煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第2期

• 高强度开采覆岩地表破坏及防控技术现状与进展

  郭文兵, 白二虎, 赵高博,

  随着我国煤矿开采技术与装备水平的提升，煤矿生产集约化、智能化程度越来越高，以综采放顶煤、大采高支架为代表的高强度开采工作面日趋增多，研究高强度开采覆岩与地表破坏等负外部影响及其防控技术对于实现矿区资源开发与生态环境协调发展具有重要意义。在分析了煤矿高强度开采定义及其主要技术特征的基础上，阐述了长壁高强度开采引起的覆岩破坏规律研究现状及其进展，包括覆岩破坏高度理论分析、覆岩破坏充分采动及其判据、覆岩破坏高度计算方法以及覆岩“两带”破坏模式及其形成机理等，主要研究了覆岩破坏传递过程，提出了基于覆岩破坏传递过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法，揭示了高强度开采覆岩“两带”破坏模式的形成机制。其次，基于大量高强度开采工作面地表岩移实测资料，从高强度开采地表裂缝特征及地表移动变形特征等方面总结了我国煤矿高强度开采引起的地表变形破坏规律及其研究进展，阐述了高强度开采对覆岩与地表水资源、土地资源、地表生态环境、建(构)筑物等方面的负外部影响;基于高强度开采诱发的负外部影响，分析了我国高强度开采覆岩与地表破坏预防和控制技术及其进展，提出了煤矿高强度开采采动损坏的防控思路。研究认为我国煤炭高强度开采矿区将以开采的负外部影响一体化规律与防治、生态环

• 基于能量贮存及释放主体的煤矿冲击地压分类

  施天威, 潘一山, 王爱文, 代连朋,

  冲击地压研究系统包括发生机理、发生准则及基于机理和准则的预测和防治。因诱发冲击地压影响因素众多，相应的类型多样，传统的研究多集中在机理、监测及防治的独立性研究上，造成现场冲击地压预测和防治的盲目性。为了系统性掌握冲击地压机理，提高冲击地压预测和防治效率，通过调研已有的冲击地压分类方法，从能量贮存及释放主体的角度提出了一种新的冲击地压分类方法;依据扰动响应失稳理论，分析了各类型冲击地压的发生机理;建立各类型冲击地压力学模型，得到了冲击地压发生条件的解析解和发生时释放能量估算公式;并对分类方法在预测和防治中的应用进行了初探。研究结果表明:根据能量贮存及释放主体的不同，冲击地压划分为煤体贮存及释放能量型(Ⅰ)、顶板贮存及释放能量型(Ⅱ)、断层带及围岩贮存及释放能量型(Ⅲ)3种类型;Ⅰ型冲击地压由煤体压缩失稳并释放贮存的弹性能产生，发生条件由煤体固有属性单轴抗压强度σc和冲击倾向性指数K决定，释放能量与冲击倾向性指数K呈反比关系;Ⅱ型冲击地压由顶板-煤层变形系统中顶板断裂失稳诱发，顶板抗拉强度σt越大，冲击的临界采空区跨度Lcr越大，失稳垮断时释放能量也越大;Ⅲ型冲击地压由断层带及围岩系统中断层带岩石在软化阶段失稳产生，失稳条件由断层结构及围岩剪切模量确定，失稳时释放能量与断层落差成正比关系。基于各类型冲击地压的分析，提出了针对Ⅰ型冲击地压临界应力Pcr的监测方法及其调控防治方法，针对Ⅱ型冲击地压顶板的变形监测方法和支撑顶板或诱导垮断的防治方法，针对Ⅲ型冲击地压断层附近应力监测和降低断层处应力集中程度的防治方法。

• 锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究

  原贵阳, 孙志勇, 李建忠,

  针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题，对高地应力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、W 型钢带3种组合系统在垂直载荷作用下的力学性能进行实验室测试，分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统峰值强度、承载刚度、残余强度及卸压程度的影响规律，得到了锚杆支护组合构件对钢筋网支护效应的加固特征。借助Ansys Workbench 软件分析钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的整体位移变形量，得到了锚杆支护组合构件对钢筋网横向、纵向股线的位移约束差异性。基于锚杆支护组合构件对钢筋网的不对称加固特征及边界网丝概念的提出，探讨了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统的加固机理。结果表明:① 钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的承载性能可分为峰前承载区与峰后卸压区，W 型钢带对钢筋网支护系统的强度强化作用是钢筋托梁的1.5 倍，刚度强化作用是钢筋托梁的 3 倍。② 锚杆支护组合构件对钢筋网的横向股线加固作用大于纵向股线加固作用，横向股线抗变形阻力分为垂直和水平两个分量，垂直分量由边界网丝与锚杆支护组合构件提供，水平阻力大小取决于边界网丝及焊接点剪切强度。③ 锚杆支护组合构件通过提高垂直约束作用、护表面积及护表区域内系统的抗变形能力增加钢筋网的支护强度与刚度。

• 基于改进NMM的深部煤巷围岩碎胀大变形模拟研究

  蒋亚龙, 徐贞珍, 刘泉声, 马昊,

  深部煤巷围岩碎胀大变形是一个从峰前损伤扩容到峰后破裂碎胀的连续-非连续渐进破坏演化过程。本文以数值流形方法为基本架构，发展了深部煤巷围岩破裂碎胀大变形模拟预测分析方法，主要进行了4个方面的研究:① 在数值流形方法中植入Voronoi随机多边形环路自动生成算法，基于该几何表征方法发展了能够考虑岩体非连续面黏聚力和张拉强度的界面接触计算模型，构建了基于界面接触模型的岩体破裂算法准则;② 构建了基于显式积分格式的数值流形算法，并引入Voronoi随机多边形环路自动生成算法和界面接触计算模型，搭建了基于Voronoi多边形环路构型的显式数值流形方法;③ 在上述算法改进的基础上，发展了基于软化单元法和删除单元法的煤巷开挖卸荷模拟算法;④ 基于上述改进的数值流形方法，对深部煤巷开挖卸荷作用下围岩渐进破坏演化规律与碎胀大变形力学行为特征、以及最终开挖损伤区的形成与分布特征等进行研究。研究结果表明，上述改进方法能够实现深部煤巷围岩复杂多裂纹扩展路径的模拟，并在同一架构下对围岩峰前损伤扩容连续变形-峰后破裂碎胀非连续变形进行仿真分析;通过该方法能够较好地对深部煤巷开挖卸荷作用下围岩破裂碎胀行为特征、围岩径向收敛变形特征以及最终形成的EDZ分布特征进行预测分析。

