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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

    面间煤柱与顺槽"掘-充-留"一体化科学问题与技术

    王双明刘浪朱梦博蔚保宁...
    3291-3315页
    查看更多>>摘要：我国将煤炭作为兜底保障能源的局面短期内无法改变，仍将长时间面临煤炭资源保护与煤基固废利用率低的难题。通过创新采掘方法，同时实现提高煤炭资源回采率、规模化处置煤基固废，为煤炭行业绿色可持续发展提供了新途径。在深入调研煤炭资源开采技术发展现状的基础上，提出了煤矿"掘-充-留"掘进新工法。从大断面巷道快速掘进、连续高效充填和巷道安全留设3个方面，通过理论分析、数值模拟等手段，系统论述了"掘-充-留"工法的科学问题和关键技术，研究结果表明:①针对大断面巷道快速掘进、掘进工作面围岩稳定性控制等工程难题，凝练了煤岩特性与掘进机截割参数匹配机制、覆岩载荷空间传递机制与围岩变形机理、锚杆/索-顶板相互作用关系及支护机制3个科学难题，构建了以掘进区地质环境超前实时感知、落-装-运煤多工序智能协同作业、钻锚支架随掘随支围岩时效控制和大断面巷道防漏风及通风优化为核心的技术体系;②从大断面巷道承载体系及时构建及其承载性能调控两个方面凝练了连续高效充填的科学问题，包括充填体-煤层-锚杆/索协同承载机制、多元固废基充填材料水化固结机制，明晰充填体物理力学特性时空演化规律，建立了充填空间安全高效搭建、充填材料工作性能调控、充填材料流动-固结感知为核心的连续高效充填关键技术体系，相关理论与技术的突破可以为充填材料的原材料优选及配比设计、添加剂开发/选型及工作性能调控、掘进速率及充填步距优化设计、充填体固结监测等提供基础理论依据;③基于巷道安全留设及全生命周期内围岩易断裂、易片帮和易损伤等关键难题，阐述了巷道围岩应力场时空分布特征、巷道变形与损伤演化机制、巷道围岩工程质量监测与稳定性调控理论3个科学问题，形成了以巷道围岩稳定性智能预警、巷道围岩变形控制为核心的关键技术体系。开展煤矿"掘-充-留"工法的科学研究与工程示范，实现固废规模化处置-面间煤柱高效回收-顺槽快速掘进的协同，可以推动煤炭行业绿色低碳转型发展。

    煤基固废面间煤柱大断面掘巷连续充填巷道留设"掘-充-留"工法稳定性监测

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    深海金属采矿装备与技术发展现状及分析

    金永平董向阳万步炎刘德顺...
    3316-3334页
    查看更多>>摘要：金属矿产资源是保障国家经济发展与建设的重要物质基础。在陆地稀有金属供应初显疲态的形势下，世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海。开展深海采矿装备与技术的研发攻关，是实现深海矿产资源高效开采的关键。首先，系统论述深海采矿科学技术与装备发展历程，重点分析拖斗式、连续绳斗式、自动穿梭艇式、管道提升式技术特点，总结梳理国内外深海采矿车、深海扬矿装备、深海采矿船3类装备的发展现状;然后，以当前研究与发展动态为基础，围绕采矿、输运、支撑平台3个领域，梳理采集技术、牵引驱动技术、轨迹与规划技术、羽流演变评估技术4项采矿技术上取得的成效和进展，总结气力提升技术、水力提升技术、过流部件保障技术、力学行为分析技术4项输运技术的研究动态，探讨收放技术、升沉补偿技术2项支撑平台技术的研究方向及进展;最后，鉴于经济、环境、装备与技术3个维度目前的发展形势，提出深海采矿技术科学目标由装备可控转变为绿色采矿、安全采矿，为应对未来深海采矿装备与技术发展面临的环境与安全挑战，分析提出有待于聚焦研究的关键科学与技术问题，以此凝练出绿色行进采集技术、超深安全扬矿技术、全局协同保障技术、数字环境评估技术4项亟待突破的关键技术，以期为我国深海采矿装备体系研究与建设提供参考。

    深海金属采矿矿产资源采矿装备采矿技术输运技术

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    神东矿区综采工作面过同层位空巷强矿压显现机理及控制方法

