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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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    松软破碎煤体取制样与剪切试验系统研制及应用

    舒龙勇饶文铭范喜生刘正帅...
    126-134页
    查看更多>>摘要：研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置.为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数测试系统组成,各部分具有以下主要功能与特点:①取样装置中的单动三管取芯器包含脑袋总成、外管总成及内管总成 3部分,内外管间设置稳定环,保证内外管同心,内管总成腔体内部设置衬管用于储存煤心,取芯钻进时内管不随外管旋转;当钻取的煤心充满衬管后,退出取芯器,拆卸取出衬管,将煤心连同衬管一并取出并进行封装.取样装置灵活、轻便、易拆装携带.②制样装置包含脱模仪、切割机、冰箱、热风枪 4部分,脱膜仪用于脱去煤心外层衬管,切割机、冰箱和热风枪用于对煤心进行切割、冷冻和热缩;制作标准煤心试件分为打孔润湿、冷冻切割和热缩脱模 3个步骤,采用端头局部冷冻切割、脱模与热缩均匀同步等技术,实现多种标准尺寸试件制备,制样方法完善、成功率高.③力学特性参数测试系统包含主体结构、伺服油源控制装置和软件系统 3部分,能实现限制性及非限制性直剪试验功能,主要用于开展松软破碎煤体标准试件不同法向应力下直剪试验、不同围压下三轴压缩试验.整体设计结构简单、操作方便.研究利用单动三管取芯器获取松软破碎煤体,利用脱模仪等制样装置将其制备成标准试件,进而在力学特性参数测试系统上分别开展松软破碎煤体标准试件在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09 MPa法向应力下的直剪试验和 0.2、0.3、0.4 MPa围压下的三轴压缩试验,并求得两种试验条件下松软破碎煤体的黏聚力和内摩擦角等抗剪强度参数,其中直剪试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.125 kPa和37.2°,三轴压缩试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.121 kPa和36.4°.结果表明,该套系统具有较好的实用性和可靠性,为研究松软破碎煤体力学特性提供了较好的试验平台和方法.

    松软破碎煤体取芯器取样标准煤样制备剪切试验抗剪强度

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    采动覆岩卸压瓦斯运储通道属性参数拓扑关系研究

    赵鹏翔卓日升李树刚林海飞...
    135-149页
    查看更多>>摘要：煤矿日益加剧的高强度开采过程中,诸多因素综合影响着覆岩裂隙的空间分布特征.覆岩裂隙分布的特征对于解放层开采中的瓦斯治理有着重要的指导意义.通过开展多组二维物理相似模拟试验,探究了不同开采条件下(开采高度、推进速度、关键层层位、煤层倾角)覆岩裂隙网络分布特征及卸压瓦斯运储通道的属性参数,得到了几何参数、裂隙参数的拓扑干系网络.基于复杂网络演化理论可以简化现实干系的拓扑变换,并结合复杂网络特征参数分析运储通道干系结构和因素节点的演化特征,实现了覆岩裂隙网络干系影响因素的定量描述,建立了卸压瓦斯运储通道网络干系结构矩阵及模型.结果表明:卸压瓦斯运储通道的发育范围、贯通度以及分形维数均随着采高、关键层层位及煤层倾角增大而不断扩大;随着推进速度的加快,发育范围却呈现减小的趋势.采高的增加对离层量影响最大,6 m采高相较于 4m时增幅达到 146.9%.破断裂隙密度的变化主要受煤层倾角影响,受推速的影响较小,将钻孔布置在高密度区域(破断裂隙密度>4.7条/m),可以有效起到瓦斯截留的作用.研究结果可进一步优化不同因素影响下瓦斯抽采钻孔的布置参数,提高瓦斯抽采效率,从而保证工作面安全高效回采,对实现瓦斯精准绿色抽采具有一定的现实意义.

