煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第8期

• 【视频报告】彭苏萍：煤矿安全高效开采地质保障关键技术及装备

  彭苏萍,

  点击下方图片，观看彭苏萍院士报告视频。

• 煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法

  周福宝, 康建宏, 王有湃, 张冉,

  煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性和评价矿井瓦斯储量的基础参数。 针对现有测 定方法需要井上和井下分阶段测量、测定周期长的不足，提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化测 定新方法，介绍了煤样井下直接破碎系统、瓦斯解吸量自动化计量系统和数据自动采集处理系统等 关键单元构成及主要技术指标。 其次，针对现有测定方法中损失瓦斯量估算误差大的难题，考虑煤 孔隙结构的非均匀性建立了瓦斯分数阶扩散模型，以此准确推算煤样暴露过程的损失瓦斯量;搭建 了模拟井下煤层瓦斯含量测定流程的误差分析系统，通过设定不同吸附平衡压力来改变瓦斯含量， 设定不同暴露时间来改变损失瓦斯量，并通过与传统模型对比来验证分数阶模型的准确性。 实验表明，分数阶模型推算损失瓦斯量的误差在10%以内，测定瓦斯含量的误差在5%以内，而传统 t 模型和幂函数模型测定瓦斯含量的误差达到 20%以上。 最后，基于煤层瓦斯含量井下一站式自动 化测定方法，研发了 CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪，在淮南矿区朱集东矿和潘三矿进行了现场应 用，并使用煤矿原有瓦斯含量测定设备对同一地点、同一深度的煤样进行了测定比较。 现场试验表 明，CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪比原有设备的测定值平均提高了 13.5%，测量时间缩短至 1.5 h 以内，实现了煤层瓦斯含量的快速精准测定。

• 西部煤矿区生物土壤结皮的生态修复作用及其碳中和贡献

  毕银丽, 郭芸, 刘峰, 李璞宁, 彭苏萍,

  我国西部是典型的生态脆弱敏感区和水土流失严重区，煤炭的资源开发与干旱脆弱的自然 环境叠加作用使西部煤矿区地表损伤及生态碳汇能力下降的问题日趋严重，探索一种与生境契合 度高、贴合地形变化快速复绿的生态修复+碳汇技术成为当务之急。 生物土壤结皮是由土壤微生 物、隐花植物如蓝藻、真核藻类、地衣、苔藓等与土壤表层颗粒胶结而成的复杂有机体，广泛分布于 我国西部地区。 生物土壤结皮作为干旱半干旱地表生物覆被层的最初主要构建者，是陆地生态系 统中重要的碳汇，能够改变土壤表面的微地形，增加降水入渗，延缓或减少径流的发生，影响菌类和 土壤动物的生存和繁衍，并在土壤生态水文过程、土壤生物过程和地球化学循环过程中发挥重要作 用。 为此，结合西部煤矿区生态环境所面临的主要问题，从生物土壤结皮影响土壤养分累积、氮固 定、风蚀水蚀过程、植物萌发与生长等方面对其生态功能进行概述。 阐述生物藻结皮对沙地沙尘控 制、采煤沉陷地裂缝修复、乔灌草立体生物修复等新技术模式。 通过试验研究发现，与藻结皮层相 比，苔藓结皮层有机碳含量显著高于 90.3%，丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土 3 ∶ 1~5 ∶ 1(质量比) 配比时有机碳含量增加 107%。 提出了丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土 3 ∶ 1 ~ 5 ∶ 1 联合最佳配比 固碳、生物土壤结皮与草灌乔立体组合生物固碳、生物土壤结皮长期修复土壤累积固碳等碳中和的 贡献潜力，旨在为碳中和背景下西部煤矿区土地复垦与生态修复提供新的参考和技术支撑。

• 保护层开采下伏煤岩卸压效应及其光纤监测

  柴敬, 刘永亮, 王梓旭, 雷武林, 张丁丁, 欧阳一博, 孙凯, 翁明月, 张有志, 丁国利, 郑忠友, 张寅, 韩刚,

  保护层开采卸压效果评价及范围划定是保护层开采防冲技术应用的重要指标。 以呼吉尔 特矿区葫芦素煤矿上保护层开采为研究背景，通过理论分析、光纤传感现场实测相结合的方法，分 析了上保护层开采后底板破坏深度，获得了上保护层开采后下伏煤岩体应力分布规律，被保护层应 力释放率及其变化特性，得出了被保护层卸压角和底板破坏深度等参数。 设计了 3 个钻孔将光纤 植入工作面底板，实现了底板煤岩体的走向 90.36 m、倾向 128.47 m、垂向 36.45 m 空间范围内的卸 压效果的实时监测。 获得了工作面推进从-300 ~ +255 m 的保护层卸压监测数据。 结果表明，上保 护层开采底板煤岩体应力沿推进方向可划分为“原岩应力—应力集中—应力释放—应力恢复”4 个 阶段，应力集中阶段位于工作面前方 60 m 范围内，应力释放阶段位于工作面后方 8 ~ 10 m 以后区 域，应力恢复阶段在工作面后方 58 ~ 67 m 以后区域。 保护层开采后底板应力释放率具有明显的空 间效应，垂直方向上应力释放率峰值波动范围为 4.2% ~ 71.6%，应力释放率峰值随底板深度增加呈 负对数减小。 水平方向上应力释放率峰值位置与底板深度之间呈对数关系增大，底板深度越大应 力释放率峰值滞后工作面距离越远。 将应力释放率为10%作为卸压临界值，确定了2-2中煤倾向卸 压角为 53.7°，走向卸压角为 63.5°，光纤光栅和分布式光纤监测系统测得的临界卸压深度分别为 29.8和30.0m，与理论计算结果偏差为1.1%~1.3%。 分布式光纤测得的最大应力释放率为24.5%， 光纤光栅测得的最大应力释放率为63.3%~81.0%。 最后，分析了分布式光纤传感技术和光纤光栅 测试在保护层开采卸压效果监测中的测试结果差异，对比了光纤测试和经验公式计算的底板破坏 深度。 光纤传感技术为保护层开采卸压范围监测方法提供了一种新的手段，实现了数据采集、空间 维度上对被保护层卸压效应的分布式、连续监测。

