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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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    基于气-水两相流的注热CO2增产CH4数值模拟研究

    张林峰杨艳国穆永亮范楠...
    115-128页
    查看更多>>摘要：注CO2增产煤层气技术(CO2-ECBM)可以降低温室气体排放,具有清洁能源生产和环境保护的功能.为研究气-水两相流条件下,在含水煤层中注CO2增产CH4的排采规律以及不同初始含水饱和度、不同CO2注入条件对CH4产量、CO2储存和储层渗透率的影响,构建了竞争吸附、温度变化、煤体变形以及水运移的流-固-热耦合模型,通过与现场数据、已有试验以及现有模型的数值解结果,对比证明了模型有较高的准确性并对模型的优势做出具体阐述,随后利用COMSOL开展了CO2-ECBM数值模拟.结果表明:注CO2可以提升CH4产气速率和产气量,这表明了注CO2增产的可行性.随着CO2持续注入,储层CH4浓度降低,CO2浓度升高,注气井附近温度升高,生产井附近温度降低且从注气井到生产井的温度缓慢下降;注气抽采期间,水相相对渗透率逐渐减小,气相相对渗透率逐渐增大.由于有效应力、基质收缩/膨胀共同作用,储层渗透率呈现"降低-升高-降低"的趋势;煤层初始含水饱和度越大,CH4产量越低,渗透率下降幅度越小.累计CH4产量最大下降15.19％,忽略煤层中水的影响会高估CH4产量,在进行数值模拟时要考虑煤层水的影响;CO2注入温度与注入压力越大,CH4产量越大,渗透率下降幅度越大.累计CH4产量分别增加13.27％、39.77％,渗透率分别下降20.4％、46.14％,提高CO2注入温度和注入压力有利于提高CH4产量.

    煤层气增产流-固-热耦合模型气-水两相流含水饱和度注入温度注入压力渗透率CO2封存

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    柱状聚能药管聚能罩角度对煤层爆破增透效果试验研究

    杨帅刘泽功张健玉傅师贵...
    129-138页
    查看更多>>摘要：为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题,开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究.通过建立聚能罩微元闭合理论模型,分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化;以此为基础对聚能爆破增透机制进行了分析.在实验室搭建了可从煤体宏观裂纹和应变数据多角度对试验模型进行分析的双向加载气固耦合爆破相似模拟试验系统,对含瓦斯煤体试块进行普通爆破和不同聚能张开角爆破模拟对比试验.结果表明,使用聚能药包相较于普通爆破能够有效引导裂纹在聚能罩开口方向上定向发育;随着聚能罩角度减少,聚能爆破后形成的裂纹在聚能方向上更加平滑,裂纹宽度也随之增加,试块剖面更加平整;根据超动态应变仪反演结果,1号测点60°、80°和100°聚能爆破的压应力峰值分别为普通爆破的1.52倍,1.26倍和1.08倍,且60°聚能爆破到达应力峰值的时间最短,表明随着聚能罩开口的减小,聚能方向上能量集中现象越明显.通过ANSYS/LS-DYNA软件对4种不同角度的聚能爆破进行对比分析.模拟结果中60°聚能爆破初始形成的聚能射流有效应力最大,聚能方向产生的裂纹最长.试验和模拟结果表明通过使用60°聚能药包可得到更好的爆破效果,研究成果对松软高瓦斯煤层聚能爆破增透有一定的参考意义.

    煤层增透聚能爆破聚能罩角度裂纹扩展

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    基于SSA-LSTM的风速异常波动检测方法

    邓立军袁金波刘剑尚文天...
    139-147页
    查看更多>>摘要：针对传统统计方法对风门开闭导致传感器监测数据异常波动的漏报率和误报率高的问题,通过挖掘风速传感器中时间序列数据中的数据特征,提出了一种基于奇异谱分析法(SSA)与长短期记忆神经网络(LSTM)组合的SSA-LSTM风速异常波动检测方法.首先利用SSA对风速传感器监测数据进行预处理,将风速数据分解为趋势分量、周期分量和噪声分量,通过重组趋势分量和噪声分量去除因湍流脉动产生的数据噪声;然后对LSTM进行参数优化,利用优化后的LSTM模型对预处理数据进行预测并得到重构风速;最后以对数概率密度函数计算监测风速与重构风速的异常分数,通过计算训练集数据样本的异常分数设定阈值对监测风速进行异常检测.试验结果表明:SSA去除因湍流脉动产生的数据噪声效果较好,在不影响数据波动情况下去除噪声分量,有助于提高风速重构效果和异常检测准确率;LSTM在无异常波动时能正确重构因湍流脉动导致的小幅波且与实际数据拟合效果较好,在有异常波动时根据历史波动趋势对异常波动段进行重构,可有效提高异常检测的准确率.通过对比分析,所提方法比ARIMA、BP、CNN模型的重构效果更好,异常检测准确率为99.2％,Fl-Score为0.97,验证了所提方法的可靠性.表明本文所提方法在检测因风门开闭导致的风速异常波动上具有一定的应用价值.

