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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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    基于沉陷预测的上下煤层协同开采工作面走向错距研究

    任兴云郝兵元贺福帅王宏伟...
    102-108页
    查看更多>>摘要：为研究层间距离较大、不属于近距离煤层范畴的上下煤层同采工作面的安全走向错距,以潞安集团伊田煤业2号煤层(上覆煤层)、11号煤层(下伏煤层)协同开采工作面为工程背景,基于下伏煤层采场顶板垮落特征及"竖三带"理论分析结果,提出下行协同开采条件下需要解决的科学问题为下伏煤层的开采活动不能影响上覆煤层的安全生产.建立了概率积分法开采沉陷计算模型,探究充分采动条件下,下伏11号煤层工作面开采对上覆2号煤层底板的沉陷影响范围.将下沉10 mm、倾斜3 mm/m、曲率0.08×10−3/m和水平变形2 mm/m作为下伏煤层开采对上覆煤层的安全影响阈值,以上覆煤层工作面位于下伏煤层工作面开采沉陷影响范围之外为判据,并考虑1.5倍的安全系数,得出上下煤层同采工作面的合理走向错距为96.2 m.两工作面协同开采过程中,通过严格管控每班和每日的回采进度,使其前后错距始终大于96.2 m,监测上覆2号煤层工作面及其回采巷道的矿压显现情况,并与同类条件单层开采时的矿压规律进行对比分析.工程实践表明:2号煤层、11号煤层协同开采过程中,基于下伏11号煤层工作面充分采动条件下的开采沉陷范围,确定的上下煤层同采工作面走向错距合理可靠,上覆2号煤层工作面未受到下伏11号煤层工作面的开采沉陷影响,可以实现安全协同生产.

    开采沉陷上下煤层协同开采走向错距概率积分法

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    超深厚冲积层千米立井冻土爆破井壁振动响应特性研究

    于建新周廉浩郭敏李真珍...
    109-116页
    查看更多>>摘要：随着我国对地下资源需求的不断增大,超深立井施工逐渐普遍化.在立井开挖时为了稳固井壁且减少井壁坍塌,一般会选用冻结法施工,但爆破时产生的振动仍然会对井壁的稳定性造成一定的影响,严重情况下出现的塌方现象,会造成一定的人员伤亡、延缓施工进度等危害.为解决此类问题,以赵固二矿西风井704.6 m深厚冲积层冻土爆破掘进工程为研究背景,开展深大立井冻土爆破井壁振动监测,并结合ANSYS/LS-DYNA分析软件建立立井多段爆破三维数值模型,深入探索冻结表土段冻土爆破开挖下井壁的振动响应规律.研究结果表明:冻土爆破引起井壁振动的时程曲线各段波形区分明显,段装药量大、炮孔分布密集的3段辅助孔爆破对井壁振动影响最大,合速度为8.39 cm/s,均在安全范围以内;掏槽爆破时,井壁主要受纵波影响产生振动,垂向振速大于径向和切向振速;辅助爆破时,随着自由面增大,爆破产生的作用力逐渐向水平向扩展,井壁径向振速逐渐占优,垂向振速相对减小;运用一维弹性波理论,分析了爆破引起井壁的振动速度对混凝土应力之间的关系,计算结果小于混凝土抗拉强度;对比数值模拟结果与实测振速波形,验证了模型的可靠性和准确性,并通过模拟分析获得离井壁最近质点垂直方向的振动速度为23 cm/s,在安全范围内.研究思路与方法成果可为同类型立井冻土爆破的施工与振动控制提供一定参考.

    深大立井冻结法冻土爆破振动速度

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    不同加卸载路径下岩石卸荷劣化特征及机制研究

    张风达张玉军于秋鸽
    117-127页
    查看更多>>摘要：为研究深部煤层底板卸荷劣化破坏机理,开展了轴压不变卸围压、加轴压卸围压、卸轴压卸围压不同加卸载应力路径下的假三轴力学试验,分析并拟合了不同应力路径下岩石弹性模量、广义泊松比与围压的变化关系;构建了岩石断裂力学模型,分析了不同加卸载路径下,分支裂纹端部应力集中程度;从偏应力、能量、声发射事件等方面剖析了卸荷过程中岩石力学参数劣化机制.研究表明:①不同轴压加载方式下岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度依次为加轴压>轴压保持不变>卸轴压;相同轴压不同围压卸载速率下,岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度与卸荷速率呈正相关变化.②围压卸荷过程中,轴向加载或保持不变的应力路径相比于轴向卸载的应力路径,岩石积聚的能量增长幅度较大;在围压卸载至一定程度时,内部闭合的微裂隙和原生裂隙重新被打开,用于裂纹扩展的能量迅速增加,泊松比和弹性模量变化比例明显增大,声发射事件振铃数呈现出非线性增长的特点.③不同加卸载路径下,偏应力是诱发岩石失稳破坏的根本原因,偏应力增长越快,岩石弹性模量劣化程度和泊松比变化程度越明显.工作面附近处于压剪破坏区偏应力相对较大,岩体劣化程度相对较为严重,这与工作面底板突水事故多发生在工作面附近相一致.

