期刊,煤炭科学技术 2024年卷2期_国家学术搜索

期刊信息/Journal information

煤炭科学技术

主　　编：王金华

出版周期：月刊

国际刊号：0253-2336

电子邮箱：cst410@china.com

电　　话：010-84262920 84262926

邮政编码：100013

地　　址：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。

正式出版

收录年代

微震定位精度影响下采场裂隙表征与冲击地压预警

曹安业王常彬杨旭王冰...

1-9页

查看更多>>摘要：我国深部煤矿高强度开采和复杂地质环境造成冲击地压灾害频发,对矿井安全高效生产造成严重威胁.目前,我国冲击地压矿井配备的微震监测系统在震源定位精度上仍存在不足,冲击地压灾害依然存在"灾源找不准、灾害控不住"的难题.为准确描述采场微震活动空间演化特征,降低震源定位误差对微震预警造成的不利影响,基于冲击地压矿井现有微震监测条件,采用仿真正演试验法探究了煤矿微震台网定位误差矢量分布特征,提出了一种考虑微震定位精度影响的微震裂隙贯通表征方法,并在某矿井回采工作面进行了冲击地压预警实践.研究结果表明:采场不同区域震源定位精度的矢量性差异是造成冲击地压微震预警偏差的重要原因;提出的微震破裂贯通可能性指数Fsum采用与震源能级相关的近场区域半径表征震源破裂尺度,并考虑定位误差对不同距离震源间破裂贯通的影响,最大程度还原了采场煤岩体裂隙扩展贯通可能性的分布规律,与冲击地压危险具有良好对应关系;Fsum在冲击地压危险相关性上显著优于微震频次,同时危险区域识别效率又强于微震能量,可兼顾预警精准率和召回率,是理想的冲击地压周期性预警评价指标.研究成果将为评价微震台网监测能力、提高冲击地压微震预警能力与防治效率提供参考.

关键词：

冲击地压定位误差误差椭圆裂隙贯通微震频次-能量微震台网

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井下断层活动的定量监测及其对冲击地压的影响研究

荣海魏世龙张宏伟杨岁寒...

10-22页

查看更多>>摘要：为建立断层活动与冲击地压之间的定量关系,实现煤矿冲击地压有效防控.通过理论分析义马矿区地质构造环境,以及耿村煤矿 13200工作面与断层影响带的相对位置关系,研究了断裂构造对冲击地压的宏观控制作用.计算了井田构造应力并进行了构造应力区划分,分析了构造应力分区对冲击地压的控制作用.提出了井下断层活动性的定量监测方法,构建了"震源区煤岩体与动力核区尺度等量,震源能量随传递距离逐渐衰减"的模型,建立了大能量微震事件与断层活动的关系,确定了断层活动性对冲击地压的影响.研究结果表明:义马煤田内相对复杂的逆冲推覆构造体系,构成了义马矿区冲击地压的地质构造背景条件.F16 断层的影响带范围为 7 000～7 600 m,13200工作面全部处于F16 断层的影响带内,在开采活动的影响下进一步增大了冲击地压的发生危险.Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂和Ⅳ-7断裂等控制的区域是冲击地压和大能量微震事件显现的主要区域,且冲击地压和大能量微震事件大多位于应力梯度区范围内.在大能量微震事件孕育和发生期间,F16 断层位移分别增长 50 mm和 45 mm;大能量微震事件发生前,断层活动拉力的增幅均相对最高,分别为 2.58 kN和2.93 kN,断层位移量的快速增加和较高的应力增幅构成了大能量微震事件的主要能量来源.表明大能量微震事件和冲击地压的发生均与断层的活动联系紧密.井下断层的实际定量监测方法可以广泛应用于矿井冲击地压预测与防控的指导工作中.

关键词：

冲击地压大能量微震断层地质动力区划构造应力分区断层活动性定量监测能量反演

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沿空留巷密集钻孔切顶机理及关键参数确定方法

刘少伟李小鹏朱雯清付孟雄...

23-33页

查看更多>>摘要：为实现密集钻孔切顶条件下沿空留巷顶板结构安全稳定,研究正常情况与密集钻孔条件下顶板岩层结构受力状况,基于岩石断裂理论和弹性理论分析回采前后顶板密集钻孔孔间围岩受力分布及其破断过程,明确密集钻孔切顶机理及相邻钻孔的孔间集中应力相互作用机制,推导工作面端头弧形三角板结构巷道侧边界密集钻孔孔间围岩的拉剪应力计算公式.在此基础上,分析不同参数对孔间围岩所受拉剪应力的影响作用,提出沿空留巷密集钻孔切顶关键参数确定方法.研究表明:密集钻孔主要通过回采前后钻孔周围应力条件改变来增加钻孔围岩拉剪应力集中程度,引起孔间裂隙扩张联通,形成切缝线破断关键岩层.回采前钻孔主要受水平挤压应力影响,回采后钻孔受力逐渐转变为采空区顶板回转下沉产生的拉剪应力为主,钻孔孔间围岩状态随之由孔间围岩弱化阶段过渡到孔壁裂纹成形阶段,再转变为孔间围岩破断阶段.密集钻孔孔间围岩所受拉剪应力大小主要取决于关键岩层厚度及钻孔孔径与孔间距之比,与钻孔高度及间距成负相关,与角度及直径正相关.据此提出了密集钻孔关键参数确定方法,并根据龙滩矿 3124 N工作面坚硬顶板条件设计了密集钻孔切顶留巷方案,确定钻孔长度为 8.3 m,角度为 15°,钻孔直径为 48 mm,间距为 500 mm.留巷后巷道顶帮变形可控且整体稳定性较好,由此可证明密集钻孔布置参数较为合理,密集钻孔关键参数确定方法有效可行.

