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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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    大范围采动影响下特大断层构造区微震活动规律及调控方法

    郭伟耀张悦颖谷雪斌公绪飞...
    260-272页
    查看更多>>摘要：为大范围采动影响下特大断层构造区冲击地压防控提供参考,以济宁二号煤矿落差达百米级八里铺断层构造区为工程背景,研究了全矿井及八里铺断层上下盘采区的微震活动规律,基于微震累积能量分析了八里铺断层活动性,探讨了特大断层构造区微震活动调控方法,同时进行了工程实践.研究结果表明:大范围采动影响下,济宁二号煤矿微震事件以均匀分布于工作面及巷道区域的低能量量级事件为主,主要来源于顶板岩层运动;沿八里铺断层面没有产生集中、连续、大范围分布的微震事件,但微震事件随着工作面与断层距离减小而增加,即开采对断层具有明显扰动效应,但目前采动强度不足以造成八里铺断层活动;断层构造区微震最高累积能量整体呈稳定趋势,但集中位置随采掘状态改变而不断变化,尤其受工作面回采速度及强度影响较为明显;留设大宽度保护煤柱是调控特大断层构造区微震活动的有效方法,同时辅以顶板预裂和煤体卸压,能够实现特大断层构造区域煤层安全开采.基于不同类型断层在回采过程中的冲击地压防控思路,针对八里铺断层构造区 103下03工作面进行了工程实践,发现回采过程中工作面微震活动强度明显减弱,单日微震总能量降低,而单日微震频次增加,即能量释放呈多次低能释放的特征.

    大范围采动特大断层微震冲击地压防控

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    低速冲击载荷扰动煤体破裂动力学特征与能量耗散规律研究

    和递孔祥国李树刚林海飞...
    273-284页
    查看更多>>摘要：为了探究不同冲击载荷作用下煤体破裂失稳动力学特征与能量耗散规律,采用改进的霍普金森压杆(SHPB)试验系统,分别开展了一维冲击载荷、冲击载荷与轴向静载耦合作用动力学试验,研究了不同冲击速度和轴向静载下煤样动力学特性,分析煤样宏观破裂形态和孔隙演化规律,并从能量耗散角度剖析煤岩破裂失稳机制.研究结果表明:不同冲击载荷扰动下煤样应力-应变曲线均包含线弹性、塑性和塑性软化 3个阶段.一维冲击载荷作用下煤样峰值强度和峰值应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,煤样峰值强度、峰值应变逐渐增大;筛分统计破裂碎块不同粒径的质量分布,随应变率的增大,较大粒径质量减少、小粒径质量增加;煤样的入射能、反射能和耗散能均随冲击载荷的增大而逐渐增加,能量耗散密度呈指数增长;在冲击载荷与轴向静载耦合作用下,设定 5.54 m/s的低速冲击载荷,随着轴向静载递增,峰值强度持续提升,峰值应变线性减弱;基于核磁共振(NMR)测试表征孔隙结构,煤样内部微孔随轴向静载的增大不断发育,裂隙沿轴向扩张趋势增加;煤样入射能随轴向静载的不断增加基本保持稳定,反射能不断减小,耗散能逐渐增大,能量耗散密度呈线性关系增大.根据煤岩能量耗散机制,孔隙萌生、扩展和贯通诱导煤体产生破裂失稳;轴向静载作用初期更多耗散能被用于内部微孔发育和裂隙扩张,随轴向静载的增大,裂隙不断扩展、滑移衍生出更多潜在破裂面;冲击载荷瞬时扰动下会诱导煤体形成宏观破裂面,产生大范围破裂失稳现象.

    冲击载荷轴向静载动力学性能破裂失稳能量耗散

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    1GNPR锚索加锚砂岩单轴力学特性试验研究

    王炯姜健王思语刘鹏...
    285-295页
    查看更多>>摘要：为进一步研究 1GNPR锚索加锚岩体的稳定性,以砂岩为研究对象,设计制作了试验 1G NPR锚索,分别对有侧限、无侧限约束条件下的无锚、普通锚索加锚、1 G NPR锚索加锚的岩石试件进行单轴试验及声发射试验研究.结果表明:在有侧限、无侧限 2种约束条件下,1 G NPR锚索加锚岩体单轴抗压强度相较于无锚提高至少 20%、相较于普通锚索加锚提高 9%以上;破坏特征方面,无锚试件是以张拉破坏为主的拉剪破坏且破坏后的碎散程度高.1 G NPR锚索加锚岩体主要以剪切破坏为主,1 G NPR锚索支护范围内的岩石形态较为完整,整体的碎散程度较低;从声发射角度来看,1 G NPR锚索的累积振铃计数仅为无锚的 1/3.相较于无锚岩石试件的前期平缓增加,而在破坏瞬间产生大量的声发射振铃计数,1 G NPR锚索加锚岩石试件的前期呈现阶段增加趋势,在破坏瞬间声发射振铃计数并不会发生爆发式的突增现象.1 G NPR锚索提高了砂岩试件的峰值强度,同时,在峰后阶段,1 GNPR锚索通过多次结构滑移,释放了锚固岩体积累的能量,延缓了裂缝的开展与贯通,破坏后的试件碎散程度更低.