    异常波动风门开闭异常检测奇异谱分析长短期记忆时间序列

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    屯兰区块煤层气井压裂特征多尺度分析

    李鸿雨宋晓夏刘威李伟...
    148-158页
    查看更多>>摘要：为探究屯兰区块煤层气井压裂特征,以太原西山屯兰区块2号煤层为研究对象,通过对采煤工作面揭露的XST-167、XST-168、XST-176和XST-177四口煤层气井进行地质编录、煤样宏观特征描述及CT分析,从多尺度研究煤层的压裂特征.结果表明:研究区煤层气井附近煤层主要分布斜交裂隙组成的"X"型压裂裂隙,在XST-177煤层气井附近有"T"型压裂裂隙.石英砂与压裂裂隙壁碰撞、摩擦产生煤粉,煤粉充填在裂隙内,对煤层气的产出有阻碍作用.通过对XST-168、XST-177二口煤层气井揭露的井筒进行对比,发现XST-177煤层气井的压裂效果更好,更有利于煤层气的产出.煤层气井附近的煤大多为碎裂煤、碎粒煤,水力压裂破坏了煤体的原生结构,使煤体硬度降低,裂隙显著增加.部分煤样可以观测到石英砂镶嵌其上,主要集中在煤的层理面上,说明石英砂被压进煤层后,主要沿水平缝向煤层内延伸,与此处的最大主应力方向保持一致.通过CT扫描技术,对受压裂影响的煤样(压裂煤)和未受压裂影响的煤样(正常煤)进行扫描,发现压裂煤T1、T2中裂隙宽度大于100μm的裂隙分别占总裂隙体积的58.8％和48.5％,裂隙数量上分别为23407条和19 679条,而正常煤T3中裂隙宽度大于100 μm的裂隙仅占总裂隙体积的1.7％,裂隙数量仅为3504条,T1、T2较T3的裂隙宽度更宽,裂隙数量更多,说明压裂作用使煤样裂隙宽度和数量明显增加,压裂煤内部的孔裂隙更发育.

    煤层气屯兰区块多尺度水力压裂裂隙计算机断层扫描技术

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    华北东部晚古生代过渡相煤系地层低阻成因、控制因素与地质意义

    侯中帅梁钊陈世悦
    159-168页
    查看更多>>摘要：华北东部晚古生代过渡相煤系地层中低阻层发育,明确其成因类型、控制因素以及地质意义,可以充分揭示其中所包含的地质信息,对于相关层系油气资源评价和勘探部署具有积极意义.本文以华北东部太原组和山西组中低阻层为研究对象,综合运用岩心、薄片、扫描电镜、碳氧同位素和测录井资料,围绕其成因类型、控制因素和地质意义开展研究.结果表明:华北东部晚古生代过渡相煤系低阻层主要发育在太1段和山2段,成因类型包括砂泥岩薄互层、高束缚水体积和发育导电矿物,沉积作用和成岩作用控制了低阻的形成;太1段低阻的成因为砂泥岩薄互层和高束缚水体积,潮汐作用导致的潮汐成因层理和微细孔隙发育促进了障壁海岸背景下太1段低阻的形成,山2段低阻的成因为菱铁矿的密集发育,稳定的覆水还原环境和沉积有机物的成岩演化共同控制了三角洲背景下山2段低阻的形成;太1段的低阻和高毛细管束缚水体积指示着潮坪沉积,说明太原组自下而上为一个海退的过程,是对早二叠世早期冈瓦纳冰川迅速扩张和全球海平面快速下降的响应,山2段的低阻和高光电吸收截面指数指示着三角洲前缘沉积,说明山西组由一期三角洲沉积组成.

