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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。
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    煤岩动态RHT本构模型数值模拟研究

    邱薛刘晓辉胡安奎李泓颖...
    261-273页
    查看更多>>摘要：利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件和岩石RHT损伤本构模型对四川宜宾芙蓉白胶煤岩展开不同应变率下煤岩SHPB动态压缩数值模拟试验.首先,依据相关岩石RHT本构模型参数确定方法与Riedel混凝土 RHT参数值,通过不同动态应变率下的3水平27组正交试验与13个不确实性参数敏感性分析确定出煤岩RHT动态压缩本构模型最优参数.其次,依据数值模拟试验与室内试验对比分析,发现两种试验所得应力应变曲线能够较好吻合,数值模拟试验结果满足SHPB压缩试验中的一维应力与应力均匀性两个假定,数值模拟试验具有一定的可靠性.最后,利用RHT损伤本构模型探究煤岩动态力学性质及渐近变形破坏过程中的能量演化规律.研究结果表明:RHT损伤本构模型能够较好地模拟煤岩动态变形破坏过程,相应力学特性、能量演化过程与室内试验具有较好一致性;煤岩RHT模型参数随应变率增加呈增大趋势,但敏感性具有差异性,应变率从29.12 s-1增大至95.69 s-1,RHT参数gc*、N、ft*、n、pco对煤岩最终模拟效果优劣情况值抗压强度最为敏感,而参数pco、ζ、fs*、pco、Q0则最不敏感;煤岩抵抗变形能力随应变率增加明显增强,破碎程度愈加剧烈,峰动态强度因子值均呈指数函数增长;依据煤岩动态能量演化过程明显阶段性进行动态特征应力划分,发现特征能量均呈先增大后减小、再趋于稳定的趋势,动态弹性能储存能力和极限储能能力均随应变率增加而增强.

    煤岩RHT本构模型SHPB数值模拟力学特性能量演化

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    寒区炭质千枚岩冻-动联合损伤特性

    傅鹤林李欢李鲒胡凯巽...
    274-284页
    查看更多>>摘要：由于寒区隧道围岩在冻融及动载的作用下会产生严重的损伤和性能退化,因此研究两者耦合作用下岩石的劣化特征具有重要意义.利用MTS815加载系统对炭质千枚岩试样开展了 0、30、60次不同冻融循环次数下的三轴多级循环加卸载试验,研究了冻融及循环荷载对炭质千枚岩力学参数及变形的影响,基于能量计算分析了不同冻融次数岩石在动载下的能量演化规律,从宏观和微观角度进行对比,分析岩石在静载与冻-动耦合下的破坏形态,揭示了相应的破坏模式.试验研究表明:①与静载压缩强度相比,在冻融和循环荷载共同作用下岩石的强度有明显的降低,并且表现出明显的塑性,同时冻融循环次数越多,该现象也越显著;②随着冻融循环次数的增加,弹性模量会逐渐减小而泊松比却逐渐增大;③在循环过程中,轴向和环向不可逆应变均逐渐增加,两者的应变增量均在每一级应力的初始循环内最大而后逐渐减小,而不可逆体积应变先增大后减小,即体积先以压实为主后逐渐转变为以膨胀为主;④岩石内部主要以弹性能为主,耗散能占比在第1个循环周期内迅速降低,在之后的循环周期内呈现阶梯式增加而后趋于稳定;⑤从宏观与微观角度分析,单调加载与循环加载作用下两者的破坏机理不同,但均为斜截面的剪切破坏,但循环加卸载破碎程度更大.

    炭质千枚岩循环加载冻融循环变形特性破坏模式

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    人工冻土分数阶导数应力-应变指数模型参数确定及验证

    姚兆明宋梓豪陈军浩左维亚...
    285-294页
    查看更多>>摘要：人工冻土可看成是理想固体和理想流体以某种比例进行的勾兑,其力学特性既不符合胡克定律,也不遵守牛顿黏性定律,而是遵守介于它们之间的某种关系,分数阶导数能够很好地描述这种勾兑效应.对合肥膨胀土在不同冻结温度下进行单轴压缩试验,得到冻结温度对应力-应变的影响规律.将分数阶导数引入指数模型,将它改进为人工冻土单轴压缩下应力-应变分数阶指数模型.通过对建立的模型两边取自然对数,得到不同温度下应力-应变线性方程组,求解建立方程组确定出分数阶导数模型参数.为进一步验证所建立模型的适用性,引用一组南京冻结粉质黏土三轴剪切试验,在分数阶系数中考虑围压的影响,将它改进为能考虑围压影响的应力-应变分数阶指数模型.将改进的人工冻土应力-应变分数阶指数模型的计算结果与试验结果进行比较,结果表明:计算结果与试验结果吻合度较高,能准确地预测单轴压缩、三轴压缩剪切应力-应变曲线的变化趋势.改进后的分数阶导数模型参数较少且有明确的物理意义,便于工程应用.当前的模型仅仅适用于应变硬化型,为了能进一步描述应变软化型的力学特性,下一步将在模型中考虑损伤进而建立应变软化型分数阶指数模型.同时,如何在模型中反映冻土的结构性与各向异性对应力-应变的影响也将是下一步的研究内容.