    岩石力学断裂力学加卸载卸荷点深部底板卸荷劣化

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    三向应力状态下超高水材料固结体损伤特征及力学特性研究

    胡世杰王方田高翔任帅...
    128-135页
    查看更多>>摘要：为研究超高水材料固结体在三向应力状态下的损伤特征及力学特性,进行不同养护时间(1、7、14、21、28 d)下超高水材料固结体的单轴压缩试验.借助PFC3D的平行黏结模型建立不同养护时间下的单轴压缩模型,得出与单轴试验强度相符合的5组PFC3D单轴压缩模拟试验强度.并统计各组平行黏结模型的细观物理力学参数,依据所得参数建立不同养护时间下超高水固结体的三轴压缩模型,施加与轴向应力相等的围压,记录不同养护时间下三轴试验过程中的应力-应变曲线及破坏时的力链分布.分析了超高水固结体在三向应力状态下的损伤特征,研究结果表明:①超高水材料固结体三向应力状态下的极限强度随养护时间的变化规律可由波尔茨曼方程表示.养护时间1～14 d时,极限强度增长最快;养护时间28 d时达到最大极限强度3.1 MPa.②超高水材料固结体三轴压缩模型力链贯通程度随养护时间的变化规律为:养护时间1～28 d,横向接触力链数目分别为4006、4561、4891、5017、5062;纵向接触力链数目为4029、4439、4716、4917、5123.表明超高水材料固结体的承载能力随养护时间的增加而增强,在养护时间0～14 d增长最快,14～28 d时承载能力趋于稳定.③以受拉力链模拟超高水材料固结体三轴压缩模型破坏过程中的裂隙发育过程,得出养护时间为1d的超高水材料固结体破坏时的裂隙主要集中试样的上下两端.随着养护时间的增加,裂隙的发育程度增加,破坏时试样的中部开始出现裂隙,与上下两端的裂隙逐步贯通.

    超高水固结体三轴试验岩石力学损伤机制充填浆料

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    基于"云-边-端"协同的煤矿火灾智能化防控体系建设

    陈晓晶
    136-143页
    查看更多>>摘要：针对智能矿山火灾防控子系统建设过程中数据采集及执行层不全面、边缘计算功能未体现、综合防控平台建设标准不明确等问题,对照国家及地方煤矿智能化建设标准中火灾防控相关条款,提出了基于"云-边-端"协同的架构体系.增设光纤测温、MEMS温度传感器、巡检机器人等火灾数据感知装置及灌浆、注氮、自动洒水、巷道快速封闭装置等火灾执行控制装置,形成数据感知与执行控制层,负责感知火灾数据信息以及执行云计算中心或边缘侧下发的控制命令;增加边缘计算装置,形成边缘计算层,实现对现场防灭火装置的联动控制;以"智能矿山基础信息平台"为中台底座,建立智能矿山火灾防控业务应用,形成平台防控层,融合专家知识库,对火灾防控关键指标进行专业分析.形成云平台层智能分析、边缘层就近分析控制、感知执行层数据采集及执行的综合防控体系,且辩证分析了"云−边−端"火灾防控体系三层之间的对立统一关系.探讨了无线低功耗火灾传感器、巡检机器人、火灾危险区域监测点部署优化、边缘侧配套物理装置、边缘侧火灾预警算法、决策边缘计算算法、边缘节点部署策略、综合防控平台、火灾数据治理、火灾预警及决策模型等关键装置及技术.