关键词：

沿空留巷切顶留巷密集钻孔弧形三角板孔间应力集中

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煤矿巷道再造高强度承载结构快速支护技术及工程应用

徐佑林吴旭坤周波郑伟...

34-48页

查看更多>>摘要：针对松软、破碎围岩巷道可锚性差、受强动压和强构造应力影响等问题,开展了大量现场调研并归纳分析了 3种典型煤矿巷道围岩大变形和围岩控制难题;在分析现有支护技术和理论基础上,提出再造高强度承载结构快速支护技术思路和再造方法.以贵州龙宝煤矿 11205运输下山为工程背景,分析其变形破坏原因,结合实际设计出对破碎围岩进行置换加卸压的联合支护方法,理论上建立巷旁充填墙承载力学模型,分析了巷旁充填墙的承载强度,确定了巷旁充填墙的强度与巷道围岩的可适性及有效性.结合FLAC3D数值模拟与Python脚本编程语言,实现飞蛾火焰优化算法,确定最优的破碎围岩巷道的置换参数(墙体厚度和卸压区宽度).研发了高强度高韧性充填支护新材料.通过对软弱墙体进行置换再造,让巷道顶板、充填体和底板重新构成一个整体承载结构.井下工业性试验结果表明,对巷道软弱岩体进行置换再造后,巷道顶板、充填体和底板所构成的新结构可实现整体承载,充分发挥了围岩自身承载能力和抵抗变形能力,围岩变形趋于平稳,收敛速率基本都小于 0.2 mm/d,无明显变形,且数值模拟计算结果与工程实践监测较为吻合,表明巷旁充填置换支护方案对松软破碎围岩巷道控制有较好的效果.最后,对深入研究再造承载结构快速支护技术进行了展望.

关键词：

破碎围岩难支护巷道高强度承载结构承载强度飞蛾火焰优化算法

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高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

付玉凯吴拥政周鹏赫孙卓越...

49-62页

查看更多>>摘要：传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题.基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能,研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异,提出了高延伸率锚索支护吸能原理,并将高延伸率锚索在现场进行了应用.研究结果表明:静载作用下,高延伸率锚索抗拉强度为 1 790 MPa,最大力总延伸率 8.1%,是普通锚索的 1.61～2.25倍;动载作用下,高延伸率锚索钢丝不易散开,破断载荷与普通锚索基本相同,断后伸长率分别是锚索A、B、C的 1.82倍、1.68倍和 1.52倍,单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的 2.54倍、1.99倍和 1.70倍,高延伸率锚索塑性变形能力更强,吸能能力更高.高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力,进而提高锚索整体的抗冲击性能.高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后,巷道支护效果良好,高延伸率锚索未出现破断,有效控制了巷道冲击破坏.

关键词：

冲击地压深部巷道锚杆支护落锤高延伸率锚索

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二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展

袁永陈忠顺梁小康申海生...

63-78页

查看更多>>摘要：煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,二氧化碳相变爆破因其安全可控、能量易调节等优点成为煤岩体致裂的有效手段之一.为确定二氧化碳相变爆破致裂机理,扩展相变爆破致裂工程应用,分析了二氧化碳相变爆破原理和致裂器材与装备,统计比较不同方式相变爆破能量计算方式,相较于传统炸药爆破,相变爆破属于一种低能量致裂方式;通过分析二氧化碳相变射流传播特征,探究相变爆破中等应力起裂和高压气体协同作用方式,煤岩体在中等冲击作用下,受到拉应力破坏产生径向初始断裂,并在冲击波和卸载波综合作用下形成多重起裂特征,高压气体在多重裂隙中进一步扩展,驱动裂隙向外扩展,明确了相变爆破应力气体协同致裂过程;进一步研究了泄能方向、煤岩体性质、爆破参数、初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等因素对相变爆破致裂效果的影响,泄能方向对煤岩体破坏起到直接作用,引发非对称损伤破坏,煤岩体抗压强度和致裂孔间距是影响致裂效果的关键因素,初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等影响裂纹发育扩展特征;在相变爆破致裂工程应用方面,揭示了相变爆破多重裂隙渗流特征,确定了高瓦斯煤层致裂增透效果,对比了预裂前后煤体截割特征,验证了预裂提升块煤率可行性,并探究了相变爆破预裂顶板垮落特性.针对相变爆破致裂应从多速率冲击破碎、损伤破坏多尺度分析、致裂过程多物理场耦合及延时相变爆破技术等方向进一步扩展研究,拓宽二氧化碳相变爆破应用场景.