• 煤系上覆地层移动变形钻孔多参数监测技术

  张平松, 孙斌杨, 许时昂, 吴荣新, 付茂如, 甘圣丰, 刘畅,

  精准获取煤层采动上覆地层结构全程演化特征与破坏规律是煤炭资源绿色、安全、高效开 采的重要研究内容。 光纤传感测试作为一种无源、高信噪比、高精度且长距离的变形监测技术，目 前在矿井工程领域得到应用。 结合煤系上覆地层移动变形研究现状及其技术发展思考，提出了钻 孔全断面多场多参数监测技术体系。 通过对光纤传感测试技术体系及常见的几类光纤技术(FBG，OTDR，BOTDR，BOTDA 和 BOFDA)在矿井应变监测中的应用分析，讨论了光纤监测技术在应用中 存在的 4 类关键技术问题;在对感知系统、调制解调系统、信号传输系统、数据处理与分析系统、远 程监控与预警处理系统 5 个系统组成研究的基础上，逐步构建了钻孔全断面多场多参量监测技术 体系，包括传感单元安装工艺、钻孔回填材料选取、多场参数联合反演及灾害预警等关键技术内容， 通过利用井下及地面钻孔布设岩土层变形等参数感知系统，进行多场多参数实时获取，可以实现对 岩土层变形破坏的动态预测评价。 结合陕西招贤井田一采区某工作面的地表垂直钻孔监测实例， 讨论了硬质顶板岩层钻孔全断面多场多参数监测的过程，揭示了岩层变形多场响应特征及其破坏 结构参数。 基于应变场和地电场(电阻率、电流)分布特征，并结合煤系地层地质资料，对煤层采动 期间超前支承压力、滞后垮落距离、“ 两带” 发育规律及离层演化特征等进行了综合分析。

• DFOS 在矿山工程安全开采监测中的研究进展

  程刚, 王振雪, 施斌, 朱鸿鹄, 李刚强, 张平松, 魏广庆,

  近几十年来，国内外矿山科研人员围绕“ 如何精准高效保障矿山安全开采” 进行了大量的 探索研究，通过经验观察、理论计算、数值模拟和室内外试验，在安全开采监测新方法、新技术和新 应用等方面取得了一批重要成果，推动了我国矿山工程安全开采监测技术的不断进步和监测理论 的不断完善。 分布式光纤感测技术因具有全分布、高精度、实时性、大范围和抗干扰等优势，已成为 当前矿山工程监测及应用领域的研究焦点。 以我国当前煤炭开采面临的客观问题为背景，重点对 采动覆岩变形破坏这一矿山工程安全开采核心问题的研究方法进行了系统性评述，从技术原理、传 感器选型与系统布设等方面详细介绍了几种典型的分布式光纤感测技术( FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA，DAS) 的特点及其在矿山工程中的适用场景，并结合矿山工程安全开采监 测要求进行了光纤传感器选型、仪器设备选型和监测系统设计的对比分析，总结了 DFOS 技术在当 前矿山工程采动覆岩变形破坏、采动断层活化、煤柱稳定性、支承压力、破碎带注浆效果评价、井筒 变形、采空区地面沉降、含水层压力、帷幕墙变形、露天矿边坡与光纤微震以及矿山温度监测与隐形 火灾探测等重点方向中的应用进展，概述性地对矿山各应用方向中的理论与技术难点进行了梳理， 探究了矿山工程安全开采监测技术的发展趋势，对 DFOS 技术在矿山工程安全开采监测中面临的 覆岩变形破坏与光缆数据互馈作用、感测光纤与岩土体耦合性能、海量光纤感测数据的人工智能算 法、覆岩变形破坏的光纤监测表征方法、矿山大变形监测的光纤适用性、多源多场监测系统的构建 方法、技术应用的规范化与标准化等关键问题和挑战进行了论述，并结合监测数据响应特征、光缆 岩土体耦合性能、光纤数据的人工智能算法与表征方法、智慧化全程监控多源多场监测等应用提出 了相应的对策。

• 正交试验设计的 FBG 测力锚杆结构封装优化及应用

  梁敏富, 方新秋, 陈宁宁, 吴刚, 薛小妹, 宋扬, 张璠,

  煤矿智能化开采是我国煤炭开采技术发展的新阶段，智能感知又是煤矿智能化开采的核心 技术之一。 针对深部巷道变形速度快、变形量大、底臌严重、难以形成统一的指导性锚杆支护方案 等问题，提出一种能感知锚杆杆体轴力的 FBG 传感器及围岩状态感知监测系统。 基于光纤光栅传 感基本原理，研究了 FBG 测力锚杆的关键技术，包括测力锚杆的结构设计、测力锚杆的工作原理和 应变传递机理;对比分析了基体表面粘贴封装和基体刻槽封装的 FBG 传感器应变传递规律，揭示 了 FBG 传感器的应变传递变化规律及影响因素。 运用正交试验法探究了黏结剂的剪切模量、凹槽 的形状以及光纤光栅的粘贴长度对应变传递效率的影响特征，提出 9 种试验方案，并设计 3 组锚杆 拉伸试验以获得测试结果。 通过极差分析得到:按照对应变传递效率影响大小排序，黏结剂种类对 应变传递效率造成的影响最大，其次为凹槽形状和光纤光栅粘贴长度;确定了最优封装方案，即使 用 AB 环氧树脂胶，凹槽形状为半圆形且粘贴长度为 100 mm 时应变传递效率最大。 通过方差分析 得到:黏结剂种类对应变传递效率的作用显著，其次为凹槽形状，光纤光栅粘贴长度对应变传递效 率的作用不显著。 在寺家庄矿 15106 回风巷建立了围岩状态感知监测系统并进行测试，应用效果 显著。