• 顶爆下锚固洞室拱顶变形与加速度响应模型试验

  杨自友, 杨本水, 顾金才,

  若地下洞室拱顶的变形或加速度过大，其围岩就会因此而破坏或不稳定。为了探索锚固洞室拱顶变形与加速度对爆炸荷载的响应规律，开展了室内顶爆模型试验研究。根据Froude相似原理，对顶爆试验进行了设计，对开挖洞室围岩采用不同锚固参数锚杆进行了加固。通过测定洞室拱顶变形与加速度波形曲线及其峰值，比较了不同锚固参数洞室拱顶变形、加速度及其最终破坏形态特征的差异性。结果表明，在爆炸荷载作用下，当洞室拱顶的环向应变、加速度波形处于正峰值时，拱顶曲率减小，围岩产生拉伸变形;锚杆间距比其长度对洞室拱顶变形的影响大;当锚杆的长度增大到一定程度时，对拱顶变形和加速度减小的作用并不明显，反而增大了拱顶加速度;当锚杆长度相同时，疏锚杆洞室拱顶出现了下沉、纵横向裂缝和掉块;当锚杆间距相同时，短密锚杆洞室拱顶仅出现了裂缝，但偏离了纵向方向，而长密锚杆洞室拱顶的变形相对较小，仅产生纵向直裂缝;拱脚加长洞室拱顶的变形比疏锚杆洞室小一个数量级，且其拱顶加速度相对较小，故采用这种加固方式有利于维护拱顶稳定。综合比较变形、加速度对洞室拱顶稳定性的影响发现，前者大小能在一定程度上可以作为判定影响拱顶稳定性的关键指标，而后者只能视作辅助性指标。

• 考虑托板作用的深埋岩体分区破裂时空效应

  于远祥, 王赋宇, 任建喜, 李鑫, 王树明, 邵红旗,

  分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋洞室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象，考虑不同大小托板反力作用对洞室围岩强度参数的影响，基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征，建立了杆体与围岩协调变形的力学分析模型，推导了围岩分区破裂后锚杆中性点位置的计算公式，进而对不同托板反力作用下的围岩分区厚度、破裂范围及数量进行了反演分析;根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力，提出了弹塑性界面岩体破裂发生时刻的理论公式。结果表明:① 在分区破裂条件下，深埋洞室围岩与预应力锚杆产生协调变形，沿杆体长度方向存在多个处于拉-压受力平衡的中性点，在各中性点附近的弹塑性界面上岩体具有显著的流变特性。当该界面岩体所受最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂;② 预应力全长锚固锚杆对围岩强度参数具有重要影响，预应力的增加能够有效改善围岩的承载特性，围岩分区厚度、破裂区宽度与数量以及弹塑性界面上岩体破裂发生时刻随锚杆预应力的变化而变化;③ 在锚杆预应力作用下围岩强度的提高对洞壁岩体破裂具有一定的抑制作用。随着锚杆预应力的逐渐增大，靠近洞壁处的第1个锚杆中性点逐步向洞壁表面移动，洞壁岩体破裂区厚度也逐渐减小直至不再破裂;④ 通过算例分析对上述认识的合理性进行了验证。

• 考虑温度、孔隙压力影响的煤岩渗透性演化机制分析

  李波波, 高政, 杨康, 李建华, 任崇鸿, 袁梅, 汪泓,

  为探究煤层气抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩渗透特性变化的影响，以贵州黔北煤田原煤为研究对象，利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置，通过控制进出口气体压力分别设定3个不同压差条件，开展不同温度下改变孔隙压力的渗流试验。在当前典型的S&D模型基础上结合温度引起的吸附变形、热膨胀和滑脱效应的作用，新建考虑温度和恒定外应力条件下的渗透率模型。通过试验与模型对比验证其合理性，并对有无考虑滑脱效应的渗透率计算值进行了定量分析。结果表明:① 渗流试验过程中，煤岩渗透率随孔隙压力升高而降低，其渗透率下降量受温度升高影响呈现降低趋势;孔隙压力升高，煤岩渗透率受温度影响的敏感程度逐渐降低。② 在试验的各孔隙压力点下，温度升高使得煤岩渗透率降低;在各温度状态下，煤岩渗透率随压差增大呈现降低趋势。③ 经定量分析后发现修正模型较其他两个模型更加符合试验结果，且修正模型的滑脱因子随温度升高而增大，从理论方面验证了模型的合理性。④ 考虑滑脱效应的煤岩渗透率曲线比不考虑滑脱效应的渗透率曲线更加符合试验结果。在不同温度条件下，前者的渗透率计算值大于后者的计算值。随孔隙压力升高，滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。

• 基于塑性损伤的黏土岩本构模型及其数值实现

  李翻翻, 陈卫忠, 于洪丹, 马永尚, 雷江,

  黏土岩是深部地下工程中常见的岩土介质，在施工过程中为确保巷道安全开挖，急需开展与其力学特性相关的研究。已有试验研究结果表明黏土岩在三轴压缩试验过程中表现出明显的塑性硬化、软化以及流动特性，同时发现试样在加载过程中内部会产生明显的缺陷，这些缺陷的存在会在一定程度上削弱其力学性能。为建立能描述黏土岩力学现象的模型，以微裂纹作为损伤基元，构建了合理的塑性损伤变量并将其与塑性硬化变量一同引入至修正Drucker-Prager帽盖模型中，建立了新的本构模型。通过ABAQUS平台及其UMAT子程序对该模型进行数值实现，子程序在向后欧拉本构积分算法的基础上引入塑性硬化和损伤变量参与迭代计算，使得屈服面在迭代过程中与应力一同更新(屈服面的大小会随着塑性损伤与硬化变量的更新而变化)，直至应力回到屈服面上。采用该模型对常温条件下的黏土岩三轴压缩试验进行数值模拟，并将新模型的计算结果与试验结果进行对比，对比结果显示模拟结果与试验结果大致吻合，说明本文所建立的本构模型可以较好的反映黏土岩的力学特性。最后建立黏土岩隧洞开挖平面模型，采用新模型对开挖过程进行模拟，并对整个模拟过程中损伤变量、应力以及孔隙水压力的演化规律进行分析，模拟结果验证了新模型在地下洞室开挖数值模拟上的适用性。

• 含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

  刘新荣, 尹志明, 王艳磊,

  为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律，采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验，基于试验结果，详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:① 裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件，在峰前出现了明显的应力降现象，在峰后破坏阶段，完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落，而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落，甚至缓慢水平下降，体现出明显的延性破坏特征;② 裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响，总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③ 裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式，随着裂隙夹角的逐渐增加，裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时，试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④ 相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多，试件表面的脱落现象越明显，耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。

• 柱坐标系下冻土内部热流侵蚀相变问题的求解

  吴元昊, 胡向东,

  针对冻结工程灾变过程中渗水孔隙等灾害源在地下水热流侵蚀作用下逐渐扩展的过程进行了研究，在一定假设条件下建立了柱坐标系下基于对流换热边界条件(第三类边界条件)的相变传热数学模型。在对原偏微分方程无量纲化处理后，采用了对数形式分布的热积分平衡方法(HBIM)求解;对于同一问题，在变量代换的基础上采用了基于乘方定律格式的有限差分数值方法进行了求解。对于侵蚀相变位置的求解，两种方法的计算结果吻合良好，在计算的时间范围内，两者最大偏差不超过1%。研究结果表明:史蒂芬数St、毕渥数Bi、以及过冷系数φ为侵蚀相变界面位置随时间变化规律的主要影响因素;在不同参数组合情况下，侵蚀相变位置随时间均呈现出近似线性变化规律;在其他参数不变的条件下，St,Bi增大一倍时，侵蚀相变速率均增加一倍左右，而φ增加一倍时，侵蚀相变速率仅减小了5%。进而说明在实际工程中，降低冻土的平均温度能够减缓侵蚀相变速率，但作用十分有限;相反，降低水流温度或者减缓水流的流速等措施则能够有效减缓水流侵蚀速率。利用本文结果预测实际冻结工程灾变过程时，需考虑土壤性质的不同以及地下水温度、对流换热系数等随孔径变化带来的影响，可将由本文方法得到的侵蚀相变速率视为冻结工程灾害发生时孔隙发展速度的上限值。