    卸压瓦斯运储通道属性参数瓦斯抽采拓扑关系

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    高温矿井制冷降温管网解算及优化方法研究

    马砺张雅婷刘尚明简俊常...
    150-158页
    查看更多>>摘要：高温矿井采用井下集中式制冷降温系统受采掘范围的影响,冷冻水输送管网复杂,导致末端冷量供给不足,严重影响系统降温效果.为提高矿井降温系统冷量利用率,以赵楼煤矿井下制冷降温管网为例,基于图论原理建立井下降温管网拓扑模型,采用水力基本方程计算管段流量、节点阻力和水力损失,得到降温管网水力特性;通过管网节点温升的计算,确定冷冻水输送过程的冷量损失;结合管网水力、热力特性,对降温管网进行优化.结果表明:赵楼煤矿井下制冷降温管网末端工作面冷冻水流量最小为 0.001 m3/s,管网水力损失大的位置为一集轨道下山、7302运输巷和中部辅运大巷.降温系统分别给五采区和七采区共 4个工作面供冷,冷量损失为 1.22×106 J/s,其中七采区降温系统冷量损失占 88.15%,管网摩擦和传热冷量损失分别为 5.39×105、6.805×105 J/s,末端冷冻水最高输水温度为 13.9℃.提出管道-泵阀联调优化方法,采用动态平衡阀对南部 1号辅助运输大巷和二集辅助巷冷冻水流量恒定在 0.022～0.04 m3/s,实现末端空冷器流量稳定;采用静态平衡阀调节管网支路阻力,将工作面冷冻水流量增大至 0.005 m3/s;南部 1号辅助运输大巷、南部 2号辅助运输大巷和二集辅助巷的管径增加至 0.325 m,管网总水力损失从 30.93 m减少到 20.44 m,减少了 35%;将离心泵扬程调整为183～195 m、流量为0.085～0.112 m3/s,离心泵高效运行.

    矿井降温制冷降温管网水力损失冷量损失

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    防治煤自燃的高堆积固化泡沫的制备及应用

    胡相明王凯薛迪孙公正...
    159-170页
    查看更多>>摘要：漏风是引发矿井煤自燃的重要原因,而煤自燃火灾影响了矿井的正常生产.为解决传统无机固化泡沫(TISF)在充填堵漏过程中存在胶凝时间长、堆积能力弱的问题,提出经液态硅酸钠(LSS)改性制备的速凝无机固化泡沫(RISF).研究了不同掺量的LSS对泡沫浆液胶凝时间、堆积能力等性能的影响规律,采用抗压强度、稳定性测试等表征手段,确定了LSS的最优添加量为5%(质量分数),RISF的28d抗压强度达2.49 MPa,是TISF的1.7倍,最大密度比R为1.11,稳定性提升20%左右;胶凝时间和堆积能力的测试结果表明,与TISF相比,RISF的凝结时间大幅缩短(从 683 s缩短到52 s),堆积能力提升(最大堆积高度提高 1.9倍).基于此,结合扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对RISF的速凝固化机理进行了探究.试验结果表明,RISF具有更多的水化产物且不同的水化产物紧密交织,颗粒水化过程中,LSS水解生成原硅酸根与溶液中的钙离子结合,加快水化反应,缩短了泡沫浆液的胶凝时间.但也发现,当LSS添加量超过 5%时,RISF的抗压强度降低,稳定性下降,这主要是因为过量的LSS使溶液中的钙硅比例低于 1.0,导致生成了低强度的水化产物.堵漏风试验和灭火试验结果表明,与TISF相比,RISF具有较高的堵漏效率和优良的防灭火性能,堵漏效率最高提升 26.3%,并且在扑灭煤火时未出现复燃.RISF在利民煤矿矸石山的现场应用表明,其具有良好的降温灭火效果,有效解决了矸石山的高温难题,确保了矿井的正常生产.

    煤自燃无机固化泡沫快速凝固机理充填堵漏材料

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    煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

    李勇陈涛马啸天吴翔...
    171-182页
    查看更多>>摘要：碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展.间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素.通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导.通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小.考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围.