• 基于空气耦合雷达的矿井煤岩界面随采动态探测原理及关键技术

  许献磊, 彭苏萍, 马正, 朱鹏桥, 王一丹,

  :矿井煤岩识别技术是制约煤炭智能开采的关键难题之一。 受煤矿地质条件及复杂工况影 响，目前诸多煤岩识别方法因其技术局限性而无法满足工业化实时、智能、高效的应用需求。 在总 结矿井煤岩识别技术演变历程基础上，提出煤岩识别技术已经进入到随采、自主、动态探测的新阶 段，并提出了适用于智能综采工作面煤岩界面的非接触智能探测理论与技术框架，包括电磁波能量 聚焦、位姿感知、支架姿态自适应调控、煤岩界面坐标转换 4 项技术内涵和聚焦发射空气耦合雷达 天线、智能调节支架、煤岩界面识别与追踪技术方法、界面位置信息提取技术、系统位姿参数矩阵 5 项关键技术。 系统阐释了基于空气耦合雷达天线煤岩界面随采动态探测系统的基本原理，首先，开 发空气耦合屏蔽雷达天线，实现电磁波能量聚焦发射及煤岩界面的非接触式探测，天线悬空高度为 30 cm;其次，研发智能天线支架，结合支架姿态自适应调控技术，以雷达数据探测的悬空距离(天 线距煤表面距离)为判别依据，实现雷达天线位姿随工作面起伏变化的自适应调节;再次，研究多 干扰源下的煤岩界面识别与追踪方法，准确识别出空气-煤界面、煤-岩界面的一次有效波反射点 位，获取动态高精度的煤岩界面信息;最后，创建系统位姿参数矩阵，结合煤机惯性导航单元、智能 支架动态位姿参数，建立大地坐标系、采煤机坐标系和天线坐标系 3 者空间关系模型，并创建煤岩界 面等高曲线，并将该信息通过网络协议传输给煤机控制系统，从而实现采煤机截割滚筒自适应调高控 制。 实验结果表明:应用该煤岩识别系统识别煤岩界面位置平均误差为±1.2 cm，平均误差百分比为 8.6%。 实现了矿井煤岩界面随采动态探测，为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

• 煤矿井下全空间地震波时频域极化分析及其试验研究

  王勃, 曾林峰, 张衍, 刘盛东, 章俊, 陈泓云,

  煤矿井下全空间条件下地震波传播规律是矿井地震勘探的关键基础科学问题，矿井地震近场勘探多类型波场混叠，常规方法难以实现地震波方向的准确计算。提出了一种矿井全空间三分量地震波时频域极化分析方法，采用基本小波函数形态不固定的广义S变换将时间域信号转换成时频域信号，利用Hilbert变换构建解析信号并在每个时频点建立复协方差矩阵，求取复协方差矩阵的特征值及特征向量，进而获取三分量信号的极化方位角、极化倾角。时间域混叠合成信号的时频域极化分析实验结果表明：计算得到合成信号的时频位置与理论时频位置相对应，计算的正/负方位角、倾角与理论值无误差。在时间和频率2个维度上，时频域极化分析可以精准确定混叠情况下多类型信号的极化方向。全空间条件下中心激发-全方位接收的三维时空域高阶三分量模拟实验证实，直达纵波、横波的倾角无偏差、方位角偏差小。根据检波点位置及极化信息对中心震源进行反定位，在200 m直径范围内，根据检波点位置及地震波方位角、倾角聚焦定位的震源点与已知震源点的距离误差仅为0.548 6 m。煤矿井下实测数据计算反射槽波的时频域方位角、倾角参数与理论值一致，验证了矿井全空间三分量地震波时频域极化分析方法的有效性，该方法可为地下全空间地震勘探提供参考。

• 煤层中断层的透射槽波定量响应特征

  王保利, 金丹, 张唤兰, 程建远,

  影响煤炭开采的隐蔽致灾地质因素主要包括:断层、陷落柱、煤层厚度突变以及应力集中区 等。 准确、定量地查明这些地质异常体，可为安全高效回采提供地质保障，这也是我国煤矿高产高 效地质保障系统的核心内容。 煤矿安全高效开采，迫切要求能够超前、定量查明小断层、煤层厚度 变化、陷落柱、地应力集中区、瓦斯富集带、裂隙发育带等隐蔽致灾地质因素。 煤矿井下槽波地震探 测技术已在采煤工作面内部隐伏构造探测方面取得了良好的地质效果，但是该技术尚无法实现断 层“ 三要素” ( 断距、倾角、倾向) 的定量判识和煤厚的直接测量，急需开展相关研究以攻克这一技术 瓶颈难题。 从数值模拟的角度，分析不同煤厚、不同断距的断层分别对 Rayleigh 透射槽波和 Love 透射槽波的频散性及能量的影响，进而研究断层断距与透射槽波能量衰减之间的定量关系。 研究 结果表明:1 垂直断层不会影响槽波的频散特征，只对槽波的能量有明显的影响;2 模拟显示，即 便断层断距大于煤厚，仍然会有相当的槽波能量通过，特别是长波长分量;3 在槽波波长与煤厚相 近时，相同规格化断距的断层对槽波的衰减量不随槽波波长变化，且 Love 槽波和 Rayleigh 槽波衰减量几乎相同;4 采用等效 Q 描述断层对槽波能量的衰减影响时，规格化断距 σ 与 Q 呈倒数关 系。 研究成果可为透射槽波的断层断距定量探测提供理论支持，但此成果仅仅是基于理论模拟得 出的，其用于实际勘探时仍需要进一步研究，下一步将研究如何在实际数据中应用本文提出的断距 定量关系式实现断层断距的定量探测。

• 基于Love型槽波频散特性的工作面煤厚解释方法

  路拓, 侯恩科, 牛超, 任邓君, 张博,

  利用槽波频散特性反演煤厚是工作面煤厚解释的方法之一，然而槽波传播路径上煤厚线性 或非线性变化情况下，单频或窄带滤波难以兼顾槽波群速度的变化和不同接收点的槽波能量。 通 过三维数值模拟和工作面现场试验研究了煤厚变化模型的 Love 型槽波频散特征:槽波形成后向厚 煤区传播过程中频率变化小，能量衰减慢;而向薄煤区传播过程中槽波的能量快速衰减，主频向高 频方向移动，且槽波的高频成分占比增大。 厚煤区槽波的频散在频率上被压缩，随着接收点煤层厚 度的减小，基阶 Love 型槽波的频散在频率上被拉伸，且埃里相的频率向高频移动，埃里相的群速度 显著升高。 选取了煤厚变化在 1.55 ~ 8.09 m 的工作面进行槽波勘探试验，对实际槽波地震记录开 展了带宽为 50 Hz 的 4 个不同频段的宽频滤波，结果表明煤厚变化对低频段的 Love 型槽波速度影 响较大，随着频率的升高，不同煤厚的槽波群速度差异减小。 120 ~ 170 Hz 频段的槽波群速度对该 工作面煤层厚度有较大的响应区间，又兼顾了整个工作面槽波的发育。 对该频段 Love 型槽波群速 度进行了层析成像，采用三阶多项式拟合了巷道实际揭露煤厚与 Love 槽波群速度的相关关系，并 以此反演了工作面的煤厚分布。 在煤层厚度为 4 ~ 6 m 时，该频段 Love 型槽波群速度差异较小，对 煤层厚度的分辨能力有所降低。 因此，后续还需开展对槽波频段和频带宽度的精细研究来提高煤 厚解释的精度。