    罗文余伊河王文
    3335-3352页
    查看更多>>摘要：神东矿区各矿井在回采过程中由于工作面布置方式调整，工作面前方常会出现以往工作面空巷。为避免工作面过空巷期间发生顶板事故，总结了神东矿区多个工作面和空巷赋存条件、过空巷处理方法与矿压控制效果，分析了工作面过空巷期间顶板超前断裂失稳机理。综合考虑空巷、泵送支柱、煤柱与支架对顶板的不同支撑作用，采用数值模拟研究了不同煤柱尺寸、周期来压破断位置、空巷跨度与泵送支柱强度条件下，工作面过空巷期间顶板下沉和弯曲拉应力分布情况，结果表明:随着空巷与工作面斜角度从90°垂直减小至0°平行，空巷对工作面影响的推进长度减小，但过空巷期间工作面矿压显现范围增大，强度更加剧烈。工作面过空巷期间矿压显现强度主要受煤柱尺寸、过空巷前上一次顶板断裂位置、空巷跨度和空巷支护情况等因素的控制。随着工作面靠近空巷，煤柱必然逐渐失稳，且大多数空巷在工作面开采前已经存在，其跨度难以改变。神东矿区通过加强巷道顶板支护和通过等压调整顶板周期破断位置以实现工作面过空巷期间的矿压控制。随着泵送支柱峰值强度和弹性模量的增大，对空巷顶板的控制效果明显，但在顶板悬露过长时可能发生失稳破坏并失去承载能力。当顶板周期断裂位置分别位于过空巷前后，过空巷期间顶板能够承担主要上覆载荷，采场矿压得到有效控制;反之，顶板将在过空巷期间发生超前断裂，导致发生冒顶和压架事故。最后以神东矿区哈拉沟煤矿综采工作面过空巷为例，分析了泵送支柱和等压开采在工作面过空巷期间的矿压控制效果，为神东矿区乃至其他矿区工作面过空巷期间矿压控制提供借鉴。

    空巷顶板超前断裂煤柱泵送支柱等压开采

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    锚索丝轴向受力-破断能量聚散演化与吸能防护机理

    涂敏郭福鑫张向阳王传兵...
    3353-3355,3357-3365页
    查看更多>>摘要：针对深部高应力巷道顶板锚索在拉伸、剪切、扭转等复合作用下，积聚应变能瞬间释放，引发锚索抽丝破断弹射事故，严重影响煤矿安全生产。以张集矿1421(3)锚索支护巷道为工程背景，运用理论分析、数值模拟、实验室试验相结合的研究方法，揭示锚索-围岩能量孕育演化机制与锚索防护装置吸能防护机理。结果表明:由锚索丝单轴拉伸试验与全量本构模型得到锚索丝破断应变能密度为55 MJ/m3，锚索丝破断弹射释放能量与锚索丝破断长度、轴力、直径呈正相关。根据数值模拟，锚索距顶板0。6 m处剪切应力集中，易发生锚索抽丝破断弹射，长度0。8 m锚索丝弹射初速度为102 m/s。通过仿真模拟结合强度理论，原方案锚索吸能防护装置冲击荷载极限为20 m/s，增加锚索防护装置底座护壁使冲击荷载极限提升至200 m/s，有效解决锚索丝冲击防护装置偏转失效问题。基于锚索防护装置静态拉伸试验与自由落体冲击试验对数值模拟结果进行可靠性验证，获得防护装置最大吸能阈值为1 189 J;无护壁防护装置弹簧底座在冲击力作用下产生侧向偏移，弹簧底部剪切破坏;增加弹簧底座护壁，可有效约束底座偏移，充分发挥弹簧拉伸吸能特性，防止弹簧剪切损伤后失效，试验结果与数值模拟结果相符。研究成果为同规格锚索巷道支护设计、锚索抽丝破断弹射与防护提供借鉴。