• 砂层压密特性及其对劈裂-压密注浆扩散过程的影响

  张连震, 李志鹏, 张庆松, 刘人太, 李术才,

  劈裂-压密注浆模式是砂层注浆工程中的重要模式，砂层自身的压密特性对劈裂-压密注浆扩散过程具有显著影响，基于此，以山东青岛地区含黏性土砂层为典型砂层介质，通过侧限压缩试验测试了不同条件下的砂层压缩变形曲线，测试压力范围0~2 MPa，砂层黏性土含量10%~50%，砂层初始含水量12%~28%，分析了黏性土含量及初始含水率对砂层压密过程的影响，从是否形成砂骨架的角度揭示了砂层压密变形机理。采用二次抛物线模型来拟合砂层侧限压缩过程应力-应变数据，建立了可描述砂层非线性压密过程的数学模型，模型参数可通过初始压缩模量及2 MPa下的特征应变量确定。在此基础上，认为劈裂-压密注浆过程中劈裂通道两侧砂层的压密过程近似符合侧限条件，分析了黏性土含量对砂层劈裂-压密注浆扩散过程的影响。研究结果表明:黏性土含量是影响砂层压密特性的主控因素，当黏性土含量低于25%左右时，砂层压缩过程中会形成砂骨架，砂层整体可压缩性较差，反之，不会形成砂骨架，砂层整体可压缩性较好;存在最优初始含水率(20%左右)，当砂层初始含水率由最优初始含水率增加或者减少时，相同压力条件下砂层压缩量均会减小;砂层压密过程数学模型曲线与试验数据较为一致，所创建的数学模型可较好地描述砂层压密过程;相同注浆时间条件下，黏性土含量与注浆扩散过程中的劈裂通道开度正相关，而与浆液扩散半径及注浆压力负相关;在相同注浆终压条件下，黏性土含量与浆液扩散半径正相关。在砂层劈裂-压密注浆设计中应充分考虑砂层压密特性对注浆扩散过程的影响。

• 煤体基质热开裂增透模型

  滕腾, 王伟, 刘斌, 郭俊廷,

  温度变化对煤体损伤与破裂具有重要影响。温度变化导致非均质煤体内部产生热膨胀失配各向异性力，打破微裂纹临界受力平衡，引发煤体基质热开裂，继而导致煤体渗透率增大。从断裂力学理论出发，建立了煤体基质中单一微裂纹源热开裂的细观断裂力学模型，推导了微裂纹热开裂的临界裂纹尺寸，分析指出煤体温度变化越大，热开裂临界裂纹尺寸越小，即小裂纹越趋向于发育。引入微裂纹特征尺寸和孔径分形维数对煤体基质中单一微裂纹和空间裂纹网络进行表征，计算获得了煤体中微裂纹特征尺寸的分形维数，建立了煤体基质空间裂纹云的分形表征方法。以球形微孔为例，定义了热开裂增透因子，建立了基质热开裂增透力学模型，模型显示，随着煤体升温梯度增大，渗透率增透因子增大，基质渗透率增大效果越明显。最后对不同加热处理后的平顶山矿煤样和金佳矿煤样开展了压汞实验，加热温度分别为25,50,75和100 ℃，获得煤中微孔结构随温度的演化规律:煤体基质孔隙度随处理温度的增大而增大，孔径分形维数随处理温度线性增大，表明随着温度梯度的增大，煤体热开裂现象增强，基质渗透率增大。

• 含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律

  罗浩, 于靖康, 潘一山, 王俊陆, 张寅,

  为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理，应用自主研制的煤岩电荷监测系统，开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低，煤体电荷信号峰值降低，累积电荷事件数减少，单位时间电荷事件数降低，电荷信号向煤体峰值强度后转移;瓦斯作用下，随着瓦斯压力升高，煤的冲击倾向性降低，煤体电荷信号峰值降低，累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现“矩形波”特征，信号主频在200 Hz以下，随着瓦斯压力升高，主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运动产生自由电荷角度，提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理，一方面，煤体裂纹面附近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒，导致不同属性带电粒子向不同方向移动，解释了应力突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象;另一方面，煤岩内部孔隙贯通，瓦斯气体因压力差而流动，Stern-Gouy双电层结构产生流动电荷，流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量，解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似“矩形波”特征。

• 基于改进差分进化粒子群的煤尘颗粒图像辨识

  王征, 潘红光,

  为实现煤尘融合区域内单个颗粒准确分离，进一步明确煤尘特性参数图像分析内在机理，构建改进差分进化粒子群模型(IDE-PSO，全称Improved Differential Evolution Particle Swarm Optimization)对煤尘颗粒群基本形态特征进行研究。指出颗粒分离过程可分为3个阶段:① 分析煤尘特性参数变化规律，建立图像特性模型，根据煤尘物理特性参数确定颗粒群重叠域;② 推导图像参数和煤尘特性的关系表达式，定位边缘特征点，实现边缘平滑处理并在重叠域边缘特征点内提取重叠颗粒交点计算模型;③ 确定粒子群各行粒子适应度函数值，更新粒子群位置矩阵，获取粒子群全局最优位置交点，运用改进差分进化粒子群算法实现煤尘重叠颗粒分离。结果表明:通过参数模型建立颗粒群基本形态特征判定规则;通过特征点定位，可剔除大多数干扰点，交点提取计算量明显降低，利于寻找有效交点;理论计算模型加入变异算子可保证粒子群多样性,避免粒子过早收敛。当粒径 200 μm时，提出的模型算法的识别率分别为88.04%和91.16%，与其他识别算法相比，改进算法对煤尘颗粒图像识别精度具有明显优势。在煤尘物理特性分析的基础上，建立图像特性分析模型，推导出其图像参数和煤尘特性的关系表达式，易于编程实现，在矿山实际运用中具有较强的可行性，也为以后煤尘爆炸浓度检测可靠性研究提供了借鉴。

• 适用于煤层气钻井的微泡沫钻井液研究

  李志勇, 李强, 孙晗森, 杨刚, 马腾飞, 张丰琰,

  煤储层具有低压、低渗、微裂缝发育等特点，在煤层气开采过程中容易对储层造成损害，降低煤层气井产量。针对此问题，笔者进行了起泡剂分子结构设计并合成了一种新型高效双子型起泡剂，同时以该起泡剂为基础，构建了适用于煤层气钻井的微泡沫钻井液体系。通过实验分析了煤岩组成、煤岩微观结构与煤层顶底板岩样性质，并评价了微泡沫钻井液对煤系地层的适用性。结果表明:新型起泡剂性能良好，能够显著降低水的表面张力，当质量分数为0.1%时，降幅可达71.82%;半衰期是常规起泡剂的3倍以上，稳泡性能良好;采用接触角测定仪测试了新型起泡剂对煤岩润湿性的影响，表明新型起泡剂对煤岩润湿性改变程度小，煤岩接触角恢复率达86%，有利于提高煤层保护效果。微泡沫钻井液体系黏度适中，流变性能良好，动塑比高，携岩能力强，泡沫质量稳定，其微观形态测试结果表明微泡沫的水化膜较厚，具有较强稳定性，微泡沫粒径呈现正态分布，平均粒径为144 μm，半衰期>82 h。煤层顶底板岩样在微泡沫钻井液中的线性膨胀率小于3%，滚动回收率大于92%，表明微泡沫钻井液具有良好的抑制能力,能够维持煤层顶底板地层的井壁稳定性。煤芯气测渗透率恢复率达到90%以上，具有良好的储层保护效果，能够满足低压低渗煤层的钻井要求。通过建立钻井液中处理剂解吸附评价实验装置与方法，评价了微泡沫钻井液中处理剂的解吸附能力，结果表明微泡沫钻井液中处理剂吸附量小，易于脱附，在煤岩中脱附率达82.4%。基于新型双子型起泡剂的微泡沫钻井液能够有效维持煤层顶底板岩样的井壁稳定性，并能在煤层表面易于脱附，提高了对煤储层的保护效果，适用于煤层气钻井作业。