• 潘二煤矿A组煤层底板灰岩水害微震监测

  查华胜, 张海江, 连会青, 钱佳威, 魏廷双, 唐忠义, 梅欢, 程婷婷,

  采煤工作面底板突水是我国煤矿深部开采过程中面临的重要灾害问题之一，其发生与煤层 地质条件和矿井生产活动相关。 煤层采动过程中，会对底板产生破坏，灰岩含水层上方原始导升带 在张性二次应力和承压水的共同作用下也会逐渐向上延伸，当与煤层底板破坏带形成联通时，便产 生了突水。 当煤层底板发生破坏时，岩体破裂会产生微地震，通过微地震的时空分布，可以确定底 板破坏带的时空分布。 同时，承压水向上入侵的过程中，水流可能会和周围的固体介质相互作用产 生震荡信号，并以弹性波的形式向四周传播。 利用微震监测系统在对潘二煤矿 A 组煤底板进行突 水监测时，除了监测到大量岩体破裂产生的微地震信号，还监测到该类水流震荡信号，对应波形呈 类螺钉状且持续时间超过 20 s，振幅主要在 10-5 ~ 10-4 V，频率范围为 20 ~ 40 Hz。 因此，在对煤层 底板下伏岩体微破裂信号进行微震定位确定煤层底板破坏带深度的基础上，进一步通过对水流震 荡信号进行波形分析和定位，可以得到灰岩含水层上覆岩体裂隙扩展进水的时空分布，进而确定煤 层底板破坏带和承压水导高带的空间分布及互联情况。 为此，针对煤层底板灰岩水害监测预警，提 出基于微震和水流震荡信号时空分布特征联合分析的新思路和方法，并在淮南矿业集团有限责任 公司潘二煤矿 A 组煤底板突水监测预警中得到了较好的应用。

• 掘进工作面“ 三角锥” 型直流电法超前探测正演研究

  周官群, 王亚飞, 陈兴海, 岳明鑫, 翟福勤, 杨晓冬, 吴小平, 曹煜, 崔颖,

  为提高煤矿井下巷道超前探测水害和构造异常的准确性，利用超前探水的 3 个钻孔，并将这 3 个钻孔设计为互成 28°的“三角锥”型，利用“三角锥”型观测系统的孔中三维直流电法进行超前探测 突水灾害工作。 在均质全空间和层状模型条件下设计体状低阻异常和板状低阻异常正演模型，并与 传统直流电法超前探测对低阻异常响应特征进行比较。 结果可见:1 传统直流电法超前探观测系统 在均质模型下，对体状低阻异常和板状低阻异常的响应基本相当;但在层状模型中“ 三角锥” 型观测系 统对体状异常的响应比传统超前探测系统大几十倍;而“ 三角锥” 型观测系统对板状异常的响应是体 状异常响应的数倍;2 “三角锥”型观测系统对异常的响应比传统超前探观测系统更强，且对低阻模 型产生的响应是传统超前探观测系统的数十倍甚至百倍，更有利于异常信号的获取;3 由于电极布 置在孔中，“ 三角锥” 型观测系统极大地减小了巷道内各种人文因素对信号的干扰，规避了传统直流电 法超前探测存在的问题，是超前探测一个新的解决方案，对均质模型下的简单地质异常体通过弧线交 汇法可进行定位，而复杂模型的空间精确定位还有待电阻率三维反演解决。

• 采煤工作面底板水双频激电法数值仿真与探测试验

  胡雄武, 徐标, 张平松, 吴荣新, 付茂如, 程林,

  深部煤层开采常遭受底板水害威胁，严重影响煤矿安全高效生产。 采用矿井电法实施采场 底板岩层富水性探测是煤矿水害防治工作中的一项重点内容，但该方法面临实测电阻率多解性强 及异常定位不准的难题。 为进一步提高对岩层富水区的判定精度，提出了采煤工作面双频激 电(Induced Polarization，IP)全方位探测方法。 结合淮南矿区深部 A 组煤层顶底板地质与地电条 件，构建了不同方位的圆柱体富水异常地电模型;以 Cole-Cole 模型为激电效应基础，采用有限元 方法实施了双频激电数值模拟，理论分析了不同异常模型的激电视参数响应特征，其结果表明: 1 单巷激电视参数表现为低阻高频散异常，曲线“交点”可准确定位异常模型的走向位置，但难以 确定异常模型的准确方位。 2 双巷透视各发射点对应的激电视参数曲线在异常模型附近聚焦，同 样表现为低阻高频散异常特征，发射点与异常模型的位置关系决定了视参数曲线形态及性质，接收 点与异常模型的位置关系决定了异常幅度大小。 激电视参数对面内及巷道底板异常模型的响应幅 度大，对面外模型异常响应幅度偏小。 为进一步评价激电视参数成像精度，对比分析了双巷透视和 全方位数据的三维反演结果，表明单巷测深和双巷透视数据可相互约束，利用全方位方法所得的激 电反演结果能精准定位各异常模型，体现了该方法的优越性。 工程实践进一步表明，该方法能有效 降低电性异常的多解性，大幅提高异常空间定位精度，改善煤层底板岩层富水区的判定效果，为煤 矿水害精准防治提供了有力的技术支撑。

• 煤岩组合体的能量演化规律及差能失稳模型

  左建平, 宋洪强,

  为有效评价煤岩组合模型的冲击倾向性，体现围岩性质对其失稳破坏的影响，首先对比了 不同类型煤岩的能量积聚特性，发现同一应力水平时煤岩具有的弹性能密度主要取决于其弹性模 量，且两者呈负相关关系。 基于此，分析了煤岩组合试样中煤体、岩体的弹性能密度演化规律，表明 煤体是组合试样中弹性能积聚与释放的主体;同时计算了两者的峰值弹性能密度差，发现该参量与 组合试样破坏的剧烈程度密切相关，即峰值弹性能密度差越大，往往组合试样破坏越剧烈。 基于大 量试验数据讨论了影响该参量的因素，结果表明该参量与组合试样抗压强度、煤体弹性模量、岩煤 高度比、岩煤弹模比等因素均具有正相关性，而与岩体弹性模量的关系不明确，其中抗压强度是主 控因素。 从非平衡热力学和耗散结构的观点出发，基于煤岩弹性能密度差的分析，构建了组合煤岩 系统的差能失稳分析模型，当其处于临界态时，系统的弹性能密度差最大，此时系统处于最不稳定 状态。 据此，提出以煤岩系统的峰值弹性能密度差与失稳持续时间的比值作为评价煤岩组合体冲 击倾向性的指标，该指标从煤岩整体系统的角度出发，考虑了煤体与岩体的力学特性及能量积聚性 质的差异，本质上表征了煤岩系统失稳过程中储存弹性能的释放速率，并由试验与模拟数据验证了 该指标的有效性。 煤岩组合体差能失稳模型一定程度可反映煤岩组合冲击失稳的力学现象。

