采规模情景下水土资源发展状况差别明显,经济 优化型模式下,国民经济增长速度明显增加,但是耕地面积出现了小幅度减小,而且总供水量减少 较快,容易给当地人民带来水资源不足的威胁,该方式不符合经济发展的长远利益;资源优化型,该 模式下年国民生产总值增速明显减小,耕地面积和总供水量快速增加,资源型发展模式能够维护资 源的健康稳步发展,但是不利于经济的发展;SD-MOP 整合优化模型,该模式下适当控制煤炭开采 规模,国民产值在较大程度稳步提升的前提下,也能保证水土资源的稳步增加,既考虑了经济效益 又重视了自然资源,其优化方案是朝着煤炭资源、水土资源合理利用,经济-生态双优化的改造过 程,是在提高研究区煤炭资源、水和土地资源的利用效率的过程,有助于优化长河流域煤炭、水和土 地资源的数量结构、层次结构与效益结构。 经过对这 3 种方案不断的运行检验得出:整合优化型煤 炭开采模式为最优开采模式。

• 浮选中颗粒-气泡间相对运动研究进展

  卓启明, 刘文礼, 徐宏祥, 孙小朋, 张 贺, 郑 翔, 魏宏宇,

  颗粒-气泡间相对运动的研究对浮选机理的认知至关重要,对新型浮选机的开发和提高浮 选效率均具有指导意义,本文系统综述了颗粒-气泡间相对运动的研究进展。 早期研究过程中,研 究者忽略了颗粒和气泡性质的影响,将颗粒视为随流线运动的点,气泡视为刚性球体,利用流线方 程对颗粒-气泡间的相对运动展开研究;随着认知过程的不断深入,颗粒和气泡物理化学性质的影 响逐步得到了关注,研究者分别从颗粒惯性力、重力、形状和粗糙度以及气泡表面流动性等方面并 展开了大量研究;颗粒-气泡间相对运动的试验研究多通过颗粒沉降法进行,研究对象由单个玻璃 微珠发展为大量矿物颗粒,且出现了关于运动玻璃球与上升气泡之间相对运动的研究。 研究表明, 当颗粒粒度较细、密度较小时,利用流线方程对颗粒-气泡间相对运动的研究具有一定的适用性; 当颗粒粒度较粗、密度较大时,需考虑正负惯性力、重力等因素对颗粒-气泡间相对运动的影响。 此外,颗粒形状的不规则性会影响颗粒周围液体对颗粒的作用力,导致临界碰撞半径减小,且颗粒 表面不规则的凸起会促进颗粒-气泡间水化膜的破裂,减少诱导时间,增大颗粒表面粗糙度有助于 增强颗粒-气泡间的黏附强度。 气泡表面的流动性可采用“滞留帽”模型进行分析,具有较好的适 用性。 对于颗粒-气泡间相对运动的试验研究主要采用颗粒沉降法,亲水玻璃微珠只能在气泡上 半球滑行,到达气泡赤道位置附近后便离开气泡,疏水玻璃微珠会刺破颗粒-气泡间的水化膜,越 过气泡赤道后会继续沿气泡表面滑行并最终黏附在气泡底部,煤颗粒与气泡的黏附效率随碰撞角 和密度的增大而减小。 然而目前的试验研究多集中于静水领域,对于浮选流场中颗粒-气泡间相 对运动的试验研究尚需进一步探索。

