煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第3期

• 山东某煤矿老采空区上方大型工程建设案例

  陈绍杰, 张立波, 江宁, 尹大伟, 高志友, 郭惟嘉, ХOРЕШOК Алексей Алексеевич,

  以山东某采煤塌陷地为例,开展了煤矿采空区上方大型工程建设研究和实践。通过调查与测绘,高密度电法、大地电磁法、瞬变电磁法等多种地球物理勘查方法和钻探相结合的方法对老采空区进行了精细勘查,获得了4,9,10-2煤3层采空区分布位置、重叠关系、采出率、积水性等参数,揭示了老采空区赋存特征。从地表残余变形对建筑物稳定性影响以及建筑荷载对采空地层稳定性影响2个方面分析了拟建大跨度数据处理中心、4栋高层等建筑物场地稳定性,研究范围内地表因老采空区活化导致的附加变形中附加下沉值为260 mm,超过了拟建建筑修建和使用期间的地基变形要求;9煤层采空区裂缝带与上方高层建筑荷载附加应力影响范围在研究区西部存在重叠区域,部分区域的建筑物地基稳定性差,需要进行采空地层加固治理。采用垂直剖面法确定治理水平治理范围、根据采空覆岩运动特征确定垂直治理范围,依据各煤层采空区间距划分2个注浆层位,注浆钻孔在地面东西走向间距为25 m,南北走向间距为20 m,帷幕孔间距均为15 m,帷幕、注浆孔均一次成孔。采用“无压自流+加压扩散”注浆技术与工艺进行采空地层加固治理,一个注浆层位采用一次注浆工艺,多个注浆层位采用上行式注浆工艺;通过钻孔冲洗液漏失、钻孔取心进行单轴压缩试验、二次注浆等方式检验注浆加固治理效果,钻孔冲洗液无漏失或少量漏失,结石体单轴抗压强度均在9 MPa以上,各钻孔二次注浆量均小于周边钻孔注浆量平均值的10%,所注浆液有效充填了采空地层。分析了采空区地表变形对拟建的高层建筑和大跨度数据处理中心稳定性影响,高层建筑稳定性受地表倾斜影响显著,主体建筑基础采用“桩+筏板”形式,并将高层建筑下的部分注浆钻孔作为小桩基以增强其基础稳定性;大跨度数据处理中心稳定性受地表水平变形影响显著,设置基础连系梁和增强上部结构整体强度来增强其抗水平变形能力,数据处理中心修建过程中地面最大下沉5 mm,平均下沉速度0.01 mm/d。目前研究区内建筑物已投入使用,运行稳定。实现了大跨度、高标准数据处理中心以及22层综合楼等大型建筑群在3层采空区上的安全修建与运营。

• 基于改进MT-InSAR的日兰高铁巨野煤田段沉降监测

  祝传广, 张继贤, 邓喀中, 龙四春, 张立亚, 吴文豪,

  日兰高铁巨野煤田段农田遍布,合成孔径雷达干涉(InSAR)的时间失相干严重,可用于时序InSAR(MT-InSAR)分析的永久散射体(PS)稀少。将SAR数据限制在失相干影响较弱的10月至次年4月初并联合PS和分布式散射体(DS)有望解决该问题。然而,受限于SAR卫星的重访周期,仅采用10月至次年4月初的SAR影像会导致数据量变少。而当SAR数据较少、相干性较低时,难以准确估计协方差矩阵和相干矩阵,使得现有的DS相位估计方法误差较大。为此,提出了一种基于Fisher信息量的DS相位优化估计算法,利用Fisher信息量调节各干涉对的权重,抑制低相干干涉对的影响。通过模拟数据和真实数据验证了算法的可靠性和可行性。另外,构建了联合PS和DS的小基线(SBAS)干涉处理框架,在增加观测方程的同时保证干涉对的相干质量,从而实现形变信息的稳健估计。利用2020年10月至2021年4月间的Sentinel-1 SAR数据获取了日兰高铁巨野煤田段地表沉降,并结合已有的监测资料分析了地表沉降的成因及时空演化信息。研究结果表明:采用上述方法,能够根据10月至次年4月初的少量SAR数据监测高铁沿线沉降情况;日兰高铁巨野煤田段沿线仍在持续沉降,3 km内的平均形变速率集中在-3.5~-0.5 cm/a,与2015—2019年的观测结果一致,未出现加剧现象;巨野煤田段存在可能由断层活化、深层地下水流失等因素间接造成的更大范围地表沉降,并且沉降靠近高铁侧,这一点需引起注意。

• 固体智能充填自主夯实过程机构干涉影响因素与调控方法

  张强, 刘勇, 张吉雄, 张昊, 殷伟, 王宏奇, 王云搏, 孙忠良, 时培涛, 魏连河,

  自主夯实过程机构干涉自我调控是固体充填智能化的前提条件。基于机构干涉的基本概念,分析了地质条件、架型结构、充填系统布置与工艺参数和其他因素对机构干涉的影响。通过Pro/E 5.0软件构建了固体充填液压支架三维模型,采用运动仿真确定了机构干涉的典型位态,通过二维骨架模型建立了不同工况下夯实机构运动的轨迹方程,提出采用干涉临界范围、干涉几率等指标量化分析煤层厚度、倾角等不同因素对干涉状态的影响规律,结果显示:对于同一种架型,煤层倾角越小干涉临界范围越大,干涉几率越小;在相同的工况条件下,不同架型干涉临界范围及干涉几率差异明显,也即煤层倾角和架型结构的改变将大幅影响机构干涉的几率,是机构干涉的主要影响因素;充填系统布置及工艺参数等因素对机构干涉的影响相对较小。基于上述规律从工序执行前的适应地质条件变化、优化关键充填装备设计、合理选择充填系统布置方式及工艺参数和工序执行中装备智能感知干涉位态、智能调控决策方案、智能控制油缸动作6个方面提出了机构干涉调控方法,建立了机构干涉调控机制。智能充填工作面工程实践表明:未实施干涉调控前,固体智能充填液压支架在执行采充平行作业及自主夯实过程中频频发生卡顿,自动化开机率仅30%左右;采用干涉调控方法后开机率增长到72%,自主夯实过程卡顿明显减低,促进了固体智能充填技术的完善。