• 贵州西部地区煤层气井产出气地球化学特征

  秦宗浩, 杨兆彪, 秦勇, 金军, 吴丛丛, 邢蓝田, 李庚, 李洋阳,

  基于贵州西部17口煤层气井不同排采时间的产出气，通过对气体组分、甲烷碳氢同位素测试以及产能数据的收集，结合研究区水动力条件以及地质特征，研究了该区域煤层气地球化学特征、地质控制因素及与煤层气产能的关系。结果显示:研究区煤层气组分以甲烷为主，属于干气~特别干的气体，甲烷组分体积分数介于91.504%~99.508%，其次为N2和CO2，不同地方煤层气井重烃含量变化大。甲烷稳定碳同位素δ13C1值介于-44.1‰~-27.8‰，δD值介于-196.5‰~-120.8‰，属于热成因气，松河GP井组和大河边Z-1井接近于原生煤层气的特征，研究区东北部织金ZJ井组及其余各井明显受到运移-扩散次生作用的影响。贵州西部煤层气井产出气的甲烷碳氢同位素值呈现东北高西南低的分布趋势，煤变质程度对产出气的地球化学特征具有主要的控制作用，其中甲烷氢同位素值的分布亦受到沉积环境的变化控制。在同一煤层气井组内部，甲烷的碳氢同位素值大小受井组内水动力条件的变化以及开发煤层埋深的影响较大。甲烷碳氢同位素值与日产气量呈现负相关关系，其本质在于甲烷的碳氢同位素受控于埋深及埋深主导的水动力条件的变化，而埋深的差异性很好的控制了产气能力。煤层气井产出气随着排采时间的变化，煤层气气体组分和甲烷碳氢同位素值呈现一定规律的变化，其中碳氢同位素值随着排采时间变化总体有波动性增大变重趋势，这与组分分馏和同位素分馏有关。

• 多煤层区煤体结构测井解释模型构建

  李存磊, 杨兆彪, 孙晗森, 马玉银, 张争光, 李洋阳, 李庚,

  煤体结构是多煤层煤层气勘探开发中主力产层优选及产层优化组合的关键约束条件，精确识别煤体结构显得尤为重要。大多数测井解释模型为针对单一厚煤层的解释，对于煤层层数多而薄的多煤层地区的研究较少。以云南雨旺区块多煤层区为例，提出了多煤层区煤体结构测井解释模型构建方法。① 煤层煤体结构GSI赋值。首先通过实地取芯分析，将多煤层样品煤体结构具体分类，并分别进行地质强度因子GSI赋值，量化取芯煤体结构;② 皮尔逊相关性分析。采用多条测井曲线进行纵向和横向相关性矩阵分析，筛选出相关度最高的自然伽马(GR)、补偿密度(DEN)、井径(CAL)和深侧向电阻率(RD)等曲线;③ 聚类验证。进一步采用嵌套K-means算法的K均值聚类方法对提取出的敏感测井曲线进行煤体结构验证并寻找相关规律;④ 煤体结构测井解释模型构建。完成有效性验证后，构建多煤层煤体结构识别的测井解释模型，根据模型计算获得的煤体结构指数大小进行煤体结构的精确识别。采用该计算模型对雨旺区块中北部多煤层进行了垂向和平面的煤体结构识别，垂向上，多煤层煤体结构自上而下由简单变复杂，Ⅲ类煤逐渐增多。平面上，上部主力煤层7+8号煤层煤体结构以Ⅱ类煤为主，YW-05井附近煤体结构较好，以Ⅰ类煤为主，其次为东南部，东北部煤体结构较差，接近于Ⅲ类煤;下部主力煤层19号煤层以Ⅱ类煤为主，但在西南部有少部分Ⅲ类煤，Ⅰ类煤主要集中在YW-05井附近，其余部分以Ⅱ类煤为主。识别结果准确性较高，且模型需要的测井曲线容易获得，模型简单易于计算，可满足多煤层煤层气勘探开发的实际需求。

• 云南小发路无烟煤基石墨烯制备与谱学表征

  唐跃刚, 徐靖杰, 郇璇, 王绍清, 陈鹏翔,

  为研究云南小发路无烟煤制备煤基石墨烯及其谱学特征，采用改良的 Hummers 氧化还原法制备煤基石墨烯，并综合利用透射电镜(TEM),X 射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等表征手段对原煤以及过程产物的化学结构进行表征，结果表明高温石墨化显著改善了小发路无烟煤的微晶结构，晶粒尺寸增加，平均芳香层数可达54.84，有利于后续氧化插层形成氧化石墨烯;氧化反应产生了大量含氧官能团，增加了煤基氧化石墨烯的缺陷度(ID1/IG=2.06)，层间距可达0.790 nm;还原氧化石墨烯表面含氧官能团大幅度减少，缺陷度减小至1.58，芳构碳的有序度增加，成功制得煤基石墨烯;透射电镜下发现小发路无烟煤晶格条纹大部分为无定向弯曲，层间堆垛较厚，所制备的煤基石墨烯则呈透明薄层状，表面含有较多翘曲，边缘处可观察到线性晶格条纹，层数达3~5层。小发路无烟煤的含氧官能团以酚、醇、醚、酯为主，羧基含量较低，羟基共检测到环状羟基、与醚作用形成氢键的羟基、羟基间氢键相连的羟基、与芳香体系形成氢键的羟基以及自由羟基等5种，氧化后的煤基氧化石墨烯表面含氧官能团以醚和/或环氧化物、自缔合羟基和OH—醚氧键/环状羟基和羧基为主，而还原后煤基石墨烯中剩余的少量含氧官能团主要为醚和/或环氧化物，其稳定性较强，通过水合肼还原难以消除。