• 顶升可缩式钢管混凝土支柱试验研究与工程应用

  王军, 杨光, 黄万朋, 张涛, 邢鲁义,

  针对沿空留巷巷旁支护存在的问题，提出基于顶升可缩式钢管混凝土支柱的巷旁支护技 术。 设计了顶升可缩式钢管混凝土支柱结构与留巷工艺，为验证该支柱增阻让压性能，开展了不同 让压结构的可缩承载试验，研究表明:杨木可缩阶段承载力 200 kN、极值承载力 700 kN，松木可缩 阶段承载力 500 kN、极值承载力 900 kN，钢筋网柱可缩阶段承载力 400 kN、极值承载力 750 kN，以 松木的压缩率最高，达到77.7%，可见，松木更适合作为让压结构。 通过分析钢管混凝土短柱和长 柱承载力试验结果，验证了钢管混凝土支柱高承载力特征，修正了支柱承载力长细比折减系数，优 化了顶升可缩式钢管混凝土支柱承载力计算公式。 通过文献分析选取了合理的巷旁支护阻力和压 缩量计算方法，以鲁西煤矿 3下 A02 工作面沿空留巷为例，进行了巷旁支护阻力和压缩量计算分析， 以试验研究为基础，开展了顶升可缩式钢管混凝土支柱结构设计、支柱受力分析和工程实践研究。 实践表明采用单排 φ299 mm×10 mm 顶升可缩式钢管混凝土支柱+一排 φ21.6 mm×10 300 mm 控顶 锚索的巷旁支护，辅以挡风帘+网喷层的采空区隔离方案，能够保证沿空留巷长期稳定，该技术具 有顶升初撑效果好、增阻变形能力强、支护承载力高等特点，在基本顶沉降运动剧烈的留巷工程中 具有较好的应用前景，若进一步配合采空区侧切顶卸压和支柱外壳钢管回收复用，留巷效果将 更优。

• 深部开采岩体围压卸荷-渗流致拉破裂机制

  李春元, 崔春阳, 雷国荣, 左建平, 于祥, 何团, 李向上, 杜伟升,

  受开采卸荷扰动影响，深部岩体裂隙内的高压力承压水极易渗透进入采场或采空区而诱发 突水灾害。 为研究深部开采高应力岩体围压的卸荷-渗流致裂力学机制，基于岩体裂隙的应力集 中演化方程及有效应力原理，计算并获得了围压卸荷-渗流过程中裂隙岩体内拉应力的演化规律， 确立了岩体裂隙产生卸荷-渗流致拉破裂的条件及力学机制;结合应力卸荷量定义及 Bandis 双曲 线裂隙变形公式，计算获得了不同采深岩体围压卸荷-渗流致拉破裂的卸荷量临界值变化规律，发 现了裂隙岩体的渗透率突变点即为其卸荷-渗流致拉破裂的卸荷量临界值，对比分析了岩体围压 卸荷-渗流过程中拉破裂与剪切破裂的关系，并进行了试验验证。 结果表明:受围压卸荷及承压水 渗流影响，深部裂隙岩体内部产生了与卸荷方向平行的附加拉应力 ΔσT ;且岩体内裂隙尺寸越大， ΔσT峰值越高;ΔσT随采深及承压水压力增加而增大。 当ΔσT大于等于岩体围压及裂隙结构抗拉强 度之和时，岩体内产生拉破裂，并将导致岩体渗透率非线性突增，突变点恰为岩体拉破裂的卸荷量 临界值;且采深及承压水压力越大，岩体渗透率突变点的围压卸荷量越小。 而受裂隙岩体结构及属 性参数影响，岩体拉破裂的卸荷量临界值可高于或低于剪切破裂;随采深增加，岩体可由剪切破裂 向拉破裂转变。

• 离层积水量估算方法及离层突水预测 ———以陕西招贤煤矿 1304 工作面突水为例

  许进鹏, 周宇, 浦早红, 庞思远,

  离层水害是近年来中国西部矿井常见且危害较大的水害形式。 离层突水的过程是含水层 中水首先进入离层空间，然后由于离层空间下部隔水层破裂后进入矿井。 因此，计算离层积水量对 预测离层突水水量和突水可能性有重要意义。 陕西金源招贤煤矿 1304 工作面发生了 3 次离层突 水，笔者分析总结了离层突水过程中的水位、水量变化规律，建立了离层积水的水文地质模型及水 量预测方法并进行了计算，然后对离层突水量进行水量分割，并将分割水量与估算水量进行了对 比，研究了积水量与离层空间特别是与离层高度之间的关系，分析了积水量和离层高度对突水的预 测预报作用。 通过以上工作，得出:1 地下水水位异常下降可以作为离层突水的预警依据。 如招 贤 1304 工作面第 1 次离层突水前，水文长观孔的水位提前 6 d 开始下降，水位累计下降 23.39 m， 平均下降速度 4.253 m / d;2 以半无限含水层汇点模型为基础得到的离层积水量估算方法是可靠 的，招贤煤矿 3 次突水案件中，地下水动力学的估算方法与水量分割法得到的离层积水量的误差为 0.20% ~ 8.35%;3 根据地下水水位下降可以进行离层空间和离层高度的临界值计算，招贤矿 3 次 出水时的离层高度为 0.75，1.08，0.87 m，利用此临界值可以进一步预测离层突水可能性。 论文提 出的离层高度临界值，需要在今后的工作中进行进一步从力学理论方面开展研究和在大量突水案 例中总结经验。

