煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第2期

• 深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

  杨胜利, 吴山西, 王兆会, 唐岳松, 李家龙, 孙文超,

  煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明:深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预测,同时采用无人船搭载定位和声纳系统对赵固二矿地表沉陷盆地形态进行了实测和重构,预测结果和实测数据对比分析表明理论沉陷值的最大误差率为7.0%,平均误差率为2.4%,表明构建的地表沉陷分区预测模型适用于深埋厚冲积层薄基岩赋存条件,可为该类煤层开采地表沉陷治理提供借鉴。

• 双碳背景下“煤-水-热”正效协同共采理论与技术构想

  曾一凡, 刘晓秀, 武强, 梁季月,

  双碳目标下,煤炭企业绿色低碳化发展已成为我国能源革命的迫切需求。煤炭生产在大力发展节能提效技术的基础上,消除水害与热害隐患的负面影响,主动激励伴生资源的潜在正面效应发挥能源替代功能是实现矿山可持续性绿色开采的有效举措。基于我国煤矿资源特点,首先提出了一种集约型煤水热多资源正效协同开采模式,剖析了该模式的内涵与基本协同模式,对全生命周期煤炭开采伴生资源控制-利用-储存形成矿区资源产供储一体产业链。通过阐述顶板水高效精准疏放、季节性含水层储能、低焓热能高效提取与梯级利用、深部地热原位开采和矿井水深部地质封存等关键技术及科学问题,提出了以煤炭开采低碳零碳融合为核心的全生命周期煤水热共采技术体系。针对系统运行优化管理,考虑以碳排放与经济性为双重目标配置优化开采工艺与运行策略的协同度。最后以陕西榆林小纪汗煤矿为分析案例,初步基于遗传算法构建煤水热共采模式下矿区资源多目标配置优化模型,评估了系统运行节能减排效益,结果表明:利用小纪汗矿伴生风/水资源年节能率可达50.2%,减少矿区生产用能总二氧化碳排放量24.2%,节能减排效果显著。通过实现矿业负效应资源的正向转换,拓展伴生资源对矿区综合能源体系的增环补链作用以实现煤水热正效协同共采,对煤炭行业助力实现双碳目标具有参考意义。

• 大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

  罗生虎, 王同, 伍永平, 解盘石, 王红伟,

  大倾角煤层群开采过程中,受重复采动影响,采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂,揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征,采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律,揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征,量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明:大倾角煤层群开采过程中,间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程,最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱,其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷,下拱脚位于上工作面的运输巷,控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈,应力释放程度较大;中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移;高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处,岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压、上层煤增压-下层煤卸压、重复卸压、上层煤卸压-下层煤增压、下层煤增压5个区域。在上层煤增压-下层煤卸压段,第1主应力x、y轴分量呈现出先增大后降低,z轴分量持续降低的演化趋势;在重复卸压段,岩层应力释放程度最大,方向偏转程度最大;在上层煤卸压-下层煤增压段,第1主应力x、y轴分量呈现减—增—减、z轴分量呈现先减后增的演化趋势。

• 深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

  王兆会, 唐岳松, 李猛, 吴山西, 孙文超, 李家龙, 水艳婷,

  焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿14030工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段,前2个阶段覆岩稳定,第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构;覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿14030工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。

• 水平分段综放开采顶煤放出体理论计算模型

  张锦旺, 程东亮, 王家臣, 杨胜利,

  水平分段综放开采是急倾斜特厚煤层的主要开采方法之一。水平分段综放开采工作面相对较短,导致顶、底板边壁对放煤规律的影响较大。基于BBR理论,采用Bergmark-Roos (B-R)模型分析了存在倾斜边壁影响时的顶煤运移规律及放出体形态变化机理;建立了水平分段综放开采受顶、底板侧边壁影响的放出体理论计算模型,推导了包含轴倾角参数的放出体边界方程;通过颗粒流离散元数值分析得出了轴倾角参数与边界条件的定量关系,采用物理相似实验数据对理论模型进行了验证,提出了不同煤层倾角范围内的合理分段高度及放煤方式优化建议。研究结果表明:倾斜边壁的存在使得散体顶煤受到更大的横向应力,从而改变了顶煤颗粒运移加速度的方向;近边壁处放煤口两侧散体顶煤递补潜力的差异,导致其运移加速度的大小不同;顶煤加速度大小和方向的改变导致放出体轴线方向偏离重力方向。受倾斜边壁影响,放出体形态在轴线两侧呈现非对称性,与近底板侧相比,近顶板侧放出体受边界影响的程度更大;放出体轴倾角β随着煤层倾角的增大呈线性增大关系。随着不放煤段长度的增大,近顶、底板侧放出体的轴倾角均逐渐趋近于90°。物理模拟试验结果验证了理论模型的准确性;采用“底板单轮、中部多轮”、端头逆序放煤方式可有效利用放出体形态特征,减少近顶、底板侧残煤损失。

• 再论负煤柱巷顶沿空掘巷合理位置及其围岩主动控制原理

  王朋飞, 常通, 卢俊宇, 薛佩峰, 张海龙, 高翔, 曲越, 刘佳男,

  负煤柱工作面采空区弧形底板下方的巷顶沿空掘巷长期惯用架棚被动支护,劳动强度大、成本高、成巷慢,限制了该技术的推广和升级。为此,在大量前人相关研究基础上,以开滦集团唐山矿负煤柱开采实践为背景,采用现场实测、理论分析和数值模拟,重新分析论述了负煤柱巷顶沿空掘巷合理位置及其围岩主动控制原理。结果表明:(1)负煤柱工作面来压强度表现出中部最大、上部次之、下部最小的非对称分布的倾向分区特征,采空区矸石呈现出下部充实、中部充满、上部悬空的非对称堆积形态,下部充实区显著缓解了支承压力影响,为弧形底板创造了良好的应力环境优势。(2)揭示了负煤柱工作面弧形底板下巷顶沿空掘巷内错距离不同时围岩破坏区与弧形底板破坏区的联通规律,巷顶煤体较薄时,巷顶易产生裂隙并不断与其上采空区底板裂隙沟通导致巷道顶板失稳。(3)最佳布巷位置位于上区段弧形底板正下方,既可保留足够顶煤用于锚杆索支护,又可避开上区段采空区左侧应力集中区及应力变化剧烈区。(4)给出了基于自稳隐形拱理论的巷顶沿空掘巷主动支护设计原理,推导了巷顶沿空掘巷的自稳隐形拱表达式,揭示了该自稳隐形拱的非对称特征,最大拱高位于巷道中轴线偏左0.1 m处。研究可为负煤柱沿空掘巷围岩控制提供理论支持和科学依据。

• 深部高水平应力巷道倾斜锚杆破断机制及加强支护时机

  刘学生, 武允昊, 谭云亮, 杨茗杰, 李国庆, 解成成,

  针对深部高水平应力下巷道倾斜锚杆承受弯曲、拉伸为主的复合荷载作用,易发生破断失效导致巷道局部失稳问题,以山东能源集团孙村煤矿2424工作面下平巷为工程背景,调研得到了倾斜锚杆破断特征,推导了内力与内力矩分布、破断危险断面位置及相当应力表达式,建立了以危险断面最大相当应力为指标的破断力学判据,揭示了不同锚固参数与侧压系数对最大相当应力的影响规律,即最大相当应力随侧压系数、锚固长度和预紧扭矩增大而增大,而随锚杆安装角度增大呈现先减小后增大再减小的趋势。在此基础上,利用FLAC软件内置Fish语言实现了对锚杆危险断面最大相当应力的表征,定义了以危险断面最大相当应力与许用应力比值表示的危险系数K,并以此为指标提出了加强支护时机确定方法,获得了不同加强支护时机下围岩变形破坏规律。随着加强支护时的危险系数K增大,锚杆危险断面最大相当应力、围岩整体变形量与集中应力先减小后增大,危险系数K较小时,浅部围岩弹性能积聚较大,自承载能力发挥不足;危险系数K过大时,围岩变形量大、破坏严重,整体稳定性差。确定了2424工作面下平巷合理加强支护时机为危险系数K取0.8,现场加强支护实践表明,在危险系数为0.8(超前工作面60 m)时进行加强支护,锚杆破断率减小了87.9%,围岩变形得到有效控制,稳定性明显提高。