    智能矿山火灾防控云边端协同边缘计算智能决策

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    煤吸附CH4体积测试与分析

    姜延航白刚周西华王玉玺...
    144-152页
    查看更多>>摘要：煤层中CH4主要以游离态和吸附态赋存,煤吸附CH4性能往往受煤阶、温度、压力、粒径和含水率等多种因素共同影响,为研究多因素耦合对煤吸附CH4的Langmuir体积影响规律,选取山西长治地区常村和赵庄煤矿煤样,利用HCA–1高压吸附装置测定不同环境温度、煤样粒径、含水率的煤样吸附CH4体积,然后以赵庄矿煤样试验结果为基础,通过Design Expert软件设计Box Behnken试验,构建煤吸附CH4体积2次回归响应曲面模型,分析温度、粒径、含水率3种因素耦合作用时对煤吸附CH4体积影响程度,并对不同条件下煤吸附CH4体积进行预测与验证,并探讨了试验结果的工程应用启示.结果表明:CH4吸附量随温度、粒径增加及含水率升高而降低;环境温度由15℃增加至40℃时,常村及赵庄煤CH4吸附量分别降低37.09％,37.5％;煤样粒径由0.15 mm增加至0.3 mm时,CH4吸附量分别降低14.87％、15.52％;常村煤样含水率由0.08％增至4.21％,CH4吸附量降低10.61％,赵庄煤样含水率由0.04％增至3.62％,CH4吸附量降低16.31％;温度、粒径、含水率单因素作用均对CH4吸附量表现为极显著影响(P<0.0001),3个因素对CH4吸附量的影响程度为:温度(F=2307.95)>煤样粒径(F=346.64)>含水率(F=133.32);各交互项对CH4吸附量影响程度为:粒径和含水率(F=21.31)>温度和粒径(F=6.33)>温度和含水率(F=3.65),粒径与含水率交互作用极显著(P=0.0024),温度和煤样粒径交互作用显著(P=0.0401),温度和含水率交互作用不显著(P=0.0978);编码区间外试验值与模型预测值的偏差最大为3.98％,最小为2.01％,平均误差率为3.315％;井下回采过程中,温度、含水率、煤样粒径等多因素变化时,首先实时监测温度变化,防止温度骤变引发瓦斯大量解吸,导致瓦斯超限甚至发生煤与瓦斯突出事故.

    煤CH4吸附量温度含水率粒径响应面法

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    中低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯解吸特性影响

    刘纪坤任棒王翠霞
    153-161页
    查看更多>>摘要：煤的孔隙结构是影响瓦斯储存和运移的重要因素.为了进一步研究中低变质程度煤瓦斯解吸特性,选取6组阜康矿区煤样进行压汞试验和瓦斯解吸试验.通过绘制进退汞曲线、统计各孔径段孔隙结构特征以及绘制瓦斯解吸曲线,着重分析了煤的孔隙形态、孔容、孔比表面积和体积分形维数及其对瓦斯解吸量及解吸速率的影响.结果表明:试验煤样均存在不同比例的开放孔,大孔主要以开放孔为主,中孔和小孔主要以半封闭孔为主,微孔主要以封闭孔为主;煤样孔容以微孔和大孔贡献为主,比表面积以微孔贡献为主.通过绘制瓦斯解吸曲线和解吸速率散点图,发现瓦斯解吸量随解吸时间先快速增加后趋于稳定值,进而拟合发现,中低阶煤瓦斯解吸曲线可采用1/Q=m/t0.75+n表示,拟合度在0.995以上,其中参数m为与瓦斯解吸速率相关的参数,参数n为解吸体积常数,系数0.75可能与煤变质程度有关,后期可对不同变质程度的煤样解吸曲线进行分析,解吸速率随解吸时间呈指数式递减.将不同孔径段孔隙结构特征与解吸特性参数拟合发现,在瓦斯解吸初期,大孔中的瓦斯优先被解吸,随着孔径的减小,优先率逐渐降低.中大孔分形维数介于2.8791～2.9915,分形特征明显,解吸初速度与分形维数呈明显正相关关系,n与分形维数关系不明显.

    中低阶煤解吸模型孔隙结构中低变质程度煤瓦斯解吸量压汞法

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    不同粒度构造煤的视电阻率特征

    刘世奇高德燚桑树勋王鹤...
    162-169页
    查看更多>>摘要：应力释放煤层气开发理论技术是构造煤煤层气开发的新技术方向,构造煤视电阻率的研究可以为应力释放煤层气开发提供构造煤识别的技术支撑.开展了单轴加载条件下,不同粒度构造煤的视电阻率与应力-应变监测试验,探讨了应力−应变过程中构造煤视电阻率变化规律与响应机制.结果表明,轴向载荷大于单轴抗压强度后,随载荷增大构造煤视电阻率呈负指数降低,至轴向载荷≥10 MPa时,视电阻率对载荷的敏感性降低;随粒度减小,构造煤视电阻率呈降低趋势,相同载荷下,粒度越小构造煤视电阻率对载荷的响应越敏感.受煤颗粒堆积方式和胶结类型影响,5～200目(4.000～0.075 mm)的构造煤具特殊性,其视电阻率整体较小、对载荷相对敏感.构造煤视电阻率随载荷的变化过程可划分为4个阶段.压密阶段,构造煤的视电阻率降幅取决于煤颗粒堆积方式和胶结类型;弹性阶段,粒度决定了构造煤视电阻率降幅,粒度越大,构造煤原有大孔和微裂隙保留越好,可压缩性越强,视电阻率降幅越高;扩容阶段,径向变形和微破裂导致构造煤视电阻率上升,构造煤力学强度则决定了视电阻率变化特征,随粒度减小,构造煤胶结强度和单轴抗压强度增大,视电阻率增幅降低;持续弹性阶段,破碎、压实作用使构造煤粒度分布更均匀、堆积更紧密,增强了电子导电性能,视电阻率降低.