    砂泥岩薄互层高束缚水体积导电矿物低阻煤系地层

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    湘东北地区早寒武世石煤沉积物源区研究

    张卫国侯恩科李焕同周佳瑞...
    169-179页
    查看更多>>摘要：湘东北地区早寒武世石煤中伴生有多种高含量元素,属性特征鲜明.为查明该区石煤的沉积物来源,从石煤元素地球化学角度入手,利用X射线荧光光谱仪(XRF)、电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)分别测定了研究区12个石煤样品的常量元素和微量元素含量.根据石煤中常量元素组合关系、微量元素含量特征、稀土元素分布特征及相关元素地球化学参数,探讨了湘东北地区早寒武世石煤的沉积物源区.结果表明:湘东北地区早寒武世石煤以无机矿物质为主要组成部分,石煤中SiO2含量占比最高,SiO2与其他常量元素(及其他常量元素之间)关系不明显,石英矿物形态具有陆源输入特征;石煤中微量元素(V,As,Sr,Mo,Cd,Sb,Ba,Bi,U)具有明显富集特征,稀土元素分布特征和Nb/Y-Zr/TiO2关系表明石煤受到了中性岩影响,LaN/YbN表明石煤沉积物沉积速率自东南向西北有减小趋势,即物源来自东部和南部方向;w(SiO2)/w(Al2O3),w(Al2O3)/w(Al2O3+Fe2O3),w(Al)/w(Al+Fe+Mn)和K2O/Na2O-SiO2构造判别模型显示早寒武世石煤沉积于大陆边缘区域,主要接受陆源输入.通过与研究区东南方向分布的上墅群中酸性岩中稀土元素、Rb、Nb、Pb含量以及双溪坞群出露的岩浆岩中常量元素含量及组合特征综合比较,并结合江南造山带的演化历史,认为江南造山带东南缘发育的中、酸性岩带为湘东北地区早寒武世石煤沉积物源区,亦是石煤富集微量元素的主控因素之一.

    湘东北石煤元素地球化学物源

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    煤层顶板水害风险保护系数法评价技术研究

    吕玉广乔伟胡发仑刘梦楠...
    180-188页
    查看更多>>摘要：关于近水体下采煤防水安全煤(岩)柱保护层厚度取采高倍数问题,《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称《"三下"开采规范》)附表4-3"防水安全煤(岩)柱保护层厚度"仅适用于"松散含水层"下采煤,至于基岩含水层下采煤以及老空水体下采煤如何确定保护层厚度并未涉及;常用的顶板水害风险评价技术方法评价的主要内容包括富水性评价、导通性评价、充水强度评价,在含水层富水性已知的情况下,评价方法可以进一步简化,仅评价"导通性"即可.基于以上2点,从《"三下"开采规范》出发,试图构建类似于底板突水系数那样简单的判据用于评价顶板水害风险.首先,基于"保护"一词的科学内涵,提出导水裂隙带顶界面至上覆含水层之间的隔水岩层均具有保护功能,应统称为保护层(Hb);基于《"三下"开采规范》中保护层厚度选取采高(A)一定倍数的做法,提出了保护系数(Bs)概念,即保护层厚度与采高的比值(Bs=Hb/A).其次,基于《"三下"开采规范》附表4-3关于防隔水煤(岩)柱保护层厚度取值的规定,提出松散含水层下采煤的保护系数分区阈值Bi=(0,2、3、4、5、6、7);煤系地层一般为砂、泥岩互层型沉积建造,其中泥岩具有阻水功能(相当于松散层下的黏性土层),且泥岩总厚度一般大于累计采厚,故基岩含水层下保护层厚度可参照《"三下"开采规范》附表4-3"松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚"的条件并按最大值选取,即4A,遂提出评价基岩含层的保护系数分区阈值Bi=(0,4).根据保护系数和分区阈值,可将评价区划分为突水区(Bs≤0)、危险区(0＜Bs＜Bi)、安全区(Bs≥Bi).当煤层上方有多层含水层时,应分别进行评价.最后,举例说明应用保护系数评价顶板水害风险的过程和方法,指出当含水层富水性为中等及以上时,"突水区""危险区"的内涵侧重于安全性,通常作为防水安全煤柱留设;当含水层富水性弱或疏放经济时,"突水区""危险区"主要用于指导疏干工程设计.