• 30 000 J多功能落锤冲击试验机研制及应用

  吴拥政, 付玉凯, 周鹏赫, 山世昌,

  为深入研究冲击地压巷道锚杆支护材料的抗冲击力学性能,自主研制了30 000 J多功能落锤冲击试验机。该试验机由主机框架、抓脱锤装置、提升装置、锤体组件、液压缓冲装置、安全防护装置及电气装置等部分组成,可实现锚杆、锚索、托板及金属网等多种支护材料全尺寸动态力学性能测试和锚固岩体相似模型的冲击试验。选取了冲击地压煤矿常用的锚杆支护材料,初步开展了支护材料动态力学性能测试,测试结果表明:动载下锚杆颈缩不明显,表现出明显的脆性。随着冲击能量的增加,锚杆的冲击力峰值逐步增加,而延伸率大幅度降低;锚索受动载后钢丝易散开,外侧的钢丝更容易出现破断,破断位置通常位于夹具区域。动载作用下锚索的强度略有提高,而延伸率却大幅度降低,锚索的断后伸长率约为其静载的1/2;动载下拱形托板冲击力曲线具有明显的平稳震荡阶段,托板的冲击力峰值要明显大于其静载,变形量与静载基本相同,拱部结构在动载下能平稳变形吸能;随着冲击能量的增加,菱形网的冲击力峰值逐步增加,而变形量先增加后减小,菱形网具有很好的缓冲性能。多功能落锤试验机的研制为冲击地压巷道支护材料的动态力学性能测试提供了手段,为不同冲击危险性巷道的锚杆支护材料选取和支护设计奠定了基础。

• 顶板“人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用

  潘俊锋, 康红普, 闫耀东, 马小辉, 马文涛, 陆闯, 吕大钊, 徐刚, 冯美华, 夏永学, 王冰, 高家明, 杜涛涛, 邬建宏,

  冲击地压矿井开展解放层(保护层)开采,能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度,从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井,为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标,提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“人造解放层”卸压防治冲击地压方法,并建立了工程力学模型,综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明,在冲击地压发生载荷供给历程中,通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷,可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚;针对顶板控制型冲击地压矿井,在开拓、准备、回采不同阶段,针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布,使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区,实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应;顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为:与压裂前相比,煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂,在走向上使其长梁变短梁,大块变小块,从而不具备大面积悬臂功能,降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷;在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;在陕西孟村煤矿401102综放工作面首次进行地面区域压裂“人造解放层”技术试验后,工作面回采期间微震事件呈现高频低能分布,顶板岩层断裂块度减小,顶板水均匀降落在采空区,工作面涌水量降低,采场及两巷压力及变形量降低显著,实现了解放层卸压效果。

• 巨厚强冲击倾向性煤层高强度开采特征与高强度开采定义

  崔峰, 冯港归, 来兴平, 贾冲, 谭立, 金波, 刘生优, 李雨航,

  工作面开采强度过高易诱发冲击地压等动力灾害,探讨工作面合理的开采强度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。以准东二矿巨厚强冲击倾向性煤层首分层1101综放工作面为背景,采用理论分析及物理相似模拟实验相结合的综合分析方法,对不同开采强度下覆岩采动应力、能量演化规律展开分析,并评估了不同开采强度下煤岩体冲击危险性,确定了工作面合理的开采强度,得到冲击地压矿井高强度开采特征并对其进行定义,同时提出冲击地压矿井高强度开采调控模式。研究结果表明:(1)随工作面开采强度的提高,采动应力、应力集中系数、周期来压步距均随之稳步提升;微震能量随之逐渐增大,大能量积聚范围也随之逐渐增大;工作面冲击危险性也随推进速度逐渐增大,其冲击危险性指数Im,微震能量Er均与开采强度呈正相关性,微震b值则表现出负相关性,综合分析认为1101工作面推进速度不应大于8 m/d;(2)冲击地压矿井高强度开采不是一种外在的开采强度,而是综合反应应力、能量、冲击危险性的一种力学状态,并由其特征参数决定,并将推进速度大于8 m/d、来压步距与推进速度的比值小于1、冲击危险性指数Im>3,微震单次能量大于214.38 J、微震b值小于0.7定义为准东巨厚煤层高强度开采特征指标;(3)提出防控冲击地压矿井高强度开采的关键在于调控工作面的开采强度,对未达到高强度开采矿井,在保证安全高效开采前提下,通过调节推进速度增产增效,释放优质产能;对已达高强度开采矿井,通过改变工作面推进速度,进而改变采场围岩应力、能量分布特征,改善工作面煤岩体冲击危险性,保证矿井安全高效开采。

• 断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

  马丹, 李樯, 张吉雄, 刘勇, 侯文涛,

  为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明:(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高级配破碎岩体渗透率预测效果的准确性。研究结果为发展煤矿采动突水灾害理论和防控技术提供了科学依据。

• 深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

  李春元, 雷国荣, 何团, 左建平, 于祥, 郑建伟, 齐庆新,

  受开采卸荷扰动影响,深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响,室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验,获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征,研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制;结合CT扫描与三维重构技术,获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征;建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系,揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系,验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明:在围压卸荷和轴压加载共同作用下,原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式3类;随初始围压增加,原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加;围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂,且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导;而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高,突变点致裂模式与其围压卸荷终点的卸荷量临界值密切相关。

• 基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

  高亚楠, 王云龙, 张垚, 蔚立元, 邵晓爽, 张广凯,

  微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

• 声发射梅尔倒谱系数在砂岩破裂分析的应用

  李振雷, 李娜, 杨菲, 宋大钊, 何学秋, 薛雅荣, 王洪磊, 殷山,

  声发射技术在煤岩破裂分析领域进行了大量应用,取得了诸多有益成果,对煤岩动力灾害监测预警提供了重要指导,然而煤岩声发射分析仍存在进一步研究和完善的空间,亟待提出新的声发射分析方法。为此,开展了预制裂纹砂岩试样单轴加载破坏实验,同步采集了加载全程的应力应变数据和全波形声发射数据,并对试样进行全程高清摄像;利用声波分析手段提取了砂岩的声发射梅尔倒谱系数,探讨了该系数在砂岩破裂分析的优势及其原因,分析了该系数对砂岩破坏过程的响应,由此进一步研究揭示了预制裂纹砂岩试样的破裂破坏演化特征及声发射梅尔倒谱系数前兆信息。结果表明:对同种砂岩的不同试样,由不同通道采集的声发射信号提取的同号梅尔倒谱系数的变化特征相似、变化量相近、偏差程度小(5%~15%),并且在砂岩加载全程具有阶段性和敏感性的变化特征,说明声发射梅尔倒谱系数具有稳定性优势,可作为反映砂岩破裂状态的特征参数;梅尔倒谱系数可对声发射波形进行很好表征,系数提取过程不对波形设置门槛值,系数值由一段时间内声发射波形幅度和密集程度等整体形态决定,而不同通道采集的声发射波形整体形态在一段时间内趋向于相似,是该系数具有稳定性优势的原因;在砂岩破坏阶段,梅尔倒谱系数呈现周期性升降波动,对应应力曲线的周期性降升和高幅度声发射波形的间断性产生,3者的变化量之间具有显著的正相关关系,说明该系数的波动性及其强弱可反映砂岩的破裂过程及破裂的剧烈程度,是砂岩破裂的响应,由此揭示了砂岩的间歇性破裂破坏演化特征,该特征随着临近砂岩失稳破坏而变得愈发剧烈;以此为指导,利用梅尔倒谱系数周期性波动的波峰与波谷之差(即波动差)来表征系数的波动性强弱并描述砂岩间歇性破裂的剧烈程度,得到了梅尔倒谱系数周期性波动差逐渐增大且突增的砂岩破坏前兆。

• 我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望

  林海飞, 季鹏飞, 孔祥国, 李树刚, 白杨, 龙航, 李柏, 和递,

  我国大部分矿区煤层渗透率较低,注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征,总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法,分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性,获得6个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素,影响度依次为:煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数;建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同,从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制,气体因素增流机制包括:充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附;注能改性增流机制包括:充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律,简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势,具体包括:多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、多方法协同注气驱替增流抽采瓦斯技术、注气驱替增流抽采瓦斯工艺参数精准化、注气驱替增流抽采瓦斯装备智能化、煤层注-抽-掘-采衔接布局协调化。

