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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
正式出版
收录年代

    冲击危险区域多元地球物理指标动态辨识方法及其应用

    王爱文李超潘一山宋义敏...
    2573-2588页
    查看更多>>摘要：精准识别冲击危险区域并给出危险程度及其演化规律对冲击地压防治具有重要意义。采用变形局部化与多元地球物理指标空间扫描相结合的方法，探究大能量事件发生区域的微震前兆特征，追踪冲击危险区域的动态演化过程。基于变形局部化原理，利用梯度显著性指标识别变形局部化区域，圈定冲击危险区域;采用滑动窗扫描方法，研究了变形局部化区域内的b、A(b)、S等物理指标空间分布特征，以掘进期间梯度显著性指标识别的微震聚集区域内大能量微震事件对应的b、A(b)、S、∆F、A(t)作为划分工作面回采期间冲击危险等级的阈值;利用贝叶斯网络法分析各个物理指标预测危险区域的效能，构建综合预测危险区域模型，计算物理指标权重并得到综合预测指标，并以 513工作面进行实例分析。结果表明:地球物理指标可以识别微震聚集信号，判断危险区域，根据 513工作面实际监测数据判断出 3个微震事件聚集区域;物理指标的空间扫描结果与微震数据的聚集区域具有同步的特征，大能量事件发生时，所在区域的物理指标值高于冲击危险阈值，物理指标空间扫描辨识的危险区域与微震数据聚集区域基本一致;利用综合预测危险区域模型，对工作面回采期间危险区域进行迭代式预测，结果表明:冲击危险事件多发生在综合预测指标所预测的强冲击危险区域内，并随着回采期间微震数据的叠加，强冲击危险区域逐步集中，与冲击危险事件位置的重合度更高。综合预测指标预测效能总体高于单个物理指标，显著增强了精准预测冲击危险区域的能力。

    冲击地压变形局部化危险区域多元地球物理指标动态辨识

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    煤矿覆岩主控致灾层位危险识别及现场应用

    马玉镇朱斯陶潘俊锋高永涛...
    2589-2603页
    查看更多>>摘要：针对煤矿地面水力压裂技术施工中工作面覆岩主控致灾层位难以准确辨识的难题，以孟村煤矿 401102工作面地面水力压裂工业试验为背景，采用理论分析、微震监测、现场调研等方法，揭示了煤矿厚硬覆岩运动诱发矿震和冲击地压的动力灾害机理，分析了基于载荷三带理论的厚硬覆岩分区运动特征与诱发动力灾害之间的关系，建立了基于关键层运动状态的矿震能量预测模型与采场等效附加应力估算模型，提出了基于K-means聚类算法和肘部法则的煤矿覆岩主控致灾层位识别技术方法，确定了现场压裂施工层位并进行工业试验，根据现场微震监测数据及理论分析结果进行了效果验证，得到结论如下:孟村煤矿 401102工作面致冲关键层及矿震关键层均为距离煤层 66m的安定组关键层R9，其初次破断运动采场等效附加扰动应力理论值为 7。23 MPa，初次破断运动释放矿震能量理论值为 6。08×105 J，致灾危险性较强;震-冲关键层压裂后，矿震能量理论值降幅 94%，采场等效附加扰动应力理论值降幅 76%，工作面上方 5×103 J大能量微震事件出现明显上移趋势，上移量约为 15 m;103 J及以上能级微震事件频次占比显著下降，由 60。39%降至 17。89%，最大微震事件能量由 6。65×105 J降至 9。75×103 J;102 J及以下能级微震事件频次占比显著上升，由39。61%增至82。11%。

