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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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    不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

    王波马世纪田志银任永政...
    114-125页
    查看更多>>摘要：煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入"强度极限邻域",此时受外部冲击扰动更易破坏.为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的"强度极限邻域",以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T2 谱曲线.试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T2 谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T2 谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入"强度极限邻域"关键.②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、"强度极限邻域"中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入"强度极限邻域",瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域.③煤岩的孔径分布、T2 谱曲线能直观反映了煤岩"强度极限邻域"内、外微观变化特征.④通过煤岩孔隙率所确定的进入"强度极限邻域"时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入"强度极限邻域"的时机,作为进入"强度极限邻域"范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入"强度极限邻域"范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入"强度极限邻域"时的应力阈值越小.

    含瓦斯煤岩流变扰动效应强度极限邻域核磁共振T2谱曲线

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    基于非稳态扩散的复合煤体能量失稳致灾研究

    秦玉金苏伟伟卢守青李铭杰...
    126-138页
    查看更多>>摘要：在我国由于地质构造作用的影响,导致煤层中多存在原生结构煤和构造煤分层的现象;而构造煤的存在导致复合煤层突出危险性急剧增加,这严重制约我国煤矿安全生产.根据软硬复合煤体瓦斯的扩散状态,模拟分析了非稳态扩散复合煤体的力学失稳规律;建立了非稳态扩散的吸附瓦斯膨胀能计算模型,探讨了稳态扩散和非稳态扩散对于吸附瓦斯膨胀能的影响,从能量角度分析了吸附瓦斯膨胀能对突出的控制作用,阐释了非稳态扩散复合煤体的突出失稳致灾机制.结果表明:复合煤层中构造煤的存在能够增加其邻近原生结构煤的塑性破坏程度,提高了原生结构煤塑性区内的瓦斯运移速度,进而增加煤与瓦斯突出危险性;非稳态扩散条件下原生结构煤和构造煤的吸附瓦斯膨胀能是稳态扩散条件的 0.50～0.57倍和 3.36～3.38倍,复合煤层中由于构造煤的存在导致原生结构煤内部裂隙-基质系统间产生巨大的瓦斯浓度差,使得原生结构煤基质内部的吸附瓦斯迅速解吸,增加邻近原生煤中吸附瓦斯膨胀能,进而使得复合煤层的突出危险性显著增加.

    非稳态扩散原生结构煤构造煤复合煤层煤与瓦斯突出

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    融合地表温度与形变的地下煤火多源遥感识别研究

    于灏张豪磊张子彦邵振鲁...
    139-147页
    查看更多>>摘要：地下煤火隐蔽性强且危害大,不仅破坏植被及生态环境,造成严重大气污染,且易诱发地质灾害,威胁周边人们群众的生命财产安全以及煤炭的安全生产,因此开展地下煤火灾害的准确识别与监测具有重要意义.为了解决单一遥感手段难以准确识别地下煤火的问题,基于 2017-2019年的多景Landsat-8影像和Sentinel-1 A影像,利用普适性单通道算法和DS-InSAR(Distributed Scatterer Interferometry Synthetic Aperture Radar)技术分别获取了水西沟煤田长时序地表温度与形变分布信息,在此基础上基于阈值分割与时空耦合叠加分析等方法开展了融合地表温度与形变的地下煤火多源遥感识别研究.结果表明:地表长时序温度和形变时空协同分析可以有效克服非煤火高温或形变等复杂异常信号产生的影响,凸显了地下煤火信号在地表温度与形变 2个维度中的响应特征.而且,地下煤火区地表温度异常与形变异常空间分布形态存在细微差异,其中形变异常得益于SAR影像分辨率和外界干扰因素较少等条件,其对地下煤火识别的指示作用更强,而基于温度异常正确识别的煤火区域范围则与实勘煤火边界具备更好的空间一致性.另外,地下煤火灾害的温度与形变峰值空间位置存在一定偏移,但在时间维度上 2者响应具有明显的一致性,表现为稳定的异常高温与持续沉降.可见,与单一遥感手段相比,融合 2者的方法能够更加准确地识别地下煤火区,为地下煤火灾害的广域普查和及时防治提供良好的技术方法支撑.