• 基于矿井安全与生态水资源保护等多目标约束的超前疏放水技术

  曾一凡, 孟世豪, 吕扬, 武强, 华照来, 于超, 庞凯, 程易,

  超前疏放水是目前西部侏罗纪煤田顶板水害防治的主要手段之一，但西部水资源匮乏、生 态脆弱，为此在减少煤矿井下涌水保证安全生产的同时，如何最大程度地降低超前疏放对地下水生 态环境的影响，为急需解决的问题。 通过建立矿区非结构剖分地下水数值模拟模型，从而确定疏降 过程中地下水系统变化特征的响应函数矩阵，据此构建矿井安全、生态水资源保护和高效疏放水等 多目标约束下的地下水管理模型，最后通过线性目标规划计算，确定疏降钻孔位置分布、疏降水量 大小与时间分布的矿井水超前疏降优化方案。 在以陕西省曹家滩煤矿为例的计算结果表明，相比 传统等间距疏放方案，优化后的超前疏放水方案考虑了第四系含水层接受降雨补给的时间关系，在 减少疏放水量的同时，对当地赖以生存的第四系潜水的影响显著降低。 在疏放钻孔数量减少 50%、疏放总水量减少 42.60%的情况下，矿井平均涌水减少量基本持平，而大幅减少了第四系含水 层越流增加量 50.09%。 除了系统研究超前疏降对第四系松散孔隙含水层与基岩裂隙含水层交互 的影响，还评估了研究区控水疏降的临界值。

• 离子型表面活性剂对低阶煤润湿性的调控机制

  王成勇, 邢耀文, 夏阳超, 张锐, 王市委, 李吉辉, 桂夏辉,

  表面的强亲水性制约了低阶煤(LRC)的加工和利用，而表面活性剂吸附是调控 LRC 润湿 性的有效方法之一。 采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、接触角测定和密度泛函理论(DFT)计算探 究了阴离子型表面活性剂和阳离子型表面活性剂对 LRC 表面润湿性的调控机制。 阴离子型表面 活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，阳离子型表面活性剂为十烷基三甲基溴化铵(C10 TAB)、十二 烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。 研究结果表明:表面活性剂对 LRC 润湿性的调控效果主要受表面活性剂亲水基电荷分布、疏水基长度和药剂吸附量的影响。 表面活 性剂亲水基的电荷分布影响了吸附的难易程度，在水相中，电离后 LRC 的—COO-、DTAB 的 —N+(CH3)3和 SDBS 的—SO-3 基团的 Mulliken 电荷分别为-0.415e，0.483e 和-0.69e;DTAB 与 LRC 间的相互作用能为负(-345.36 kJ/ mol)，而 SDBS 与 LRC 间的相互作用能为正(14.88 kJ/ mol)，说 明阳离子型表面活性剂更易吸附于LRC表面。 —N+(CH3)3与—COO-作用区域的电荷比未吸附 前—COO- 的电荷减少了-0.341e，正电荷的亲水基与 LRC 表面负电荷相互中和，减弱了亲水位点 的亲水性。 表面活性剂疏水基的长度越长越有利于对亲水位点的覆盖，润湿性调控效果越好。 当 表面活性剂初始浓度过大时，将导致吸附量过量，上层表面活性剂的亲水基与水接触，对亲水性的 减弱不利。

• 煤矿井下全域化瓦斯抽采定向钻进关键技术与工程实践

  李泉新, 许超, 刘建林, 方俊, 张杰, 刘飞,

  针对高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井高效瓦斯治理的迫切需要，为实现煤矿井下瓦斯全域化精 准抽采，提出了中硬煤层大盘区瓦斯抽采、碎软煤层瓦斯区域抽采和采动卸压瓦斯“ 以孔代巷” 抽 采的模式，利用定向钻孔轨迹精确可控、可沿目标地层长距离延伸的优势，在煤矿井下大区域范围 内实现“中硬煤层、碎软煤层、顶板岩层”全区域精准覆盖、“采前-采中-采后”全时段连续抽采，最 大限度实现全域快抽、应抽尽抽。 全面阐述了不同煤层赋存地质条件和开采阶段下矿井瓦斯治理 的技术现状与需求，系统分析了中硬煤层、碎软煤层和复杂顶板岩层中定向钻进成孔存在的技术难 点，在此基础上开发了中硬煤层超长孔定向钻进技术、碎软煤层气动定向钻进技术和复杂顶板岩层 大直径定向钻进技术，分析了各关键技术的适用条件和主要特点，并在我国典型煤矿区井下开展了 工业性试验和示范应用，工程实践表明:中硬煤层最大定向成孔深度达 3 353 m，实现了矿井大盘区 瓦斯抽采治理;碎软煤层中孔深 300 m 以上定向钻孔成孔率达 76%，实现了煤巷条带、采煤工作面 超前区域精准抽采;复杂顶板岩层中定向钻孔深度普遍达到 500 m 以上，一次扩孔直径可达 200 mm，推动了“以孔代巷”瓦斯抽采技术发展。 研究可为矿井瓦斯“零超限”和煤层“零突出”目 标的实现提供技术装备支撑。

• 重庆芦塘矿晚二叠世煤中微量元素和稀土元素的地球化学特征

  邹建华, 王冰峰, 王慧, 田和明, 李甜,

  近年来，由于稀有金属需求的日益增长以及传统矿床的逐渐耗竭，煤和含煤岩系被认为是 提取稀有金属的潜在来源。 为了解重庆芦塘矿晚二叠世煤中 Li，Ga，Nb，Ta，Zr，Hf 和稀土元 素(REY)的成矿潜力，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)、X 射线荧光光谱仪(XRF)和 X 射 线衍射仪(XRD)等方法测试了煤的微量元素、稀土元素和矿物组成。 研究发现，芦塘矿晚二叠世 煤为高硫中低灰无烟煤，煤中高含量的硫(5.06%)与海相沉积环境有关。 煤中矿物主要为伊利石、 伊蒙混层、高岭石和黄铁矿，其次为钾长石、方解石、铁白云石、石英、黄钾铁矾和熟石膏。 与世界硬 煤相比，芦塘煤中富集 Li，Be，B，F，V，Cr，Zn，Ga，Ge，Se，Zr，Nb，Mo，Ag，Cd，Hf，Ta，Hg，Th，U 和 REY，其中 Li，Ga，Nb，Ta，Zr，Hf 和 REY 的富集系数分别为 7.81，2.19 ~ 7.99，6.58，8.39，5.82 和 2. 85。 从顶至底沿着煤层剖面，Li，Ga，Nb(Ta)，Zr(Hf)和 REY 含量逐渐升高。 由于与灰分呈明显的 正相关，煤中 Li，Ga，Nb(Ta)，Zr(Hf)和 REY 主要赋存于矿物中。 芦塘煤中稀土元素以中稀土富集 型为主，稀土元素地球化学参数 δCe 和 δEu 表明，煤中矿物质不来源于康滇古陆的基性玄武岩。 煤 中 Li，Ga，Nb(Ta)，Zr(Hf)和 REY 富集的主控因素是地下水对煤层下伏凝灰岩的淋滤作用。 芦塘 矿晚二叠世煤的煤灰中 REY 可作为提取稀土元素的潜在原料，其伴生的 Li，Ga，Nb(Ta)，Zr(Hf)等 有益金属可共同提取，其工业利用价值值得关注。