• 煤矿连采连充式胶结充填采煤技术与典型工程案例

  李永亮, 路彬, 杨仁树, 林海, 徐斌, 王树帅, 刘晨辉,

  为了解决煤矿胶结充填开采成本高、充填工艺复杂、采充矛盾突出等问题,研发了可实现采充并行作业的连采连充采煤工艺,研究了不同配比充填材料的流动特性与龄期强度变化规律,提出了适应于不同煤层倾角的充填料浆井下混合与地面混合输送系统,以及相应的工作面密实充填方法,形成了完善的连采连充式胶结充填采煤成套技术。研究了不同充填开采模式影响下,充填采煤过程采场围岩应力动态迁移规律;基于影响充填采场围岩变形的“三量”特征,提出了充填采场覆岩移动“三度”控制原则,即较快的充填速度、合理的采空区充实度与稳定的充填体强度。阐明了煤柱与充填体交替承载控顶机理,揭示了连采连充分步置换煤炭技术原理:煤柱与充填体交替承载控顶可保证稳定的充填空间,分步置换煤柱可保证充填材料具有合理的胶结固化时间,实现采煤和充填互不干扰,工作面可连续的开采和连续的充填,采充最大限度地平行作业,大幅提高胶结充填采煤效率。研究成果应用于内蒙古西部地区4个煤矿-生态园下采煤、复合顶板、处理固体废物、回收遗留大巷保护煤柱,并进行典型工程应用案例分析。现场试验结果表明:连采连充式胶结充填采煤技术在4个煤矿均取得了良好的工程应用效果,可有效控制岩层移动、高效置换遗留煤炭资源。

• 基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

  刘浪, 王双明, 朱梦博, 张波, 侯东壮, 郇超, 赵玉娇, 张小艳, 王雪丽, 王美,

  “30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO2封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO2封存储库构筑→CO2物理与化学协同封存→CO2封存安全及环境风险评价”的CO2封存新途径。具体开展工作包括:(1)创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO2封存用功能性充填材料;(2)提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO2封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO2封存储库,阐述了储库的结构及参数、工作原理;(3)提出了CO2储库封存物理-化学协同技术途径,根据开采深度不同物理封存技术途径分为浅-中深部低压CO2储库封存和深部超临界CO2储层封存,揭示了碱性固废CO2化学封存机制;(4)梳理了功能性充填的CO2封存安全及环境风险评价指标体系,给出了CO2封存安全性能及环境性能的评价方法。矿山功能性充填的CO2封存技术的提出,为CO2封存提供了新思路。基于封存材料、封存储库、封存机理与封存评价,形成了利用固废充填技术实现矿山CO2封存的理论与技术构想。

• 矸石集料承载力学特性模拟研究

  杨科, 魏祯, 何祥, 周光华, 陈登红, 张继强,

  为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律,采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置,开展了不同矸石粒径(0~5,5~10,10~15,15~20,20~25,25~30 mm)、轴向应力(2.5,5.0,7.5,10.0 MPa)、加载速率(0.05,0.10,0.50,1.00 mm/s)影响下破碎矸石集料压实试验,研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响;基于PFC3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型,探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律,揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明:矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段,随着轴向应力逐渐增大,矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙,颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触;不同加载速率下,矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布,轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系;相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎,矸石颗粒克服变形消耗摩擦能,有利于强化整体的摩擦效应;矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长,覆盖范围逐渐增大,高应力范围自上而下逐渐扩展,随外载荷的增大,矸石颗粒网状结构断裂失效,岩块发生滑动、移位、重组,小粒径矸石颗粒具有弱化断裂失效的作用。

• 煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律

  戚绪尧, 王涛, 陈良舟,

  大规模高强度回采和深部开采常导致顶部裂隙煤岩体失稳、漏风及其次生灾害。钻孔注浆是封堵裂隙和加固煤岩体的主要手段之一。由于煤岩裂隙高位注浆研究相对滞后,井下高位注浆施工设计缺少足够的依据。为探究煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律,以任意倾斜有限边界的光滑平板裂隙和宾汉流体为研究对象,建立裂隙高位注浆扩散数学模型并进行数值模拟求解,分析不同裂隙倾角和注浆速率下浆液在裂隙流动过程中的扩散锋面、流量分配及压力场变化规律;在此基础上,建立浆液高位流动数学模型,并推导恒定注浆速率工况下的解析解。研究结果表明:根据扩散锋面的演变规律,浆液流动过程可分为自由扩散阶段、过渡阶段和受限堆积阶段3个阶段。裂隙倾角对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐减小,注浆流速对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐增大。过大的裂隙倾角加大了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变,而过大的注浆速率减缓了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变。注浆速率和裂隙倾角的增大均会导致注浆压力增加,且在浆液进入受限堆积阶段后注浆压力发生突变。以高位流动扩散形态的等效圆半径临界状态为界,高位流动可划分为扩散阶段与堆积阶段,不同阶段内反演得出的等效圆心角与注浆速率、裂隙倾角和注浆时间具有较好的相关性。根据对比分析结果,浆液高位流动数学模型中相对误差低于20%的样本占97%,相对误差低于10%的样本占78.4%,表明浆液高位流动数学模型具有一定的合理性。浆液在不同时间段内向高位裂隙深部扩散的范围受到裂隙边界影响,只有当底部裂隙空间被填充完毕后浆液才会在裂隙边界的支撑下向深部堆积,因此在现场高位注浆设计时应先探明裂隙区域的边界范围。针对上覆煤岩表层区域范围的裂隙封堵时可采用较低的注浆速率以延长自由扩散阶段时长,实现底部裂隙空间的快速封堵。对煤岩裂隙深部区域进行注浆充填时可先使用较高的注浆速率进行注浆,当压力表发生突变后表明浆液已进入受限堆积阶段,此时可降低注浆速率,使注浆压力控制在安全可控范围内。

