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煤炭科学技术
煤炭科学技术

王金华

月刊

0253-2336

cst410@china.com

010-84262920 84262926

100013

北京和平里青年沟路5号

煤炭科学技术/Journal Coal Science and TechnologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>该刊为实用性的技术类刊物。辟有技术经验、实验研究、问题探讨、专家论坛、新产品、科技信息等栏目。是全国优秀期刊之一，第二届全国科技期刊评比获二等奖。读者对象为有关专业的科研生产设计教学管理等单位的工作者。
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    数据驱动的深井超长工作面支架载荷区域特征分析与分区预测

    巩师鑫
    1-12页
    查看更多>>摘要：实现液压支架载荷预测分析对于及时改善支架适应性和实现安全支护具有重要作用,需要高质量、大数量的支架载荷时序数据和有效的预测方法作为支撑.然而,深部超长工作面上覆岩层应力环境和垮落步距的非同质同步引发工作面不同区域支架载荷差异化.因此,针对深井超长工作面顶板覆岩长期循环动载作用和分区破断造成工作面不同区域载荷差异明显以及无法实现动态区域更新下的液压支架载荷预测的问题,提出了一种数据驱动的深井超长工作面支架载荷区域特征分析与分区预测方法.首先,在获取工作面液压支架载荷数据的基础上,利用MeanShift聚类算法实现工作面区域动态划分,并分析深井超长工作面不同区域的支架载荷变化特征;然后,提出一种考虑多维时序数据特征和注意力机制LSTM预测方法,构建支架载荷一次性多输入多输出预测框架,实现了预测算法精度和输入输出特征结构的协同设计;最后,基于前述工作面区域划分结果,建立工作面区域化液压支架群组载荷预测模型,实现了综采工作面液压支架群组载荷时序数据循环训练和高精度预测.该方法通过考虑工作面载荷区域分布特征,建立多输入多输出特征工程,可实现基于工作面区域动态更新的液压支架群组载荷预测,能够为后续分析工作面矿压显现规律,超前适应采场环境变化和指导工作面正常回采提供依据.

    工作面液压支架载荷预测时间序列数据区域划分

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    煤泥基充填材料流动性与强度特性试验研究

    安百富易巧梅赵祥余伟健...
    13-21页
    查看更多>>摘要：为研究煤泥基充填材料的流动与强度特性,运用正交试验设计了以煤泥、高水、水泥、粉煤灰为组合的胶结充填材料,采用极差、方差分析及多元回归分析等方法,研究了煤泥水百分浓度(A)、高水添加比例(B)、水泥添加比例(C)、粉煤灰添加比例(D)等 4个关键因素对充填材料的初凝时间、扩散度及抗压强度、抗剪强度的影响机制.试验结果表明:①煤泥基充填材料的初凝时间为 52～67 min,扩散度为 42.0～76.5 cm,抗压强度为 0.076～0.247 MPa,抗剪强度为 0.033～0.139 MPa.对于初凝时间,影响显著性有B>C>A>D;对于扩散度,有A>D>B>C;对于抗压强度,有D>C>A>B;对于抗剪强度,有C>D>A>B.②拟合出了A、B、C、D与流动性指标及强度指标的数学关系式,初凝时间与A、B成二次函数关系、与C、D均呈指数关系;扩散度与A、B、C均呈指数关系,与D呈三角函数关系;抗压强度与A、D均呈指数关系,与B、C呈二次多项式关系;抗剪强度与A、B呈二次多项式关系、与C、D均呈指数关系;在A、B、C、D等 4个因素与 4个参数独立拟合方程的基础上,建立4因素共同影响下煤泥基充填材料流动性及强度特性参数预计模型,并进行了验证.

    煤泥基充填材料流动性抗压强度抗剪强度

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    基于三维全参数反演的煤矿采空区形变提取方法研究

    刘晖李梅袁明泽姜展...
    22-29页
    查看更多>>摘要：准确提取地表形变信息对于预防和控制煤矿开采导致的地质灾害至关重要.以山东郭屯煤矿某工作面为例,首先获取了工作面开采时间段内(2017年 7月 31日至 2018年 5月 3日)的 18景Sen-tinel-1A卫星影像,基于SBAS-InSAR技术处理得到工作面采空区地表形变.在InSAR观测数据的驱动下,通过推导概率积分法与SBAS-InSAR视线向形变三维参数之间的函数映射关系,提出了一种基于随机误差消除遗传算法的三维全参数反演模型.基于该方法,准确反演了研究区地表沉降参数,通过与现场经验值对比,各参数的偏差均小于 3%,拟合精度较高.最后,基于反演参数与概率积分法获得了采空区全盆地沉降形变信息,其中A测线与F测线的均方根误差分别为 0.083 m和0.102 m,平均绝对误差分别为 0.068 m和 0.089 m,预计结果与实测水准测量数据高度一致,表明所提出的三维全参数反演模型能够以低成本的方式有效获取煤矿采空区全盆地沉降信息.