• 覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

  胡国忠, 李康, 许家林, 贾丽明, 王晓振, 秦伟, 谢建林,

  如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术,使工作面采空区瓦斯抽采率平均提高了57.5%,有效保障了工作面的安全开采。

• 煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

  王登科, 唐家豪, 魏建平, 位乐, 吴晶, 袁明羽, 庞晓非, 郭玉杰,

  为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181工作面为工程背景,利用COMSOL软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑Klinkenberg效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明:抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑Klinkenberg效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则明显偏大,表明Klinkenberg效应和基质瓦斯扩散对煤层瓦斯流动分别起促进和抑制之作用。

• 液氮循环冻结煤体融化过程未冻水含量特征及其对孔隙的影响机制

  秦雷, 吝思恒, 李树刚, 林海飞,

  孔隙未冻水含量和分布特征可以反映煤体融化程度,融化程度影响冰孔隙大小,直接决定孔隙渗透性,影响煤层气开采效率。研究冻结条件下煤体冰水相变过程特征,对精准评价煤层低温致裂效率具有重要意义。实验以冻结态饱水烟煤为研究对象,使用核磁共振技术研究煤样融化过程孔隙特征,综合测量T2曲线、累计孔隙度以及累计孔喉分布,定量分析煤样融化过程孔隙结构。实验结果表明,液氮循环冻结煤体融化过程中,首先融化出小孔结构,后融化出中大孔结构,且融化前期孔隙连通性较差。通过计算T2曲线面积,验证了融化过程未冻水含量与温度呈指数关系,并建立拟合函数。同时,根据煤样累计孔隙度与累计孔喉分布将融化过程划分为3个阶段,分别为加速融化阶段(-196~-30℃)、稳定融化阶段(-30~-5℃)以及快速融化阶段(-5~10℃)。热力学分析表明,低温下煤样未冻水含量同时受到孔隙压力与孔径分布影响,孔隙压力越大、小孔结构越丰富的煤样未冻水含量越多。总结了基于液氮循环冻融孔隙扩张收缩以及局部导热特性分析体系,涉及T2图谱分析、导热组分划分、融化速度计算等关键问题,进而分析液氮循环次数造成的煤样融化速度差异。计算结果表明,液氮循环冻结10次时煤样平均融化速度最快,小孔、中孔与大孔冰的最大融化速度分别为0.632%/℃、0.582%/℃和0.521%/℃。

• 浸润环境下煤体多态水分布及运移规律

  杨明, 徐靖, 何敏, 高建良, 张学博, 刘佳佳, 王淞民,

  掌握煤水两相体系中多态水分布及动态运移特征对评价煤层注水效果和煤层气开发利用有重要意义。利用低场核磁共振实验系统,在标定多孔介质中不同状态水分弛豫时间的基础上,对试验煤样进行了浸润实验和核磁共振CPMG序列测试,基于煤体多态水分布结果建立了煤体自由态水弛豫特征与润湿性的定量关系,依托动力学理论研究了煤体吸附态水峰面积随时间变化的规律,揭示了煤储层与水分子间微观作用机制。研究结果表明:吸附态水峰对应的弛豫时间在0.1~10 ms,纯自由态水峰对应的弛豫时间在800~10 000 ms,多孔介质中自由态水的弛豫速率会加快,束缚态水峰位于吸附态水和自由态水峰中间;不同煤样的自由态水弛豫特征与其自身润湿性有紧密联系,润湿能力越强的煤样自由态水弛豫速率越快,弛豫时间越短,对应峰的左移能力越强;接触角θ与煤样的自由态水峰闭合所需浸润时间t及对应时刻自由态水峰值对应的弛豫时间T2存在定量关系,符合θ=51lg T2+2.4t0.3-87;煤体吸附态水峰面积可以用来评估煤层注水降尘效果,其随浸润时间的变化规律符合一级动力学模型,煤粉表面仅存在一种吸附位点;煤体中发生的水分子吸附过程由2部分组成:主吸附过程受扩散作用控制,发生在煤体表面极性官能团上;次吸附发生在煤体外层吸附态水分子形成的吸附位点上,该过程形成的水分凝聚是水锁效应的成因。水锁效应能否产生与煤样自身润湿性强弱有较大关系。

• 再生顶板煤自燃漏风裂隙控制机理

  鲁义, 陈健, 邵淑珍, 施式亮, 丁仰卫, 李亮,

  再生顶板煤自燃是矿井火灾常见类型之一,其顶板裂隙漏风是导致遗留煤炭氧化自燃的关键原因。现阶段,对于再生顶板的支护方式仅从“强帮固顶”的角度出发,针对裂隙漏风的控制研究尚不完善,尤其缺乏在应力集中导致漏风裂隙演化扩展方面的研究。基于此,针对山东鹿洼煤矿2304工作面回风巷再生顶板,以弹性力学理论、临界破坏准则及广义胡克定律为基础,分别推导了各种措施下的应力集中系数与再生顶板围岩特性参数的关系,并利用再生顶板现场情况结合压溃实验与分形维数,阐明了各种措施下的再生顶板应力集中控制情况与裂隙演化规律研究。结果表明:岩石弹性模量对再生顶板的应力集中影响最为显著,且根据现场工况计算得出,使用锚杆支护时,最大应力集中系数为2.341,水泥浆胶结支护时,最大应力集中系数为1.563,纳米浆泡材料胶结支护时,最大应力集中系数为1.393;此外,利用压溃实验发现水泥材料胶结体的裂隙主要从中心向四周扩散,其横向纵向的裂隙数量均会持续增加,并逐渐贯通,而纳米浆泡材料仅会在原有裂隙基础上继续演化发育,当单轴压力超过8 MPa后,纳米浆泡材料胶结体的裂隙基本不再发育;分形维数计算结果表明,当压力小于5 MPa时,纳米浆泡材料的多孔结构会使分形维数大于水泥材料胶结体;当压力大于5 MPa时,尤其是超过抗压强度后,纳米浆泡材料胶结体的分形维数小于水泥浆胶结体,故裂隙扩展演化速率更加缓慢,有利于阻止再生顶板的裂隙漏风。

• 煤田火区氧化煤分阶催化气化及作用机理

  戚绪尧, 陈良舟, 王涛, 张亚博,

  煤田火区热量较大,火区高温会对周围煤体造成影响,在火区受到有效控制或蔓延至其他区域后,往往在火区边缘或邻近煤层形成数量较大的氧化煤。与原始煤炭相比,氧化煤热值低、灰分高,难以作为常规燃煤利用,目前多与优质煤混合利用,导致混煤整体燃烧热值降低且炉渣量增加,严重影响电厂锅炉运行效率。为了更好地利用氧化煤,实现资源利用最大化,提出了氧化煤的分阶催化气化思路,并提出使用价格低廉的膨润土作为高温阶段的催化芯材,通过分阶式催化剂分别实现氧化煤气化过程的初期快速活化和后期催化气化,从而实现氧化煤高效气化利用。采用X射线衍射、扫描电子显微镜和孔隙分析表征氧化煤催化气化过程中关键结构演变特征,并利用热重质谱联用开展气化实验,通过特征参数分析气化前期和后期反应特点。结果表明:分阶式催化剂由外层K2CO3和内层膨润土构成,其表层K2CO3能明显促进氧化煤初期热解过程中孔隙结构的形成,在气化初期产生大量微孔结构,增加氧化煤与气化剂CO2的接触面积,提高氧化煤反应活性;含Na+阳离子的膨润土可以在高温阶段发挥稳定催化作用,弥补了K2CO3在高温阶段易挥发和失活的缺陷。在分阶式催化剂作用下,碳晶格单元的生长速度减小。这表明分阶式催化剂可以插入碳芳环的边缘,导致内部晶格出现缺陷,从而有效抑制氧化煤焦的石墨化进程,保证连续催化气化反应。当K2CO3和钠基膨润土的质量比达到1∶1,整体催化气化效果最佳。分阶式催化剂在热解阶段也起到一定的催化作用,能促进氧化煤热解脱挥发分释放出氢气。在气化反应阶段,分阶式催化剂能有效降低氧化煤气化反应温度以及合成气产率峰值温度,提高气化反应速率。CO和H2体积分数峰值对应温度的降低幅度分别达到97.4、129.1℃,具有明显的催化效果。氧化煤的分阶式催化气化高效制取合成气为火区氧化煤高效利用提供了新思路,可避免大量火区滞留煤炭资源的浪费。