• 基于HRTEM的煤中不同聚集态结构表征

  王小令, 李霞, 曾凡桂, 边洁晶,

  对曹村2号煤的HRTEM图像观察发现，晶格条纹呈现出有序-无序的分布。通过对原始图像的不同区域划分，定义了3种不同类型的聚集态结构区域，分别为具有取向一致的条纹区域，类似环状的条纹区域，取向杂乱的条纹区域。基于HRTEM图像处理方法，对不同类型的聚集态结构进行定量表征，包括晶格条纹的长度及取向，以及曲率特征(分段角度，累积角度及曲折度)。结果表明:具有一致取向的条纹区域中，其单个晶格条纹表现出较大的弯曲，体现在分段角度较大，曲折度较大;对于类似环状的条纹区域，从取向上来看，玫瑰图表现出“十字型”分布的特点;而对于取向杂乱的条纹，却表现出单个条纹较好的线性度，体现在分段角度较小，曲折度较小。3者呈现了较为一致的长度分布，累积角度的分布显示出具有一致取向区域的条纹存在较大的曲率，且短条纹贡献了大部分的弯曲。此外，还对不同区域孔径分布进行了分析，得到3者均发育微孔，取向一致的条纹区域中孔径集中于0.4～0.5 nm，而在取向杂乱的条纹区域中孔径整体稍大。结合煤中不同区域晶格条纹特征、孔径分布，以及FTIR,Raman等分子结构参数探讨了煤中聚集态结构的形成机制:不同的芳香结构，脂肪结构及其他分子之间形成的大分子团，再加上分子团内部的缺陷，孔隙等相互作用的结果。

• 降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究

  赵建军, 李金锁, 马运韬, 余建乐,

  采动滑坡是岩土工程中极具挑战性的问题之一，采动滑坡为矿区地质灾害的主要类型，其危害性相较于其他类地质灾害更加严重。采煤会诱发平缓结构斜坡发生强烈的地面变形，研究结果表明天然状况下采煤结束后一定时间内地面变形将趋于稳定，采动滑坡的发生受降雨影响显著。以贵州马达岭滑坡为地质原型，马达岭斜坡为平缓倾内的层状结构斜坡，具有上硬下软和上陡下缓结构特征，是受采矿和降雨影响诱发的滑坡。采用物理模拟方法，应用模型箱和相似材料根据相似比建立滑坡模型，采用土压力监测计、孔压力监测计和三维激光扫描仪对模型进行监测，研究了模型在开采与降雨两类工况下变形及内部应力的变化情况和在开采与降雨共同作用下斜坡变形破坏过程，再现了滑坡从孕育到发生的全过程，分析强降雨诱发采动滑坡形成的机制。研究表明:采空区形成后，坡内原有的应力平衡被打破，发生应力重分布，采空区顶板应力卸荷，边界部位应力集中，顶板位置首先发生弯曲沉陷，产生大量离层裂缝，裂缝不断向四周扩展，逐渐形成大量竖向拉张裂缝，采空区的边界部位出现多条斜向裂隙;同时采动的影响不断向上传播，采空区顶板处产生裂缝多与上覆岩体中发育的裂缝贯通形成大型裂缝;降雨作用下，坡内裂缝持续发展，降雨导致采空区及上覆岩体中形成稳定水位，增大坡后的静水压力，使裂缝不断增大，推动斜坡向临空面发生变形，雨水下渗作用下，逐渐沿下部“阶梯状”裂缝、采空区、竖向拉张裂缝形成基本贯通的潜在滑动面，最终在水压作用下，剪断锁固段形成贯通的滑面，发生整体滑动。马达岭滑坡其演化过程可分为3个阶段:① 采空区覆岩-斜坡变形阶段:由于开采使上覆岩层产生变形破坏，模型坡表及内部发育大量裂隙，为雨水的入渗提供有利条件;② 降雨诱发斜坡整体变形演化阶段:雨水入渗模型，加剧裂缝发育，使模型向临空向发生变形，坡内裂隙已基本贯通，模型到达失稳的临界点;③ 滑面扩展—滑坡发生:降雨作用下，岩体不断被软化，同时，模型内裂缝充水，使裂缝不断发育直至贯通，导致滑坡发生。因此其变形破坏机制可总结为采空区覆岩-斜坡变形→降雨诱发斜坡整体变形演化→滑面扩展-滑坡发生。

• 干燥脱水对褐煤理化结构和加氢转化性能的影响

  杜峰, 任志祥, 邓文安, 李传, 王兴兆, 王红美, 符欣怡,

  通过低温干燥法脱除一种褐煤中的水分，并采用低场核磁共振、傅里叶变换红外光谱、物理吸附和扫描电镜等方法对脱水过程中褐煤中水分的赋存状态、褐煤的化学组成、表面孔结构及微观形貌等特征进行了表征，结合脱水前后褐煤在煤/油加氢共炼过程中转化率的变化情况，深入了解褐煤中水分对褐煤理化结构和加氢转化性能的影响。研究结果表明，褐煤中水分的脱除分为2个阶段，第1个阶段为准稳态干燥阶段，水分基本脱除，且脱除速度较快;第2个阶段为降速干燥阶段，水分的脱除量较小。该褐煤中的水分存在不冻水、吸附水、颗粒间水和自由水4种赋存状态，其中吸附水与不冻水占绝大比例，在准稳态干燥阶段较易脱除，剩余水分更多地存在于褐煤的微孔中，且自由度不断降低。通过低温干燥，褐煤中水分质量分数降低，C/H原子增加，煤的高位发热量增加程度较大，表明脱水过程对褐煤具有明显的提质效果。脱水后褐煤的固定碳与挥发分质量比、表面官能团种类基本不变，表明脱水过程对褐煤分子结构影响较小。然而，随着脱水程度的提高，褐煤更易破碎，平均孔径逐渐减小，BET比表面积和孔容逐渐增加，均在低温干燥两个阶段的分界处达到极值。此外，水分的脱除可明显提高褐煤在煤/油加氢共炼反应中的转化率和油收率，与未脱水时的褐煤(水分质量分数为15.65%)相比，水分质量分数降低至0.52%时褐煤的转化率提高了12.82%，油收率提高了11.79%，在此过程中，吸附水与不冻水为主要脱除组分，颗粒间水和自由水质量分数以及褐煤分子结构基本不变，说明褐煤中的吸附水与不冻水是影响褐煤加氢转化的重要组分。

• 低阶煤颗粒-气/油泡间的诱导时间研究

  王市委, 吕洪强, 陈松降, 石开仪, 陶秀祥,

  为表征低阶煤颗粒-气/油泡间矿化过程的差异，通过Sutherland理论下固体颗粒进入泡沫产品的总概率(E)和浮选速率常数(k)之间关系，并结合低阶煤颗粒-气/油泡的浮选速率试验，求得了低阶煤颗粒-气/油泡间的诱导时间。浮选实验研究表明，在相同的捕收剂消耗量下低阶煤-油泡浮选产率均高于低阶煤-气泡浮选产率。诱导时间测试表明，低阶煤颗粒-油泡间的诱导时间(35 ms)要明显低于低阶煤颗粒-气泡间的诱导时间(93 ms)。上述实验结果表明，油泡表面的疏水性要强于传统浮选气泡表面的疏水性。然而，进一步利用Sutherland理论中固体颗粒进入泡沫产品的总概率和浮选速率常数之间的数学关系，并结合低阶煤颗粒-气/油泡的浮选速率试验求得的低阶煤颗粒-气/油泡间的诱导时间分别为9.67和8.46 ms，其与诱导时间测试仪分别测量的诱导时间93和35 ms差异很大。这主要是由于在实际浮选过程中气/油泡的上升速度分别为23.26和22.68 cm/s，其远高于2015EZ型诱导时间仪测试过程中气/油泡碰撞速度(2.0 cm/s)。因此，诱导时间理论计算表明气泡-颗粒间的碰撞速度对颗粒-气泡间的诱导时间影响很大。上述研究结果表明油泡浮选效果优于传统浮选的内在原因在于低阶煤颗粒-油泡间的诱导时间小于低阶煤颗粒-气泡间的诱导时间。