    顶板水害风险评价保护系数分区阈值"三区"划分

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    流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

    陈军涛李昊贾东秀马庆...
    189-199页
    查看更多>>摘要：黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈.注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义.对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理.结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力-应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象.使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱.

    注浆加固裂隙长度流固耦合渗透率起裂强度

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    基于双向耦合法的采煤机螺旋滚筒振动特性分析

    张美晨赵丽娟李明昊田震...
    200-216页
    查看更多>>摘要：为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250-BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型.结合 DEM-MFBD(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics)双向耦合数值模拟方法搭建采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型与煤壁离散元模型的双向耦合试验平台,通过仿真试验得到不同煤岩工况下螺旋滚筒的截割过程,并分别对其振动特性的变化规律展开分析.研究结果表明:螺旋滚筒在截割过程中,三向均出现不同程度的振动,其中截割阻力方向振动加速度最大,牵引阻力方向振动加速度次之,侧向力方向振动加速度最小.随着模型中夹矸硬度以及层数比例的增加,截割过程中螺旋滚筒的振动强度不断加剧,最大振动加速度有效值的差值达到4 403.149 mm/s2.利用短时傅里叶变换将一维振动信号转化为二维时频谱图像,得到不同煤岩工况下振动信息变化特征在时频域中完成较好保留,其时频谱图像的特征样本效果优于各工况的时域一维信号曲线,主频能量位置、范围大小、特征团形状等信息具有明显区别,即使遇到夹矸层数不同,夹矸坚固性系数也存在差异的复杂工况,其时频谱图像中能量特征的分布形式也具有显著差别.通过振动模态分析发现,随着煤壁中含有夹矸硬度的增加,各部位的变形量均发生变化,其中截齿部位变化最为强烈.基于相似理论搭建采煤机振动信号测试试验平台,对不同煤岩工况条件下螺旋滚筒截割过程进行了测试研究,通过追踪螺旋滚筒的振动状态,发现其振动变化规律与双向耦合数值模拟一致.试验测试得到DEM-MFBD数值模拟方法获取的螺旋滚筒振动加速度有效值与依据相似比反推的试验数据之间的误差小于DEM离散元数值模拟方法与实验数据之间的误差,验证了 DEM-MFBD数值模拟方法的准确性.研究结果对于提升螺旋滚筒工作可靠性具有重要意义,同时也为采煤机智能化开采的煤岩截割状态识别系统搭建过程中数据信息的获取提供了一种新的方法.

    双向耦合法离散元-多柔体动力学螺旋滚筒振动特性模态

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    矿井带式输送机液压拉紧Fuzzy-PID控制技术研究

    王伟峰杨泽赵轩冲纪晓涵...
    217-224页
    查看更多>>摘要：针对矿井传统带式输送机拉紧系统响应速度慢、调节能力差、拉紧控制时变性和非线性等问题,提出了 一种矿井带式输送机液压拉紧系统Fuzzy-PID控制(基于模糊算法的PID控制)方法.首先,根据液压拉紧装置建立数学模型,其次通过Matlab内置的Simulink仿真库分别对Fuzzy-PID控制器和PID控制器的液压拉紧系统进行仿真,得出输送带拉紧张力启动响应阶段和张力突变的调节响应图,并做出对比分析.最后,通过试验测试来验证算法模型的有效性.仿真结果表明:矿井带式输送机液压拉紧Fuzzy-PID控制系统不仅在启动阶段还有张力突变过程中都具有更好的稳态性能、更快的响应速度.在拉紧装置启动响应阶段的张力超调量降低了 13.5％、到达期望值的时间缩短了0.5 s.在拉紧装置张力突变即模拟拉紧和松带阶段,当张力增加时,Fuzzy-PID控制器的调节速度缩短了 0.4s,超调量下降了 4％.当张力减少时,Fuzzy-PID控制器的调节速度缩短了 0.3 s,超调量降低了 2％.试验结果表明:采用Fuzzy-PID控制的效果更佳优异稳定,且损耗更小.对比于PID控制,Fuzzy-PID控制效果更为良好,平均时间缩短31％且总体趋于稳定.对于矿井带式输送机这种连续运输作业的设备,Fuzzy-PID控制技术为矿井带式输送带平稳运行提供了一定保障,不仅减少了电能浪费,也降低了维护保养带式输送机的保养成本.

    带式输送机液压拉紧装置模糊算法(Fuzzy)PID控制器

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