    人工冻土指数模型应力-应变曲线分数阶导数

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    抽采钻孔孔周破裂煤体瓦斯径向渗透流态转捩特征试验研究

    张天军刘荣涛潘红宇庞明坤...
    295-303页
    查看更多>>摘要：钻孔孔周煤体瓦斯径向渗流流态是反映抽采瓦斯渗流运动的重要因素之一.为探究钻孔孔周煤体的不同孔隙结构和瓦斯压力对瓦斯径向渗流运动特征的影响,分别制作了 5种不同级配的含孔试样,利用自主设计的瓦斯径向渗流试验系统,采用稳态渗流法对含孔试样进行径向渗流试验研究,分析Forchheimer数和非Darcy误差随渗流速度与级配的变化规律,运用Hazen-Dupuit-Darcy方程和雷诺数理论得到了不同流态的流速区间和雷诺数范围.结果表明:① 通过对Forch-heimer 数和非Darcy误差随渗流速度变化曲线的分析可知,Forchheimer数随渗流速度呈二次多项式曲线增加,而非Darcy误差呈线性增加,Forchheimer数和非Darcy误差与孔隙结构密切相关,2者都随级配的增大而变大,说明渗流速度和孔周煤体的孔隙结构是瓦斯渗流偏离线性渗流的重要因素;②利用Hazen-Dupuit-Darcy方程对瓦斯径向渗透流态进行表征和划分,随着渗流速度的增大,瓦斯径向渗流运动依次出现前达西、达西和Forchheimer流态,且n=0.2与n=0.4的小级配含孔试样易发生达西层流,而n=0.6、n=0.8和n=1.0的含孔试样却更易于发生Forchheimer流态;③通过对达西定律应用时压力梯度的相对误差曲线分析可知,相对误差随渗流速度的增大呈现减小、保持稳定、再增大的变化规律,与瓦斯渗流流态随渗流速度的变化规律相吻合;④在双对数坐标中分析了瓦斯渗流不同流态与雷诺数的关系,得出了不同流态的雷诺数区间,发现瓦斯径向渗流运动符合达西层流的雷诺数为0.0012～0.0025.研究结果可为煤层瓦斯预抽工作中依据钻孔孔周煤体瓦斯渗流运动流态变化规律确定钻孔抽采影响范围,从而设计钻孔布孔参数提供重要的理论依据.

    孔周煤体径向渗流流态转捩孔隙结构

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    液态CO2-高温蒸汽循环冲击煤体三维CT裂隙重构及劣化机理

    秦雷王平李树刚王伟凯...
    304-313页
    查看更多>>摘要：为解决液态CO2冻结煤层孔隙冰融化时间冗长问题,提出液态CO2-高温蒸汽冷热循环冲击煤层增透技术.本文借助三维CT扫描测试技术,分析冷热循环冲击过程无烟煤三维孔隙结构参数及劣化机理.研究结果表明:①液态CO2-高温蒸汽冷热循环冲击煤体三维孔隙不断延伸,逐渐形成贯通裂隙,三维孔隙数量、表面积、体积及切片最大面孔率均与冷热循环冲击次数指数相关;②根据霍多特孔隙分类法,结合等效直径计算公式,发现冷热循环冲击前期渗流孔体积比例增加,三维孔隙劣化表现为裂隙贯通,冷热循环冲击后期吸附孔体积比例增加,三维孔隙劣化表现为煤体内部产生大量新生孔隙.进一步分析得:①液态CO2-高温蒸汽冷热循环冲击煤体渗流孔半径分形维数增加,孔隙分形特征增强,表面粗糙度提高,热储集性能降低;②孔隙半径分型模型中lg r随冷热循环冲击次数增加而增加,表明孔径劣化扩张明显;③基于冷热循环冲击煤体孔隙力学损伤特征,归纳液态CO2-高温蒸汽冷热循环冲击煤体三维孔隙损伤模型;④利用投影法得到切片损伤率,定义液态CO2-高温蒸汽冷热循环冲击煤体三维孔隙损伤量.当冷热循环冲击12次时,三维孔隙损伤量为48.55.