• 高径比对砂岩能量积聚与耗散试验及分析方法

  赵光明, 刘之喜, 孟祥瑞, 张若飞, 考四明, 戚敏杰,

  为了探究高径比对岩石能量积聚与耗散的影响,利用RMT-150B岩石力学测试系统对同直径不同长度的砂岩试件进行了单轴压缩试验、单轴循环加卸载试验以及单轴分级加卸载试验。对比砂岩单轴压缩与单轴循环加卸载曲线发现,单轴压缩曲线近似为单轴分级加卸载曲线的外包络线,并且由于“硬化”作用单轴分级加卸载强度略高于单轴压缩。通过砂岩单轴循环加卸载下力学特性分析发现随着循环次数增多,残余变形逐渐减小,直至某次循环无残余变形产生砂岩出现非线性伪弹性体特征,继续承受加卸载作用非线性伪弹性体特性消失,残余变形再次出现,因此可以将残余变形演化规律归纳为:存在较大残余变形—残余变形逐渐减小—无残余变形—再次出现残余变形。基于砂岩弹性能的演化分析发现循环次数对弹性能的影响较小,即疲劳损伤对砂岩的弹性能影响较小,则可以假定单轴分级加卸载各卸载点的荷载与单轴压缩试验的荷载相等时,两者的弹性能也相等。利用单轴分级加卸载试验各卸载点的弹性能与单轴循环加卸载首次加卸载弹性能进行比较,验证了假设的正确性。进一步对不同高径比(L/D)下砂岩的单轴压缩试验进行能量分析,发现砂岩的弹性能演化服从线性储能规律。基于砂岩的单轴分级加卸载试验结合线性储能规律对同尺寸的单轴压缩试验进行能量演化分析,为砂岩单轴压缩的能量分析提供了新思路。研究表明:当荷载相等时砂岩储存弹性能与高径比成正比,与储能极限成反比。将提出的试验法与传统能量分析方法(利用公式计算得到弹性能)进行比较,发现提出的方法精确度高。基于耗散能演化规律进一步对不同高径比下砂岩的损伤进行了分析,发现砂岩损伤曲线呈非线性演化,并且荷载相等时高径比越大砂岩损伤程度越高。破裂时砂岩内部积聚的弹性能转化成破裂面表面能和碎块动能,储能极限与高径比大小成反比,因此当L/D≥2.0时主要呈单方向的剪切破坏,L/D<2.0时岩石主要为相对复杂的双剪切或圆锥形破坏,并且进一步从能量角度对钻孔卸压进行了讨论。

• 场微波作用下岩石体破裂特征及其机制探索

  高明忠, 谢晶, 杨本高, 唐瑞烽, 邓虎超, 刘依婷, 叶思琪, 周雪敏, 王绍兰,

  硬岩高效破裂是深部地下空间、深部资源勘探开发的重要前提,寻求和发展高效破岩技术成为大势所趋。微波具有加热效率高、无二次污染等优点,被认为是一种极具发展潜力的高效辅助破岩技术。微波场内岩石体破裂差异性行为解译是实践微波辅助破岩技术的重要基础。从宏-细-微观不同尺度对微波场内砂岩、花岗岩和辉长岩开展了跨尺度破裂行为机理研究。结果表明:在岩石宏观膨胀破裂层面,砂岩表现为低温崩裂破坏,实测最高温度为194℃,辉长岩和花岗岩则为高温熔融破坏,实测最高温度分别可达367℃和492℃;岩石脱离本身基质约束产生裂纹或宏观破裂面时体积变化明显,高温熔融破坏时岩石体积膨胀率最大,花岗岩和辉长岩破裂时体积膨胀率为2.1%和1.8%。在岩石细观破裂面特征层面,微波场内高温熔融作用所产生的破裂面比低温崩裂面分维高2.0%,其中花岗岩、辉长岩和砂岩的破裂面分维分别为2.109 2,2.070 4和2.066 0。在岩石微观损伤差异性机制层面,岩石破裂特征与主要成岩矿物的组分、含量和含水率密切相关。一方面,由于石英和其他矿物介电特性差异较大,当岩石内部石英含量较高时,热应力迅速增长;另一方面,水在微波作用下迅速汽化,在岩石内部产生高孔隙压力,试样易低温崩裂破坏,微观断口不会出现显著的损伤结构;而当岩石内部主要矿物组分介电特性差异较小及含水率较低时,试样内温度增长缓慢,矿物温度梯度相对较低,后期岩石整体呈现高温熔融破坏;岩石晶体化学分子结构分析结果发现,试样内部Si—O键含量波动幅度较大,石英和硅酸盐矿物XRD衍射峰和对应衍射角发生偏移,晶体主要受到微观压应力作用,表现为花岗岩的石英和斜长石矿物内部和交界处出现大量的显微裂纹和孔洞,辉长岩的损伤结构主要集中于辉石矿物内部,据此可推断适合微波辅助破岩的地质岩性工况,以期提高深部硬岩破岩效率。

• 泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

  李桂臣, 李菁华, 孙元田, 孙长伦, 许嘉徽, 荣浩宇, 杨森, 沃小芳, 卢忠诚,

  泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点,首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴,划分出宏观岩体(mm)、细观矿物(μm)、微观晶胞(nm)3个研究尺度;其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型,讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段,厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性,系统研究了不同尺度下的水岩作用机制,构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系;最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向;指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景,提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系,凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时,开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应特性,为解决泥岩灾变防治和核废料封存工程难题提供理论基础。

• 岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

  余伟健, 潘豹, 李可, 沈文兵,

  基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明:组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段:裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开始快速发育,组合体开始丧失强度。

• 实时低温条件下露天矿饱和损伤煤系砂岩动态力学特性及其破坏机制

  陈彦龙, 崔慧栋, 李明, 浦海, 刘福明, 张连英,

  我国许多大型露天煤矿都地处新疆等西部高寒地区,低温环境下边坡岩体中的自由水发生冻结,对损伤岩体的宏微观结构将产生显著影响,使岩体的力学性能进一步劣化,进而诱发大规模滑坡等地质灾害。因此,开展含有初始损伤的饱和煤系岩石在低温条件下的动态力学特性及破坏机制研究,对寒区露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用实时低温分离式霍普金森压杆(LT-SHPB)试验系统,对含初始损伤的含水饱和露天煤系砂岩开展了低温冲击加载试验,并结合扫描电镜观测,对其动态力学特性及细观断裂机制进行了系统研究。研究结果表明:(1)随着冲击速度(强度)的提高,砂岩动态抗压强度、弹性模量及峰值应变均快速增大,表现出显著的冲击强化效应;同时,在固定冲击速度下,抗压强度与弹性模量随初始损伤呈逐渐减小的趋势,砂岩的损伤弱化特性显著,而峰值应变则表现出损伤强化特征;(2)冲击载荷作用下砂岩破坏程度随着初始损伤及冲击速度的增大逐渐提高,破坏形式呈现出由张拉破坏向粉碎性复合破坏的转化特征;(3)较常温环境,低温环境下含水饱和损伤砂岩发生显著的冻胀作用,细观上表现为砂岩内部缺陷尺度与缺陷数量增多,其为砂岩动态力学特性产生劣化的根本原因;(4)砂岩动态破坏形式主要表现为脆性破坏,而在较高初始损伤下,砂岩内部出现了细观韧性断裂形貌,局部韧性断裂显著,当砂岩损伤值由0增加到50.26%,砂岩脆延性系数均呈现出快速增大的变化特征,表明其动态断裂模式呈现出从脆性破坏向韧性破坏的发展趋势。