• 制焦条件对煤焦燃烧反应性的影响

  柯希玮, 陈陆剑, 张缦, 吴玉新, 张海, 吕俊复,

  煤的反应中绝大部分化学能在焦炭反应阶段释放或转化，相关研究中采用多种方法在不同环境条件下制焦以进行后续研究，而煤焦反应性又受热解条件影响很大。为研究制焦条件对煤焦燃烧反应性的影响，本文在不同热解温度下分别采用马弗炉、管式炉和鼓泡床3种方法制焦，利用热重分析法(TGA)比较各焦样的燃烧反应性，并借助化学渗透析出(Chemical Percolation Devolatilization,CPD)模型和单颗粒传热模型，对各条件下煤颗粒的热解进程，如颗粒温度、挥发分析出总量、残余旁链结构份额等随时间变化规律进行了模拟。主要内容包括:① 实验结果表明，热解环境温度越高，煤焦着火延迟，燃烧反应性越低，即存在“热失活”现象。而从CPD模型计算结果可以看出，热解温度越高，最终析出的挥发分总量越高(煤样工业分析结果也验证了残留在焦炭中的挥发分物质含量随热解温度升高而减小)，且残留在碳网中的旁链结构份额越少，反映出酚羟基、羰基、脂肪侧链等的裂解加剧，减少了焦炭表面反应活性位点数量，可能是导致煤焦“热失活”的主要原因之一。另外，对各焦样的孔隙结构测量表明，热解温度越高，微孔与中大孔的相对比例逐渐减小，大量微孔相互缩并，导致孔隙直接连通率降低，气体扩散阻力增大，同样不利于焦炭燃烧。② 不同制焦方法对煤焦反应性同样存在很大影响，相同热解温度下，鼓泡床、管式炉和马弗炉制得焦样的燃烧反应性依次降低。模型计算表明，马弗炉、管式炉和鼓泡床内煤样升温速率依次增大，煤焦反应性的差异可能与热解升温速率及热解气氛有关。对此，CPD模型尽管反映出热解进程不同，但热解终态3者近似相同，尚无法解释制焦方法对煤焦反应性的影响，还有待后续进一步研究。

• 准东次烟煤在H2O2水溶液中的氧化解聚

  陈帅, 刘明君, 周伟, 赵广播, 曹庆喜, 高继慧,

  H2O2氧化不仅可以用来研究煤的结构，也可将煤转化为高值化学品，是一种有前景的低阶煤利用方法。中国目前储量丰富的低阶煤资源是准东次烟煤，特对H2O2氧化准东次烟煤进行研究，为其利用提供基础数据。利用H2O2氧化解聚准东次烟煤，采用N2吸附仪和FTIR分析其物理化学特性，采用热重分析仪(TG)分析其燃烧特性，并采用GC/MS对氧化产物的组成进行分析。结果表明，随着温度的升高，转化率增大。当温度为80 ℃时，转化率达到45.67%。通过H2O2与准东次烟煤的反应，可破坏煤中的孔隙结构，降低比表面积和总孔容，引起煤颗粒收缩，使煤结构变得致密;可断裂煤中的桥键和C—O醚键，并促使芳香结构开环。氧化残煤中的灰分含量降低，N和S含量降低，挥发分含量增加，H/C和O/C原子比增加。和原煤相比，氧化残煤中脂肪侧链变长，脂肪支链减少，C=O含量增加，C—O含量和脂肪族氢含量减少。同时，氧化残煤较好地保持了原煤的燃烧特性。GC/MS检测到氧化产物中含有14种物质，包括2种链烷酸、2种苯羧酸、5种烃类、4种含氮或含硫物质和1种酯类。在所检测的物质中，(Z)-二十二碳-13-烯酰胺、二(6-甲基庚基)邻苯二甲酸酯和棕榈酸的含量最高。检测的含氮或含硫物质揭示准东煤中有机氮和有机硫的存在形式包括酰胺、磺酸和磺酰。

• 双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究

  王爽, 郭永存, 胡坤, 李德永,

  为了在双盘式磁力耦合器设计阶段分析振动噪声特性，优化双盘式磁力耦合器设计，提出了一种利用模态叠加原理来分析其振动噪声的方法。双盘式磁力耦合器具有高转矩密度与高效率等优势，因此逐渐发展成为煤矿机械柔性传动装置。由于双盘式磁力耦合内部的转子磁场非正弦分布以及涡电流谐波等因素影响，双盘式磁力耦合器输出转矩中不可避免的存在波动。若根据计算得出的双盘式磁力耦合器的电磁振动噪声特点，在设计时选取振动噪声小的参数进行优化组合，可在实际中降低其电磁振动及噪声，有利于减少制造成本。本文结合双盘式磁力耦合器的结构特征，提出了一种模态叠加响应法计算电磁振动噪声，建立了其电磁径向力的解析模型，并在多物理场耦合作用下分析主要电磁径向力波在工作频率内的谐波响应，最后在额定功率为55 kW双盘式磁力耦合器实验台上进行试验验证。基于麦克斯韦张量法，建立了双盘式磁力耦合器的径向电磁力解析模型，并得出0阶与10阶电磁径向力波是产生振动噪声的最主要原因;利用多物理场耦合分析法进行谐波响应NVH特性分析，结果显示0阶力波的振动加速度与形变量均大于10阶力波的振动加速度与形变量，因此双盘式磁力耦合器的电磁振动主要来源于0阶力波;在额定功率为55 kW，最高转速为1 500 r/min的双盘式磁力耦合器实验台进行振动测试，试验结果显示在1500 r/min时，试验得出的最大振动峰值及频率约为35 m/s2和4 950 Hz，与有限元仿真结果的误差对应为6.3%和1.1%;而当变频电机的输入转速依次增大时，振动加速度的理论值、仿真值与试验值的曲线形态较为接近，误差较小;噪声估计值与实测值的最大误差仅为8.9%，基本验证了本文所提出模态叠加法的正确性。

• 分数阶微分算子在煤矿监测数据融合处理中的应用

  左延红, 程桦, 程堂春,

  在煤矿生产信息的监测与采集中，传感器间的性能及其工作环境难免存在差异性，这些无法避免的差异性致使在同一地点工作的多个传感器对同一生产信息的测量数据间存在较大差异性，从而导致数据监测中心收集到的监测数据很难反映真实的生产信息，直接影响着煤矿生产管理的正常运行秩序和生产系统的生命财产安全。相较传统的消耗重资购置高性能信息监测设备以提高信息数据准确性的硬件性能提升法，提出了基于分数阶微分滤波算法的煤矿生产信息监测数据的多传感器监测数据软件融合处理法。探讨了分数阶微分算子在信号处理中的应用特性，建立了基于分数阶微分算子的煤矿监测数据融合处理模型，并通过05阶微分算子在淮南某煤矿井下瓦斯浓度监测数据融合处理实验中的应用验证了分数阶微分滤波算法的优越性。实验证明:分数阶微分算子具备较强的差异性监测数据融合性能，可有效提高煤矿监测数据的准确性和煤矿安全生产管理决策的科学性;与传统的购置高性能信息监测设备以提高信息数据准确性的方法相比，基于分数阶微分滤波算法的煤矿生产信息监测数据的数据融合处理方法具有成本低廉、融合效果显著的突出优点。

