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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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    煤层群开采遗留煤柱效应及跨掘巷道围岩控制研究

    金珠鹏杨增强刘国栋李丰硕...
    1-9页
    查看更多>>摘要：针对采区边界遗留煤柱下侧跨掘巷道存在特殊破坏段问题,以灵新煤矿沿空侧051606回风平巷为背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验的综合分析方法,通过研究巷道特殊破坏段现场矿压显现情况,基于半平面体理论建立的遗留煤柱效应影响力学模型以及跨掘巷道和回采期间精细化数值模拟,确定了巷道特殊破坏段的修复支护设计方案.研究结果表明:遗留煤柱效应影响下跨掘巷道围岩在遗留煤柱中轴线正下方主要受垂直应力影响,此处垂直应力大小为13.0～15.0 MPa,而在遗留煤柱两侧边缘位置下方主要受剪切应力集中影响,此处剪切应力大小为-6.5～-5.0 MPa和5.0～7.0 MPa;051606回风平巷跨掘期间顶板位置处最大垂直应力为14.4 MPa,底板位置处最大垂直应力为13.6 MPa,顶板位置处最大剪切应力为6.5 MPa,底板位置处最大剪切应力为5.3 MPa,且最大垂直应力位于遗留煤柱中轴线正下方,最大剪切应力位于遗留煤柱两侧边缘位置下方;051606工作面回采期间对于巷道特殊破坏段围岩的扰动影响分为无应力影响段(距遗留煤柱边缘大于16 m),超前应力影响段(距遗留煤柱边缘0～16 m)和叠加应力影响段(距遗留煤柱中轴线0～17.5 m)3个阶段,且受回采扰动影响护巷煤柱和顶板靠近护巷煤柱侧偏应力集中程度较高,煤岩体更易变形发生非对称性破坏;巷道特殊破坏段采用非对称锚索桁架支护系统修复后,后续051606工作面回采期间矿压监测到顶底板收敛量为143 mm,两帮收敛量为109 mm,较巷道原始断面尺寸收敛率分别为4.3％和2.2％,整体控制在5％以内,能够很好地满足行人、通风等需求.

    遗留煤柱跨掘巷道特殊破坏段非对称支护煤层群

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    基于锚杆拉拔试验优化锚固承载特性研究

    陶文斌吴平平陈铁林谢长岭...
    10-19页
    查看更多>>摘要：为提高深部软岩巷道锚杆支护承载能力,有效控制巷道围岩变形,采用锚杆拉拔正交试验对锚固承载特性影响因素进行研究,分析不同影响因素作用效果,并以试验结果为依据针对性提出高预应力全长锚固支护技术,研发了预应力全长锚固锚杆,通过理论计算对预应力全长锚固围岩承载能力加以分析,并以潘三煤矿17102(3)工作面回风巷道为工程背景,采用数值模拟和现场试验方式与传统加长锚固支护、全长锚固支护进行对比验证.研究表明:锚杆拉拔失效首先发生在锚固体与试块黏结界面,锚杆拉拔锚固失效经历了弹性—塑性—破坏的动态阶段,不同锚固因素产生锚固效果不同,在拉拔失效发展过程中的体现也有所区别.其中试块强度和锚杆预应力对锚杆极限拉拔力影响程度显著,并且极限拉拔力的大小与试件强度和预应力值呈正相关.根据试验结果提出高预应力全长锚固锚杆支护技术,研发的预应力全长锚固锚杆采用全长锚固提高岩体强度的同时分段施加预应力,与传统加长锚固支护、全长锚固支护相对比,高预应力全长锚固支护技术实现了锚杆在全长锚固的基础上使得预应力向围岩内传递,从而增大围岩压应力区范围,形成更有效的锚固围岩承载结构.工程实践表明,预应力全长锚固支护技术可有效控制深部破碎软岩巷道围岩大变形,实现深部巷道围岩的稳定性控制.