    巷道支护能量演化应变能密度弹射能量耗散能量吸能防护

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    多孔套筒定向压裂力学机制及影响因素分析

    胡善超韩金明程亚飞亓佳利...
    3366-3380页
    查看更多>>摘要：坚硬顶板破断释放巨大冲击动能是诱发煤矿动力灾害的重要因素之一，在特定位置断顶实现岩层的定向断裂、减小坚硬顶板悬顶长度是防治煤岩动力灾害的关键。多孔套筒压裂技术具有操作简单、适用条件广泛等优点，在坚硬顶板弱化领域有着广泛的研究前景。为深入了解多孔套筒压裂机理，采用理论分析与数值模拟方法开展了多孔套筒压裂力学机制研究，揭示了不同影响因素下孔间应力变化规律，获得了压裂过程裂缝扩展规律及力链分布特征。通过钻孔切槽可提升套筒压裂预裂效果，为确定合理的布孔参数，基于线弹性断裂力学建立了含预制缝多孔套筒压裂力学模型，给出了缝端应力强度因子、临界膨胀力及裂缝临界起裂角计算方程，获得了不同影响因素下缝端应力强度因子、临界膨胀力及临界起裂角的变化规律。研究结果表明:①侧压系数k对钻孔最小起裂应力影响显著，当侧压系数k＞1时，最小起裂应力随布孔角度的增大而减小;当侧压系数k＜1时，最小起裂应力随布孔角度的增大而增大。②数值模拟结果表明:套筒间存在应力叠加效应，接触力链呈"放射状"分布。套筒压裂过程以张拉破坏为主，孔心连线处变形破坏最剧烈，均沿布孔方向形成了"条带状"断裂面。③缝槽改变了缝端附近的应力分布，相较无缝槽模型环向拉应力更大。当缝槽长度为0。5倍孔半径时，临界膨胀力最小，裂缝最易发生扩展。④临界起裂角由KⅠ与KⅡ共同决定，且小于70。53°。在泵压与地应力条件无法改变的情况下，可通过调节布孔角度与预制缝槽长度实现岩石的定向压裂。

    套筒定向压裂孔间应力分布应力强度因子临界膨胀力起裂角度

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    水力耦合下煤样声发射分形-渗透率模型及试验研究

    姬红英王文博辛亚军张东营...
    3381-3398页
    查看更多>>摘要：煤样轴向应力加载-水压渗流作用下裂隙(孔隙)发展直接影响煤样试件的力学指标与渗流特性，文中通过理论解析与力学试验方法，分析了煤样试件裂隙(孔隙)主导下渗透率与声发射分形维数、振铃计数响应关系，建立了水力耦合作用下煤样声发射分形-渗透率模型，开展了不同围压(2～5 MPa，Δpw(渗透压)/p'c(围压)=0。75)下水力耦合煤样渗流试验，分析了不同围压(水压)下煤样试件的力学行为、声发射规律与渗流特征，探讨了不同围压下煤样试件的强度提升特点与破坏形态-声发射定位关系，验证了水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型合理性。结果表明:煤样试件渗流试验中裂隙(孔隙)变化与声发射振铃具有一致性，裂隙(孔隙)扩展与声发射分形维数、渗透率密切相关，声发射分形、渗透率可用体积应变表征，基于声发射分形的水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型可采用2段式数学模型解析;煤样渗流全应力-应变过程中渗透率表现为短时减少—长时缓慢增加—急速增加—小幅回落过程，振铃计数呈快速增加—减少—增加—减少波浪型发展，渗透率最小值滞后体积应变压缩与膨胀临界点，最小渗透率变化在0。124×10-17～1。250×10-17m2;随着围压(2～5 MPa)增加，煤样峰值偏应力、峰值轴向应变与峰值体积应变均呈增大趋势，线性特征显著，煤样峰值渗透率滞后峰值强度呈减小趋势，减幅达到93。34％，最大声发射振铃计数(对应峰值强度位置)表现为增加趋势;水力耦合下煤样试件有效黏聚力和有效内摩擦角分别提高到6。511 6 MPa与36。56°，随着围压(2～5 MPa)增加，煤样试件的声发射信息由单斜面向不规整斜面过渡，主控破裂面角度由小角度向高角度转变，失稳由单块体剪切变为多块体压缩形态，试件破裂可采用声发射定位振铃计数表达;煤样试件声发射分形-体积应变、渗透率与体积应变、分形与渗透率3个试验曲线与理论曲线较为吻合，围压2～5 MPa试件压缩阶段相关性分别在0。882～0。999、0。950～0。998与0。849～0。997，围压2～5 MPa试件膨胀阶段相关性 0。937～0。996、0。891～0。998 与 0。873～0。966。

    水力耦合分形维数渗流特征应力-应变振铃计数破坏形态

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    无烟煤断裂韧度与断裂过程区各向异性试验研究

    龚爽赵毅鑫张寒松周永恒...
    3399-3424页
    查看更多>>摘要：为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了 Ⅰ型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程。同时，基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型，对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测，并与试验结果进行了对比分析。探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征。结果表明:无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大;与0°层理角度煤样相比，层理角度为22。5°、45。0°、67。5°和90。0°的煤样平均断裂韧度分别增大了 6。76％、86。82％、85。47％和134。46％。Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短，而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值，Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近。表明无烟煤试样裂纹尖端黏聚力分布形态更加趋于均匀。无烟煤试样FPZ长度(L)与断裂韧度(KIC)和抗拉强度(σt)比值的平方成正比:L∝(KIC/σt)2。裂纹尖端变形以拉伸为主，剪切为辅，拉伸变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的27。71％～57。26％，剪切变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的72。88％～92。40％，裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形。层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布，而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布。无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上，应变增加梯度并不相同。