    1GNPR锚索加锚砂岩抗压强度声发射单轴实验

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    应力波透射煤岩结构面传播衰减数值分析方法

    神文龙祝忍忍陈自强师国藏...
    296-308页
    查看更多>>摘要：针对一维动态节理角度和轴向静载差异的煤岩结构面承载损伤下应力波透射问题,采用室内实验、理论分析和计算机仿真等方法,揭示了界面倾角与轴向静载对煤岩结构面透射应力波的作用机制,结合Barton-Bandis节理本构模型、UDEC离散元仿真与灰狼算法优化BP神经网络技术,对分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实验过程中应力波透射进行仿真和机器学习,在充分考虑各项参数的基础上进行了显著性正交试验和多因素方差分析,筛选出了主要影响因素并确定了修正方案,得到了煤岩结构面轴向静载与倾角差异下Barton-Bandis本构数值模拟参数修正的机器学习模型,极大地提升了煤岩结构面受冲击状态下变形行为与本构参数之间关联机制的计算效率.研究结果表明:基于BP人工神经网络技术的机器学习预测模型具有良好的适用性,可快速确定当前煤岩结构面倾角与轴向静载下模型参数,提供了一种基于数据驱动的煤岩结构面Barton-Bandis本构模型参数的高效修正方法,同时可以预测给定训练样本以外更大倾角与轴向静载范围下煤岩结构面数值模拟参数.

    应力波传播煤岩结构面轴压效应倾角效应数值分析

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    沟谷山地区粉煤灰基质自流充填减沉技术与工程实践

    赵茂平武竹
    309-322页
    查看更多>>摘要：充填开采是一种能有效遏制地面沉降、高效处置工业固废、快速解放"三下"压煤资源的开采技术.本文针对山西神州煤业有限责任公司 4603(2)工作面 4604(1)工作面开采沉陷控制难题,深入开展了粉煤灰成分测定、充填浆液流动性测试、充填开采工艺工程实践及沉陷观测全流程研究.结果表明:专用辅料可充分激发粉煤灰的潜在活性,采用流动度试模进行充填浆液流动性能的快速测试,确定了自流充填浆液浓度上限为 55%;研发了充填步距为 2.4 m的"采煤→充填→采煤→充填"袋式循环的充填工艺,掌握了不同龄期充填体强度演化特征,建立了充填体强度与时间长度的关联方程,固结体试件 60d龄期后强度基本稳定于 3.0 MPa,满足充填体终态强度 2.0 MPa的充填设计要求;借助地势充填料浆自流充填后,工作面倾向最大下沉量为-156 mm,走向最大下沉量为-111 mm,实现了地表下沉小于 200 mm的控制目标,保障了地面大型垃圾处理站、周边压煤村庄密集建、构筑物的安全使用.研究成果可为类似沟谷山地矿区充填开采提供借鉴.

    充填开采粉煤灰浆液重力自流固废处置沉陷控制

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    超临界CO2对无烟煤力学强度劣化机制及其微观结构演变特征