• 采动覆岩“突水离层带”岩体结构演化致灾机理及突水预报方法

  乔伟, 刘梦楠, 李连刚, 郭伟, 王启庆, 孟祥胜, 李小琴, 段中稳, 陈维池, 李文平,

  离层水害是近年来我国东西部矿井较为常见且严重的水害类型,研究采动覆岩结构演化对揭示离层突水机理、灾害预测防治有着重要意义。为分析不同工程地质条件下离层突水演化机理,将可以产生采动覆岩离层涌水的离层水体及其上下位一定范围的岩层统称为“突水离层带”。建立“突水离层带”采动岩体结构力学模型,根据上位岩层和下位隔水层破断规律,分析5种突水类型(采动覆岩离层静水压突水、采动覆岩离层动力突水、多煤层叠加开采离层突水、传统顶板导水裂隙涌水和离层积水不突水)的形成机制和力学条件,研究回采期间导水裂隙带时空演化与离层突水的关系;基于工作面开采条件、覆岩条件、突水离层带发育位置和微震监测,分析了离层突水形成条件,揭示了离层突水演化机理,并对永陇矿区崔木煤矿和招贤煤矿工作面开展了实例分析,提出了工作面离层突水预报方法。研究得出:(1)随着工作面推进,充水离层上位岩层和下位隔水层破断规律的差异是导致出现5种突水类型的根本原因;(2)只有在采高M和充水离层与煤层间距H处于某种特定关系下,才会满足形成“突水离层带”的基本条件,发生离层突水;(3)陕西崔木煤矿21306工作面离层突水主要是由上位岩层破断导致,突水期间高能量矿震(>104 J)发生次数增多,微震日总能量和平均每次能量显著升高;而陕西招贤煤矿1304工作面离层突水是由下位隔水层破断导致,突水期间<103 J矿震每日次数显著增多,对应矿震每日总次数升高而平均每次能量值减小。

• 煤层采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态计算方法

  徐智敏, 陈天赐, 陈歌, 李剑锋, 孙亚军, 李鑫, 袁慧卿, 何也,

  为预防煤矿采掘过程中突水事故的发生,开展矿井突水预测预报尤其是涌水量的精准计算尤为重要。以目前矿井涌水量计算普遍采用的解析法(也称“大井法”)为例,针对采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态精准计算之间的矛盾问题,在进一步分析笔者团队前期研究成果的基础上,阐述了采动顶板破坏过程中涌水形成机制和水文地质参数演化规律,探索性提出了变参条件下矿井涌水量动态计算方法,并进行了工程应用与可靠性评价。研究表明:采动诱发顶板直接充水含水层的渗透系数(K)呈“稳定增加—波动变化—恢复稳定”的变化特征,水位降深(S)和影响半径(R)呈“快速增加—略微下降—恢复稳定”的变化特征;传统解析法预计涌水量时在边界条件概化、参数选取以及计算过程存在误差,论文提出了矿井涌水量动态计算方法,即考虑采空区面积、水位漏斗动态变化过程的“移动大井”理论模型,以初次(周期)垮落步距为计算单元依次概化“移动大井”,渐次计算工作面推进过程中的动态涌水量;以徐矿集团下属某矿1306工作面为例,分别开展了工作面回采过程中引用影响半径(R0)单参数变化和引用影响半径(R0)、水位降深(S)双参数变化条件下的矿井涌水量动态计算,计算结果显示单参数和双参数变化条件下的矿井涌水动态计算方法可显著提高其计算精度,其相对误差平均值由传统解析法的140.7%可分别降低至88.7%、10.3%。研究成果可为矿井长期开采过程中干扰流场演化的推演,以及工作面回采过程中不同阶段矿井涌水量的动态、精准计算奠定方法基础,为矿井防治水工作开展和合理配备防排水设施提供依据。

• 热变煤的变质演化纳米特性及其类石墨结构特征

  王绍清, 陈昊, 王小令,

  热变煤所处地质条件明显异于正常变质作用煤,由于受到直接接触的岩浆侵入体影响,热变煤一方面经受了快速升温缓慢冷却的受热过程,另一方面也受到侵入体接触挤压带来的额外应力作用,这使得热变煤的碳纳米结构变化明显异于正常变质作用煤。为揭示热变煤中碳纳米结构的特殊性,基于X射线衍射(XRD)与高分辨率透射电镜(HRTEM)分析手段,研究热变煤的微晶结构参数演化,同时对热变煤中碳纳米结构类型及其成因进行系统分析。结果表明:与深成变质作用煤相比,热变煤的微晶层间距更接近石墨微晶。在镜质体反射率小于10%时,热变煤的层间距和La/Lc均呈现三阶段变化。在热变煤中,识别出4种碳纳米结构,即无序芳香簇结构、芳香同心环状结构、涡层结构和类石墨状结构。其中,类石墨状结构主要出现在颗粒边缘、显微组分相互挤压面上以及孔隙裂隙边缘处,其成因与颗粒内部应力有关。相比于其他3种碳纳米结构,类石墨状结构的定向性更好,同时其芳香层片的长度也更长。与正常变质煤受热形成的类石墨结构不同,热变煤颗粒边缘类石墨结构的层间距更小而延展度更大。基于此,通过改进的Hummers法可从热变煤中制备得到石墨烯,但缺陷特征明显,因此亟需进一步深入研究。

• 煤有机大分子碳结构石墨化机制

  李伍, 杨文斌, 战星羽, 李锦,

  煤化作用和石墨化作用共同控制煤的形成和演化,因煤物质成分、化学结构的复杂性和石墨化作用的特殊性,使得研究煤大分子结构热演化过程非常困难。为了探索煤化过程和石墨化过程中的大分子结构变化特征,通过煤质分析、固体核磁共振、高分辨率透射电镜(HRTEM)、黄金管热模拟等实验技术和Amsterdam Modeling Suite (AMS)量子化学计算技术,对不同煤阶煤和煤系石墨样品进行测试分析,从大分子量子化学角度构建不同煤阶煤的有机大分子结构,以揭示煤的有机质大分子碳结构演化及石墨化机制。(1)随着成熟度升高,煤大分子结构中芳香结构的占比逐渐增大,脂肪结构含量逐渐减小,芳碳率在无烟煤阶段达到0.9以上;(2)低煤级煤和中煤级煤大分子中2×2、3×3尺寸的芳香条纹含量占比最大,随着成熟度的升高优势方向(75°、90°和105°)条纹占比由26.47%增至50.10%,在无烟煤和高级无烟煤阶段出现芳香条纹堆叠现象;(3)利用构建的三维大分子结构模型开展热解模拟计算,发现随着模拟温度升高,芳香层片间距有规律的减小,从0.400 nm降至0.318 nm,这与低煤阶煤到高煤阶煤芳香层片层间距从0.467 5 nm降到0.368 0 nm的结果是一致的;(4)分析评价了煤石墨化过程中大分子结构体系的变化规律,初步认为杂原子和脂肪结构的脱除是煤芳香结构向晶簇转化的原因,并探讨了煤大分子石墨化机制,初步揭示煤化作用和石墨化作用过程中,碳结构的变化规律和演化机理。

• 燃爆冲击载荷对页岩储层孔裂隙系统的改造作用特征

  陈尚斌, 罗宁, 翟成, 林威, 翟潇航, 张瑛堃, 张宇航, 王阳, 刘厅,

  燃爆压裂是近年提出的一项针对页岩气储层压裂的变革性技术,研究燃爆冲击载荷的改造作用可为燃爆压裂法的应用提供基础依据。选取川南泸州区块龙马溪组一段页岩样品,采用自制的燃爆冲击载荷试验系统开展燃爆冲击实验,用计算机断层扫描仪(μ-CT)扫描燃爆前后样品,通过数字图像处理技术提取孔隙并重构,统计孔隙数据获取孔径分布,研究燃爆冲击载荷作用前后孔裂隙系统的变化特征。结果表明:(1)瞬时升温产生的热应力破坏页岩中层理弱介质,使其内部微裂缝失稳、扩展乃至贯通;受燃爆冲击载荷作用影响,页岩中心位置应力集中,应力波冲击使页岩形成多条裂缝,产生大量孔隙;(2)燃爆冲击载荷作用对页岩储层孔裂隙系统的改造显著受层理和微裂缝的影响;层理和微裂缝越发育,改造后形成的裂缝网络越复杂;受黏土矿物等塑性矿物的约束性降低,储层应用范围更广;(3)瞬时升温和燃爆冲击载荷作用对页岩复杂缝网的形成和扩展均有显著促进作用;燃爆冲击载荷作用更加有效地改造页岩储层孔裂隙系统并产生大量连通性孔裂隙,连通性孔隙增加约67%。这一研究从微观层面证实燃爆冲击载荷作用能有效改造页岩储层。