    无烟煤断裂韧度断裂过程区裂纹扩展各向异性

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    温度-应力耦合作用下深部盐岩蠕变损伤模型

    张胜利徐素国肖宁李静...
    3425-3438页
    查看更多>>摘要：随着我国盐岩储库工程的兴建，浅部适宜矿床逐渐利用殆尽，盐岩储库向深部发展成为必然趋势。为了研究深部盐岩储库实际运营过程中，围岩在三向地应力和温度耦合作用下的蠕变损伤特征，进行了不同温度和应力耦合作用下深部盐岩的三轴蠕变试验。考虑温度和应力对深部盐岩蠕变损伤的影响，认为温度损伤伴随蠕变全过程，所处应力状态达到屈服极限时应力损伤开始发挥作用，且温度和应力与损伤变量之间分别满足Weibull分布和负指数函数的关系。引入分数阶Abel黏壶改进西原正夫模型，建立了一种新的考虑温度-应力耦合效应的黏弹塑性蠕变损伤模型。该模型不仅形式简单，且每个参数都有明确的物理意义，方便模型在数值计算和工程实践中的应用。结果表明:深部盐岩的稳态蠕变率是偏应力和温度的函数，拟合出稳态蠕变应变率本构方程中材料参数A=32。39 MPa-4。83/h、激活自由能Q=7。84×104 kJ/mol、蠕变应力指数n=4。83;不同温度和应力下的黏弹塑性蠕变损伤模型的理论解析解与对应试验数据有良好的吻合度，验证了模型的正确性和精确度。通过蠕变损伤模型各力学元件拟合参数结果验证了温度和应力对岩石蠕变性能的影响规律，证明了所建模型的合理性。所建模型不仅可以精确表征岩石的衰减和稳态蠕变阶段，也能较好地描述加速蠕变阶段的变形特性。

    深部盐岩储气库TM耦合蠕变损伤模型拟合参数

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    基于深度学习的煤岩Micro-CT裂隙智能提取与应用

    王登科房禹魏建平张宏图...
    3439-3452页
    查看更多>>摘要：为解决煤岩CT裂隙图像识别中矸石影响以及不同尺度裂隙识别的问题，设计并实现了一种基于深度学习的煤岩裂隙提取网络模型(MCSN)，该模型基于U-Net网络，利用其编码器-解码器结构和跳跃连接，可实现从复杂煤岩体中分割出完整的裂隙结构图像。首先，通过煤岩工业CT扫描系统获取煤岩体内部扫描图片后，人工标注出CT图像中的裂隙结构，并利用数据增强扩充标注的原始数据制作出煤岩CT裂隙数据集;然后，将训练好的VGG16模型权重通过迁移学习技术移至U-Net编码器部分，使得整个主干特征提取网络具有更强的裂隙结构特征提取能力;同时采用深度可分离空洞卷积模块(DCAC)和残差模块对U-Net模型中解码器部分进行改进，有效提升了 CT图像中裂隙结构的识别能力，展现出了优越的分割精度和鲁棒性。为验证提出的煤岩裂隙提取网络模型的有效性，将MCSN的提取结果与经典的卷积神经网络及阈值分割方法的结果进行了对比，实验对比结果显示，提出的模型在定性分析和定量分析方面优势明显。这种多尺度融合的策略可以有效提取出复杂煤岩体图像中的裂隙，提高了裂隙识别效率和精度。将该模型应用到巷道围岩钻孔裂隙识别中，通过对钻孔成像仪采集到的窥孔视频和平面展开图进行裂隙提取，并结合二者提取结果进行交叉验证，得到了精准的巷道围岩裂隙分布范围，给出了穿层抽采钻孔的注浆封孔范围，提高了煤层瓦斯抽采体积分数。

    裂隙识别与提取CT扫描深度学习卷积神经网络空洞卷积

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    煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

    刘鹏赵渝龙聂百胜柳先锋...
    3453-3467页
    查看更多>>摘要：煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎，强度较低，难以制备标准的力学测试煤样，也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性，具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验，研究了 4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明，实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物，不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显，煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明:①煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高，会导致煤样表面力学性质越强，压痕深度越小;②煤样表面的组分越复杂，煤的非均质性越明显，表面微观力学性质分布的离散程度越高;③煤的煤阶越高，变质程度越高，外部孔隙越发育，导致断裂韧度提高;④对压痕试验结果进行拟合，发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系，并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

    煤体力学性质纳米压痕表面形貌峰值载荷坚固性系数弹性模量断裂韧度

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