• 微乳型捕收剂的稳定性和浮选性能的试验研究

  黄波, 徐宏祥, 李旭林,

  微乳型捕收剂(Micro-emulsion Collector,MEC)在煤浆中的分散性能优于柴油和乳化柴油, 可以有效降低煤泥浮选药剂的用量。 MEC 的稳定性是影响其工业应用的重要性能指标,国内外学 者通常采用静置观察法研究乳化柴油和微乳化柴油的稳定性,难以直观并定量表征微乳液的稳定 性和液滴粒径。 笔者借助多重散射光稳定性分析仪研究了乳化剂配方和用量、超声波功率及作用 时间对 MEC 稳定性和液滴粒径大小的影响,通过煤泥浮选试验考察了 MEC 的浮选性能。 研究结 果表明:制备 MEC 的最佳工艺条件为,乳化剂用量为柴油质量 5% ,含水量为柴油质量的 5% ,表面 活性剂配方为 Span80 ∶ Tween40 ∶ Octanol = 7 ∶ 3 ∶ 4,磁力搅拌 10 min 后用 200 W 超声波强化处理 5 min;乳化剂配方和用量影响 MEC 的稳定性和液滴粒径大小。乳化剂用量越多,MEC 越稳定。 乳 化剂用量为 3% 时,液滴易发生聚集,放置一段时间后液滴粒径会超过 100 nm。 乳化剂用量为 7% 时,MEC 最稳定,液滴初始粒径为 69 nm,并随放置时间延长缓慢变大。 乳化剂用量为 5% 时,MEC 稳定性好,液滴粒径随放置时间的延长基本不发生变化,保持在 37 nm 左右;超声波功率低 于 600 W 时,功率越小,MEC 越稳定。功率大于 600 W 时,功率越大,液滴粒径越小,MEC 稳定性 越好。 超声波处理时间为 20 min 时,MEC 的稳定性动力学指数(Turbiscan Stability Index,TSI)值随 放置时间延长快速变大,MEC 很不稳定;MEC 用于煤泥浮选时,能显著提高煤样的接触角,增加煤 粒表面疏水性,提高煤粒的可浮性。 在相同的捕收剂用量下,浮选精煤产率更高,灰分更低,浮选完 善指标更好。

• 煤中氯的赋存与释放特性研究进展

  宁 坚, 靳 虎, 王泽安, 刘 豪,

  氯是煤中重要的有害微量元素之一,在煤的热解,燃烧和气化过程中,煤中的氯经过复杂的 化学变化转移到烟气中,形成多种含氯物质如 HCl、Cl2 、无机盐等,这不仅造成环境的严重污染,危 害人类的健康,同时氯元素的挥发会引起锅炉及尾部受热面的沾污结渣腐蚀问题,形成安全隐患。 了解煤中氯的测定方法,赋存形态,释放规律及控制技术是高氯煤清洁利用的前提,本文对国内外 这方面的研究工作进行了综述。 介绍了煤中氯的来源及危害,并整理和比较了国内外煤中氯的测 定方法的原理及其优缺点,统计了世界主要产煤国煤中氯含量分布范围、均值及典型煤样中氯含量 的值;整理归纳了煤中氯的 2 种主要赋存形式:有机形态(包括无机离子、水合离子、无机盐和含氯 复杂矿物)和无机形态(包括有机离子交换态、有机共价结合态、有机氯化物和有机离子配合物), 并分类总结了 3 种煤中氯赋存形态的研究方法:相关性分析法,化学法萃取法,仪器直接分析法;阐 述了煤燃烧、热解、气化过程中氯的释放特性及煤中氯形态、煤质、温度、升温速率、保温时间、压力、 气氛等因素对氯释放规律的影响,对比了不同气氛下煤中氯的释放规律,并分析了在加热过程中煤 焦和气态中氯形态及其分布的变化;分类总结了目前氯的主要控制技术,并比较了不同控制技术的 特点及其适用工况;同时结合当前研究中存在的问题,提出了煤中氯的赋存、释放以及控制研究的 若干工作建议,从而为高氯煤的高效清洁利用提供一定的理论基础。