• 基于纳米压痕的煤岩微观力学特性及其影响因素剖析

  蔡益栋, 贾丁, 邱峰, 刘大锰, 闫霞, 周优, 安康,

  煤岩微观力学特性与宏观力学特性关系密切,是剖析宏观力学性质机理的关键指标,也是影响煤层气压裂开采的重要因素。现阶段煤岩微观力学特性研究局限于力学参数表征与现象描述,演化机制及影响机理方面的研究较为缺乏。以我国不同变质程度煤岩为研究对象,通过以纳米压痕实验为主,低温液氮与原位激光拉曼测试为辅的手段,实现了纳米压痕实验关键参数优选,并明确了煤岩镜质组与惰质组微观力学特性及其主控因素。研究结果表明:(1)预实验结果显示,低载荷、小量程下,最大压入深度在1 000 nm左右(对应峰值载荷约为9 mN)的参数设定较为适合煤岩镜质组和惰质组的纳米压痕实验;(2)煤岩惰质组的弹性模量和硬度均普遍高于镜质组,且同一煤样中不同位置显微组分的弹性模量和硬度相近,说明在局部范围内煤基质显微组分的微观力学性质分布具有一定相似性;(3)煤岩显微组分和成熟度通过控制孔隙结构与化学结构以“一主一辅”形式共同影响其微观力学性质,即镜质组微观力学强度随煤化程度加深先升后降再升,下降段主要受因气孔增多导致的孔隙结构变化影响,上升段化学组分和结构为主控因素;惰质组的微观力学性质随煤岩成熟度升高持续增加,始终以受化学组分和结构控制为主。煤岩微观力学性质研究可广泛运用于微观尺度下的煤基质变形机制分析、水力压裂过程中微裂缝的产生与拓展探究以及开发有利区优选。

• 多手段表征富油煤微生物厌氧发酵孔隙结构变化特征及机制

  鲍园, 李争岩, 安超, 王双明, 李丹,

  煤层气生物工程技术是实现富油煤绿色、低碳开发的有效手段之一。为探究微生物厌氧发酵作用下富油煤孔隙结构演化特征,以鄂尔多斯盆地南部黄陵矿区富油煤为研究对象,在实验室条件下开展微生物厌氧发酵(降解)富油煤生烃模拟实验,采用场发射扫描电镜、3D形貌仪、CT扫描、孔隙度/渗透率测试等手段,对微生物降解前后的富油煤表面形貌、粗糙度和内部孔隙进行表征,并探讨微生物降解作用下富油煤的孔渗结构演化规律及生烃机制。结果表明:不同规格大小的煤样甲烷生成潜力与煤的质量(或接触面积)呈正相关关系;微生物降解作用具有显著的扩孔、增孔、增容、造缝等效果,以及降低煤体表面粗糙度,使其变得平滑,有利于煤层气的解吸和运移;微生物还可沿着节理、裂隙系统进入富油煤内部,改造煤体孔隙结构及其连通性;同时微生物降解作用还可提高富油煤的孔隙度和渗透率,为煤层气的渗流和运移提供了良好的通道。微生物主要作用于富油煤中脂肪族上的支链,打破小分子间连接较弱的氢键,降低脂肪族的分支程度和煤结构的交联度,进而生成甲烷。微生物作用还可改变富油煤芳香度和芳香环的缩合程度,进而改变富油煤大分子结构与孔隙结构。微生物厌氧发酵富油煤与非富油煤的生烃机制差异性问题值得后续深入研究。

• 深煤层含气系统差异及开发对策

  李勇, 徐立富, 张守仁, 吴见, 毕建军, 孟尚志, 陶传奇,

  我国深部煤层气资源丰富且开发潜力巨大,实现规模开发有助于形成煤系气大产业,服务油气增储上产,保障国家能源安全。在系统总结近年深部煤层气勘探开发成果基础上,结合实验测试和理论分析,揭示了深部差异含气系统模式,并针对性提出了开发策略。研究结果表明,受构造演化和保存条件差异影响,煤层气存在过饱和干煤系统、饱和~近饱和湿煤系统和欠饱和湿煤系统。干煤系统游离气含量高,且在深煤层中呈压缩状态,在储层压力>10 MPa条件游离气含量可以达到并超过吸附气,易形成高产。湿煤系统中煤岩裂隙或者大孔隙中饱和地层水,需要排水降压解吸产气。煤层在煤化作用过程中生烃超压,纳米孔隙中饱和游离气且地层水难以侵入。深部吸附气和游离气处于动态转化,受范德华力、毛细管力和浮力作用综合影响,深煤层形成连续型天然气藏,具有“源岩控储”(连续稳定煤层控制储层质量)和“物性控藏”(物性差异影响甜点分布)特征,可在封盖条件良好的稳定高渗煤层寻找甜点区。深煤层压实致密且地应力高,煤岩抗压强度增加,储层改造裂缝有序性增强,可在不同粒径支撑剂下形成立体渗流网络。干煤系统改造以体积改造和“碎裂化”为主要目的,考虑采用水平井大规模分段压裂,扩大渗流面积,提高产气速度;湿煤系统以适度改造和“疏导化”为主要方式,并考虑水平井顶板间接压裂等开发策略。煤成气在地质历史中持续向邻近层系充注运聚,形成全含气系统,应当充分利用成熟探区地质和工程基础,整体部署,分类突破,多气合采,实现深部煤层气规模化开发和多类型天然气总体动用。

• 瞬变电磁共中心零磁通线圈研制与试验

  胡雄武, 陈人峻, 张平松, 吴荣新, 付茂如, 周昊钰,

  基于小尺度共中心线圈的瞬变电磁方法因施工便捷、快速且对低阻体敏感等优点,而被广泛应用于矿山、交通、水利等领域的工程地质探测。但理论与实践表明,该方法实测早延时信号明显失真,所计算的视电阻率值严重偏离实际,从而造成该方法对浅层地电信息的探测能力缺失,存在勘探盲区。为克服该技术缺陷,首先重建了共中心观测方式下仪器记录的瞬变场信号,基于理论分析研究了接收系统暂态过程和一次场对瞬变场观测信号的影响特征。结果表明,接收系统暂态过程和一次场是引起早延时数据失真的2个原因;与前者相比,后者对瞬变场有效分辨时间滞后的影响更大,为关键因素。同时指出在调制接收系统阻尼匹配情况下,进一步消除一次场干扰是减小勘探盲区的有效途径。基于此,考虑到发射线圈内、外磁场极性相反的特点,建立了共中心零磁通线圈的绕制方法,明确采用内、外接收线圈串联的方式可实现接收线圈内一次场总磁通量趋向于零(即零磁通);并通过公式推导,给出了内、外接收线圈匝数比的理论计算方法。现场试验结果表明:(1)内、外接收线圈匝数比的理论值较为可靠,但因线圈绕制存在误差,实际中还需结合线圈实测信号特征进行修正;(2)与中心线圈相比,所绕制的零磁通线圈受一次场干扰明显减小,瞬变场有效分辨时间大幅前移,早延时信号得到高度保真;在此基础上,通过增加内、外接收线圈匝数,可有效改善晚延时数据信噪比;(3)与中心线圈相比,零磁通线圈实测数据对试验区浅层地电信息的分辨能力明显增强,较好地解决了瞬变电磁方法存在浅层勘探盲区的技术难题,体现了零磁通线圈的可靠性和优越性,可为实际探测提供装备支撑。

