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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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    "三软"厚煤层回采巷道掘锚一体机工艺优化及应用

    贾后省皇东山方珍珠李东发...
    1-10页
    查看更多>>摘要："三软"厚煤层回采巷道围岩整体强度低,且岩层结构组合普遍变化较大,造成掘进工作面悬露顶板稳定性差异明显,部分顶板稳定性较差区域无法直接采用掘锚一体机及配套施工工艺,造成掘进工作面频繁停工,整体掘进效率下降.针对此类问题,以沙吉海煤矿"三软"厚煤层回采巷道为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟等综合研究方法,阐明了掘进工作面悬露顶板漏冒、掘锚一体机陷入底板或跑偏、煤壁片帮是制约掘锚一体机在"三软"厚煤层回采巷道中应用的关键制约因素;考虑悬露顶板厚度、扰动影响系数、顶板各岩层强度及各岩层完整性等参量的影响,建立和推导了掘进工作面悬露顶板极限跨距计算公式;形成了以掘进工作面悬露顶板极限跨距计算为主导的巷道围岩稳定性分级方法,将"三软"厚煤层回采巷道围岩划分为极稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定 5个级别;提出了不同稳定性级别围岩条件下掘锚一体机装备及施工工艺分类优化方案,并从截割滚筒位态调整、底板接地处理、巷帮作业平台增设等方面给出了困难作业环境下掘锚一体机应用对策.研究成果在沙吉海煤矿B1003W05工作面巷道进行了工程应用,其分类优化方案可有效保障掘锚一体机在"三软"厚煤层中的正常运行,相比邻近巷道采用悬臂式掘进机综掘工艺,掘进速度提升了1.0～1.8倍.

    "三软"厚煤层回采巷道掘锚一体机采掘工艺快速掘进

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    近距离煤层底板应力分布规律及巷道布置研究

    张杰孙建平何义峰张一铭...
    11-22页
    查看更多>>摘要：为探究上煤层遗留煤柱对底板的应力影响及下煤层回采巷道的合理布置,以唐山沟煤矿为研究对象,运用理论分析和数值模拟等方法并综合多种影响因素构建了上煤层遗留煤柱与铰接岩块的协同承载结构模型和底板应力传递计算模型,对上煤层遗留煤柱下底板应力及影响因素展开研究.结果表明:上煤层遗留煤柱对底板的应力影响以垂直应力为主,影响程度随底板深度的增加而降低;遗留煤柱下底板应力增高区呈椭球形,对底板应力增高区的影响因素展开分析,得到了不同因素对应力增高区范围影响的量化关系,其中煤柱峰值应力对底板应力增高区分布起决定性作用;根据底板应力分布特征并结合理论计算及数值模拟结果,确定唐山沟煤矿 8煤遗留煤柱与 11-1 煤回采巷道合理错距值应为 20～25 m.该研究揭示了上煤层遗留煤柱下底板应力传递机理,明确了底板应力增高区的分布及影响因素,并得到了巷道-煤柱合理错距值的确定方法,可为下煤层回采巷道的合理布置提供理论依据.

    近距离煤层遗留煤柱底板应力巷道布置

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    切顶留巷矸石帮演化过程及侧向压力分析

    李子波张国华李豫波秦涛...
    23-35页
    查看更多>>摘要：切顶留巷挡矸支护成功与否取决于矸石帮演化过程及其侧向压力分布.以杏花煤矿为工程背景,采用室内试验、相似模拟的方法,分析了矸石压实力学特性、顶板垮落过程及矸石帮演化过程;通过理论分析建立力学模型,分析了不同因素对矸石帮侧向压力的影响;数值模拟给出采空区边界覆岩压力、矸石帮侧向压力分布规律,从矸石帮侧向压力影响因素角度给出矸石帮挡矸支护方案.研究表明:①矸石帮侧向压力大小与采空区矸石演化过程相关:矸石自组织调整阶段,矸石帮侧向压力主要由矸石自重产生,侧向压力大小取决于堆积高度;矸石被动压实阶段,在顶板周期来压作用下,矸石体反复被压实,矸石帮侧向压力逐渐增大;矸石稳定阶段,此阶段矸石体被压实,对覆岩起到明显支撑作用,覆岩压力趋于稳定值为 3.81 MPa,矸石帮侧向压力稳定值为 2.12 MPa.②矸石帮侧向压力由巷道顶板位置至底板位置逐渐增大.③从外部环境角度,矸石帮侧向压力与顶板覆岩压力呈现明显的正相关关系,与切顶角度呈现明显的负相关关系;从矸石自身力学性质角度,矸石帮侧向压力与矸石内摩擦角呈现明显的正相关关系.基于此,提出"袋+网+U型钢+斜撑单体"挡矸支护方案,现场应用效果良好.此研究可为类似工程条件挡矸支护提供借鉴与参考.