• 煤体 CO2 吸附 / 解吸变形特征及变形模型

  张遵国, 陈毅, 唐朝, 马凯欣, 张春华,

  煤体 CO2 吸附 / 解吸特征是衡量 CO2 地质封存潜力的重要指标，煤体吸附 / 解吸 CO2 过程发 生的变形则是影响CO2可注性的重要因素。 利用自主研制的煤层高压吸附/解吸(变形)试验系统 开展了 3 种不同煤阶煤吸附量与变形量同步测试试验，分析了煤体 CO2 吸附 / 解吸变形特征，建立 了吸附 / 解吸过程应变量-吸附量关系模型以及煤样 CO2 吸附 / 解吸变形模型，探讨了 3 种煤的 CO2 可注性及 CO2 封存技术的适用性。 结果表明:3 种不同煤阶煤均具有明显解吸滞后特征，且随煤阶 升高，解吸滞后特征减弱，促使煤解吸体应变曲线由“滞后”向“超前”转变。 3 种不同煤阶煤吸附/ 解吸变形均存在各向异性。 气煤和1/3焦煤吸附/解吸变形离散性大，贫煤离散性小，各煤样吸附/ 解吸变形的离散性均随平衡压力增大逐渐减小。 相同吸附量条件下煤样吸附/解吸体应变关系为 气煤>1 / 3 焦煤>贫煤，但由于 3 种煤样吸附能力的差异，相同吸附平衡压力条件下煤样吸附 / 解吸 体应变关系为贫煤>1/3焦煤>气煤，说明煤样应变量由吸附量和膨胀变形能力综合决定。 吸附/解 吸过程煤样的应变量和吸附量呈三次函数关系，结合煤的等温吸附模型(D-A 方程)，建立了煤体 吸附 / 解吸变形模型，该模型能够精确拟合煤吸附 / 解吸 CO2 变形数据，反映煤样吸附 / 解吸变形与 吸附量及平衡压力的关系。 对比分析气煤、1/3焦煤、贫煤3种煤样的吸附/解吸特征及变形特征， 贫煤 CO2 可注性最好，更适用于间歇式注入方法提高煤层可注性;气煤则更利于 CO2 的长期储存。

• 基于日本假单胞菌超声破碎液新疆乌东低阶煤的降解

  吴昊, 刘向荣, 石晨, 杨杰, 赵顺省, 杨再文,

  低阶煤的微生物降解过程条件温和、能耗低，是煤炭绿色转化的途径之一，但降解率较低、 降解时间较长的难题阻碍了其工业化的进程。 近年的研究发现微生物主要是利用其分泌的胞外液 来降解煤，但胞外液的提取过程繁杂，不利于工业生产。 因此，本实验选取对煤降解能力较好的日 本假单胞菌，采用超声波对其进行破碎获取菌种超声破碎液，利用超声破碎液降解新疆乌东低阶 煤，并以未经处理的菌种细胞培养液作为对照。 结果显示:当日本假单胞菌生长状态处于稳定期及 稳定期以后时，进行超声波破碎细胞培养液，所获得的破碎液对煤样有较好的降解效果;选取培养 60 h 达到稳定期的菌种进行超声波破碎，破碎液对煤样的降解率为 48.97%，较对照组提高了 13.13%。 细胞培养液主要依靠分泌的胞外液降解煤，而菌种超声破碎液中既含有胞外液又含有胞 内液，GC-MS 分析可知，胞外液和胞内液组成相似，主要为胺类和醇类等物质，因此，菌种经超声波 破碎后，胞内液释放，胞外液和胞内液共同参与了降解过程，从而提高了煤样的降解率。 采用 FTIR、XRD、低温 N2 吸附和 GC-MS 对降解后的固、液相产物进行分析，与对照组相比发现:日本假 单胞菌超声破碎液对煤样分子结构中羟基、羧基和酯基等官能团的降解作用更强，从而使微晶结构 中芳香层片的间距更大，堆砌高度更低，碳层数更少，并且固相产物中 19 ~ 23 nm 微孔所对应的比 表面积增加;液相产物的物质种类数增加，主要成分为烷烃、酮、醇和酯类等，分子量为 154 ~ 546。 利用菌种超声破碎液代替细胞活体降解低阶煤，不仅提高了煤样的降解率，还为低阶煤生物降解的 工业化提供了一条新的途径。

• Zn 催化剂对次烟煤及其镜质组富集物催化解聚影响

  王栋, 彭泽宇, 王骏, 梁丽彤, 张乾, 黄伟,

  选用一种次烟煤为研究对象，利用格金干馏实验装置、全二维气相色谱-质谱联用仪 (GC×GC-MS)、气相色谱仪，通过考察添加不同含量的 ZnCl2 催化剂对催化解聚产物分布、焦油组 成、气体组成及半焦的影响，探讨添加 ZnCl2 催化剂及催化剂添加量对原煤催化解聚反应的影响规 律和可能作用机制。 催化解聚产物分布结果表明，添加 Zn 基催化剂可促进煤热反应程度，降低半 焦产率，提高焦油产率。 Zn 添加量为 0.10%时对煤热反应过程的促进程度最高，焦油产率增加也 最高，从原煤的 12.05%增加至 13.83%，其焦油组分分析表明，焦油中多环芳烃类物质的相对含量 增加幅度最大。 结合气体组分分析，气相中 H2 体积分数增加明显，而 CH4 体积分数略有降低，C2+ 等低碳烃类气体明显减少，CO，CO2 体积分数基本不变，表明在 Zn 基催化剂作用下，较小自由基更 倾向于与一些大自由基碎片结合生成大分子焦油，而不是小分子气体。 在此基础上，考察了 0.10% Zn 基催化剂添加对原煤提质分离所得的镜质组富集煤样的催化解聚效果，结果表明，原煤提质可 显著提升焦油产率，镜质组富集煤样焦油产率达到 16.17%，较原煤增加了 4.12%，且 Zn 基催化剂 添加可进一步提升镜质组富集煤样热解聚程度，进一步提升焦油产率至 17.87%。