• 空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

  马丹, 侯文涛, 张吉雄, 王佳军, 李振华, 杜锋,

  为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理,针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统,突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制,实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统,以孔径(5~20 mm)和水压(0.5~2.5 MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验,得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样黏聚力、内摩擦角等力学参数衰减,增大水压,渗流的蚀损作用变强,岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短,渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高,内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏,渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在3种状态:(1)以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态;(2)以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态;(3)以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构,峰值渗透率随水压增大呈线性增长,与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型,模型计算值与实验结果吻合良好。以屈服应力/应变、峰值应力/应变为临界条件将渗透率演化曲线分为3个阶段:(1)渗透率微增演化阶段;(2)渗透率突增演化阶段;(3)峰后渗透率演化阶段。其中,渗透率突增演化阶段是突水灾害发生的控制环节,需在此之前采取注浆封堵、输水降压等措施预防事故发生。

• 砂型3D打印类煤试样动静组合加载力学特性

  蒋力帅, 吴星宇, 王庆伟, 冯昊, 吴秋红,

  深部煤矿巷道围岩软弱、裂隙发育,动载影响下易引发动力灾害,其中软岩及节理岩体动力学试验研究是解决上述问题的关键。3D打印技术因其能突破浇筑法在制作复杂节理试样上的局限,被广泛应用于岩石力学试验研究,而应用该技术的关键是所制类煤试样的静态和动态力学特性与天然岩石相似。基于砂型3D打印试样,通过开展单轴压缩、巴西劈裂等力学试验,揭示了砂型3D打印试样与煤样弹塑性力学特性的相似性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置开展不同动静组合加载试验,采用宏观破碎块度和细观电镜扫描综合分析等手段,对不同动静组合荷载下砂型3D打印试样的动力响应与破坏特征进行研究。结果表明:砂型3D打印试样的动态强度和组合强度与冲击气压的增大呈正相关关系,动态强度与轴压的增大呈负相关关系,组合强度随轴压的增大呈先增大后减小的变化,这说明岩石抵抗动载的能力随轴压的增大呈先增强后减弱的变化;随着静、动荷载水平的提高,试样的破碎块度逐渐细粒化,其中动载对试样破碎程度的影响最显著。揭示了砂型3D打印试样的动力学特性并验证了其应用于煤岩动力学试验的可行性,为采用砂型3D打印技术开展岩石动力学试验提供了重要基础,研究结果有助于进一步揭示不同地应力与动载条件下围岩动力破坏规律。

• 基于DIC和YOLO算法的复杂裂隙岩石破坏过程动态裂隙早期智能识别

  张庆贺, 陈晨, 袁亮, 张通, 方致远, 李翎, 蒋博文,

  为了定量研究复杂裂隙岩石变形破坏规律和裂隙扩展特征,利用裂隙网络模型3D打印技术制作了含20条随机节理的类岩石试件,利用数字图像相关方法(DIC)研究了试件破坏过程中应变场演化过程,并分析了每一条裂隙的扩展过程,探讨了动态裂隙对试件整体强度的影响。在此基础上,基于YOLOv5深度学习网络模型,结合DIC云图,提出了一种智能精准识别动态裂隙的算法。研究表明:含复杂裂隙试件破坏过程中往往伴随多条裂隙同时扩展和贯通,试件整体强度与动态裂隙扩展具有重要关系,统计动态裂隙的扩展情况可以半定量地判定试件整体稳定性。在每条原生裂隙起裂前,总是首先出现应变集中区域,并且应变集中区域具有前兆性,预示着新裂纹的萌生。原生裂隙的动态演化基本可以分为原生裂隙、应变集中区、新生裂纹和交叉裂隙4种类型,其中,新生裂纹和交叉裂隙对试件整体强度影响最大。提出的智能精准识别动态裂隙算法的精确率、召回率和平均精度均值(PmA)都在80%以上,且PmA最高达到了91%,GIoU损失参数迭代训练后达到0.01,4种类型裂隙相对应的F1分别为83%,89%,87%和85%,4种类型裂隙的总体识别精度可达86%。说明该方法在复杂裂隙岩体裂纹识别、定位分类是快速精确有效的。试件在受载时,智能识别算法重点识别并统计新生裂纹和交叉裂隙数量,当新生裂隙和交叉裂隙数量较多时,试件即将破坏,可提前进行预警。

• 顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践

  林海飞, 季鹏飞, 孔祥国, 李树刚, 窦桂东, 李可,

  顺层钻孔预抽瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量的有效方法之一,合理的布孔参数是提高煤层瓦斯预抽效果的关键。为提高顺层钻孔布孔精准性和科学性,建立了含瓦斯煤体流固耦合抽采模型,基于响应面法设计布孔参数优化方案,运用COMSOL Multiphysics模拟软件分析了地质因素(煤层瓦斯含量、透气性系数)和工程因素(抽采负压、钻孔直径、布孔间距)交互作用对钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律,提出钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比(Pmax/Pb)的布孔参数判定指标,创新了煤层“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法,得到适用于不同煤层瓦斯赋存特征的最优钻孔布置参数,并进行现场试验。结果表明:预抽初期,相邻钻孔间抽采叠加效应不明显;随着预抽时间延长,抽采叠加效应越发显著,垂直钻孔方向的抽采达标区域逐渐由孤立向复合转变。不同预抽时间下,Pmax/Pb对各因素的敏感性依次为:布孔间距>煤层瓦斯含量>透气性系数>钻孔直径>抽采负压。不同预抽时间下,煤层瓦斯含量和透气性系数的交互作用响应等值线分布密集,2者对Pmax/Pb影响非常显著,并且对Pmax/Pb数值影响较大;工程因素中抽采负压与钻孔直径的交互作用响应等值线呈圆形分布,说明二者交互作用不明显;在布孔间距与地质因素交互作用下,响应等值线沿布孔间距方向更为密集,布孔间距对Pmax/Pb影响仍然是显著的,与单因素分析结果相互佐证。试验工作面采用“分时分区”式顺层钻孔精准布孔方法确定的合理布孔参数依次为:抽采负压24.0 kPa、钻孔直径113 mm、布孔间距6.0 m;经优化预抽钻孔参数后,现场瓦斯预抽效果良好且预抽达标检验合格,实现了煤层瓦斯精准预抽。