    锚杆支护正交试验高预应力全长锚固承载结构

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    "三软"煤层工作面煤壁片帮防治试验研究

    吴学明雷照源文杰
    20-29页
    查看更多>>摘要：破碎煤岩加固技术是预防"三软"煤层片帮的有效手段.以"三软"煤层工作面安全开采为背景,通过理论分析,力学试验、三维FLAC计算,现场检测等多元方法,研究了工作面片帮机理、破碎煤岩加固室内力学实验与工作面煤壁加固数值模拟及工作面煤壁加固效果评价,确定了改性煤岩加固力学强度及围岩演化规律,并开展了现场注浆加固及注浆参数试验.综合研究表明:煤壁片帮与支承压力、基本顶运动、采高、煤岩裂隙、煤质等因素密切相关,且越靠近顶板的煤壁更容易片帮,进而得出煤壁的最大挠度ωx和最大转角φmax;30％的加固材料加固后的煤岩强度分别比原煤岩分别增加了6.4倍和6.6倍,脆性特征明显;注浆间距等距条件下,最佳注浆压力为10 MPa,注浆后,支承压力应力峰值距煤壁的距离缩短了40％,煤壁前方塑性区降低了33.33％;对注浆加固试验结果在片帮严重区域进行应用实施,将30％的加固材料通过 10 MPa(气动注浆)压力下注入煤岩后,浆液在煤壁内形成"注浆材料-煤层"组合体,煤壁由松软、破碎变为整体平整状态,浆液最低扩散半径达到了4 m,煤壁平均片帮量保持在0.3 m以内,支架满足初撑力要求,煤壁变形量得到有效控制,稳定性显著增强.

    "三软"煤层煤壁片帮注浆加固综合试验煤壁稳定性

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    全支撑应力场下采场顶板损伤特征及释能估算

    任智敏吕梦蛟王永安王孝义...
    30-39页
    查看更多>>摘要：针对顶板突发性损伤释能诱发冲击地压的现象,以忻州窑矿11号煤层8518下工作面地质开采条件为工程背景,基于弹性理论建立涵盖煤壁支撑和支架支撑的采煤工作面顶板力学模型,对采场顶板损伤分布特征及释能估算进行研究,得到顶板损伤判据、损伤高度计算式以及释能引起的冲击压力表达式.结果 表明:①采场顶板支撑状态可分为煤壁支撑区、支架支撑区和无支撑区.顶板应力呈非连续分布,在各区交界和顶板跨中出现集中,是顶板在支架前、后端及采空区出现拉、剪损伤的力学原因.②顶板损伤在煤壁支撑区、支架支撑区及无支撑区分别呈直角扇形、直角梯形和非对称直墙拱形,其范围受顶板悬露长度控制,悬露长度每增加10 m,损伤面积约扩大8.0％.支撑强度仅对支撑区损伤产生影响,支撑强度每增加1 MPa,支撑区损伤面积约缩小2.2 m2.③无支撑区损伤是顶板的主要损伤区,其损伤高度影响着损伤范围的大小.损伤高度主要受顶板悬露长度、顶板厚度和顶板内摩擦角控制,其与悬露长度和厚度呈线性增大关系,与内摩擦角呈线性减少关系.④顶板变形能密度高的分布区与顶板损伤区重合,顶板损伤面积每增加1倍,损伤释能增大1倍、释能引起的冲击压力增大2.8倍.研究成果为矿山围岩冲击振动响应及其稳定性分析提供可量化的力源值.

    煤壁支撑支架支撑支撑应力场顶板损伤特征损伤释能冲击压力

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    基于时变原理的煤岩系统动力响应分析

    李忠华宋哲
    40-47页
    查看更多>>摘要：煤矿冲击地压是煤岩系统产生失稳引发的岩石动力灾害,为进一步探寻冲击地压的产生机理,针对冲击地压的动力时变特性,从动力系统的角度出发,结合时变力学原理分别对煤岩试件-试验机系统、顶板煤柱系统、巷道围岩系统进行了参数辨识.得到了外部扰动时变、内部参数时变和外载时变3种不同时变类型影响下的系统参数变化规律,建立了煤岩时变系统的动力方程,证明了煤岩系统失稳引发冲击地压是一个时变问题.进一步分析了不同煤岩系统的时变特点,得到时变系统满足叠加性、均匀性、能控性、能观性的判别方法,并基于李雅普诺夫稳定性理论分析了煤岩时变系统稳定性,应用冻结系数法结合工程背景对稳定和非稳定煤岩时变系统的受扰状态进行了分析.结果 表明:对于稳定的时变系统施加简谐扰动,系统的位移及速度响应呈现衰减振动的趋势,最后达到渐进稳定的状态;稳定煤岩系统由于内部参数时变可由稳定系统演变为非稳定煤岩系统,在简谐扰动下系统响应不断放大直至系统失稳引发冲击.进一步分析了煤岩系统的边界时变问题,得到了边界时变下巷道围岩弹性区、塑性区、破裂区3个子系统的系统稳定度时变规律,将时变力学原理应用于冲击地压领域,提出了煤岩系统失稳引发冲击地压的简单判据.