    贾毅超杨栋黄旭东孙丁伟...
    323-336页
    查看更多>>摘要：为揭示深部煤层注入CO2 过程中,超临界CO2 对无烟煤力学强度与微观结构的影响规律,以无烟煤为研究对象,对 2种恒定温度(40、60℃)条件下超临界CO2 对煤体劣化特性进行探究,利用自主研制的超临界CO2 浸泡设备搭配煤体单轴加载装置对其力学强度进行初步测定,借助CT扫描系统表征孔裂隙等结构,通过分析不同浸泡时间(0、1、3、5、7 d)对孔裂隙的物化效应,揭示超临界CO2 浸泡后无烟煤宏观强度损失与微观结构演变的内在联系.结果表明:超临界CO2 对无烟煤宏观强度的劣化具有一定的时间效应,伴随着浸泡时间的增加,劣化效应逐渐减弱,逐渐趋于某一定值,其劣化主要时期为浸泡 0～5 d,同时破坏模式改变,破坏颗粒的平均尺寸逐渐增大.同比恒温 60℃,恒温 40℃状态下的超临界CO2 对煤体劣化作用较为明显;借助CT扫描系统发现,经超临界CO2 浸泡后白色矿物质消失,"溶蚀孔洞"逐渐扩大,新生孔裂纹不断发育,裂隙开度增加.煤样内部孔裂隙在 0～5 d迅速发育成较为连续的孔隙团,此后内部孔裂隙缓慢发育,逐渐趋于稳定;超临界CO2 侵入煤体内部,其通过萃取煤基质中的有机物与溶蚀碳酸盐矿物组分,形成"溶蚀孔洞",破坏晶体结构,导致内部孔隙团逐渐发育.伴随着比表面积的增大,煤体吸附能力增加,其"溶胀效应"进一步增加孔裂隙发育,最终导致宏观力学强度的改变;由宏观强度损失数学模型分析得到,煤体经过超临界CO2 浸泡后,强度包络线向右偏移,摩尔应力圆向左偏移,内摩擦角与黏聚力均变小,最终导致煤体宏观强度的损失.

    超临界CO2无烟煤力学特性劣化机制微观结构

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    惰性粉体抑制瓦斯/煤尘复合爆炸特性及机理研究

    纪文涛张国涛杨帅帅徐子晖...
    337-345页
    查看更多>>摘要：瓦斯/煤尘复合爆炸是一个耦合了均相燃烧与异相燃烧的复杂过程,燃烧主控机制动态变化,爆炸机理更加复杂,导致其相比单相瓦斯或煤尘爆炸具有更高的爆炸敏感性和爆炸强度,严重制约着煤矿的安全生产.为了防治瓦斯/煤尘复合爆炸灾害,选取碳酸氢钠和碳酸钙两种惰性粉体,在20L球型爆炸装置中开展了惰性粉体抑制瓦斯/煤尘复合爆炸实验.通过系统的改变瓦斯和煤尘浓度配比,对不同浓度惰性粉体作用下瓦斯/煤尘复合体系最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率变化规律进行分析,并对比分析不同惰性粉体抑制瓦斯/煤尘复合爆炸性能之间的区别和联系.研究结果表明,碳酸氢钠和碳酸钙对不同浓度配比的瓦斯/煤尘复合体系爆炸均具有抑制作用,其中碳酸氢钠不仅可以通过分解吸热、延缓煤尘热解、降低煤尘分解速率等物理抑制方式来抑制瓦斯/煤尘复合爆炸,还可以通过消耗爆炸反应的关键自由基的化学抑制方式来抑制瓦斯/煤尘复合爆炸,而碳酸钙只能以物理吸热的方式抑制爆炸,因此碳酸氢钠对瓦斯/煤尘复合体系爆炸的抑制效果优于碳酸钙,具体表现为碳酸氢钠可完全抑制所有工况,碳酸钙仅能完全抑制瓦斯浓度低于 8%时的瓦斯/煤尘复合工况.另外,2种惰性粉体对瓦斯/煤尘复合体系爆炸压力的抑制效率随着体系中瓦斯浓度的提升先升高后降低,当瓦斯浓度为 6%、煤尘浓度为 100 g/m3 时抑爆效率最高;对瓦斯/煤尘复合体系爆炸压升速率的抑制效率随着体系中瓦斯浓度的提升逐渐升高,对浓度为10%的纯瓦斯爆炸时抑爆效率最高.