• 煤层瓦斯抽采多物理场参数动态响应特征及其耦合规律

  彭守建, 贾立, 许江, 陈捷仁, 戴诗杰, 陈月霞,

  为进一步深化煤矿瓦斯抽采过程中多物理场参数动态响应特征及其耦合作用机理的认识,运用自主研发的多场耦合瓦斯抽采物理模拟试验装置,开展了工作面前方不同应力区域瓦斯同步抽采物理模拟试验,分析了抽采过程中煤体温度场、瓦斯压力场和煤体变形场的实时演化特征及多物理场耦合作用机制。研究结果表明:(1)在同步抽采过程中,应力Ⅳ区煤体温度下降速率最快,其次为应力Ⅰ区和应力Ⅱ区,应力Ⅲ区的温度下降速度最慢,不同区域瓦斯压力衰减特征与煤体温度下降规律具有相似性。煤体变形受煤体温度和瓦斯压力的耦合作用影响,使煤体变形呈非线性增加。应力Ⅳ区煤体变形量最大,应力Ⅲ区由于受泊松效应影响,其煤体变形大于应力Ⅰ区和应力Ⅱ区。(2)在同步抽采过程中,各应力区域煤体变形具有阶段性变化特征,分为变形延迟阶段、变形启动阶段和变形二次递增阶段,变形延迟的实质是煤层中大量分布的微孔和小孔,对吸附态瓦斯脱附的束缚作用,加上煤基质对瓦斯的毛细凝结作用,导致瓦斯解吸滞后,从而出现煤体变形延迟现象。(3)各应力区域煤体变形的动态响应受到有效应力压缩效应、基质收缩效应、解吸热收缩效应和泊松效应等共同影响,泊松效应对应力Ⅲ区起主导作用,有效应力压缩效应是突破变形延迟现象的关键因素,解吸热收缩效应和基质收缩效应是煤体变形二次递增的主要原因。

• 岩浆岩环境煤层瓦斯异常赋存特征与动力灾害防控关键技术

  王亮, 郭海军, 程远平, 王凯, 徐超, 蒋静宇, 吴昱辰, 廖晓雪, 唐寒露,

  为研究岩浆岩赋存环境对煤层瓦斯动力灾害的影响,综合理论分析、实验室试验、多手段数值模拟、工程实践等方法,对岩浆岩侵入煤系地层后的热变质作用特征、煤体化学结构和物理规律变化特性等进行了系统研究与对比分析,并探讨了岩浆岩赋存环境下煤岩瓦斯动力灾害发生机制及防控关键技术。结果表明:(1)岩浆冷却-向围岩传热的散热方式为热传导,其热演化和接触变质作用不仅提升了煤体的变质程度并使其呈现自然分区特征,还导致煤体内部脱氧、去氢、富碳的趋势逐渐明显;(2)岩浆岩侵入煤系地层后,构造应力叠加热演化作用易造成影响区内煤体发生构造煤化,导致煤中孔容和比表面积增大,对瓦斯的吸附解吸能力亦增强;(3)岩浆岩赋存环境中煤体发生“二次生烃”,而致密低渗岩床的圈闭作用进一步提高了异常应力环境下伏煤层的瓦斯含量和瓦斯压力,增大了其煤与瓦斯突出危险性;(4)煤炭开采导致厚硬岩浆岩床失稳破断产生的冲击载荷作用于下伏含瓦斯煤层后,应力叠加等同于加大了煤层埋深并使煤体产生塑性破坏,能量叠加使得煤体灾变潜能提高,是导致煤层瓦斯动力灾害发生的主要因素。在上述研究基础上,结合岩浆岩赋存环境中煤层及其瓦斯赋存特征,建立了煤岩动力灾害预测敏感指标体系,并提出了煤层瓦斯动力灾害防控关键技术。

• 受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

  周斌, 许江, 彭守建, 赵鹏翔, 秦雷, 白杨, 程亮,

  受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明:突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力差总体表现为先减小后增大的过程。突出煤体在压缩和张拉状态的动态演变过程中,表现出间歇性的趋于破坏和稳定状态,卸压区和集中区突出煤体在经历一个趋于破坏的力学状态后,将会随即进入另一个趋于稳定的状态。

• 不同排采程度煤储层注CO2驱煤层气模拟评价

  张松航, 唐书恒, 张守仁, 王敬宇,

  在“双碳”战略背景下,开展煤中封存CO2和提高煤层气采收率(CO2-ECBM)研究有重要现实意义,我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明,煤储层的排采程度对CO2注入的难易程度有重要影响,然而还缺少定量数据的支撑以及对CO2注入及驱煤层气的效果的评价。借助数值模拟手段,以沁水盆地柿庄北区块SX018-5H井煤层气地质和工程条件为基础,构建了含1口水平井和2口直井的3号煤层CO2-ECBM工区,设计了水平井排采0,1,2,3和4 a后,在1 a内连续注入万吨CO2,以及排采4 a后持续注入CO2共计6个注入驱替方案,对比了10 a模拟时间内注入CO2各方案及不注入CO2方案的气井产出和储层动态变化情况。研究结果表明,在沁水盆地南部柿庄北区块3号煤层地质条件下,水平井具有较高的CO2注气效率,3号煤层具有较大的封存潜力,注入万吨CO2主要封存在水平井筒(长700 m)附近60 m范围内;煤储层的排采程度,也就是注入CO2前储层的含气/含水饱和度,对CO2注入有重要影响,储层中甲烷排采越充分,越有利于CO2注入;CO2注入对邻近煤层气井的生产存在增加储层压力的“负”效应和驱替甲烷的“正”效应。要在CO2-ECBM项目中达到较好的驱替效果,一方面应增加煤储层的排采程度,另一方面应适当降低CO2注入井和煤层气生产井距。

• 水岩耦合演化自然电场近源效应与临灾前兆

  刘静, 刘盛东, 王勃, 路拓, 刘志新,

  水岩耦合演化是重大水害防控面临的核心科学问题之一。在全空间地电场探测中,自然电场可指示水体流向且对渗流演化行为的时域响应更超前,将其与激励电场、感应电场对物性的空间表征能力相结合,可提升探测的时空精度、获取水岩耦合演化监测及临灾预警的新突破。在裂隙岩体渗流、破碎岩体渗流等非饱和渗流及突变过程中,鉴于自然电场受流动电位控制且与水岩耦合演化、尤其是过水区的演化密切相关,故把在自然电场全空间监测工作中出现的、水流充分接近测点(含覆盖)时诱发的自然电场异常响应定义为一种近源效应,其主要特征为:(1)不存在过水事件时,自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流与测点的远离而下降;(2)存在过水事件时,自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流覆盖测点而出现相位突变(相对其他测点而言)和负向跳变、而后恢复攀升趋势但最终随着水流与测点的远离而再次下降;(3)因裂隙发育的非均质性,同一条测线上往往只有部分测点发生过水事件,这可根据自然电位的相位突变、负向跳变及视电阻率(或电阻率)图中的低阻演化等综合响应特征予以识别。利用自然电场法与直流电阻率法的并行探测关键技术,可实现地下水渗流状态及观测系统过水事件的有效判识;由此再对自然电位与直流电阻率数据进行耦合分析,由此实现对导水通道及富水区演化特征的精细解释和对水岩耦合演化趋势的超前预测,为矿井、隧道、地铁及其他地下空间工程中的重大水害防控提供有效方法。