    地面水力压裂冲击地压矿震覆岩主控致灾层位识别方法

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    复合扩管式锚索恒阻器的研发与试验研究

    贾后省张志明刘少伟王林...
    2604-2614页
    查看更多>>摘要：深部高应力、软弱围岩、强烈采动影响等条件下的巷道围岩频繁出现大变形，此类围岩大变形支护可控性普遍较差，常规锚索因其较低的延伸率无法适应巷道大变形而大量破断或锚固失效，导致巷道出现冒顶隐患。针对此类问题，研发了一种与常规锚索配合使用的复合扩管式恒阻器，其结构主要由止进端盖、扩径管、一体式托盘和锥式锁具组成，通过锥式锁具克服扩径管"扩胀—摩削"所产生的近似恒定的复合阻力，实现围岩大变形过程中的锚索支护阻力恒定，通过理论分析、数值模拟和静力拉伸试验等综合研究方法，系统分析和试验了复合扩管式恒阻器的力学特性和工作稳定性，掌握了该恒阻器扩径增量、锁具锥角对扩径管变形及恒阻器复合阻力的影响规律。试验结果表明:恒阻器复合阻力主要分为阻力快升段和近恒定阻力段 2个过程，且近恒定阻力段作为主要阶段达到试验全程的 85%～90%;锁具锥角、扩径增量直接影响了扩径管变形及恒阻器力学特性，锁具锥角小于 20°时，扩径管变形均匀且恒阻器复合阻力发挥稳定，而扩径增量则决定了恒阻器复合阻力的大小，可通过调整扩径增量获取需要的锚索恒阻力;ϕ17。8 mm锚索条件下，当锁具锥角为 15°、扩径增量为 5mm时，恒阻器恒定阻力约为 265。92 kN，ϕ21。8 mm锚索条件下，当锁具锥角为 15°，扩径增量为 8mm时，恒阻器恒定阻力约为 424。15 kN，且工作状态稳定可靠，可较好的符合大变形巷道的恒阻支护要求。此外，该恒阻器还具有工作稳定性强、恒阻行程及阻力可调、结构简单、安装便捷等特点，是大变形巷道围岩控制技术的有效补充。

    大变形巷道复合扩管锚索恒阻拉伸试验

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    特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

    李浩唐世斌康志勤杨栋...
    2615-2629页
    查看更多>>摘要：特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广，顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础，关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程，结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数，得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系，以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则，形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据，结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程，并结合流体体积与浸没边界方法，形成裂隙岩体气-水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序，并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件，建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化，以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形，最深处超过 55m位于断层及其上盘，最浅处 23m位于断层下盘，而无构造底板处的破坏深度为 24～36 m，已导通奥灰含水层;③ 特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24。0～29。3 m，但在采空区内普遍增加至 31。5～36。0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为 0。34～0。86 m，但在采空区内迅速增加至 3。6 m，形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂，并导致底板二次破坏，突水风险加剧。

    特厚煤层底板断层突水顶底板联动效应CFDEM程序微震实验

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    CO2-荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

    王磊陈礼鹏谢广祥范浩...
    2630-2642页
    查看更多>>摘要：CO2 吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性，对CO2 封存的长期安全性提出挑战，明确CO2 劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO2 吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式，并重点考虑了压密段的影响，分段建立了CO2 作用下煤体的细观统计损伤本构方程，明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数，并采用自主研制的气-固耦合实验系统对不同CO2 压力下煤体进行了单轴压缩实验，验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量，结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量，并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO2 作用前后裂隙扩展特征，CO2 压力越高，裂隙扩展越充分，煤样三维裂隙参数和损伤变量越大，所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO2 对煤体力学性质劣化作用显著，煤体的抗压强度与弹性模量随CO2 压力增加分别降低了 49。78%和 22。63%，CO2 对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO2 作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度，说明损伤本构模型能够较好地反映出CO2 对煤体力学特性的损伤劣化作用，体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

    CO2地质封存本构模型损伤变量力学特性裂隙演化

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    纳米硅溶胶-EVA-粉煤灰水泥基复合浆材配比正交优化及对其物性的影响