    采空区沉降概率积分法SBAS-InSAR随机误差消除三维全参数反演

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    基于物理模拟试验的房柱式采空区变形特征研究

    刘亚明谷天峰王闫超杨烜宇...
    30-36页
    查看更多>>摘要：房柱式采空区具有采出率较小、留设煤柱较大的特点,其覆岩移动规律及地表变形规律与长壁式采空区差别较大,在煤柱失效情况下,地表会产生较大变形,威胁地面建构筑物的安全.为研究浅埋缓倾房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育机制,基于PIV图像处理技术和模块化组装思路,在室内建立物理模型开展物理模拟试验,反演了房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育过程,分析了房柱式开采和煤柱失稳条件下覆岩和松散层的变形机制.研究结果表明:①房柱式开采条件下,浅埋缓倾采空区覆岩变形可划分为 3个区域:"条带状"变形区域、"梯形状"变形区域和"倒漏斗型"变形区域.松散层中的变形呈"梯形状"发育.②煤柱失稳条件下,覆岩变形规律保持不变,松散层变形特征由"梯形状"发育为"漏斗型",且随着失稳煤柱的增加,松散层变形增大,"漏斗型"变形区域由中心向两端逐渐扩展.③房柱式开采结束后,采空区顶板受力可简化为承受均布荷载的简支梁,在煤柱持续失稳的情况下,覆岩和松散层的静载将导致采空区顶板达到极限平衡状态,顶板破坏模式为拉破断,在拉应力作用下产生裂缝,但顶板并未完全断裂,采空区顶板形成一种带裂缝的悬臂梁结构.浅埋缓倾房柱式采空区煤柱失稳对地表变形影响剧烈,松散层变形与覆岩变形基本处于同一量级.

    房柱式采空区覆岩移动松散层地表变形

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    金属矿山硬岩巷道分阶段掏槽爆破数值模拟研究

    何松林杨仁树丁晨曦王利军...
    37-46页
    查看更多>>摘要：针对地下金属矿山深部硬岩强度高,掏槽难度大,掘进效率低下的问题,以首钢杏山地下铁矿巷道掘进项目为背景,基于数码电子雷管精准逐孔起爆,提出针对直眼桶形掏槽爆破的掏槽区孔内分段与孔间、孔内延时相结合的分阶段爆破方案.采用数值模拟以及现场试验方式,在现场原传统方案的基础上,对掏槽区炮孔进行孔内分段、孔间以及孔内微差起爆的分阶段起爆设置.通过LS-DYNA数值模拟软件建立掏槽区三维模型,设置了原传统方案和 3种分阶段方案进行模拟计算,对比分析了原传统爆破方案和分阶段方案在掏槽区的有效应力峰值演化情况.数值模拟结果表明:采用孔间短延时分阶段爆破方案能够改变有效应力峰值波动形态,与原传统方案相比,掏槽区沿炮孔方向岩体的有效应力峰值状态提升 40%～57%,炮孔底部 0～30 cm半径岩体有效应力峰值状态提升幅度在 84%～92%.在数值模拟结果的基础上,开展了现场试验验证,现场试验表明:在矿石点位掘进中,采用孔间短延时微差起爆能够改善碎石挤死的现象,采用孔内短延时微差起爆能够提高抛掷能力,改善上段炮孔爆破后产生碎石的抛掷效果,避免影响后续炮孔爆破,在硬岩爆破中二者结合可以明显改善爆破效果,掏槽进尺提高 28%;在岩石点位掘进中,采用孔间短延时,孔内长延时设置能获得良好的掘进效果.