    煤火识别普适性单通道算法DS-InSAR多源遥感地表温度地表形变

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    雨汪区块煤层气气体同位素变化特征及成因判识

    王芳芳吴财芳杜明洋唐依然...
    148-157页
    查看更多>>摘要：研究煤层气地球化学特征及其成因,对煤层气成藏及资源勘查开发具有重要意义.为探究滇东雨汪区块煤层气成因及其地球化学特征,采集该区 6口典型煤层气井的产出气气样,开展了组分测定、碳同位素和稀有气体同位素测试,系统分析了煤层CH4、N2 等气体的成因,并结合水文地质环境,探讨了雨汪区块煤层气排采过程中气体的同位素变化及其控制因素.结果表明:雨汪区块煤层气井产出气中CH4 体积分数平均为 73.95%～92.90%,乙烷、CO2、N2 体积分数分别为 0.20%～0.40%、0.05%～1.05%、6.15%～25.32%.此外,He仅在产气第1天检测到,而碳原子数大于2的烃类未检测到;煤层气干燥系数(C1/C1～5)为0.9995～0.9997,属于高成熟干气;CH4 的δ13C值为-36.7‰～-27.6‰,为有机质热成因气;CO2 的δ13C值介于-19.1‰～-6.6‰,主体分布在-18.0‰～-14.3‰,为有机成因;氮气体积分数平均为 12.63%,含量相对较高,其φ(N2)/φ(Ar)远大于 84,以有机成因为主;氩气体积分数平均为 0.06%,远大于 0.017%,以大气成因为主;氦气体积分数平均为 0.02%,φ(3He)/φ(4He)为 0.29×10-8～19.6×10-8,主体范围为 2.00×10-8～9.38×10-8,φ(3He)/φ(4He)与大气氦的比值介于 0.01～0.09,属于典型的壳源氦气,且φ(4He)、φ(20Ne)的变化趋势与φ(4He)/φ(20Ne)具有一致性;随着排采时间增加,气体纯度增高,产出气的烷烃同位素值呈现逐渐变轻的趋势.研究认为,雨汪区块煤层气"变干、变轻"是气体解吸、扩散和水溶解作用综合影响的结果.

    煤层气地球化学成因类型碳氢同位素雨汪区块

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    基于浆液-岩体耦合效应的裂隙注浆扩散机制研究

    翟明磊白海波
    158-167页
    查看更多>>摘要：华北型煤田深部开采过程中受底板灰岩含水层水害威胁程度高,通过合理布设注浆孔向直接威胁煤层安全开采的含水层大量灌注浆液,使强含水层成为弱含水层或隔水层,是解决此类水害问题的主要手段.在微裂隙注浆工程中,浆液-岩体耦合效应对浆液扩散过程影响显著.为此,开展煤层底板裂隙含水层高压注浆过程中浆液-岩体相互作用及浆液扩散机制问题研究,基于黏度时变性宾汉流体浆液扩散运动方程和裂隙开度控制方程,建立了考虑浆液流动与岩体变形耦合作用的裂隙注浆扩散理论模型,分析了浆液压力和裂隙开度在浆液扩散方向上的空间分布特征,揭示了浆液-岩体耦合作用对浆液扩散的影响规律,并利用恒定裂隙开度注浆模型进行了对比分析.结果表明:浆液压力和裂隙开度变化在浆液扩散方向上衰减趋势一致且均具有明显的非线性特征,在裂隙入口区域衰减较快;浆液-岩体耦合作用程度随裂隙开度增加而减小,裂隙开度较小时不考虑浆液-岩体耦合作用将导致注浆压力设计值偏大;随着裂隙开度增加,注浆压力逐渐成为影响浆液扩散距离的主控因素.最后,结合鲁西煤矿下组煤底板灰岩含水层注浆改造工程实例,验证了理论模型的正确性.