• 基于数据驱动的盾构机密封舱土压预测

  刘宣宇, 张凯举, 邵诚,

  盾构机是一种暗挖地下隧道工程的专用机械。 为了保证盾构机安全、高效掘进,必须控制 密封舱土压平衡。 盾构机掘进过程中密封舱土压受多系统、多场耦合和地质条件突变等诸多因素 影响,极易导致密封舱土压失衡而引起地表塌陷等安全事故。 针对难以建立有效的机理模型进行 密封舱土压预测并实施控制的问题,提出了基于多粒子群协同优化的并行支持向量机( PCPSO- PSVM)密封舱土压的数据驱动建模方法。 采用分而治之的原则将数据样本分成 4 个子集、3 个层 次进行并行学习,再采用交叉反馈的方式更新初始样本重新训练直至结束,得到支持向量;利用协 同粒子群并行计算优化支持向量机的参数,将粒子群并行分组寻优,在各自独立的进程内进行独立 搜索,最后各群体汇集到主进程,计算得到模型的全局最优参数 C 和 σ,得到密封舱土压预测模型。 基于盾构施工现场的实测数据进行了仿真实验,对密封舱内 4 个土压力监测点进行建模预测,结果 表明该方法具有较高的计算效率和预测精度,能够满足实时在线计算预测的要求。 因此,完全可以 通过这些压力监测点做出整个开挖面的土压力预测,以对密封舱土压失衡做出提前预警和决策。 该方法实现了基于数据的快速密封舱土压建模预测,能够为开挖面的稳定控制提供及时、准确的判 断依据,指导工程实践。

• 单颗粒煤岩冲击放顶煤液压支架尾梁动态响应分析

  万丽荣, 陈 博, 杨 扬, 曾庆良,

  综合机械化放顶煤开采过程中煤岩垮落产生的冲击载荷会导致放顶煤液压支架的运动状 态发生变化,严重时会导致综放设备的冲击破坏。 为研究放顶煤液压支架尾梁受到煤岩冲击后的 动态响应及受力情况,利用机械系统动力学分析软件 Adams 建立放煤机构的刚柔耦合模型,通过 固液弹簧耦合理论计算出尾梁平衡千斤顶的刚度并用弹簧阻尼系统进行等效替换。 采用“煤岩直 冲”的方式对尾梁进行加载,并引入 Hertz 接触理论确定接触参数。 基于此模型,模拟煤岩颗粒冲 击承载区不同位置以及在不同放煤角条件下冲击尾梁的动态过程,最后通过与刚体冲击方式下的 仿真结果对比,验证了所用方法的可靠性。 结果表明,煤岩冲击承载区不同位置时,尾梁的动态响 应量及碰撞接触力有差异,冲击位置位于尾梁-弹簧连接处附近区域时,碰撞接触力较小,而尾梁 的最大速度、加速度、振幅较大,在所有动态响应量中,最大振幅的变化规律最明显,随着冲击点位 置远离尾梁-掩护梁铰接处附近区域,最大振幅稳定上升;当放煤角逐步增大时,尾梁的动态响应 量及接触力均减小,尾梁的振动特性变弱,当放煤角较小时,煤岩冲击尾梁后会产生数值巨大的碰 撞接触力。 可选取尾梁的振幅响应作为反馈量对尾梁进行动态监测,同时应针对碰撞接触力较大 的情况在放煤机构的设计制造中对其进行强度校核及结构优化,避免尾梁及其连接处冲击破坏情 况的出现。