• 基于EEMD-KPCA和KL散度的垮落煤岩识别

  李一鸣, 白龙, 蒋周翔, 高宏, 黄小龙, 刘相权, 黄民,

  综放开采中关键工艺放煤自动化的实现，可以使放煤工人远离工作面，远程控制顶煤的放落，从而保障放煤工人的健康问题。而顶煤放落过程中垮落煤岩的实时有效识别是放煤自动化的理论基础。针对垮落煤岩识别的实时性和综放开采的效率问题，基于综放开采现场采集的垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号，提出了一种基于EEMD-KPCA和KL(Kullback-Leibler)散度的垮落煤岩识别方法。该方法首先对振动信号进行集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)得到一组固有模态分量(Intrinsic Mode Functions,IMFs)，分别计算各个IMF的能量，峭度和样本熵，构造表征垮落煤岩的特征向量;然后利用核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)对特征向量进行降维，分别以各个IMF能量、IMF峭度、IMF样本熵构成的向量的KPCA低维特征来表征垮落煤岩；最后计算“未知样本”不同特征向量与垮落煤岩两类样本与之对应的特征向量的KL散度值，通过比较KL散度值来实现垮落煤岩的实时识别，并比较表征垮落煤岩不同特征向量的特征提取耗时和识别有效性。然后利用BP神经网络验证基于EEMD-KPCA的特征向量的有效性。实验结果表明:基于EEMD-KPCA和KL散度的识别方法可以实现垮落煤岩的实时识别，且大大降低了传统垮落煤岩识别方法对综放开采效率的影响;由EEMD分解后的各个IMF的能量和峭度构成的向量的KPCA低维特征最有效。

• 基于实体交互模型巷道瓦斯监测WSNs的可用性检验

  鲍宇, 赵亮, 陈树召, 陆翔, 朱紫维,

  若煤矿瓦斯监测WSNs(Wireless Sensor Networks)系统的功能设计忽略了被监测实体的交互行为，会造成WSNs本身可靠而被监测实体的安全不满足情况，这在生产安全中是非常危险的。为检验WSNs监测系统功能设计的可靠性和可用性，利用时间自动机模型检验方法建立WSNs监测系统模型，检验WSNs系统的可靠性。然后，根据传感器与环境实体间的交互关系，分析煤矿中多个实体的并发行为，提出了监测WSNs与被监测实体交互并发行为的时间自动机模型和可用性性质描述的建立方法，从监测功能设计角度，将被监测实体的安全并入WSNs监测生产安全的功能性质，然后用模型检验方法进行机器检验，保障了监测系统的可用性。对含有并发结构的实体模型，利用分支行为等价构建并发时间自动机模型，再利用实体间的并发分支汇聚行为互模拟的方法，进行了并发行为模型的状态约减，并通过互模拟等价证明了该方法的正确性。状态约减前后的实验对比表明该方法提高了检验效率。最后，对现行巷道中瓦斯传感器的部署标准，利用该方法对其中的实际部署方案进行建模并检验，在模型中考虑实体的并发行为，发现在并发事件发生时，其中一个含支巷的瓦斯部署模型存在一个潜在的瓦斯泄露漏检问题。利用实体建模的模型检验方法需要建立自动建模机制，以提高该方法的实用性。

• 临断层孤岛面冲击危险与断层滑移数值反演—以朝阳煤矿3108工作面为例

  朱广安, 窦林名, 王红胜, 刘海洋, 董国伟,

  复杂地质构造、开采布局等与冲击地压密切相关，尤其是当孤岛工作面沿平行于断层走向回采时，受断层煤柱与孤岛工作面影响叠加后形成的采场煤岩应力状态及覆岩结构将更为复杂，严重威胁冲击地压矿井的安全高效开采。为探究临近断层处孤岛工作面开采时断层滑移失稳致灾机理，利用FLAC3D中的Fish语言进行2次开发，系统地提出一种孤岛工作面推进过程中采动诱发断层滑移失稳的数值模拟方法。以朝阳煤矿3108工作面为工程背景，建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型，分析了开采扰动下断层面应力场、位移场和速度场的动态演化特征，确定了断层滑移失稳的判定准则，总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系，所得结果与现场实际强矿震分布具有较好的一致性。研究结果表明:当工作面远离断层时，断层面不产生滑移失稳，此时采动动载主要源于顶板破断;当工作面向断层推进时，认为当断层面出现剪应力降且剪切位移量大于005 m时断层产生滑移。断层滑移型动载可由地震矩、能量和滑移速率等物理参数表示，当动力计算时间为003 s时，断层面发生滑移，其地震矩和释放的能量达到峰值。一般当滑移速率峰值达到099 m/s以上时可认为断层滑移反作用于采场周围煤岩体的影响较大，断层滑移速率随时间变化先增大后减小，一般在动力计算04~05 s时，滑移速率达到峰值，当断层滑移结束后，滑移速率会降低至某一值。在整个孤岛工作面的回采进程中，断层滑移速率首先呈现阶梯式跃增趋势，后期表现为线性增长，即断层滑移最易出现在工作面初次来压和见方阶段，易于诱发强矿震和冲击地压。

• 倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术

  王志强, 郭磊, 苏泽华, 王树帅, 沈聪,

  基于倾斜中厚煤层沿空掘巷与支护技术展开研究。首先通过构建力学模型，依据基本顶最大弯矩确定基本顶的断裂位置及断裂形式，计算得在距离煤柱帮17.57 m处基本顶达到弯矩最大值23.02 MN·m，并进一步确定断裂线位于实体煤上方;结合“内外应力场”理论，确定在当前覆岩力学环境下“内应力场”范围为15.89 m;综合考虑煤柱的空间关系，分析巷道围岩煤柱尺寸，确定窄煤柱水平错距为7.37 m，竖直错距为2.40 m;综合以上分析确定区段煤柱留设尺寸范围为7~12 m，通过FLAC3D数值模拟软件对不同煤柱尺寸的应力场、塑性区分布进行计算分析，对掘进和回采两个阶段下不同煤柱尺寸条件下稳定性进行研究和验证，最终确定窄煤柱的合理宽度为8 m。然后根据倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置形式所具有的立体化空间形式，提出错层位外错式区段间相邻巷道联合支护技术并对其技术特点进行理论分析;基于围岩松动圈支护理论，通过计算确定区段间相邻巷道联合支护参数并利用FLAC3D数值模拟软件对区段间相邻巷道联合支护方案和矿方原支护方案进行模拟，分别从支护应力场、塑性区分布和围岩相对变形率三方面对掘巷和回采阶段下两支护方案的效果进行验证，最终结果表明区段间相邻巷道联合支护方案相对于矿方原始支护方案，更有利于巷道围岩的变形控制。