• 离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

  徐良骥, 张坤, 刘潇鹏, 陈宝宝, 范廷玉, 桂松,

  为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段,基于弹性地基梁理论,给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法;采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟,研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征,以及不同注采比条件下地表移动变形特征;借鉴等价采高理论,将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间,结合概率积分法,建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证,结果表明:该地质条件下,离层注浆开采工作面宽度宜设计在90~120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计,预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内;离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约83%。

• 关闭矿井次生沉陷监测、预测与稳定性评价研究进展和展望

  陈炳乾, 刘辉, 李振洪, 郑美楠, 于洋, 余昊, 秦璐, 杨家乐, 杨宇,

  近年来由于部分矿区煤炭资源枯竭和国家去产能政策的出台,大量矿井被关闭。矿井关闭后,采动破裂岩体在应力、地下水等多种因素的作用下发生风化劣化、强度降低,将改变废弃采空区内破裂岩体的应力和承载能力,导致地表发生二次形变或多次形变,这种由非直接采动引起的覆岩及地表沉陷,称为次生沉陷,将对地表工程建设和人民生命财产安全造成巨大的潜在威胁。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了关闭矿井的地理分布,之后分别对关闭矿井次生沉陷监测、预测方法和煤柱稳定性评价方法等方面展开综述,最后对关闭矿井次生沉陷灾害研究存在的问题和研究热点进行了展望。研究结果表明:(1)目前我国关闭矿井数量众多,仅在2016—2020年间就退出5 243处,退出产能87 538万t。(2)常规的关闭矿井沉陷监测方法虽然精度高,但存在工作量大、费用高、难以获取面域信息等缺陷,而基于InSAR技术的地表沉陷监测不仅可以获取高精度、大范围当下时间序列形变信息,还可以对已发生形变进行溯源监测,基于时域反射计和微震监测仪的地下岩层移动变形监测可以实时、高密度获取岩层移动形变信息。(3)对于复杂地质采矿条件,数值模拟法预测的关闭矿井地表次生沉陷可靠性较高,但其建模过程复杂、参数选取困难;对于简单地质采矿条件,解析法求解精度和效率更高。(4)柱式开采煤柱应力与采空区尺寸有关,当采空区尺寸与采深比在3~4时,可用从属面积理论计算煤柱应力,否则需要考虑压力拱。剥离破坏模型考虑了矿柱尺寸随时间的变化,并且其在理论上解释了矿柱宽高比对矿柱长期稳定性的影响,同时矿柱剥离破坏模型能够较好地区分稳定和失稳煤柱。(5)关闭矿井次生沉陷灾害问题的研究仍面临沉陷规律及其机理、煤柱长期强度变化规律和煤岩体风化劣化机理不明确等关键科学问题。

• 新疆戈壁煤矿露天开采对生态环境扰动定量分析

  刘英, 许萍萍, 毕银丽, 岳辉, 彭苏萍, 韩勇, 姜凯升,

  新疆戈壁矿区生态环境脆弱,极容易受到自然和人为因素的影响,其生态环境也逐渐被广泛关注。选取新疆五彩湾露天矿区为研究对象,利用1990—2020年Landsat影像,在遥感生态指数IRSE基础上,引入煤尘指数、盐度指标、土地退化指数构建干旱煤矿生态指数(IACME),并运用M-K检验与Sen趋势分析法揭示研究区IACME时空演变特征与规律,评价干旱矿区的生态环境质量状况,同时利用多元回归、神经网络、随机森林和支持向量机方法分别建立五彩湾矿区气候因素与IACME的关系模型,预测得到基于气候条件下的I′ACME,结合残差分析与双重差模型定量评估采矿活动的影响。结果表明:(1)近30 a来研究区IACME均值为0.28,总体上IACME呈下降趋势,由1990年的0.30下降到2020年的0.22。变化幅度方面,退化区面积占比为62.63%,远高于改善区28.3%,由于采矿活动的影响,显著退化面积占比增加12.96%,主要集中在以矿井为中心向外辐射区域,显著改善面积占比下降17.28%。(2)利用多元回归、神经网络、随机森林、支持向量机4类方法分别建立气候因素与IACME的关系模型,得到基于麻雀搜索算法的随机森林(SSA-RF)精度最高,验证集R2=0.82、均方根误差ERMS=0.109,该模型在所使用的建模方法中可靠性更高,适用性较强;(3)通过SSA-RF预测基于气候条件的I′ACME,气候影响下,研究区生态环境以较差(0.2~0.4)和中等(0.4~0.6)为主。假设不存在采矿活动,研究区2006—2020年I′ACME在0.26~0.59,I′ACME平均值为0.40,与同年份实际的IACME空间分布相比,环境显著改善的区域明显增多,主要集中在研究区中部矿井所在区域。(4)利用残差定量分析得知研究区采矿活动对生态环境具有负向效应,平均残差δ为-0.116,通过双重差分模型得出采矿对生态环境的定量影响为-0.112,进一步表明煤炭开采对生态环境存在负面扰动,导致生态环境质量下降;2种方法计算结果相近,表明SSA-RF与双重差分模型均可用于定量分析煤炭开采的影响。(5)采矿活动导致研究区生态环境退化占比为57.52%,改善占比为34.67%;气候条件下导致生态环境退化占比为42.28%,改善占比为65.33%,采矿导致生态环境退化占比超过50%,说明采矿活动是影响生态退化的重要原因之一。综上所述,五彩湾矿区生态系统亟待恢复,必要时应辅以人工干预,来推动五彩湾戈壁矿区整体的环境保护、生态系统修复与综合治理。

• 基于大样本的露天开采植被扰动范围一般性统计规律——以神东煤炭基地为例

  李军, 彭传盈, 张成业, 李全生, 张凯, 刘举庆, 马雪松,

  露天开采对植被的扰动范围对于矿区生态环境治理与修复具有重要意义。现有研究主要以单个或若干个煤矿为研究对象,所得结论仅能反映个体煤矿的特点,缺乏对区域尺度上大量露天煤矿的开采扰动一般性规律研究,难以在实践中推广使用。针对上述问题,本研究根据临近煤矿分布特点与生态扰动类型,定义了4种类型的露天煤矿区OD-NDVI曲线(Orientation Distance-Normalized Difference Vegetation Index Curve),包括“负独立型曲线”、“负密集型曲线”、“正独立型曲线”和“正密集型曲线”,并提出了基于OD-NDVI曲线的开采植被扰动距离提取方法,包括数据预处理、OD-NDVI曲线提取、曲线分类与开采扰动距离识别4个主要步骤。以神东煤炭基地106个露天煤矿为研究对象,提取所有煤矿的开采扰动距离并进行定量统计分析,揭示了研究区露天开采对植被扰动范围的一般性统计规律。结果如下:(1)采用Shapiro-Wilk统计检验方法进行显著性检验,发现神东煤炭基地露天煤矿的开采扰动距离符合正态分布(R2=0.95),开采扰动距离大多在均值1 214 m附近,且68.26%的开采扰动距离分布在939.05 m, 1 488.71 m内(均值的1倍标准差内);(2)借助箱线图统计,揭示了露天煤矿的开采扰动距离存在有界性特点,最大值为2 025 m,最小值为600 m,仅有0.13%的开采扰动距离大于2 038.37 m(超过均值3倍标准差);(3)通过分析露天煤矿在8个方向上开采扰动距离的变异系数,发现其开采扰动距离存在显著的方向异质性,70.7%的煤矿方向开采扰动距离存在较强或中等方向异质性,仅有29.3%存在弱方向异质性;(4)通过拟合建模分析,发现开采扰动距离与实际年产煤量存在显著的对数模型关系(R2=0.613),随着煤矿的年产煤量增长,其开采扰动距离呈对数增加,但在年产煤量增加至232万t后,年产煤量对扰动距离无明显影响作用。基于大样本露天煤矿的统计分析结果具有更强的普适性和精细度,有望为干旱半干旱煤矿区的分级分区治理、精准修复、生产计划优化等提供科学指导。