    裂隙含水层注浆改造浆液扩散裂隙开度应力耦合

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    基于地面定向钻孔注浆的煤矿立井钻井法井壁渗漏水治理技术

    王雪松程桦荣传新姚直书...
    168-177页
    查看更多>>摘要：煤矿钻井井壁为单层结构,在深厚表土层段其渗漏水将严重威胁矿井安全生产,建井阶段井壁接茬部位若存在施工缺陷,则会导致地下水腐蚀锈穿接茬部位金属及焊缝,造成井壁渗漏水,若不及时治理,易引发突水溃砂而酿成淹井事故.为探寻一种行之有效的治理技术,以许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理为工程背景,开展了煤矿钻井井壁渗漏水治理技术研究.首先,结合矿井水文地质特征等信息分析了钻井法单层井壁渗漏水致因,发现许疃煤矿副井井壁接茬处发生渗漏水的主要原因是地下水中的HCO3-、Cl-共同作用腐蚀锈穿井壁接茬部位后,含水层之间越流补给的高压地下水通过孔隙连通性良好的壁后碎石充填层流入井筒内;然后,对比分析了许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理采用壁后注浆和地面钻孔注浆的可行性与安全性,发现在流砂层中对采用钻井法施工的钢筋混凝土单层井壁进行壁后注浆,安全风险较大,影响井筒正常提升,且存在再次发生渗漏水的风险,而采用地面定向钻孔注浆技术的注浆量大,壁后充填层碎石间孔隙可被水泥浆充分填充,改善井筒防渗和承载能力,且施工人员全程在地面操作,安全性好,不影响井筒正常提升;最后,提出了针对深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理的地面定向钻孔注浆技术并进行工程示范,2个钻孔共注入 130.9 m3 水泥浆,完全充填了 94.00～131.40 m层段壁后充填层碎石间孔隙,顺利封堵了井下94m处出水点,经现场长期观测,该段井壁未再渗漏水.研究结果表明,针对深厚表土层段煤矿钻井井壁渗漏水治理,采用地面定向钻孔注浆技术的治理效果良好,安全性高.研究成果可为深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理提供一定的参考.

    钻井井壁井壁接茬渗漏水地面定向钻孔注浆

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    基于模糊综合评价的导水通道超前探查判识技术

    李建林薛杨王心义徐博博...
    178-186页
    查看更多>>摘要：华北型煤田地质条件复杂,煤层底板受构造切割形成大量导水通道,其探查判识一直是水害防治中的重点和难点.以多分支定向长钻孔超前探查为基础,构建了基于流程分析与模糊综合评价相结合的导水通道判识技术.首先在超前探查过程中,选取钻时录井、钻井液消耗量、γ录井、岩屑录井、压水试验、可注性 6个评判指标,将施工过程分为 16种工况,依此建立综合分析流程图,对样点是否导水进行定性判识;其次采用钻速、钻井液消耗量、γ值、非灰岩占比、单位压注量和注浆量对 6个指标进行量化分级,利用超标加权法确定指标权重,基于模糊理论和最大隶属度原则对样点是否导水进行三级定量判识;最后利用该技术对赵固一矿 15031工作面 13个点位进行综合流程分析和模糊综合评价,其中 10个点位导水可能性高,3个点位导水可能性低;在此基础上,结合工程实际成功标定了 3条导水通道的具体位置.该技术构建了导水通道的判识指标体系,并对其进行量化分级与综合评估,提高了煤层底板导水通道的判识度.

    超前探查导水通道模糊综合评价矿井水害

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    大倾角煤层俯伪斜工作面液压支架设计系统实用性分析

    伍永平胡涛胡博胜解盘石...
    187-198页
    查看更多>>摘要：为解决大倾角煤层液压支架设计过程中多维受载特征被忽略、建模过程繁琐、设计周期长等问题,结合大倾角伪俯斜工作面液压支架受载特性,研发大倾角液压支架设计系统.采用运动仿真、强度测试、物理实验等综合研究方法,以ZY5000/15.5/38型大倾角煤层液压支架设计为例,根据大倾角伪俯斜采场液压支架多维受力特征建立力学模型,分析大倾角液压支架的空间受载特性,建立伪俯斜工作面液压支架顶梁、掩护梁力学线性矩阵,利用VB.NET为开发语言结合线性矩阵和SOLIDWORKS二次开发建模软件搭建液压支架设计系统,开发出良好的人机交互用户界面.研究分析表明:该系统生成下的模型液压支架顶梁前端运动轨迹范围 48 mm左右,支架顶梁前端运动轨迹曲线满足双扭线特性;模型支架最大应力为 146.7 MPa,远小于材料屈服的等效应力,最大变形位移也不超过 0.531 mm;研制相似比为 1∶5物理模型液压支架工作阻力在 38 kN左右,在不同条件下测试支架顶梁、掩护梁受载特性,实验中模型支架的力学数据与系统生成的力学数据基本相符,且实验在初撑、增阻、恒阻及卸压各阶段均满足支架的运动要求及承载特性.研究结果体现了该设计系统下模型液压支架较好的适应性,对丰富大倾角煤层液压支架设计理论和指导液压支架设计生产具有一定的科学和实践意义.