    瓦斯煤尘复合爆炸碳酸氢钠碳酸钙爆炸抑制

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    复配表面活性剂对烟煤润湿性影响及微观机理研究

    杜常博程传旺易富黄惠杰...
    346-355页
    查看更多>>摘要：煤尘污染是一个亟需解决的工程难题,传统的喷雾技术已难以满足现代工业化要求.为解决煤尘污染问题,以喷雾技术为基础,提高水喷雾添加剂对煤尘的润湿性能,选取快速渗透剂T(快T)、癸基葡糖苷(APG)、曲拉通 100(TX-100)和椰油酰胺丙基二甲基氧化胺(CAO)4种表面活性剂,通过润湿时间对其单一润湿特性和复合润湿特性进行研究;采用XPS分析复合表面活性剂作用煤尘前后元素的变化;利用分子动力学模拟水/煤、水/表面活性剂/煤的相互作用,分析表面活性剂与煤之间的相对质量浓度、均方位移和相互作用能.结果表明:润湿时间随着表面活性剂质量分数的增大而降低,4种表面活性剂溶液中煤尘的润湿时间均在质量分数为 0.2%后趋于稳定;TX-100与APG复配对煤尘的润湿时间有拮抗作用;快T和APG或TX-100复配均有协同作用,快T与APG在质量比为 2︰2时协同效果最强,相比于同质量分数的快T和APG单体溶液的润湿时间分别降低了54.82%和50.54%;XPS谱图中存在明显的C峰和O峰,C—O官能团对煤尘润湿性的影响最为显著;复合表面活性剂的水峰与煤峰的重叠面积较大,表面活性剂促进了水分子在煤尘表面的吸附作用,使更多的水分子向煤表面移动;水/煤、水/单一表面活性剂和水/复配表面活性剂的相互作用能均为负,其相互作用能的大小为水/复合表面活性剂/煤<水/单一表面活性/煤<水/煤系统;复配表面活性剂比单一表面活性剂相比具有更好的润湿性,从宏观上表现为润湿时间的缩短,微观上表现为煤与水的负相互作用能减少.研究结果可为表面活性剂在煤尘润湿的选择和设计提供一定的参考.

    煤尘复配表面活性剂润湿性能XPS分子动力学吸附结构

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    对旋轴流通风机叶轮内能量传递过程与演变特性

    陈永平刘荣华陈世强刘东...
    356-367页
    查看更多>>摘要：叶轮旋转将能量传递给风流,如何实现能量高效转化是工程领域内关键问题,掌握叶轮内能量传递过程是实现能量高效转化的前提与基础.为明确通风机叶轮内能量传递机理,以对旋轴流通风机为研究对象,采用数值模拟和试验方法获得了叶轮内部流场.基于叶轮机械能量转换理论,探明了叶轮内风流流动角、轴向速度和叶轮局部理论全压升等参数演变规律,揭示了叶轮内能量演变特性和流动损失过程.结果表明:当流量大于 0.7 QBEP(QBEP为最高效率工况)时,前级叶轮效率明显高于后级,在最高效率工况,两级叶轮效率差值约 26.5%,当流量等于 1.22 QBEP时,效率差值高达66.6%,表明后级叶轮效率偏低是导致通风机整机效率降低的主因;在流动方向,后级叶轮流动损失集中在STL=0～0.3(STL为流动方向叶轮进口到出口的距离),降低该区域的流动损失是提升后级叶轮效率的关键;实际风流全压升曲线驼峰特性是叶轮理论全压升和流动损失共同作用的结果,但主要与前级叶轮出口和后级叶轮入口理论全压有关;流动角在叶展方向急剧减小或增大将引起轴向速度显著减小,进而导致前级叶轮进出口和后级叶轮进口在SPN=0.8～1.0产生回流(SPN为叶展方向轮毂至机壳的距离),最终影响叶轮内理论全压升的大小,因此流动角和轴向速度共同作用并改变叶轮内能量演变规律;两级叶轮局部理论全压升均在叶轮中部区域获得较大提升,而在叶轮进出口区域变化甚微,局部理论全压升增长率是决定叶轮理论全压升大小的关键因素.

    对旋轴流通风机能量传递过程能量转换理论流动角局部理论全压升流动损失

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    高位离层水害突水危险性区域预测方法

    秦庆举刘梦楠孔英权周宇...
    368-381页
    查看更多>>摘要：以黄陇煤田招贤煤矿为例,提出了一种考虑主观决策、客观统计和变权理论修正的离层水害区域危险性预测方法.选取煤层厚度、含水层渗透系数、含水层厚度、含水层单位涌水量、含水层距煤层距离、含水层水头高度、构造、近场顶板岩层泥岩累计厚度等 8个主要因素,在层次分析法(AHP)和熵权法(EWM)的基础上,使用变权法(VWM)对常权值修正,建立了招贤一采区离层突水危险性评价数学模型,得到开采前一采区离层突水危险性综合评价指标.结合招贤工程地质条件,采用地面抽排孔控制离层致灾水源.结果表明:提出的基于AHP-EWM-VWM的高位离层突水区域危险性预测方法可以较为准确地定位突水高风险区,综合权重评价结果表明,降低含水层水位高度是防控离层水害的关键措施;实际开展的地面抽排孔抽水有效降低了采区离层突水风险,证明研究对侏罗系煤田离层水害有效防治具有良好的指导意义.

    高位离层突水因素层次分析-熵权-变权法水害预测群孔抽水

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