    沿空留巷切顶卸压冒落矸石矸石帮侧向压力采空区

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    厚松散层矿区开采沉陷拉伸区域土体内部变形演化规律研究——以淮北孙疃煤矿为例

    蔡毅沈华章黄厚旭严家平...
    36-49页
    查看更多>>摘要：为了研究厚松散层矿区开采沉陷拉伸区域相应土体内部变形演化规律,针对淮北孙疃煤矿10111,沿垂直于工作面推进方向,于拟采空区地表投影区域外侧(拉伸区域)以 60m间隔由近及远布设 1～3号竖向钻孔;采煤沉陷过程中基于光纤(1号钻孔)、测斜仪(2～3号钻孔)技术开展钻孔变形监测;将煤炭开采引发移动的上覆岩层与松散层所占区域视为变形区,并引入任意厚度地层移动角的概念,分析开采沉陷拉伸区域相应松散层变形演化特征.结果表明:1号钻孔发生应变的最大孔深约157 m,且钻孔深部较浅部先达到活跃期;2、3号钻孔孔口最终累计水平位移量分别为129.8 mm和 99.4 mm,最大位移深度分别约为 108 m和 75 m;2、3号钻孔监测范围内地层从下至上均可分为稳定段、变形区下段、中段与上段;2、3号钻孔从下至上水平位移量总体分布较均匀,每米深钻孔的平均水平位移量分别约为 1.2 mm和 1.3 mm;2、3号钻孔变形区下段均先于上段达到活跃期,且变形区下段稳定后上段仍有微弱变形;松散层内一定厚度地层,其地层移动角随地层深度的增加而增加,松散层变形区下边界的深度h随着与工作面水平距离l的增加而减小,h与l满足指数函数关系.

    厚松散层矿区拉伸区域土体内部变形光纤监测钻孔测斜

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    "双曲线"型煤样承载力学特性试验研究

    尹大伟苑啸天韩磊范建国...
    50-62页
    查看更多>>摘要：煤炭地下气化结束后,两气化炉间形成类"双曲线"形煤柱,支撑覆岩,保障气化区域安全稳定.为研究类"双曲线"形煤柱承载力学特性,基于声发射监测系统和XTDIC三维全场应变测量系统,开展了不同侧向拱高(h=0,3,7,10,13,17 mm)的 6组"双曲线"形煤样单轴压缩试验,分析了h对煤样峰值载荷、变形破坏及声发射特征的影响,揭示了其承载破坏机制.结果表明:①"双曲线"形煤样可分为矩形结构(主要承载体)和侧向拱结构,其承载破坏机制与其受力形式、侧向拱结构有关;随着 h增大,煤样承载能力降低,与 h=0煤样相比,峰值载荷分别降低了 7.66%,13.56%,26.83%,35.28%,62.75%.②随着h增大,煤样整体受力形式由以受压为主向受压-受弯曲转变,中部区域产生应力集中而形成薄弱区,对应的水平位移场向中部迁移,最终汇集于中部边缘处;而垂直位移场由水平条带状向倾斜条带状转变,最终集中于煤样侧向拱结构上端.③在轴向载荷作用下,煤样侧向拱结构对其矩形结构中部区域产生等效作用力,加之煤样非均质性影响,加剧了薄弱区损伤程度,该作用随着h增大而增强,煤样承受载荷未超过其抗拉强度即产生剪切破坏,其破坏模式由拉-剪混合破坏向剪切破坏转变,均伴随着不同程度的剥落和局部弹射破坏.④煤样声发射累计计数-时间曲线演化可分为 3种类型,当h为 0和 3mm时,分为"上凸"式增长、相对快速增长、快速增长、"突变"式增长4个阶段,其演化特征与常规煤岩试样一致;当h为7mm和10 mm时,分为相对快速增长、快速增长、"突变"式增长 3个阶段;当h为 13 mm和 17 mm时,分为快速增长和"突变"式增长 2个阶段;峰后阶段均呈"突变"式增长,而峰前阶段增长形式不一致是由煤样裂纹稳定扩展和中部区域持续损伤共同导致的.