• 钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响

  何源福, 夏毅敏, 赵先琼, 乔 硕, 宁 波,

  为了探究镐型截齿的硬质合金头脱落现象,针对普通截齿与耐磨截齿,研究镐型截齿工作 过程中的钎焊接头应力分布情况以及钎料层厚度对接头应力的影响特征。 利用 ANSYS 软件,分别 建立普通截齿与耐磨截齿的弹塑性热力学模型,对两种镐型截齿进行热-结构顺序耦合分析,得到 其钎焊残余应力分布,用实验验证模型正确性。 将截齿破岩时的工作温度及外部载荷施加到钎焊 残余应力模型上,仿真得到镐型截齿工作时钎焊接头的应力分布规律。 分析结果表明:① 未工作 状态下,两种镐型截齿的钎料层与硬质合金头交界面处均出现最大钎焊残余应力,容易发生因热应 力过大导致的钎缝开裂。 ② 工作状态下,截齿的径向路径上,普通截齿与耐磨截齿的钎焊接头应 力最大值近乎相等,均达到 210 MPa 左右,但其最大应力出现的位置不同,分别位于钎料层与刀体 的交界面以及钎料层与硬质合金头的交界面处;轴向路径上,两种镐型截齿的应力最大值相差不 大,且均出现在钎焊接头外表面处。 耐磨层对镐型截齿整体应力的分布影响不大,但却使得镐型截 齿最大应力出现的位置发生了偏移,使得镐型截齿硬质合金头脱落的危险位置发生变化。 ③ 普通 截齿与耐磨截齿均在钎料层厚度为 0.1 mm 时得到接头应力最小值,此时镐型截齿钎焊接头的连 接性能最好。

• 智慧煤矿信息逻辑模型及开采系统决策控制方法

  任怀伟, 王国法, 赵国瑞, 曹现刚, 杜毅博, 李帅帅,

  针对数字矿山向智慧矿山发展过程中信息关联层次不清晰、框架结构不完善、缺少智能决 策依据及有效控制方法的问题,提出了智慧煤矿信息逻辑模型,基于本体和语义网技术建立了煤矿 多源、异构关系数据的信息“实体”和虚实映射机理,提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配 与推送策略,构建基于开采行为预测推理的智慧逻辑模型进化机制,形成了层级清晰、结构明确、全 面覆盖的智慧煤矿信息模型;构建了综采设备群空间位姿关系模型,提出了考虑随机误差的强耦合 设备群空间坐标统一描述及各设备关联坐标系转换方法,建立了多参量融合分析和评估的开采环 境—生产系统耦合关系模型,为煤矿装备位姿控制及智能决策提供支撑;给出了时变多因素影响下 的开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法。 将综采设备群全局最优规划归结为一个二次 积分模型的燃料最优规划问题,提出了基于多模态控制的综采设备群全局最优推进路径规划及控 制策略,可兼顾开采条件、设备能力、工艺流程及能量消耗,确保生产成本、效率的有效改善。 给出 了同时考虑环境干扰和传感器数据时延特性的液压支架群组分布式协同控制方法。 上述基础架构 和数学模型为深层次挖掘智慧煤矿海量信息之间的关联关系、解决大数据环境下开采系统的最优 化协同控制、实现复杂地质条件下连续稳定开采提供了基础理论支撑,可有效推动智慧煤矿技术的 发展。

• 基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法

  孙继平, 曹玉超,

  水灾是煤矿重特大事故之一。 现有水灾监测报警方法存在着适应性差、误报和漏报率高等 问题,难以满足煤矿安全生产需求。 为此,提出了基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法:在巷道 顶部或巷帮、采煤工作面支架等设置摄像机,实时采集采掘工作面和巷道底板图像;通过双树复小 波变换,提取水、煤、岩石图像纹理特征,建立水灾图像识别模型;对学习样本进行双树复小波变换, 提取 1,2 级系数,统计其方差与期望值,利用相应的方差与期望值构造泊松分布模型,并估计其各 个方向模型的强度参数。 对待测样本同样进行双树复小波变换后,利用 1,2 级系数的方差与期望 值构成的模型强度参数向量与样本参数向量进行皮尔逊相似性比较,最终确定待测样本分类。 根 据水灾图像识别模型,对实时监测的图像进行识别,当分割图像具有水灾纹理特征时,进行水灾报 警。 采集了水灾模拟实验图像,建立了图像数据库。 对所提出的模型编制了相应的实验程序,进行 了模型的训练和实验验证。 研究了水、煤、岩石在双树复小波域泊松分布下系数统计值的分布规 律,并对模型的性能进行了参数化的评估。 通过实验验证了基于图像纹理特征的矿井水灾感知方 法的可行性。 实验表明,基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法,识别水灾准确率大于 81% 。