    冲击地压时变系统动力响应煤岩系统系统辨识

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    基于微震监测的覆岩裂隙演化规律相似模拟试验研究

    肖鹏韩凯双海清吴铭川...
    48-56页
    查看更多>>摘要：为研究"三软"煤层覆岩裂隙演化规律,采用物理模拟试验,结合微震监测仪器、压力传感器,研究回采工作面微震事件的分布特征及其与底板压力变化规律之间的关系,分析了覆岩裂隙演化特征.研究表明:模型回采期间总共发生9次周期来压,来压步距有明显的一大一小规律,第6次来压之后空洞闭合,断裂带不再向上发育,此后断裂带随着回采只发生横向的变化;开采过程中覆岩裂隙演化是一个复杂的能量释放过程,在回采初期至第4次周期来压期间微震事件频次和能量都在增加并在第4次来压之后到达峰值,而在第6次来压之后空洞闭合,纵向破断裂隙基本停止向上发展,此后微震事件频次和能量都在减小;底板压力的变化规律和微震事件能量频次的变化规律基本一致,但是压力数据变化的分区更加明显且具有滞后性,微震事件波动范围大于压力的波动范围;裂隙密度的变化与微震事件能量频次的变化都存在一个先增大后减小的过程,但是2种变化在增大过程中的协同变化现象要大于减小过程中的这一现象.由模拟结果和现场钻孔窥视监测确定出了上覆岩层的瓦斯富集区域,根据这一研究成果布置高位钻孔抽采瓦斯后,工作面采动断裂带、上隅角高瓦斯浓度区域的瓦斯富集得到了较好的控制,保证了工作面的安全高效生产.

    覆岩裂隙裂隙演化微震监测瓦斯富集能量频次

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    特细砂煤矸石混凝土力学性能试验研究

    张战波刘辉侯世林陈菲...
    57-66页
    查看更多>>摘要：为实现煤矸石的高效利用,制作可直接用于矿井巷道地面的煤矸石混凝土,以煤矸石取代天然粗骨料的取代率、水灰比大小、外加剂掺量为影响因素,通过三因素三水平正交设计的方法对C20、C30、C40三种强度煤矸石混凝土的力学性能进行试验研究,探索各因素对煤矸石混凝土立方体试验试件的力学性能影响机制.结果 表明:煤矸石取代率对混凝土立方体抗压强度的影响最大,对于C20、C30、C40三种强度等级的煤矸石混凝土,取代率为80％的28 d混凝土立方体抗压强度分别为取代率为0时的64.1％、63.4％、62.2％,而取代率为100％的28 d混凝土立方体抗压强度分别为取代率为0时的53.0％、56.8％、61.5％,与天然骨料混凝土相比,煤矸石骨料混凝土力学性能较弱,总体上强度偏低;对7、28 d两种龄期,取代率分别为80％和100％的煤矸石混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度进行回归分析,得到的结果与现行国家规范中对普通混凝土的要求相近,表明取代率为80％和100％的煤矸石混凝土轴心抗压强度能够满足要求;由于煤矸石骨料自身力学性能较差,导致煤矸石混凝土劈裂强度不能达到规范要求,弹性模量明显低于普通混凝土,泊松比试验值离散性较大,变化规律不明显.基于试验结果,确定陕北矿业公司柠条塔煤矿巷道地坪C20级强度煤矸石混凝土最佳配比为:煤矸石取代率为100％、水胶比为0.45、不掺加减水剂,即水泥、水、黄砂、煤矸石质量比为1∶0.45∶1.31∶2.67.

    煤矸石混凝土力学性能正交设计配合比特细砂

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    煤损伤演化过程中的红外辐射响应特征研究

    杜园园孙海马立强韩杰...
    67-74页
    查看更多>>摘要：为揭示煤样损伤破坏机制,为煤岩动力灾害红外辐射遥感监测预警提供理论基础与技术支持,采用红外热成像技术和应变监测技术联合观测煤样单轴加载过程,分析了煤样损伤演化各个阶段其表面平均红外辐射温度(AIRT)和红外热像的响应特征,并尝试揭示煤样损伤演化过程中的红外辐射响应机制.研究结果表明:煤样的红外辐射响应特征与其破坏形式有关,剪切破坏煤样AIRT总体呈上升趋势,张拉破坏煤样AIRT总体呈下降趋势.将煤样损伤演化全过程划分为压密阶段、弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和破坏阶段,发现AIRT在裂纹非稳定扩展阶段变化幅度最小(剪切破坏煤样平均增幅0.03℃;张拉破坏煤样平均降幅0.02℃),在破坏阶段变化幅度最大.张剪煤样破坏失稳前,其红外热像图中2种趋势相反的热效应(升温热效应和降温热效应)相互抵消,导致AIRT曲线出现"沉寂期",这种现象可作为煤样破坏失稳的红外辐射前兆.煤样损伤演化不同阶段,红外辐射信息红外辐射响应机制不同:弹性阶段,煤样红外辐射信息变化是由热弹效应主导;裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段,剪切破坏煤样红外辐射信息变化由摩擦热效应和裂纹扩展热效应主导、张拉破坏煤样红外辐射信息变化由张性变形产生的吸热效应主导.