    "双曲线"形煤样承载力学特性等效作用力变形破坏

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    造穴-CO2气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究

    闫志铭张新生张军胜杨百舸...
    63-73页
    查看更多>>摘要：我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题.为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用 185 MPa高压力CO2 冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测 3种技术手段,研究造穴-气相压裂复合技术的瓦斯治理机理.结果表明:①煤样在CO2 气相压裂应力波作用下,在煤基质表面新形成损伤坑(DM)和三翼型裂隙(TRW)典型显微构造.②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开,形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝,该裂缝能够充分均化应力集中区,并使得煤层产生不可逆的破坏,其应力扰动范围为24 m.③在有效的气相压裂-造穴复合技术影响范围内,造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率,避免能量耗散在无效的震动区,充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝,使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分.研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考.

    瓦斯治理气相压裂卸压增透突出煤层造穴

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    构造煤质量占比对CH4吸附热力学特征参数演化规律的影响研究

    赵鹏翔易春艳李树刚刘妍群...
    74-82页
    查看更多>>摘要：随着我国煤层开采深度不断增加,煤与瓦斯突出事故后果日趋严重,对矿井安全生产威胁巨大.构造煤是易发生突出的主要煤样类型之一,突出规律及现象随构造煤质量比有明显变化.为探究不同质量比构造煤瓦斯吸附过程中的热力学机理,采用PCT-C80吸附量热联用仪开展基于混合煤样的瓦斯等温吸附及量热测试试验,从热力学角度建立吸附焓、Gibbs自由能、瓦斯吸附熵计算模型.结合试验与计算结果,分别讨论不同质量比构造煤吸附量与吸附热、瓦斯吸附常数与构造煤占比的关系,分析不同质量比构造煤瓦斯吸附焓、表面自由能与吸附熵的变化规律.结果表明:不同质量比构造煤的瓦斯吸附热随着吸附量的不断增大而增大;吸附热与吸附常数a均随着构造煤质量比的增加呈现先增大后减小的趋势,吸附常数b呈现相反的变化规律;随着构造煤质量比的增加,瓦斯吸附热、吸附焓、吸附熵均呈现先增大后减小的趋势,且均在构造煤质量比为 50%时达到最大值,而Gibbs自由能呈现相反的变化规律;根据试验结果与拟合公式,归纳出混合煤体吸附瓦斯吸附热力学参数与瓦斯涌出量的数学关系.通过研究得到构造煤质量比影响下的瓦斯吸附热力学特征参数变化规律,揭示混合煤样的热力学作用机制,为明晰开采扰动构造煤体致诱煤与瓦斯突出机制提供了参考.

    构造煤煤与瓦斯突出热力学吸附焓Gibbs自由能

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    矿用喷涂堵漏风自修复材料性能研究及工程应用

    胡相明姜永茂吴明跃张茜...
    83-95页
    查看更多>>摘要：喷涂堵漏风是防止煤自燃的有效手段之一.针对传统水泥基喷涂堵漏风材料脆性大、易开裂、堵漏风效果差的弊端,提出以微生物及结晶矿物为自愈合剂,研制出生物胶囊和矿物胶囊以及一种生物-矿物-纤维协同自修复材料.研究了不同养护湿度和养护时间对材料裂缝自修复能力的影响.结果表明:当养护湿度为 100%相对湿度、养护时间为 35d时,研制的生物胶囊和矿物胶囊可以将裂缝完全修复,裂缝最大修复宽度为 1260 μm.采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)探究了自修复材料裂缝区域修复产物的晶型及元素组成,发现裂缝处的修复产物为球碳镁石、花瓣状的水菱镁矿以及大量由细菌矿化产生的球形方解石,这些修复产物在一定程度上起到了密闭裂缝的作用;EDS能谱分析证实了修复产物为MgCO3 和CaCO3.当养护湿度为 100%时,材料具有最高的堵漏风率(97.15%),比同养护条件的对照组试样高出 73.62%.最后将自修复材料用于沿空煤柱喷涂堵漏风,结果显示该材料在 6个月内未发现明显裂隙,与传统水泥砂浆相比,该材料具有更长的使用寿命和更好的预防效果.