• CO2原位捕集强化水气变换制氢研究进展

  荆洁颖, 屈婷, 陶威, 李文英,

  氢能为实现零碳排放的能源利用提供了重要解决方案。然而,受制氢技术限制,现阶段我国主要以化石燃料为原料通过气化或重整得到CO,再通过水气变换制氢。虽然使用化石燃料制氢拥有80%的能量转换效率,但其制氢生命周期的平均CO2排放量近14 kg/kg(CO2/H2),不利于实现“双碳目标”。因此,在化石燃料经水气变换制氢过程中,如何分离去除CO2是影响H2纯度和减少能耗的关键步骤。相比于常用的醇胺溶液法高能耗,CO2原位捕集强化水气变换制氢利用固体吸附剂原位捕集产气中CO2,可实现一步制取高纯度H2且富集回收纯CO2。因CO2的移除量和移除速率直接决定水气变换反应的强化程度,关系到H2的产率和纯度,其运行稳定性与生产成本相关。因此,该工艺的高效运行依赖于高活性水气变换催化剂和CO2吸附剂。为此,针对CO2原位捕集强化水气变换制氢的原理及优势进行详述,总结了水气变换催化剂、MgO基CO2吸附剂和双功能复合催化剂在使用过程中存在的问题和相应的改进措施,阐述了CO2原位捕集强化水气变换制氢要实现工业化需重点攻关的问题,并提出未来研究应综合考虑反应器选择与复合催化剂设计,通过工艺优化,实现系统物质转化、能量利用和经济性能的最优耦合,揭示CO2原位捕集对制氢能耗降低的内在本质。

• CO2-水洗对准东高碱煤Na/Ca脱除性能的影响

  王长安, 罗茂芸, 熊若宸, 张津铭, 赵林, 冯平安, 车得福,

  煤炭是我国主要能源资源,而准东煤田作为我国最大的整装煤田,具有非常高的开发利用价值。但准东煤中Na、Ca等碱金属和碱土金属(AAEMs)含量较高,导致在工业生产中结渣沾污问题严重。为探究CO2-水洗处理对准东高碱煤的脱碱效果及水洗过程溶液中Cl-/NO-3等阴离子的分布特性,进行水洗/CO2-水洗准东煤脱碱实验。在水洗温度为20、40、60℃,水洗时间为2、5、8 h等不同水洗条件下,对水洗/CO2-水洗准东煤Na/Ca和Cl-/NO-3的脱除性能进行对比分析,并对其他气体氛围下水洗准东煤脱除Na/Ca的可行性进行探讨。实验结果表明:随着水洗时间、温度及水煤液固质量比的增加,Na/Ca的脱除效率增加且增幅较大,滤液中Cl-/NO-3等阴离子浓度也有所增大。当水洗时间为5 h、水洗温度为60℃、液固比为50∶1、CO2通入流量为100 mL/min时,Na/Ca的脱除效果达到较高水平,脱除效率分别可达73.8%和15.0%。Na/Ca的脱除效率与CO2流量和CO2/O2混合气体中CO2体积分数基本呈正相关,而CO2流量对Cl-/NO-3的浸出也具有一定的抑制和促进作用,其中滤液中Cl-/NO-3质量浓度随CO2流量变化有所波动,除物理上的鼓泡作用外,可能存在其他化学反应机理。在其他气体氛围(如N2氛围)下水洗准东煤,Na/Ca的脱除效果也有一定改善,但没有CO2参与水洗的脱碱效果好。因此,将CO2应用于水洗准东煤脱碱切实可行,并具有良好的应用前景,通过合理的工业流程改造,有望实现一定规模的工业化应用。

• 机械力改性强化煤系高岭土电选脱碳试验研究

  贺靖峰, 戴永平, 郭成静, 白强, 朱凌涛, 杨斌,

  煤系高岭土的高效脱碳提质是后续深加工利用的前提和保障。通过红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)以及荷质比测试探究了机械力改性对煤系高岭土不同组分颗粒(高岭石和净煤)表面元素组成、官能团以及荷电性能的影响。在此基础上,采用旋转摩擦电选试验研究了机械力改性对煤系高岭土脱碳效果的影响。研究结果表明:机械力改性能够改变高岭石和净煤颗粒表面元素以及官能团,引起高岭石和净煤颗粒表面荷电性能的变化。机械力改性能够使高岭石和净煤表面C—C基团含量升高、C—O基团含量降低、C=O基团或—COOH基团含量升高,强化了高岭石和净煤颗粒的摩擦荷电性能差异。机械力改性后,高岭石中Al和Si元素含量的减小,增加了其表面负电荷;净煤中C、Al和Si元素含量的增加以及O元素含量的减少,增加了其表面正电荷。随着机械力改性时间的增加,高岭石和净煤颗粒表面的荷质比呈现先减小后趋于稳定的趋势。当机械力改性时间为40 s时,高岭石与净煤颗粒具有较强的荷电能力,其中0.074~0.125 mm和0.125~0.250 mm净煤的荷质比分别为12.88 nC/g和13.16 nC/g,高岭石的荷质比为-5.41 nC/g,两者荷质比差值较大且稳定,有利于煤系高岭土的摩擦电选脱碳。在最佳试验条件下,经机械力改性后,0.074~0.125 mm与0.125~0.250 mm煤系高岭土脱碳效率分别为41.35%和37.17%,精矿产率分别为72.92%和77.05%,有用组分回收率分别达到82.27%和83.99%,实现了煤系高岭土的高效脱碳预富集。

• 煤炭分选过程中铅与硫的迁移与富集规律

  周玲妹, 郑浩, 武正鹏, 王晓兵, 初茉, 孙伟, 马跃, 杨子成,

  在煤炭资源的加工利用过程中,部分重金属元素会在环境中富集,对环境和人体均有一定危害。煤炭分选作为煤炭加工利用的前端处理工艺,可以去除煤中大部分矸石,但是目前对分选过程中重金属元素的迁移研究较少。选用内蒙古低灰高硫煤样和高灰低硫煤样进行浮沉、浮选试验,通过电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)、X射线衍射(XRD)、X射线荧光分析(XRF)等测试方法研究重金属铅元素在煤中的赋存形式及分选过程中的迁移富集规律。试验结果表明:不同灰分煤样中重金属元素赋存形式差别较大,对分选中的富集与迁移规律影响显著。由逐级化学提取可知铅元素有机结合态含量较少,约为5%,整体表现出向矿物质中富集的趋势;浮沉试验中铅元素在2种煤中易于向较大密度1.6~1.8 g/cm3富集;浮选试验中铅元素趋于向尾煤中富集,且铅元素含量变化与灰分能够保持一致性。此外,低灰高硫煤尾煤中的铅与硫的含量变化呈现较好的一致性,而在含有机硫较高的低硫煤中无此现象,表明铅受无机硫的影响较大。以上规律表明,通过分选可将煤中的大部分铅元素除去,进而提高煤的品质,降低煤中铅元素对环境及人体的危害。

• 煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布的制备及电化学性能

  李鹏, 张致远, 周群宗, 梁政勇,

  煤沥青碳含量高、缩合芳环含量高、杂质含量低,是制备碳材料的优质碳源。以煤沥青为碳源,聚丙烯腈高分子聚合物为骨架,采用静电纺丝法制备煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布,是实现煤沥青高值化和清洁化利用的重要途经之一。以等体积丙酮/二硫化碳混合溶剂萃取煤沥青,获得精制煤沥青萃取物,继而与聚丙烯腈混合制备纺丝溶液,在静电纺丝设备上制备前驱体纤维无纺布。前驱体纤维无纺布经预氧化、炭化和活化处理制备煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布。采用高分辨率扫描电子显微镜(SEM)表征了不同质量比的前驱体纤维无纺布、碳纤维无纺布的形貌。前驱体纤维无纺布由连续的长丝所构成,呈现出网状结构,表面平滑,说明煤沥青萃取物和聚丙烯腈表现出良好的融合性和可纺性。采用BET测试分析了不同质量比的活性碳纤维无纺布的比表面积和孔分布特征,其中AC-E65表现出最大的孔容量和比表面积(2 541.8 m2/g)。通过循环伏安测试、恒电流充放电测试和电化学阻抗谱测试研究了煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布的电化学性能。煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布的双电层电容特性明显,倍率性能和可逆性能优异,循环性能良好,尤其是煤沥青萃取物质量比为70%时,煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布表现出优良的电化学性能:电流密度为1 A/g时,比电容可达到186.3 F/g,循环充放电2 000次比电容保留率为95.2%。因此,以聚丙烯腈为纤维骨架,煤沥青为填充基质,结合静电纺丝法能有效实现煤沥青/聚丙烯腈复合碳纤维无纺布的制备,并表现出良好的电化学性能。