    碎软低渗煤层间接压裂储层改造裂缝扩展数值模拟压裂模拟地应力

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    中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

    东振任博陈艳鹏赵宇峰...
    183-193页
    查看更多>>摘要：煤炭地下气化是目前温度最高(超过 1200℃)的化石能源非常规开发方式,中深层(本文指埋深 800～1500 m)煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显,科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要,由于目前基于可控注入点后退(CRIP)工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立,为保证现场试验顺利实施,需要开展针对性研究.气化腔顶板"裸露"在气化腔后会受到高温影响,通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律,结合高温处理后的岩石电镜扫描结果,查明了高温下岩石热损伤机理.根据CRIP气化工艺造腔特点,建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型,结合"关键层"理论提出了气化腔安全宽度计算方法.研究表明:岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果,高温下岩石发生不规则变形,岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因.岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中,颗粒与基质热膨胀系数比值在[0.01～1)时,最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加.泥岩加热到 200℃时开始出现微裂隙;加热到 400℃时裂隙发育更加明显,主要是沿颗粒边缘破裂;加热到 600～800℃时,裂隙数量增多、尺寸变大;加热到 1000℃时,除出现较大裂隙外,还产生了大量孔隙;1200℃时裂隙连通性明显增加,气孔发育较大.由于高温的影响,薄板模型的步距准数不再是定值,需要根据气化腔顶板热破坏范围与顶板硬岩层的空间位置关系确定具体数值.气化腔安全宽度受温度影响,在研究算例中,砂岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为34.3 m和14.1 m,相差达 58.9%,泥岩顶板在 35、1000℃时安全宽度计算结果分别为 16.7 m和 15.9 m,相差 4.8%.最后从降低顶板垮落风险、有利于气化控制角度,提出了煤层纵向靶区位置的确定方法,当煤层厚度超过气化腔安全宽度一半时,建议将水平井纵向靶区设计在距离煤顶不超过气化腔安全宽度一半的位置.

    煤炭地下气化可控注入点后退工艺气化腔热应力热损伤薄板模型步距准数安全宽度

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    侏罗系宝塔山砂岩突水风险预测及限制边界疏降技术

    乔伟吕玉广韩港刘光尧...
    194-208页
    查看更多>>摘要：内蒙古上海庙矿区新上海一号煤矿发生国内首次也是目前唯一的侏罗系煤层开采底板宝塔山砂岩突水淹井事故;开展了侏罗系煤层开采底板强富水宝塔山砂岩突水危险性评价方法和防控技术的研究工作.首先,明确了"11·25"事故的突水水源为侏罗系延安组下部的宝塔山砂岩含水层,且煤层与底板宝塔山砂岩之间隔水层具有强度低、软化系数小、胶结性差的特点,属地质软岩.其次,以"含水层厚度、含水层富水性、含水层渗透性、含水层水压力及18煤底板隔水层有效厚度"为主要指标建立突水评价体系,将宝塔山砂岩含水层突水危险性分区被划分为安全区(32.21%)、威胁区(37.53%)及危险区(30.26%)三种类型,并通过实例验证了评价模型的准确性.最后,结合底板隔水层工程地质特性,分析采用"断层注浆形成局部限制边界+群孔疏降"的方法防控宝塔山砂岩突水.设定"疏放水开始至 1 号钻场退出疏放水工作、2 号、3 号和 4 号钻场持续进行疏放水工作至 3 号钻场退出、2 号和 4 号钻场持续进行疏放水工作至模型补排平衡"的疏降方案.依据规范得出注浆后最大帷幕渗透系数为 2×10-2 m/d,当断层注浆后帷幕渗透系数为 2×10-2～2×10-8 m/d时,疏放水量为402万～347.8万m3,安全区占矿区的比例为 43.34%～67.37%.结合注浆成本、疏放水量和安全性,帷幕渗透系数为 2×10-4 m/d时即可有效保证矿井安全生产和技术经济效益.断层注浆局部限制边界+疏放水联合技可有效防控宝塔山砂岩水害,研究工作对我国西部侏罗纪煤田开发底板水防治具有重要意义和工程实践价值.