    沈玉旭柴肇云孙浩程刘向御...
    2643-2659页
    查看更多>>摘要：针对传统水泥基浆材不能满足煤矿大变形巷道注浆加固实际需求的难题，通过添加纳米硅溶胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)和粉煤灰对普通硅酸盐水泥进行改性获得高性能复合浆材。采用正交试验和极差分析法系统研究复合浆材物理力学性能的变化规律，确定最优配比，并进一步分析最优配比复合浆材与纯水泥的物性差异，构建复合浆材的水化反应机理模型，阐明其加固破碎岩石的力学特性。研究结果表明，复合浆材最优配比为:水灰比 0。7，粉煤灰掺量 15%，硅溶胶掺量 2%，EVA掺量 7。5%;相较于纯水泥，复合浆材流变性略有下降，但浆液稳定性、力学性能等均有显著提升，初凝时间缩短了 38。9%，终凝时间缩短了 53。8%，析水率降低了 60%，结石率提高了 3。3%，单轴抗压强度提高了 39。1%，抗拉强度提高了 97。2%，拉压比提高了 41。7%;硅溶胶和粉煤灰在不同时期与Ca(OH)2 发生火山灰反应生成更多水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)，促进复合浆材的水化反应，并加速EVA成膜，使结石体更加致密;复合浆材注入量和胶结体单轴抗压强度均随注浆压力的增大而增加，随Talbot指数的增加，抗压强度先增大后减小，破坏形式多呈鼓状，剪胀变形明显;当注浆压力大于2 MPa，Talbot指数为0。5时，胶结体强度较大，破坏较小。本研究为水泥基复合浆材早期强度、增韧改性提供了可行途径。

    纳米硅溶胶EVA粉煤灰普通硅酸盐水泥正交试验

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    高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

    阴伟涛冯子军
    2660-2674页
    查看更多>>摘要：深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体，含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填，这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发，利用太原理工大学自主研制 600℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽山花岗岩母岩(Ⅰ类花岗岩)、热液充填体(Ⅱ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面横向贯通试样花岗岩(Ⅲ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面纵向贯通试样花岗岩(Ⅳ型花岗岩)等 4类花岗岩高温(500℃)高压(20 MPa围压)条件下的热力学特性。研究得出 4类花岗岩热膨胀系数随温度升高可分为低温缓慢波动段、中低温快速增加段以及中高温快速减小段3个阶段。4类花岗岩弹性模量随温度升高先缓慢增加后快速降低，溶蚀孔隙结构以及低键合强度矿物的存在导致热液充填体弹性模量最低。此外，得出裂缝充填花岗岩体内原生裂缝闭合的临界温度大约为 200℃;胶结界面附近充填体恢复弱面结构特性的临界温度为 250℃左右。最后，得出了 4类花岗岩高温高压条件下的破坏形式。裂缝充填花岗岩体内的母岩粗晶粒边界处、热液充填体溶蚀孔隙处和胶结界面处极有可能会在水力压裂建造储层过程中形成大范围高效导水通道，为干热岩地热开采储层建造理论和技术提供新的思路。

    裂缝充填花岗岩高温高压微观结构矿物特征热力学特性干热岩地热开发

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    自激振荡脉冲SC-CO2射流冲击频率调制

    魏建平李翔刘勇沈荷莲...
    2675-2690页
    查看更多>>摘要：SC-CO2 射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率，具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广，自激振荡脉冲SC-CO2 射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系，能充分发挥谐振效应，达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键，现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO2 射流。为实现对SC-CO2 射流冲击频率的调制，采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SC-CO2 射流冲击频率的影响规律，通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明:振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素，可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制，从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升，且谐振倍数越小，射流破煤效果越好，能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是 25 Hz时，设置上游和下游喷嘴出口直径为2。5、3。0 mm，调节振荡腔直径、长度、角度分别为10 mm、3 mm、120°，射流冲击频率达到25051。83 Hz，是煤体固有频率的1002。0倍，与煤的固有频率形成谐振效应，有效提高了破煤效率。

    自激振荡脉冲SC-CO2射流自激振荡喷嘴冲击频率调制谐振破煤煤层气开采

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    柔性边界三轴压缩条件下含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质