• 氨煤混燃过程中NH/煤焦/O2异相体系N氧化的分子机理

  陈萍, 王莹, 汪辉春, 蒋博宇, 顾明言, 樊建人,

  为了实现双碳目标,降低煤电碳排放势在必行。无碳燃料氨与煤混烧被认为是降低火电碳排放的有效途径之一。而氨作为N源,增加了氨煤混燃NOx排放量升高的可能性,因此,深入研究氨煤混燃NO生成机理对实现氨煤混燃低碳低氮燃烧十分关键。采用量子化学方法探究了当NH3以NH形式存在时氨煤混燃N的氧化机理,并采用波函数分析NH和O2在煤表面的吸附行为。计算结果表明,NH在C5表面吸附形成中间体IM1的过程为放热过程,放热量高达754.79 kJ/mol,且C原子为电子供体而失电子,NH为电子受体而得电子,促进C—N键键合。进一步探究O2以不同方式吸附时NH/煤焦/O2体系的反应机理,得出NH/煤焦/O2共燃体系首先发生NH在煤焦表面的氧化,随后煤焦表面残余氧或体系中O2将煤焦-N进一步氧化。NH/煤/O2异相体系中NH通过不同反应路径生成氧化产物NO、NO2和HNO,对应决速步能垒分别为120.67、323.37和193.50 kJ/mol,说明氨-N/煤-N生成NO的过程更易进行。动力学结果表明,各温度下生成NO的决速步速率明显高于NO2,且随着温度升高,生成NO的决速步速率与HNO的逐渐接近。NH氧化产物释放后,残留在煤焦表面氧进一步与C结合成CO释放,实现了共燃体系氨燃料中N和煤粉中C的氧化。随后煤焦-N与体系中O2发生异相氧化,实现煤焦-N向NO的转化。在微观层面揭示了氨燃烧生成NO过程中重要过渡产物HNO形成的分子机理,明晰了另一氧化产物NO2的生成路径,为发展氨煤的混合燃烧机理提供理论支撑和数据参考。

• 矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

  刘送永, 李洪盛, 江红祥, 张强, 崔玉明, 刘晓辉,

  针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀/圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿/钻孔/滚刀/圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

• 基于特征优选和随机森林的掘进机多工况截割岩石硬度识别

  常聚才, 戚鹏飞, 陈潇,

  为了实现岩巷掘进机不同工况截割岩壁岩石硬度的识别,通过掘进机多截割工况岩石硬度识别实验平台,获得不同工况截割不同硬度岩石的截割电机电流及扭矩信号,提出一种基于特征优选和随机森林(RF)的掘进机截割岩壁岩石硬度识别方法。该方法首先利用自适应噪声的完全集合经验模态分解(CEEMDAN)对实验获得的电流及扭矩信号进行分解,获得本征模态分量(IMF)并计算IMF的样本熵(SE),将SE最高的IMF进行变分模态(VMD)二次分解。计算二次分解IMF的模糊熵后对电流及扭矩信号重构,再计算重构信号的时频特征,与二次分解IMF的模糊熵组成电流及扭矩信号的时-频-熵特征。为了避免特征过多影响模型识别,提出Relief-F结合Pearson相关系数的特征选择方法,最后通过乌燕鸥算法(STOA)优化随机森林(RF)的最大特征数和决策树个数,完成了不同截割工况下岩石硬度识别模型的建立。结果表明:(1)对电流及扭矩信号先CEEMDAN分解再VMD分解可以降低原始信号的随机性和波动性,相较于CEEMDAN及VMD的一次分解,岩石硬度识别准确度分别提升15.2%和23.9%;(2)不同截割工况下岩石硬度识别,电流信号的时域特征占岩石硬度识别准确度权重最大;(3)提出的Relief-F结合Pearson相关系数的特征优选方法对3种工况下截割4种硬度岩石的电流及扭矩信号特征聚类明显;(4) STOA对RF关键系数的选取有优化效果,且算法迭代次数少,相较于传统的粒子群优化算法,以不同工况截割不同硬度岩石识别准确度提高7.2%。

• 煤矿井下无人化辅助运输系统关键基础研究及应用实践

  鲍久圣, 章全利, 葛世荣, 胡而已, 袁晓明, 杨阳, 阴妍, 吕玉寒,

  辅助运输系统是煤矿生产系统的重要组成部分,辅助运输设备的先进与否直接关系到煤矿的生产效率与作业安全。近年来我国开始大力推进煤矿智能化建设,但传统辅助运输系统仍普遍存在工艺不连续、转载环节多、用工占比高、自动化程度低等现实问题,已经成为制约煤矿智能化建设和无人化发展的薄弱环节。面向煤矿辅助运输系统“无人化”发展目标,凝练提出了辅助运输系统亟需研究解决的“连续化、标准化、智能化”三大关键基础问题,分别针对轨道式、无轨式辅助运输系统给出了多种连续化、标准化和智能化解决方案,进而提出了一种新型复合式连续化无人型辅助运输系统。首先,针对往复式串车提升不连续问题,设计了一种采用悬挂式钢丝绳牵引的轨道矿车连续运输系统;针对无极绳绞车难以适应长距离运输问题,设计了一种采用耐磨胶带多点辅助驱动的长距离无极绳牵引系统;针对无轨胶轮车因爬坡能力不足而导致的应用受限问题,设计了一种采用钢丝绳辅助牵引的无轨胶轮车连续运输系统。其次,开展辅助运输系统标准化设计,基于无轨、有轨两类标准化载物平台,针对设备、长料、散料、液体等不同物料类型,设计了不同大小规格和开口形式的系列化标准容器;通过将标准化、系列化的装载容器与载物平台进行模块化组合,可实现辅助运输物料的“集装箱式”快速装运,为开展机器人化辅助运输奠定了基础。再次,面向煤矿辅助运输系统智能化建设需求,研制了无人驾驶的无轨胶轮车和单轨吊并通过现场试验进行了验证,给出了无极绳运输系统的无人化运行方案,可有效解决传统辅助运输系统用工岗位多、人为失误多等问题;进一步,针对井下转运环节和最后100 m运输亟待解决的智能化难题,设计了一种“装铲运”一体化重载搬运机器人。最后,针对传统辅助运输设备种类繁多和应用局限性问题,发明了一种“轮轨复合”且“天地衔接”的新型多功能井下运输机器人(MAGV);基于MAGV提出了煤矿井下“两地三轨”自适应连续化辅助运输系统,并分别给出了其在斜井和立井中的应用工艺。研究结果可为解决煤矿井下辅助运输系统长期存在的运输不连续、用工岗位多、智能化程度低等现实问题提供指导,从而为推动煤矿井下实现“连续、标准、智能”的“无人化”辅助运输提供了一系列务实可行的技术原理和设计方案。

• “人本智造与XR+”驱动的综采工作面人机协同智能化运行模式探索与实践

  谢嘉成, 房舒凯, 王学文, 刘曙光, 李娟莉, 王雪松, 孟浩,

  煤矿开采当前仍然处于部分无人化的发展阶段,人仍然在综采系统中扮演着重要的角色。智能化综采工作面应该在当前智能化装备和技术的基础上,依靠人(包括巡检工、集控工和维护工)与设备环境的深度人机协作,最终达到安全高效运行的目标。因此,基于在“XR+”领域长期的实践,从“人本智造”的角度出发,对综采工作面人机协同智能化运行模式进行探索。首先对比分析井下3类工种与地面工种的工作环境,得出3个工种在未来如何提升到智能操作工的升级路径;提出了基于多功能平行系统的综采工作面多工种协同运行模式框架,搭建“人-机-环”深度融合的综采工作面全局虚拟场景,并以此为基础进行智能推演,对3工种之间以及和多功能虚拟平行系统的协同交互方式进行设计。接着对其中的一些关键技术,如参数化虚拟矿工模型、真实矿工与虚拟矿工的实时联动、巡检手势集设计和井下协同维护系统等进行研究;最后对多功能平行系统的多工种培训、巡检工虚拟操作、集控工人机优化、维护工协同运行和多工种协同进行了相关的测试,实现了3工种之间以及与多功能平行系统的实时交互;最终形成“全局细节兼掌控+机器智能推结果+多工种协同决策”的协同操作模式,共同完成高质量远程监视、干预、巡检和维护操作,提升工作面运行效率和可靠性。