    掏槽爆破孔间延时孔内延时分段直眼掏槽电子雷管

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    高瓦斯煤层大直径钻孔卸压增透瓦斯渗流时空演化机理

    王方田李哲张村何东升...
    47-61页
    查看更多>>摘要：矿井瓦斯抽采面临抽采率低、有效抽采周期短、瓦斯预抽体积分数不达标等困境.为实现高瓦斯低透气性煤层的精准卸压增透,以顺和煤矿 2404典型深井高瓦斯低透气性煤层工作面为研究对象,基于长时力学效应理论建模、COMSOL数值分析和现场试验等方法,构建了大直径钻孔卸压煤层瓦斯运移多场耦合模型,提出了大直径钻孔瓦斯有效抽采半径的判定指标——残余瓦斯压力不超过 0.22 MPa,揭示了大直径煤层钻孔卸压增透机理及瓦斯运移规律:单一大直径钻孔煤层瓦斯压力呈以钻孔圆心为对称中心的椭圆分布,即由钻孔圆心向外瓦斯压力逐渐增加,随着抽采时间延长,抽采达标区域逐渐扩大.钻孔周边应力转移特征为:随着抽采时间增加,单一大直径钻孔周边点的垂直应力呈现先增后降趋势.进一步提出了高瓦斯低透气性煤层大直径钻孔卸压增透抽采技术.模拟确定了钻孔有效抽采半径,孔间距 6.0 m、直径 300 mm钻孔卸压增透效果最好,其两侧 3.0 m内平均渗透率为 1.58×10-15 m2,远大于初始值 1.15×10-17 m2.现场应用表明,大直径钻孔瓦斯抽采远优于普通钻孔,300 mm大直径钻孔瓦斯体积分数最大值为 47.2%,75 mm原钻孔最大瓦斯体积分数最大值仅为 10.6%,且大直径钻孔 5.0%以上高瓦斯体积分数抽采天数提高了 40.2%,有效解决了小直径瓦斯钻孔治理难题,为高瓦斯煤层高效精准卸压增透强化抽采提供了有效途径.

    高瓦斯大直径钻孔卸压增透瓦斯渗流抽采半径高效抽采

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    一面四巷瓦斯抽采对采空区遗煤自燃影响数值模拟研究

    姜延航周露函韩明旭王丽新...
    62-69页
    查看更多>>摘要：为研究高瓦斯易自燃煤层不同瓦斯治理条件下采空区自燃"三带"及温度场分布变化规律,结合某高瓦斯易自燃工作面的实际条件,构建了"一面四巷"采空区自然发火物理模型,将程序升温试验得到的煤样氧化耗氧参数和放热参数应用到数值模拟中,分别研究了不同供风量、低抽流量及高抽流量对采空区自燃"三带"及温度场分布的影响,定量分析了氧化带最大宽度、氧化带面积和采空区最高温度点等参数随供风量、低抽流量及高抽流量的变化规律.结果表明:在模拟测试范围内,提高供风量、低抽流量及高抽流量均会造成采空区漏风量增多,不利于采空区遗煤自燃防治;最高温度点变化不明显(仅在 1K范围内变化),高抽流量变化对采空区氧化带宽度和面积及最高温度的影响大于供风量和低抽流量;氧化带最大宽度随供风量增大而增加,采空区最高温度和氧化带面积随供风量增加而减小,供风量从 1600 m3/min增加到 1900 m3/min时,氧化带最大宽度增加了2 m(74～76 m),最高温度降低了 0.1 K(315.38～315.28 K),氧化带面积减小了 180.08 m2(8669.49～8489.41 m2);氧化带最大宽度随低抽流量增大而增加,采空区最高温度和氧化带面积均随抽采流量增大而增加,低抽流量从 200 m3/min增加到 300 m3/min时,氧化带最大宽度增加了 2 m(75～77 m),最高温度升高了 0.152 K(315.340～315.492 K),氧化带面积扩大了 51.56 m2(8553.79～8605.35 m2).高抽流量从 80 m3/min增加到 240 m3/min时,氧化带最大宽度保持在 75 m,最高温度升高了 0.76 K(315.13～315.89 K).

    煤自燃供风量抽采流量氧化带宽度采空区

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    基于小波散射变换的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法