关键词：

相变爆破动态冲击致裂机理裂隙分布爆破因素

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套筒压裂作用下岩石细观裂隙与能量演化规律探究

胡善超韩金明黄俊鸿平立芬...

79-91页

查看更多>>摘要：为从细观层面揭示不同围压作用下套筒压裂岩石破坏机理及能量运移规律,基于套筒压裂试验以及膨胀力测定试验构建了PFC3D数值模型,采用离散元法对套筒压裂过程开展数值模拟,结合声发射信息探究了套筒压裂过程中不同围压对岩石细观裂隙及能量变化的影响规律,并依据弹性力学揭示了套筒压裂力学机制,研究结果表明:①套筒注液过程存在压力损失,依据注液压力损失率可将注液过程大致划分为充填阶段、增压阶段、快速增压阶段.注液压力与套筒膨胀力呈线性关系,其修正系数为 0.678.②基于PFC3D所构建的数值模型能够较好的反映套筒压裂过程中岩石力学性质与变形破坏特征,岩石压裂过程以张拉破坏为主.围压决定着裂缝的扩展路径,并对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用.随着应力差的逐渐增大,岩石内部剪切裂纹数量及占比均逐渐增大.③声发射信号可分为平静期与活跃期,累计裂缝数目曲线呈现阶梯状上升.无围压条件下,声发射特征呈现单峰值分布;有围压条件下,声发射特征呈现多峰值分布,压裂过程存在多个破坏阶段.④套筒膨胀力作用范围有限,环向拉应力作用范围与套筒膨胀力呈现对数关系.切向应力随应力差的增大而增大,当夹角φ取值为 45°或 135°时,岩石内部剪切破坏最明显.⑤同一膨胀力作用下,围压越大岩石内部输入能越小.不同围压条件下岩石的输入能、弹性能、耗散能均出现不同程度的激增,这主要是由于宏观裂缝的形成引发了钻孔扩容;耗散能平均增长速率更快,为弹性能的1.27～1.55倍.

关键词：

套筒压裂岩石力学细观裂隙力学机制能量演化

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预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

何杰吴拥政孙卓越李军臣...

92-103页

查看更多>>摘要：为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径 50 mm,高 50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展 8个孔洞尺寸和 3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性.结果表明:①在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力-应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段.同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由 0增大至 8mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快-慢分区特征.与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹-剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱.②揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律:孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成.随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致.研究成果有利于明晰冲击地压巷道钻孔卸压机理,为冲击地压防治提供理论支持.

关键词：

岩石动力学分离式霍普金森压杆孔洞力学特性能量耗散

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关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

孟凡非浦海倪宏阳卞正富...

104-114页

查看更多>>摘要：受"双碳"政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注.关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素.因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性.笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律.得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为 3个阶段:初始阶段(0<ε≤0.175),缓慢增长阶段(0.175<ε≤0.275)以及快速增长阶段(ε>0.275).快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显.破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到 0.2.当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢.岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少.颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变.当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞.研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据.

关键词：

关闭矿井热储空间破碎岩体空隙结构裂隙分布特征

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颗粒煤基质尺度计算新方法及应用

王亮李子威郑思文安丰华...

115-125页

查看更多>>摘要：煤基质内部富含复杂孔隙,为瓦斯提供了大量的存储空间和运移通道.孔隙内的瓦斯流进裂隙需要经过扩散过程,基质尺度在一定程度上决定了扩散到裂隙的阻力,影响着瓦斯扩散的难易程度.研究以瓦斯扩散与煤基质尺度内在联系为出发点,通过处理颗粒煤解吸瞬态过程数据得到不同解吸时刻煤的双重孔隙结构内的瓦斯浓度与质量交换速率的定量关系,结合时变扩散系数对基质形状因子进行计算,提出了基于瞬态扩散的颗粒煤基质尺度计算方法,并进行了试验验证.结果表明:与较小颗粒煤相比,保存完整基质形态的大颗粒煤初始扩散系数基本不变,因此初始扩散系数的值在一定程度上可以表征基质的破坏程度.基质形状因子随解吸时间的延长而减小,可划分为急降阶段、缓降阶段和稳定阶段,其中稳定阶段基质形状因子能够准确反映扩散后期拟稳态下的基质形态,最适合求解基质尺度.该方法可以反映颗粒煤粉化损伤过程中的基质尺度变化规律,为解释扩散极限粒径的存在提供依据.糯东煤样的 3种试验粒径基质尺度随煤颗粒的增大而增大,分别为 0.059、0.287、0.457 mm,并且在大粒径范围具有无差性,证明了该方法的准确性.颗粒煤基质尺度可以用来修正K1 值的计算参数,使瓦斯损失量计算模型在粉化程度高的煤样中同样具有很好的适用性.

关键词：

基质尺度瓦斯扩散瞬态扩散扩散模型颗粒法

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