• 基于CT扫描技术预测露天煤矿区不同压实土壤水分特征曲线

  王金满, 张丽娜, 冯宇, 荆肇睿,

  随着机械化程度的快速增加,露天煤矿区反复机械作业和废料堆积压实会引起土地资源破坏,造成土壤退化和生态失衡。厘清压实对土壤水力特性的影响,对土地复垦和水肥管理具有重要实际意义。本研究采集山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场的表层土壤,在实验室分别制备了2组实验土壤样品,密度范围为1.3~1.8 g/cm3,密度间隔为0.1 g/cm3。其中一组样品用于实验室离心法测定水分特征曲线,另一组基于CT扫描技术结合土壤大孔隙的三维重构技术,预测设定压实范围内的水分特征曲线。通过统计方法对比预测值和实测值的差异验证物理经验模型的预测性能,分析压实作用对土壤水分特征曲线的影响机理。结果显示,CT扫描技术快速便捷获取了土壤大孔隙的分布特征,且随着压实程度增加,土壤大孔隙数量和大孔隙度显著减少,有效降低土壤孔隙间的连接度。对于土壤水分特征曲线的预测值发现,在可预测的密度范围内,土壤含水量随着压实程度增加而迅速降低,这主要是由于压实作用改变了土壤大孔隙的分布特征,土壤内部紧缩,储水效果降低造成的,且预测值和实测值随密度的变化规律相同,模型的预测精度较高。

• 东部平原矿区复垦对土壤微生物固碳潜力的影响

  马静, 董文雪, 朱燕峰, 于昊辰, 肖栋, 陈浮,

  东部平原矿区复垦土壤受高潜水影响易返碱、肥力低,固碳菌群可有效提升土壤养分。但复垦如何调控微生物固碳能力及影响机制尚不清晰。为此,选取山东邹城东滩矿8,14,17 a复垦年限和对照样为研究对象,利用功能基因芯片和高通量测序技术探究6个固碳相关菌门和12种固碳基因的变化。结果表明:(1)复垦土壤pH值、溶解性有机碳、土壤β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性等均显著高于对照土壤(P<0.01)。复垦17 a后土壤有机碳、微生物量碳、多酚氧化酶活性显著高于对照样,复垦时间效应极显著(P<0.001);(2) 12种固碳基因信号强度随复垦时长不断增大,复垦17 a后已高于或持平对照样,主要分布于酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria);(3)固碳菌群丰度与pH、溶解性有机碳、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶活性之间呈显著相关(P<0.05),多数固碳基因信号强度与pH、微生物量碳、溶解性有机碳及过氧化氢酶活性等环境因子之间也存在一定的相关性。长时间复垦活动影响富集和稀有固碳菌群组成及其功能基因丰度,可通过调控土壤pH、微生物量碳或多酚氧化酶酶活等相关环境因子,提升复垦土壤固碳增汇能力。

• 基于湍流涡调控的煤气化渣炭-灰浮选分离过程强化

  闫小康, 苏子旭, 王利军, 张海军, 曹亦俊, 刘炯天,

  煤气化渣因炭、灰包裹夹杂严重、嵌布粒度细,导致浮选分离困难,制约了其资源化利用。浮选大多发生在湍流环境中,调控湍流是强化微细颗粒矿物浮选回收的有效途径,湍流小尺度涡直接作用于微细颗粒运动,研究借助涡流发生器实施湍流涡调控以进行煤气化渣中的炭-灰浮选分离过程强化。利用计算流体力学数值模拟对涡流矿化管内部流场进行数值计算,分析涡流发生器结构对湍流特征参量及煤气化渣浮选指标的影响,在此基础上设计了与矿物可浮性相适配的梯级涡流浮选过程。结果表明:管内矩形涡流发生器可诱导出发卡涡、流向涡及旋转方向相反的二次流向涡对,涡-涡、涡-主流之间的交互作用显著提高了湍流动能、降低了涡尺度,有利于微细颗粒与气泡间的碰撞。涡流发生器的倾斜角度从25°增至55°时,湍流动能均值由0.041 m2/s2增到0.142 m2/s2,最小涡尺度均值由16.10μm减至10.34μm。采用内置结构相同涡流发生器的均衡涡流浮选装置对煤气化渣进行炭-灰浮选分离试验,不同粒级浮选回收率表明,粒度越细,需要的湍流动能越大、涡尺度越小,诱发的湍流特性不当时颗粒可能从气泡表面脱附。在研究范围内,与-45,45~75μm煤气化渣颗粒相适配的最小涡尺度均值分别为12.74μm和14.71μm,相应湍流动能均值分别不宜超过0.080 m2/s2及0.056 m2/s2;将不同倾斜角度的涡流发生器在矿化管内沿着流动方向有序排列,形成与矿物可浮性相适配的梯级涡流浮选过程,实现不同可浮性颗粒的逐步回收,浮选试验表明利用梯级涡流浮选装置进行煤气化渣炭-灰浮选分离时,可燃体回收率为89.99%,尾矿烧失量低至4.66%,优于相同条件下均衡涡流浮选装置和机械搅拌式浮选机的浮选指标。通过对流体环境的物理调控,可为煤气化渣的炭-灰浮选分离提供新的过程强化方式。