    煤样损伤演化红外辐射单轴加载破坏形式

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    基于Python语言的钻井井壁突变失稳机理分析

    刘吉敏刘元飞付晓畅
    75-81页
    查看更多>>摘要：钻井井壁结构竖向失稳是一种渐变至突变的力学问题,如何将传统的力学模型与现代的数学方法相结合,达到对井壁结构失稳机制的定量研究,是钻井井壁结构竖向稳定性研究亟需解决的问题.钻井井壁悬浮下沉至井底时,井壁结构积累了一定量的弹性势能,此时的稳定平衡状态是动态的,井壁有可能发生倾斜、滑移,甚至失稳,需要加强监控和有效防治.基于突变理论原理和井壁悬浮下沉力学模型,建立钻井井壁竖向失稳的总势能函数和尖点突变模型.由突变模型的平衡曲面和分歧点方程,给出了井壁突变失稳的定量判定条件.结果 表明:控制变量m,n的取值直接决定井壁的稳定平衡状态.当Δ>0时,控制变量(m,n)落在分歧点集外部,系统位于平衡曲面的上叶和下叶,井壁结构处于稳定平衡状态.当Δ<0时,控制变量(m,n)落在分歧点集内部,系统位于平衡曲面的中叶,井壁结构处于不稳定平衡状态.当Δ=0时,控制变量(m,n)落在分歧点集的边界上,井壁结构处于临界稳定平衡状态.进一步地由稳定平衡临界条件,建立了井壁满水和非满水竖向失稳临界深度计算公式.同时,为推广突变模型分析方法的工程应用,利用Python语言,确立了井壁稳定性分析和判定的流程,为监测预报和井型参数优化提供了理论依据.结合工程实例,计算后发现满水和非满水状态下建立的突变理论临界深度值较能量法临界深度值分别相差0.396％和7.15％.因此,基于突变理论的井壁结构稳定性研究方法可以有效地阐释井壁结构竖向失稳.

    井壁失稳竖向失稳尖点突变理论临界深度Python语言

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    煤层水锁效应的消除及其对甲烷解吸特性的影响

    刘军杨通王立国陈向军...
    82-92页
    查看更多>>摘要：为研究气润湿反转剂对缓解煤层水锁效应,提高煤层瓦斯解吸速度,采用气润湿反转技术改变煤体的润湿性、降低煤体表面自由能,进而提高瓦斯抽采效率.以0,0.2％,0.5％,0.8％,1％和1.5％的质量分数对2种气润湿反转剂进行稀释,制备出不同浓度的气润湿反转剂溶液,并将其对煤样进行处理.首先利用接触角测量仪对煤样进行接触角和表面张力的测定,验证两种表面活性剂的基本特征.然后,在不同吸附平衡压力条件下,对干燥/含水煤样的解吸量和解吸速率进行测定,对比气润湿反转剂处理前后的效果差异;同时利用解吸公式进行解吸量的拟合,得到极限解吸量和拟合度大小.研究结果表明:随着表面活性剂浓度的增加,煤样表面接触角逐渐增加、溶液表面张力逐渐减小.在气润湿反转剂浓度达到0.5％时,实现了煤体表面润湿性的由亲水性向疏水性的转变,且具有较低的表面张力.在2种表面活性剂中,均具有疏水和低表面张力的特点,符合气润湿反转剂的基本特征;在干燥和含水煤样中,经过气润湿反转剂处理后,1 h内的解吸量和解吸速率均有所提高,其中FC117效果更佳;通过解吸公式对解吸量进行拟合,得到的极限解吸量与1h内所测定的解吸量变化规律一致,且拟合效果较好,拟合度基本是在0.98以上.通过对气润湿反转剂处理前后煤样解吸特征的评价,为气润湿反转技术消除煤层"水锁效应"、提高煤层解吸特征,增加瓦斯抽采效果提供了一定的理论基础和科学指导.

    水锁效应气润湿反转剂瓦斯解吸解吸速率接触角

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