    构造煤轴向载荷胶结类型单轴抗压强度弹性极限糜棱煤视电阻率

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    煤体结构与宏观煤岩类型对煤体吸附/解吸瓦斯的影响

    赵方钰邓泽王海超王泽...
    170-184页
    查看更多>>摘要：为研究高阶煤中煤体结构和宏观煤岩类型对煤体吸附、解吸的影响,收集了沁水盆地南部3号煤层55口煤层气井的79个煤岩样品的煤岩、煤质、等温吸附及解吸资料,对比研究了相同宏观煤岩类型、不同煤体结构煤样和相同煤体结构、不同宏观煤岩类型煤样的兰氏体积(VL)、兰氏压力(PL)、解吸率和解吸速率等的变化规律,探讨了煤体结构和宏观煤岩类型对煤体吸附、解吸的影响机理.研究结果表明:研究区煤样的VL平均为37.00 m3/t,其中86.61％煤样VL分布在33.00～41.00 m3/t,PL平均为2.82 MPa,其中82.28％煤样PL分布在2.30～3.30 MPa;碎裂煤的吸附、解吸能力均优于原生结构煤,由构造破坏引起的孔隙连通性的差异是导致原生结构煤和碎裂煤解吸、吸附特征差异的根本原因;原生结构煤与碎裂煤的孔裂隙发育程度不同,碎裂煤因孔隙更发育导致其破碎后的甲烷放散效果好于原生结构煤;煤吸附甲烷时表面自由能降低值规律为糜棱煤>碎粒煤>碎裂煤>原生结构煤,反映了不同煤体结构煤吸附甲烷能力的差异;3种宏观煤岩类型煤的吸附能力和解吸能力均表现为光亮煤>半亮煤>半暗煤,一方面是由煤的比表面积大致按照光亮煤、半亮煤和半暗煤的顺序逐渐减小反映的煤基质表面吸附点位差异所致,另一方面是由于镜煤与暗煤中镜质组和惰质组含量的差异所引起.研究旨在进一步揭示高阶煤储层煤层气赋存、产出机理,为煤层气有利区及目标层位优选提供依据.

    煤层气煤体结构宏观煤岩类型吸附解吸

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    SDS/SDBS对无烟煤润湿性影响的分子动力学模拟

    陈炫来严国超阳湘琳冯志忠...
    185-193页
    查看更多>>摘要：为了探究阴离子表面活性剂在煤矿除尘中的微观作用机理,采用分子动力学模拟方法,选取2种常用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)与十二烷基苯磺酸钠(SDBS),研究其对无烟煤润湿性的影响.计算了表面活性剂–无烟煤吸附体系的表面粗糙度和相互作用能,分析了水–表面活性剂–无烟煤体系的相对浓度分布、径向分布函数(RDF)等系列性质,深入探讨无烟煤润湿性改变的微观原因.结果表明:阴离子表面活性剂在无烟煤上的吸附有2种方式,头基团朝向无烟煤表面的吸附与朝向液相的吸附;这种吸附是物理吸附,且范德华相互作用在吸附过程中起主导作用;SDBS中苯环的存在导致其更紧密的吸附在无烟煤表面,吸附构型更稳定.RDF与配位数结果进一步表明,在无烟煤表面酮基附近SDS与SDBS疏水能力相近;在羟基附近SDBS疏水能力强于SDS,这是SDBS吸附后无烟煤疏水性更强、润湿性改变程度更大的主要原因;苯环在无烟煤润湿性改变中起重要作用.这为煤矿除尘中表面活性剂的选取,提供了一定的依据,丰富和发展了无烟煤润湿性基础理论.对这2种阴离子表面活性剂的吸附行为和润湿性变化的分子动力学模拟评价与已有试验数据吻合较好.

    无烟煤十二烷基硫酸钠十二烷基苯磺酸钠分子动力学润湿性

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