    宝塔山砂岩弱胶结隔水层三维地下水模型危险性评价水害防治

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    弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

    李江华
    209-218页
    查看更多>>摘要：安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键.通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征.采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法,获得了顶板隔水层岩石物理力学性质.基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果,建立了 4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型,揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制,并明确了研究区突水点的突水机制,提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据.研究结果表明:研究区东部局部区域含水层富水性中等,以往多次突水均发生在弱富水区;砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到 59.6%,亲水性强,具有良好的隔水作用;但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低,厚度较薄时,受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏,成为良好导水通道;砂砾岩含水层物理力学性质特殊,采动扰动后孔隙裂隙发育,形成了富水变化异常区;弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关;研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为正常区隔水保护层厚度小于 30 m,受背斜构造影响区隔水保护层厚度小于 60 m.弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制及工程判据对西部矿区水害防治提供了借鉴.

    安新煤田矿井水害弱胶结砂砾岩采动富水区突水机制

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    煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展

    王洪磊郭鑫张亦凡张俊升...
    219-237页
    查看更多>>摘要：当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究.在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击穿光谱法(LIBS)及其与其他光谱联合的多光谱联用技术为代表的光谱学技术的基本原理、优缺点、研究进展与工业应用情况和以图像分析为代表的人工智能煤质煤量检测方法.然后,基于不同技术的工业应用情况进行问题梳理,分析实时煤质煤量在线检测技术在工业应用中的技术局限性,包括:基于技术原理的探测精度问题;由复杂环境因素引用的设备稳定性问题;基于大量数据处理的算法分析问题;煤炭全产业链应用的技术适用与灵活性问题.最后,对未来煤质煤量全面分析及在线检测技术提出 4点发展建议:结合地质条件的煤质在线检测技术研究;工业化多光谱联用技术研究;光谱学与图像分析技术联用煤质煤量全面分析技术研究;智能化在煤质煤量实时检测的深入应用研究.智能化煤质煤量全面分析及在线检测装备研发需多学科共同努力,基于煤岩学、光谱学、仪器仪表工程、数据处理和模式识别、人工智能和机器学习等多学科科学技术,建立工业应用场景-煤质煤量参数-实际应用指导数据库,是实现智能化煤质煤量在线检测,掌握和预测全面煤质煤量信息的重要发展方向.

    煤矿智能化煤质煤流量激光诱导击穿光谱分析法图像分析与机器视觉

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    刮板输送机多永磁电机串联驱动新模式及关键技术

    张强刘伟王聪苏金鹏...
    238-252页
    查看更多>>摘要：装备智能化是煤炭行业高质量发展的必然趋势,伴随着煤矿超大采高、超长工作面的建设,刮板输送机不断朝着重型长运距的方向发展,并且永磁直驱已逐渐取代"异步电机+减速器"成为刮板输送机的主要驱动方式,而传统双驱动刮板输送机存在停机率高、煤流分布不均且能耗大、跟踪性能差的问题,尤其长运距下链条张力波动大造成驱动电机电路涌动,已成为制约我国刮板输送机智能化发展的主要难题.根据刮板输送机面临的主要问题和发展需求,提出了刮板输送机多永磁电机串联"驱动-传动"输送新模式,并阐述了多永磁电机串联驱动刮板输送机这一研究领域涉及的关键技术研究现状,包括刮板输送机故障诊断与状态识别技术、多电机串联驱动"机-电"耦合动力学特性、多永磁电机同步控制技术、多智能体自适应协同控制,对于多驱动刮板输送机的设计研发具有一定的适应性和借鉴性;针对刮板输送机多永磁电机串联驱动系统研究面临的难题,将该系统分为 4项关键科学技术:①多驱动刮板输送机新构型设计;②多驱动刮板输送机非线性机-电耦合动力学建模;③多驱动刮板输送机链条张力脉动与主动控制;④串联驱动刮板输送机主动容错与自适应协同控制;从结构设计与优化、整机运维控制实现刮板输送机多永磁电机串联驱动系统技术攻关,提高刮板输送机的智能化水平,促进煤机高端装备的水平和发展.

    刮板输送机串联驱动机电耦合动力学模型主动容错控制智能调控

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