• 废润滑油对城市污泥水煤浆成浆性能的影响机制

  许恩乐, 陈仕兴, 武玉发, 江晓凤, 苗真勇,

  城市污泥焚烧不仅能有效控制污泥处理过程中的二次污染，还能充分利用污泥的热值。 但 直接将城市污泥添加至水煤浆，会降低其流动性和发热量，不利于水煤浆的气化或燃烧。 由于废润 滑油具有较高的发热量和较好的流动性，利用废润滑油与污泥水煤浆进行掺混，提高污泥水煤浆的 发热量并改善其流动性。 实验结果表明:泥油比(质量比)为 1.0 时，随着干基污泥质量分数从 0 增 到 12%时，水煤浆表观黏度逐渐减小;泥油比为 1.1 时，水煤浆表观黏度呈先增加后减小的变化规 律，干基污泥质量分数为 3%时，水煤浆表观黏度最大。 污泥水煤浆表观黏度随泥油比的增加而增 加。 水煤浆发热量为 17.42 MJ / kg、泥油比为 1.0 时，干基污泥质量分数从 0 增到 6%，水煤浆的表 观黏度从 714 mPa·s 降低到 340 mPa·s，降幅约为 52.3%。 红外光谱分析显示，污泥和煤粉被废 润滑油浸泡后，非极性官能团峰明显增强，而极性官能团峰明显减弱。 X 射线能谱分析显示，经废 润滑油浸泡后，污泥和煤粉的 O/ C 原子比分别从 0.88 和 0.23 急剧降至 0.04 和 0.08，其 C—H/ C—C含量分别从 53.98%和 70.44%增到 93.24%和 86.83%。 润湿性分析显示，经废润滑油浸泡后， 污泥和煤粉的接触角分别从 69.5°和 63.4°增加到 101.3°和 94.2°，且接触角基本不随接触时间的增 加发生变化。 废润滑油的长链烷烃和苯环可吸附在煤粉与污泥表面，减少煤粉与污泥表面的亲水 位点，从而促进污泥和煤粉在分散剂的作用下形成较完整的水化膜，这是废润滑油改善污泥水煤浆 成浆性能的主要原因。

• 千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析

  刘志强, 李术才, 王杜娟, 宋朝阳, 刘征宇, 田彦朝, 荆国业,

  机械破岩为代表的非爆破破岩技术是现阶段竖井凿井技术发展的重要方向，是解决现有钻孔爆破凿井井下作业人员多、工序复杂、职业伤害严重和环境污染等问题的可行技术途径。目前，已形成适用松软地层条件的竖井钻机钻井和适用井筒下部存在通道的反井钻机钻井，适用条件受到限制且未突破千米难关，竖井硬岩全断面掘进机凿井技术与装备依然处于研发起步阶段。竖井机械破岩凿井重大装备不仅是国家高端装备制造新兴产业发展的需求，也是千米竖井凿井技术变革的重要支撑。梳理了竖井掘进机发展历程与现状，分析了千米竖井多变地层稳定和高压涌水控制、坚硬岩石破碎、克服重力排渣、与支护相适应的井筒断面变化4个方面的难题，提出了地层预改性“干井掘进”、坚硬岩石“组合破岩”、克服重力“协同排渣”、掘-支协同“智能变径”等硬岩全断面掘进机凿井的核心功能需求。为满足复杂环境和工况下竖井掘进机高效可靠服役的需求，凝练了拟攻克的3个关键科学问题和8个关键技术问题，其中科学问题包括：1）基于千米地层原位状态探识的竖井掘进机凿井围岩分级理论，2）硬岩大断面多刀协同与射流辅助破岩机理，3）大直径破岩掘进面岩渣分布与运移规律及垂直输送机制；关键技术问题包括：1）千米地层原位探测、风险识别与改性技术，2）大断面硬岩镶齿滚刀-盘形滚刀联合与水射流辅助高效破岩技术，3）大直径刀盘机械与流体组合排渣技术，4）竖井掘进机姿态调控与整机集中控制技术，5）竖井掘进机系统耦合动力学分析及优化，6）时空关系协同的竖井掘进机掘进与地层改性平行作业，7）基于竖井掘进机凿井的井筒空间断面优化布置，8）竖井掘进机前置高韧性薄喷临时支护与掘-支协同永久支护技术。最后根据科学问题和技术问题，面向工程示范制定了5项攻关任务，包括：竖井掘进机凿井工艺及工程适应性，2）千米竖井地层原位精细化探测、岩性识别与地层预改性关键技术，3）千米竖井大体积破岩、垂直排渣与掘支协同关键技术，4）千米竖井硬岩全断面掘进机研制，5）千米级井筒竖井掘进机凿井工程示范，并明确了攻关任务之间的逻辑关系。基于以上内容，初步构建了千米竖井硬岩全断面掘进机凿井技术体系和研发路径，以期为我国千米竖井安全、高效、绿色、智能建设提供基础参考。

• 随机载荷冲击下采掘机械截齿竞争失效可靠性分析

  秦彦凯, 张晓红, 曾建潮, 梁好, 石冠男,

  采掘机械的高效运行是煤矿企业降低生产成本，提高生产效率，实现利润最大化的主要途 径之一。 截齿作为采掘机械的关键消耗部件，其可靠性直接决定了采掘机械的工作性能和使用寿 命。 在采掘过程中，将煤岩视为正常工作载荷，将矸石和断层视为随机冲击载荷。 截齿受煤岩引起 的自然磨损及矸石和断层引起的载荷冲击的影响，其失效是磨损退化导致的软失效和随机载荷冲 击导致的硬失效相互竞争的结果。 由于矸石和断层具有一定的体积和硬度，随机载荷冲击会持续 一定的时间，并在不同硬度下对截齿的磨损产生不同的加速作用。 同时，截齿抵御致命性冲击的能 力会随着磨损程度的增加而减弱。 通过考虑持续冲击、变速率加速退化和硬失效阈值变化对截齿 磨损的影响，研究了随机载荷冲击下截齿竞争失效的可靠性建模。 首先，通过同时考虑自然磨损退 化、冲击瞬时退化以及冲击持续时间内的变速率加速退化，构建了随机载荷冲击下截齿的退化模 型。 其次，在此基础上构建了竞争失效模式下截齿的可靠性模型。 最后，基于工程数据对截齿的可 靠性模型进行了数值实验和有效性分析。 结果表明考虑持续冲击、变速率加速退化和硬失效阈值 变化的截齿竞争失效可靠性模型符合工程实际，为截齿的设计优化、维修决策和备件管理提供了理 论基础。