    喷涂堵漏风材料煤自燃裂缝修复愈合剂微生物结晶矿物

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    固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶研究进展

    李倓赵恒泽李晔赵艺...
    96-105页
    查看更多>>摘要：我国工业固体废弃物排放量大,容易对生态环境造成破坏并威胁人类健康,工业固体废弃物的资源化再利用已引起社会的广泛关注.根据固体废弃物的潜在防灭火特性,其可以作为原材料用于制备矿用防灭火复合凝胶,在实现废弃资源循环再利用的同时还能达到防治煤矿自燃火灾的目的.为了进一步推动工业固体废弃物在矿用防灭火复合凝胶材料中的资源化利用,完善和发展其在煤矿火灾防治中的应用,总结了矿用防灭火复合凝胶的防灭火机理,归纳了固体废弃物的防灭火特性,讨论了固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶的成胶机理和影响因素,阐述了矿用防灭火复合凝胶的注胶工艺及应用现状.基于当前的研究,发现固体废弃物复合凝胶的成胶机理不明确、固体废弃物胶凝活性未有效激发、固体废弃物复合凝胶的运输过程存在沉淀管堵以及固体废弃物应用时的安全性等问题,针对性提出了解决方向,如微尺度模拟、复合激活、新型激活材料、智能化注胶及离子固化等.并在以上解决方向基础上展望了今后固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶的研究重点,未来将围绕固体废弃物在制备防灭火复合凝胶的高效利用、固体废弃物复合凝胶的长效防灭火、智能凝胶防灭火监控一体化系统等展开研究.这些研究方向有助于工业固体废弃物在矿用防灭火复合凝胶材料方面的高附加值利用,并规模化用于煤矿自燃火灾的防治,保障国家财产及工人生命安全.

    固体废弃物复合凝胶防灭火成胶机理注胶工艺

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    深部煤储层孔裂隙结构对煤层气赋存的影响——以鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块为例

    邓泽王红岩姜振学丁蓉...
    106-123页
    查看更多>>摘要：深部煤储层孔隙-裂缝结构对深部煤层气资源潜力评价和勘探开发具有重要意义.选取鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块DJ57井本溪组 5个煤岩样品为研究对象,在煤岩煤质参数测试的基础上,采用气体吸附法、高压压汞法和微米CT扫描等测试手段,对深部煤储层中的纳米级孔隙-微米级裂缝进行多尺度定量表征,综合评价不同尺度的孔裂隙结构特征.再结合渗透率和甲烷等温吸附试验,探讨了微观孔裂隙对深部煤储层中煤层气的赋存和渗流的影响.研究结果表明:基于多种孔隙表征方法对深部煤储层孔裂隙进行多尺度定量表征,其孔裂隙体积分布类型主要以"U"型为主,呈现出微孔与微裂缝并存双峰态,主要集中在 0.3～1.5 nm和＞100 μm的范围内.其中,微孔(＜2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(50 nm～10 μm)和微裂缝(＞10 μm)体积平均分别占总孔裂隙体积的 80.18%,6.70%,1.65%和 11.47%.随着微孔发育而吸附气量呈增大的趋势,微孔可以提供大量吸附点位,为深部煤层气的吸附和赋存提供场所.随着微裂缝发育而游离气量呈增大的趋势,微裂缝可以提供大量储集空间,为深部煤层气的富集提供空间条件.此外,微裂缝在三维空间中相互连通,形成网状结构,连通性强.随着微裂缝越发育,煤储层渗透率越大,微裂缝增强了煤层气的渗流能力.纳米级孔隙和微米级裂隙发育特征分别控制着深部煤层气吸附能力和开发潜力.

    深部煤层气孔隙-裂缝全尺度表征大宁-吉县区块

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