    余星辰李小伟
    70-79页
    查看更多>>摘要：为解决煤矿瓦斯与煤尘爆炸灾害报警方法误报率和漏报率高等问题,提高煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知准确率,提出了基于小波散射变换的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法:在煤矿井下重点监测区域安装矿用拾音设备,实时采集设备工作声音和环境音;将采集到的声音通过小波散射变换得到小波散射系数,构建声音信号的小波散射系数图,通过计算小波散射系数图的图像灰度梯度共生矩阵得到由小梯度优势、大梯度优势、能量、灰度平均、梯度平均、灰度均方差、梯度均方差、相关性、灰度熵、梯度熵、混合熵等构成的十一维特征参数,构成表征该声音信号的特征向量,输入到支持向量机(SVM)中训练得到煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型;对待测声音信号同样提取其小波散射系数图的灰度梯度共生矩阵得到十一维特征向量,输入到训练好的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型中进行声音识别分类,并进行试验验证.采取声音信号的特征提取试验,分析了不同声音的小波散射图及其特征参数分布特点,瓦斯和煤尘爆炸声音的小波散射系数图及其十一维特征向量与煤矿井下其他声音差异明显,证明了所提特征提取方法的可行性;通过贝叶斯优化完成支持向量机超参数优化试验,选取更符合训练模型的超参数,识别试验结果表明,所提方法的识别率为95.77%,明显优于其他对比算法,能够满足煤矿瓦斯和煤尘爆炸识别的需求.

    瓦斯和煤尘爆炸声音识别图像特征小波散射支持向量机贝叶斯优化

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    温度压力对煤中甲烷解吸速率影响的试验研究

    翟迎铨宋党育李云波
    80-85页
    查看更多>>摘要：解吸速率对煤层瓦斯涌出规律、煤层气井见气时间和服务年限有重要影响.随着煤层埋藏深度的增加,温度压力对甲烷吸附量有明显的控制作用,当前对于温度压力对解吸速率的影响关注相对不足.为了研究温度压力对煤层甲烷解吸速率的影响,用同一样品开展不同温度压力条件下的等温吸附/解吸试验,获得不同平衡压力段的吸附量-时间数据,利用吸附动力学模型拟合出解吸速率-时间曲线,甄选出 3个评价参数研究温度压力对解吸速率的影响.研究表明:不同压力下的解吸速率均随着时间推移呈现指数降低的变化规律.解吸速率常数、相对初始解吸速率、中值解吸量时间能够从不同角度反映解吸速率的变化过程,其中解吸速率常数和相对初始解吸速率均随着温度和压力的升高而增加,中值解吸量时间随温度和压力的升高而减小.结合鄂尔多斯盆地保德区块的温度/压力梯度可知,在 1000 m以浅时解吸速率受温度和压力的双重控制,随深度增加而不断增高;1000～1735 m随深度增加压力效应逐渐降低,温度效应依然明显.

    煤层气解吸速率吸附动力学Bangham模型解吸速率常数相对初始解吸速率中值解吸量时间

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    真空充He法测定吸附罐剩余体积试验研究

    雷红艳
    86-93页
    查看更多>>摘要：为研究真空充He法测定吸附罐剩余体积对瓦斯吸附量的影响,以 10个煤样为研究对象,采用容量法在低压及高压下进行真空充He测定、瓦斯吸附常数测定、真密度测定等试验.研究表明:①高压下煤几乎不吸附He,负压状态下由于He分子动力学直径小于CH4 分子动力学直径,容易持续不断地被负压差吸入更小的纳米级煤孔隙内,导致剩余体积随着充入He时间延长而不断增大,形成一种煤吸附He的假象.②相对于真密度计算法,真空充He法在 5、30、60、90、120 min读数时的吸附罐剩余体积基本偏大,5 min读数时绝对值误差最大为 9.58%,最小为 1.52%;采用真空充He法读数时间可设定为 5 min,与吸附罐空罐体积读数时间相同.③采用真空充He法计算的瓦斯吸附常数a值一般偏小,b值一般偏大.5 min读数时a值绝对值误差最大为17.69%,最小为4.24%,b值绝对值误差最大为 33.59%,最小为 7.51%,远大于低压瓦斯吸附量误差 0.45%～5.64%.真空充He法对 0.1 MPa压力下瓦斯吸附量影响较小,对高压吸附量影响较大,剩余体积误差是煤样出现"负吸附"的根本原因,吸附罐剩余体积是影响煤的气体吸附量的主控因素.④通过试验得出煤吸附不同气体采用真空充He法"一刀切"测定剩余体积不科学,理论上应采用与被测气体分子动力学直径相等的惰性气体标定,而实际上很难选择到与被测气体分子直径相等的惰性气体.⑤建立剩余体积偏差量与瓦斯吸附常数偏差量的修正模型,通过此模型可对采用真空充He法测定的a、b值进行修正,提高a、b值的准确性和可靠性,对矿井瓦斯灾害精准防治及煤层注CO2 驱替CH4 等科学研究提供参考与指导.

    真空充He法真密度计算法剩余体积吸附量瓦斯吸附常数

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