• 富油煤热解流体滞留特征及其机制

  师庆民, 米奕臣, 王双明, 孙强, 王生全, 寇丙洋,

  富油煤作为煤基油气资源在我国西部地区拥有丰富的资源量,对其规模化提取油气不仅有利于提高国内能源供给能力,同时有利于改善煤炭的高碳属性。富油煤原位热解技术在提取煤中油气资源的过程中,具有绿色、低碳、地质结构损害小的优势,但其油气产出可能面临流体迁移约束与滞留问题。利用低场核磁共振实验和热重分析实验充分证实了富油煤热解残样中存在油气滞留特征,基于傅里叶红外光谱数据探讨了煤基质结构演化对热解流体迁移的束缚和滞留机制。研究结果表明,低场核磁共振T1-T2谱显示富油煤500℃热解后存在较强烈的油性小分子信号,利用热重分析技术对500℃热解后的半焦再次进行热解实验,发现其初始热解温度仅为461.5℃,低于前期500℃预处理温度。对比该热解样品与未热解的富油煤原始样品,在371~462℃热解温度段活化能前者却远低于后者。上述现象充分说明500℃富油煤热解阶段存在油的束缚情况。随着热解温度的升高,煤中含氧官能团和脂肪结构不断减少,导致煤-油相互作用增强、煤-水相互作用减弱,这一方面使煤基质对热解焦油的迁移约束性增强,另一方面使煤中可动水含量逐渐增多。此外,煤的芳香结构不断增多,使得煤基质塑性减弱、表面张力增强,也不利于热解产物形成的气泡突破基质壳体,从而产生滞留。然而,700℃热解样品几乎没有束缚油特征,这主要是由于该温度段热解产物发生了强烈的二次热解反应,滞留物质多以气态小分子形式存在。上述研究有助于深化富油煤原位热解流体迁移与产出认识。

• 正丁胺改性HZSM-5对褐煤热解挥发分催化重整的影响

  赵小燕, 赵静平, 曹景沛, 姚乃瑜, 魏富, 冯晓博, 陈晨旭,

  低阶煤的清洁高效利用对缓解我国石油资源紧缺,保障能源安全具有重要意义。热解是低阶煤清洁高效利用的有效方式,能够得到半焦、气体和焦油等产物,为从非石油资源中生产液体燃料和精细化学品提供了一个可替代方式。但煤焦油中含有大量重质组分,严重影响了焦油的后续利用。而催化热解能够有效调控产物分布,并提高热解焦油品质。选取胜利褐煤为原料,采用廉价的正丁胺对HZSM-5(HZ5)分子筛进行改性,并且不经过复杂的NH <mathml id="61"> <mrow><msubsup><mrow /><mn>4</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow></math>" role="presentation"> <nobr aria-hidden="true"> +4 </nobr> <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msubsup> <mrow></mrow> <mn> 4 </mn> <mo> + </mo> </msubsup> </mrow> </math> <script type="math/mml" id="MathJax-Element-1"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><msubsup><mrow></mrow><mn>4</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow></math></script> </mathml>交换步骤,直接应用于褐煤热解挥发分催化重整制备轻质芳烃的研究中。使用SEM,XRD,FT-IR,BET和NH3-TPD等手段对催化剂进行表征,以得到催化剂的结构特性。结果表明:不同浓度的正丁胺处理后,催化剂的比表面积、介孔体积以及平均孔径均有不同程度的增加,有利于反应物和产物的扩散,催化剂催化性能提高;低浓度正丁胺降低催化剂总酸量,高浓度则相反,酸量不适宜易导致积碳生成。HZ5经过改性后表现出更好的催化性能,生成轻质芳烃的产率排序为10-HZ5>30-HZ5>5-HZ5>20-HZ5>HZ5。其中10-HZ5(10 mL正丁胺处理HZ5)获得了最高的轻质芳烃产率为25.0 mg/g,其催化性能的提高主要原因在于其有最大的比表面积和介孔比表面积以及适宜的酸量。无NH <mathml id="62"> <mrow><msubsup><mrow /><mn>4</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow></math>" role="presentation"> <nobr aria-hidden="true"> +4 </nobr> <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msubsup> <mrow></mrow> <mn> 4 </mn> <mo> + </mo> </msubsup> </mrow> </math> <script type="math/mml" id="MathJax-Element-2"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><msubsup><mrow></mrow><mn>4</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow></math></script> </mathml>交换碱处理制备多级孔HZ5的孔道结构和酸量分布等特征,对开发应用于褐煤挥发分催化重整制轻质芳烃的高效且廉价的催化剂具有借鉴作用。

• 基于改进A*和人工势场算法的无轨胶轮车井下无人驾驶路径规划

  鲍久圣, 张牧野, 葛世荣, 刘琴, 袁晓明, 王茂森, 阴妍, 赵亮,

  经过多年发展无人驾驶技术逐渐成熟,已经开始在地面车辆得到了广泛应用,同时也将成为解决无轨胶轮车在井下实现高效、安全、智能运输的重要途径,但与地面车辆成熟的无人驾驶技术不同,无人驾驶技术应用到井下仍存在许多问题亟待解决。针对井下人工驾驶的无轨胶轮车效率低且事故频发等问题,以无人驾驶无轨胶轮车为研究对象,通过仿真和试验开展井下路径规划方法研究。首先,通过分析比较常见路径规划算法的优缺点,分别选择采用最优性A*算法和人工势场算法作为无人驾驶无轨胶轮车全局和局部路径规划的基本算法;其次,针对全局路径规划传统A*算法搜索节点多和路径不平滑问题,分别使用指数函数加权和三次样条插值的方法对其进行改进,将改进前后算法在井下巷道内进行全局路径规划仿真,结果发现:改进后的算法搜索节点数减少了50%,在同一场景下规划路径所需时间仅为传统A*算法的20%,路径规划的效率得到了大幅度提升,生成的路径更加平滑且连续性也较好;同时,针对人工势场算法存在目标不可达、局部最优解等问题,分别引入斥力势场修正因子和出逃力并建立相对速度势场对其进行改进,对比改进前后算法在井下巷道内的局部路径规划仿真结果发现:改进后的人工势场算法可以在各种场景规划出更为合理的行车路径,安全性得到了保障;最后,利用微型无人车试验平台,按照8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境,对无人驾驶无轨胶轮车改进前后的路径规划算法分别进行了无障碍物和有障碍物的路径跟踪试验,结果表明:基于改进A*-人工势场联合算法规划出来的路径更加合理,在8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境中进行的无障碍物规划路径最大跟踪误差仅为0.031 2 m,在巷道内会车和避障时能够规划合理的行驶路径,最大偏差仅为0.035 3 m,能够满足无轨胶轮车井下无人驾驶要求。