    高霞王楠楠秦程张保勇...
    2691-2710页
    查看更多>>摘要：为探究不同边界条件下围压对含瓦斯水合物煤体的宏细观力学性质影响规律，对饱和度80%的煤样进行围压 12、16、20 MPa下双轴离散元试验。首先，考虑颗粒形状效应、水合物胶结作用以及热缩管的影响，选取抗滚动阻力线性模型和平行黏结模型，分别构建了刚性边界和柔性边界的含瓦斯水合物煤体双轴数值模型。其次，通过与室内试验结果(偏应力-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线、内摩擦角、黏聚力以及试样破坏模式)对比，验证了数值模型的可靠性，并发现柔性边界能更好地反映试样轴向应变-偏应力特征、剪胀特性以及强度特性。基于所建数值模型，从试样内部位移场、力学平均配位数、平均孔隙率、接触力链以及水合物黏结破坏角度揭示围压和边界条件对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质的影响规律。结果表明:①随着围压的增大，刚性边界的破坏型式多表现为单斜面剪切破坏;柔性边界的破坏型式由单叉型剪切破坏转变为单斜面剪切破坏。②随着围压的增加，2种边界的力学平均配位数均呈增大趋势，平均孔隙率均呈减少趋势，试样更密实，试样强度增加。③随着围压的增加，颗粒间法向接触力继续增加，试样强度增加，分布在轴向附近的法向接触力随之增大，而在水平向附近的法向接触力变化较小，竖向与水平向法向接触力差异越明显，各向异性更突出;在峰值强度处，随着围压从 12 MPa增加到 20 MPa，柔性边界法向接触力增加了 54。50%，刚性边界法向接触力增加了 45。70%。④在不同围压和边界条件下，试样产生张拉和剪切 2种不同破坏形式，试样内部起裂主要以水合物和煤间剪切裂纹为主导;随着围压的增大，2种边界内部剪切裂纹数量呈逐渐减小趋势。研究结果从细观尺度上揭示围压对含瓦斯水合物煤体强度变形破坏等宏观力学特性的影响机制。

    煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体离散元三轴压缩试验围压柔性边界

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    采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展

    田富超贾东旭陈明义梁运涛...
    2711-2727页
    查看更多>>摘要：采空区瓦斯与煤自燃复合灾害日趋成为制约矿井安全生产的主要灾害模式，煤自燃作为瓦斯燃烧、爆炸等灾害事故的"点火源"，无疑是防范煤矿采空区复合灾害的关键。目前关于采空区遗煤残余瓦斯(吸附态为主)与风流瓦斯(游离态)对煤自燃影响机理的认识还不够深入，为此探究了含瓦斯条件下煤自燃相关研究的最新进展。现阶段针对含瓦斯风流/气氛下煤自燃特性的研究内容较为丰富，但吸附态瓦斯影响条件下的煤自燃特性实验平台及相关研究成果较匮乏。研究表明，游离瓦斯易引起煤低温氧化气体产物出现明显的"滞后效应"，同时煤体放热强度减弱、活化能整体增大，这反映出氧化气氛中的瓦斯对煤自燃具有抑制作用;相应地，煤自燃过程中的官能团、自由基及煤微晶结构等微观特征参数均会随瓦斯体积分数呈现规律性演变。进一步，考虑到遗煤内部残余瓦斯与风流瓦斯的赋存状态差异，探究了瓦斯对煤自燃过程的影响机理，包括CH4 对O2 的驱替稀释作用、CH4 与O2 的竞争吸附解吸引起的置换效应，以及高温环境下的O2 分子化学吸附和煤氧复合效应作用。基于此，提出了采空区遗煤在吸附态瓦斯影响下的自燃过程特性、含瓦斯煤自燃流-固-热-化多场耦合特征、含瓦斯煤自燃监测预警理论应用等亟待突破的瓶颈问题。

    煤自燃复合灾害环境微观特征多场耦合遗煤残余瓦斯热动力灾害

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