• 基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响

  付裕, 陈新, 冯中亮,

  为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响，以河南城郊煤矿21304工作面的煤岩为研究对象，利用nanoVoxel-4000系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了CT扫描试验。基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建，结合等效球体模型定量分析了煤岩内不同尺度原始裂隙在空间的分布特征。通过计算平面内原始裂隙与破裂主裂隙的裂隙组构张量，以及空间内原始主裂隙面与新产生主裂隙面的倾角，对比分析了不同围压下原始裂隙分布方向与破坏时新生成主裂隙方向之间的关系。研究结果表明:煤样试件内含有大量不同尺度的裂隙，等效直径小于1 000 μm的裂隙数量多，体积小;等效直径大于5 000 μm的裂隙数量少,体积大;当等效直径小于5 000 μm时，随着裂隙等效直径的增加，裂隙的数目逐渐减少;在等效直径小于300 μm时，裂隙体积分数随等效直径的增加而增大;等效直径在3 00~5 000 μm的裂隙的体积分数整体呈现下降趋势，且等效直径在大于1 500 μm以后波动较大。利用二阶和四阶裂隙组构张量计算得到的椭圆形分布规律，可以有效的描述裂隙的优势方向和劣势方向，且相比二阶张量，四阶对于平面裂隙分布规律的描述更全面。不同围压下平面内原始裂隙的二阶和四阶裂隙张量计算的优势方向与破坏主裂隙的发展方向一致，三维空间新产生的破坏主裂隙面会沿着原有较大主裂隙面方向扩展，形成了近似平行的裂隙面。不同围压作用下，煤岩试件内部损伤破裂面的三维分形维数不同，随着围压的增大裂隙面的分形维数减小，二者具有较好的相关性。

• 高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

  苏承东, 宋常胜, 苏发强,

  为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500 ℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测，而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:① 高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段，经历温度越高压密和屈服阶段越明显，峰值后应力跌落速度有所减缓;② 高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低，在100和500 ℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100～400 ℃高温，高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25 ℃煤样比较，经历100,200,300,400和500 ℃高温后，煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%，抗压强度平均降幅依次为47.88%，49.99%，56.24%，56.91%和87.57%;③ 高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息，在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系，不同高温后煤样的声发射特征存在差异，声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生，声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点，且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前，而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④ 高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征，其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低，累计能量随温度变化具有波动性;⑤ 高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系，抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100～500 ℃高温作用后煤样结构发生了变化，煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加，煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。

• 基于3D打印技术复制砂浆节理的剪切试验及峰值抗剪强度模型

  班力壬, 戚承志, 薛耀东, 燕发源, 姜宽, 李惊涛, 朱柄宇,

  为进一步研究节理三维形貌特征与节理峰值抗剪强度的关系，首先采用巴西劈裂试验获取了自然劈裂岩石表面，通过三维扫描技术获取了节理面形态的高精度点云，通过逆向建模得到了自然岩石表面的立体模型，结合3D打印技术制作出了与自然岩石表面一致的PLA模具，以3D打印获得的底模通过水泥砂浆浇筑了含有自然结构面形貌的相似节理面试样。PLA模具与复制材料差异较大，复制材料在凝结过程中不易与PLA模具黏结，进而使脱模过程较为方便，不会破坏节理面。同时PLA模具可重复进行相似材料复制工作，具有可重复使用的优点。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆节理面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验，得到了结构面剪切位移-荷载曲线。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。节理经过剪切后形貌面出现不同程度的磨损，其磨损范围与等效高差分布范围基本一致，并且在等效高差为剪断破坏模式且成片的区域磨损较为严重。在新粗糙度指标基础上提出了新的峰值抗剪强度模型，经试验对比显示出新模型的有效性。在新模型基础上提出了一个简化模型。对比发现新模型简化后其计算精度较新模型有所降低但由于所需参数减小计算较为方便，新模型简化结果精度虽然有所下降但是还是比Barton公式精度高。

• 淮南潘谢矿区深部煤系烃源岩地球化学特征与成烃潜力

  张文永, 窦新钊, 刘桂建, 孙贵, 赵志义,

  为了查明淮南煤田潘谢矿区深部煤系的烃源岩生烃潜力，在对煤系烃源岩系统采样的基础上，应用总有机碳含量、氯仿沥青“A”、岩石热解、干酪根碳同位素、镜质组反射率等有机地球化学测试方法，结合深部煤炭勘查成果，深入探讨了淮南潘谢矿区深部煤系烃源岩地球化学特征、热演化及生烃组合特征。地球化学测试结果表明:潘谢矿区深部煤系有机质干酪根主要来源于陆生高等植物，类型属于Ⅱ2-Ⅲ型，局部存在少量的Ⅱ1型，具有良好的天然气生成潜力;上石盒子组、下石盒子组和山西组泥页岩TOC含量均达到了中等烃源岩标准，氯仿沥青“A”也均达到了好的烃源岩标准，上石盒子组和山西组泥页岩S1+S2达到了中等烃源岩标准，下石盒子组泥页岩S1+S2达到了好的烃源岩标准，因此泥页岩有机质丰度各项指标均达到了中等或者好的烃源岩标准，加上煤层总有机碳含量均在60%以上，表明潘谢矿区深部煤系有机质具有较高的原始生烃能力。在潘气1井煤系烃源岩有机地化和气测录井特征分析的基础上，结合深部煤炭勘查成果，以全区稳定发育的厚层煤层和泥页岩为目标层位，在潘谢矿区深部划分了3套稳定发育的生烃组合。组合1位于上石盒子组上段中-下部，厚40~60 m，是良好的页岩气-煤层气共生气藏;组合2位于下石盒子组上段，厚60~150 m，以煤层气为主，页岩气为辅;组合3位于山西组底部，厚20~35 m，以煤层气为主，页岩气为辅。

• 高质量浓度曲拉通X-100对煤泥浮选的抑制效应及机理

  郑康豪, 夏文成, 李懿江, 彭耀丽, 谢广元,

  表面活性剂在煤泥浮选领域中应用广泛，且表面活性剂常被用于煤泥浮选促进剂，本文从另一个方面探究了表面活性剂在过量的情况下对煤泥浮选的抑制效应及其机理。以低灰煤粒和表面活性剂曲拉通X-100为研究对象，采用X射线光电子能谱(XPS)表征曲拉通X-100在煤表面的吸附状态，静态接触角测定仪测定曲拉通X-100对煤表面疏水性的影响，并探究了不同质量浓度曲拉通X-100液滴在煤粒表面的润湿与铺展情况，采用诱导时间测量仪分析不同质量浓度曲拉通X-100水溶液中的气泡与煤粒的黏附情况，最后通过紫外分光光度计定量表征浮选槽中残留曲拉通X-100质量浓度与不同浮选时间下浮选结果的对应关系。结果表明:高质量浓度曲拉通X-100会抑制煤粒上浮，随着浮选试验的进行，曲拉通X-100质量浓度逐渐降低，低质量浓度曲拉通X-100会促进煤粒被上浮气泡黏附而浮出;高质量浓度曲拉通X-100能够在煤粒表面发生有效吸附，该吸附属于物理吸附，且在一定程度上提高了煤表面的疏水性;高质量浓度曲拉通X-100水溶液更容易润湿煤表面，从而减缓了气泡-煤粒黏附过程中的液膜薄化与破裂速率;在高质量浓度曲拉通X-100水溶液中，气泡表面因罩盖有曲拉通X-100分子，导致气泡表面发生改性，难以与煤粒发生有效黏附。高质量浓度曲拉通X-100主要通过对气泡改性，以及减缓气泡与煤粒碰撞-黏附过程中的液膜薄化-破裂速率来抑制煤粒的浮选。