• 融合残差信息轻量级网络的运煤皮带异物分类

  程德强, 徐进洋, 寇旗旗, 张皓翔, 韩成功, 于彬, 钱建生,

  矿井中开采出来的煤炭要经过运煤皮带的长距离运输才能到达地面。大量有关矿井中煤炭安全高效运输的研究显示,皮带在煤炭输送过程中存在大块矸石、锚杆等异物划伤、撕裂皮带和堵塞落煤口等安全隐患,预警、分选及联动控制不及时会严重影响煤炭的运输效率。为克服当前对皮带异物分类识别时存在的网络参数量大、实时性差、识别精度低等问题,提出了一种融合残差信息的轻量级网络。该网络采用残差块作为基本特征提取单元,在残差块中去除卷积块之间的激活函数。采用交叉学习机制和特征拼接的方法来融合不同尺度的特征信息,增强了特征的表现力。精简信息融合网络的结构并增加信息融合网络的数量,提高了模型的扩展性。在模型进行前向传播时,对损失函数进行阈值处理,改善了测试集损失函数升高的问题,提高了模型的泛化性。提出的轻量级分类网络模型在Cifar10数据集、Cifar100数据集和矿用数据集的分类准确率分别为94.1%,73.9%和85.1%。在矿用数据集上与ShufflenetV2,MobileNetV2,ResNet50,ResNeXt50,W-ResNet50,ResNet110等算法相比,本文提出的模型的识别准确率分别提升了4.2%,4.3%,0.7%,0.5%,0.3%和0.8%;此外,与分类准确率同本文网络相近的ResNet50,ResNeXt50,W-ResNet50和ResNet110算法相比,FPS分别提高了28,26,34和46。结果表明本文算法在提高对运煤皮带的异物进行分类识别精度的同时,其计算速度也得了提升,显著提高了煤炭的运输效率,促进了计算机视觉与煤矿安全生产的深度融合。

• 不同混合度下液体介入难辨别煤矸红外图像识别准确率

  张锦旺, 何庚, 王家臣,

  高准确率的煤矸自动识别对综放开采智能放煤至关重要。针对灰度差异较小的难辨别煤矸种类,提出了“液体介入+红外检测”的煤矸识别新思路,进行了不同混合度下液体介入煤矸识别试验,获得了不同时刻煤矸混合试样的红外图像,借助ImageJ图像处理软件定量计算了煤矸图像的混合度,深入分析了煤矸混合度、介入时间、图像处理方法对液体介入煤矸识别准确率的影响,并从红外温变速率场的角度探讨了提高液体介入煤矸识别准确率的技术路径。研究结果表明:“液体介入+红外检测”方法可有效提高难辨别煤矸识别准确率。不同的煤矸混合度条件下,液体介入后红外图像中煤样所在区域均出现显著温降现象,可作为煤矸混合度自动识别的基础。当混矸率较低时,煤样温度在煤矸红外图像变化中起控制作用;当混矸率小于20%时,煤矸识别准确率随混矸率增大而增大,液体介入后10 s内的平均准确率约85.78%;混矸率在20%~60%内识别准确率较高且较为稳定,平均准确率约为94.38%,且液体介入时间对其影响很小,高准确率区域呈现“倾斜条带状”分布特征。当混矸率大于60%后,不同处理方法的识别准确率均值随混矸率增大呈下降趋势且离散性急剧增加;煤矸图像平均红外温差减小是煤矸混合放出后期识别准确率降低的根本原因,通过选取合理的液体种类、温度、介入量等参数来增大红外温度场的变化程度,可有效提高煤矸识别准确率。

• 基于改进Faster R-CNN的综放煤矸混合放出状态识别方法

  单鹏飞, 孙浩强, 来兴平, 朱兴攀, 杨建辉, 高健铭,

  放煤量的智能监测技术是智能化综放开采发展的方向之一。针对厚煤层综放开采混合介质下落过程煤矸智能识别现有方法存在适用范围窄、误判率高等问题,提出一种基于实时区域卷积神经网络(Faster R-CNN)改进的CBAM Faster R-CNN煤矸混合放出状态分析识别方法。该方法以综放开采工作面煤矸石下落状态为背景,将注意力机制算法(CBAM)融入ResNet50特征提取网络,研究了注意力机制融合于ResNet50主干特征提取网络的融合优化方法,确定了以煤矸石下落状态检测为目标的最佳融合位置,增加了提取煤与矸石权重信息的能力,使得特征提取过程重点关注煤矸运动状态参量;构建了粉尘环境下综放开采煤矸混合放出状态试验平台,对高速摄像机所采集的煤矸原始运动图像进行暗通道去雾与模糊集增强预处理操作,分析识别不同工况下静态图像,定量研究了模型权重优化以及粉尘环境预处理对煤矸混合放出状态识别的影响。研究结果表明:基于CBAM Faster R-CNN模型的预处理图像识别精确率较原始图像提升了8.84%,召回率提升了6.68%;模型优化效果方面,CBAM Faster R-CNN模型平均查准率和召回率分别为82.63%,86.53%,高于经典模型的74.69%,79.93%;F1-score值较经典模型提升了7%。因此,基于“预处理+CBAM Faster R-CNN”的图像识别方法为实现粉尘环境下综放开采放煤量的精准辨识提供了可靠的理论支撑。

• 旋切作用下岩石破碎机理及岩石可钻性的试验研究

  冯上鑫, 王善勇,

  为揭示钻头旋切作用下岩石破碎机理,开展地层岩石可钻性分布识别研究。基于自制的岩石旋转切割装置,分别对花岗岩、大理岩和石灰岩的标准岩样进行不同加载压力和旋转速度下的室内岩石旋切破碎试验,通过旋转切割装置中的钻进监测系统和高速摄像机分别记录岩石旋切破碎过程中钻进参数变化(加载压力、旋转速度和旋切扭矩)和岩石旋切破碎表象特征,并统计不同钻进条件下的破碎岩屑质量和尺寸分布等参数分析岩石旋切破碎控制因素。试验结果表明:岩石旋切破碎过程中,钻头在贯入和切割共同作用下呈螺旋线型侵入岩石内部并导致岩石分别发生贯入破碎、剪切破碎和拉伸破碎,其中部分大尺寸岩屑因吸收的切割破碎能较大而发生崩裂,但大部分破碎岩屑堆积在钻头切割路径内,增加了切割摩擦能;加载压力是岩石旋切破碎程度的主要影响因素,在相同加载压力下,破碎岩屑质量和尺寸分布分别受岩石抗压强度和抗拉强度影响;旋切扭矩与加载压力呈正线性关系,且岩石耐磨性和切割比能越高,该线性斜率也越高,而钻头旋转速度不影响该线性斜率变化。据此提出了不受钻进条件影响且仅与岩体固有属性(岩石固有切割比能和岩石摩擦因数)相关的岩石可钻性理论评价模型,并通过已有文献原位钻进数据验证了该岩石可钻性评价模型在实际工程中的有效性。