    大倾角煤层液压支架参数化设计系统适应性检验

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    基于特征增强与Transformer的煤矿输送带异物检测

    高涵赵培培于正肖涛...
    199-208页
    查看更多>>摘要：输送带是煤矿井下最重要的运输设备之一,在输送工作中会因锚杆、槽钢、大块矸石等异物混入造成输送带撕裂、落煤口阻塞等重大安全事故,严重影响运输效率,甚至威胁工人生命安全.为了解决现有输送带异物检测算法存在的对细长物体表征能力弱、弱语义特征提取能力差等问题,设计了一种基于低层级特征增强与Transformer机制的异物检测算法(Feature Enhancement and Trans-former YOLO,FET-YOLO).首先,针对现有检测网络难以提取细长物体特征的问题,引入可变形卷积以提升网络对细长异物的形状特性的适应性,并使用MobileViT模块增加图像中异物与背景的区分度,以提取出更符合细长异物的多样性特征,削弱背景噪声的干扰;其次,构建低层级特征增强模块(Low-Level Feature Enhancement Module,LFEM),提升异物弱语义特征在检测网络中的表达能力,以降低漏检、错检的概率;最后,引入鬼影混洗卷积(GSConv)减少因特征图尺寸变化造成的信息丢失,保证网络高效提取特征的同时,减少模型参数量.利用煤矿井下输送带工作视频制作训练集和验证集,并将提出的算法与现有的 3种输送带检测算法对比,实验结果表明:所提出的算法可以更好的解决输送带异物目标检测中细长物体检测效果差、弱语义特征提取困难的问题,具有更高的检测精度、同时符合输送带检测场景对检测实时性的要求,对于分辨率大小为 640×640的图像mAP@0.5可达0.875,mAP@0.5:0.95可达0.543,检测速度为75 fps.

    异物检测YOLOv7-tiny鬼影混洗卷积输送带深度学习

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    煤矿井下钻进速度影响因素及其智能预测方法研究

    戴剑博王忠宾张琰司垒...
    209-221页
    查看更多>>摘要：在煤矿井下钻探领域,钻进速度(DR)是评估钻探作业最有效的指标之一,钻速预测是实现煤矿钻进智能化的前提条件,对于优化钻机钻进参数、降低作业成本、实现安全高效钻探具有重要意义.为此,提出煤矿井下钻进速度影响因素及其智能预测方法研究,探索基于钻压、转速、扭矩以及钻进深度等少量钻机参数采用机器学习算法实现钻进速度精准预测.首先通过实验室微钻试验,深入分析煤岩力学性能、钻压、转速和钻进深度对扭矩、钻进速度影响规律.研究结果显示,在煤矿井下钻进过程中,随着钻进压力增大,钻进速度呈逐渐升高趋势,在较高的转速条件下钻进压力对钻进速度影响更加明显,转速增加有利于提高钻进速度,但转速对硬度较低的煤层钻进速度影响更为显著;然后,根据煤矿井下防冲钻孔现场数据,采用K-近邻(KNN)、支持向量回归(SVR)和随机森林回归(RFR)3种不同的机器学习算法建立钻进速度预测模型,并结合粒子群算法(PSO)对 3种模型超参数进行优化,最后对比分析PSO-KNN,PSO-SVR和PSO-RFR三种钻进速度预测模型预测结果.研究结果表明,PSO-RFR模型准确性最好,决定系数R2 高达 0.963,均方误差MSE仅有29.742,而PSO-SVR模型鲁棒性最好,在对抗攻击后评价指标变化率最小.本文研究有助于实现煤矿井下钻进速度的精准预测,为煤矿井下智能钻进参数优化提供理论支撑.

    钻机参数K-近邻随机森林回归支持向量回归粒子群算法钻进速度预测

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