    冷热循环冲击三维CT扫描孔隙重构劣化机理损伤量

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    基于平行黏结模型的含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质研究

    王楠楠高霞张吉哲张保勇...
    314-326页
    查看更多>>摘要：为了研究围压和饱和度对含瓦斯水合物煤体宏细观力学特性的影响规律,对它进行三轴压缩试验离散元模拟.首先,利用颗粒流程序PFC3D构建3种不同饱和度的含瓦斯水合物煤试样数值模型,其中水合物的胶结作用通过平行黏结模型进行模拟.其次,通过与室内三轴试验结果进行比较,标定能够反映其力学特性的细观参数.试验结果和模拟结果的应力-应变曲线趋势基本吻合,破坏强度、强度参数误差率均在10％以内,从而验证所建模型的可靠性.进而,对不同围压下含瓦斯水合物煤体三轴试验进行离散元模拟,从应力-应变曲线以及速度场、接触力链、配位数及孔隙率角度分别分析其宏细观力学特征.结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果吻合较好,整体上能够较好模拟试样的应变硬化特征.从速度场变化规律可以发现,低饱和度下试样剪胀程度较高,高围压下试样剪缩程度较高.不同饱和度、围压条件下,破坏强度处的主力链传递方向没有明显区别.随着围压和饱和度的增大,接触力增大,接触力链个数增加;配位数整体呈增大趋势,孔隙率整体呈减小趋势,使得试样强度增强;摩擦是维持试样细观力学体系稳定的重要因素.研究结果从细观尺度上揭示饱和度和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,为含瓦斯水合物煤体三轴试验离散元模拟建模提供理论参考以及为利用水合物技术预防煤与瓦斯突出提供依据.

    含瓦斯水合物煤体围压饱和度离散元细观力学

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    一种新型煤与瓦斯突出物理模拟系统研制与应用

    刘永茜霍中刚李宏艳舒龙勇...
    327-339页
    查看更多>>摘要：物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一.研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统,旨在借助现有先进监测技术和装备,结合具体瓦斯地质模拟条件,开发出先进的实验设计方案,实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现象模拟,助推煤与瓦斯突出机理研究.本模拟系统由应力加载子系统、实验箱体子系统、动力牵引子系统、气压控制子系统、诱突装备子系统、模拟巷道子系统和测控子系统7部分构成,在各个子系统设计过程中都不同程度地实现了技术方法提升,整个系统形成了标志性创新成果.模拟系统有如下特点:①完善了三轴同步连续非均匀加载技术装备的高载荷加/卸载功能.试件加载由X、Y和Z方向的10个独立压头完成,试件尺寸为400 mm×400 mm×1 200 mm,载荷强度最大25 MPa,最大密闭气压6.0 MPa,上述10个压头中的任意个体可根据指令独立或同步完成行程内的加/卸载任务,并实现了水平应力分层加卸载.②形成了系统制样、装样、密封、加载一体化工艺.实验箱体为新型分体式结构,由动力牵引系统辅助实验箱体完成试件成型、应力加载和模拟材料搬运,且箱体结构平移量控制精准.③集成多种诱突技术于同一模拟平台,完成了包括箱体、突出窗口等多项技术装备功能创新,完成了动力诱突、二级爆破片联动诱突、变径钻进诱突等多种诱突技术及装备研制,且在动力诱突和变径钻进诱突技术装备上实现了原始创新,并经过了实验模拟验证.④实现了关键装置结构体的设计创新.双层钢板箱体缓解了同步加载的应力集中并提高箱体结构气密性,突出口的内腔设计提高了诱突效率,模拟巷道端头结构与管道"软包硬"结构设计提高了系统安全性,变径钻头结构实现了Rouleauxs triangle理论的工程化应用.⑤多元信息监测及数据融合实现了模拟测试的精准化.采用了先进的数据采集系统(应力、气压、温度等数据)和包括声发射、高速摄像机等监控技术装备,实现了煤与瓦斯突出的多元数据精准监测.⑥工程案例模拟证实了系统应用的可靠性.通过平煤"3·22"突出案例模拟,完成了系统功能的整体检验,并发现了突出过程中断层构造对地应力、气体压力和温度的影响规律,证实了本物理力学模拟系统性能可靠,可为煤与瓦斯突出机理研究提供平台支撑作用.

    煤与瓦斯突出物理模拟地质构造诱突技术控制系统装备研制

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    煤炭产能高速发展下的煤矿事故死亡人数预测研究

    朱安愚王启飞李成武汪陈徽...
    340-347页
    查看更多>>摘要：煤炭是我国的主体能源,在促进经济社会发展乃至实现中华民族伟大复兴的进程中发挥着至关重要的作用,但是煤矿安全问题也不容忽视.通过数据分析和数据建模,建立多因素影响下的煤矿事故死亡人数预测模型,开展煤炭产能优化背景下的安全生产形势预测.根据1949-2021年我国历年煤矿产能和煤矿事故死亡人数的统计数据,分析产能与事故之间的关系,研究煤矿安全生产形势的区域特征,建立预测煤矿事故死亡人数的长短期记忆网络(LSTM)模型,并根据该模型对区域产能优化背景下的煤矿事故死亡人数进行了预测.研究结果显示:①可以根据我国煤炭产量、事故死亡人数和百万吨死亡率随时间的变化规律,将我国煤炭产业的发展分为初步创立阶段、探索阶段、恢复整顿阶段、体制机制改革阶段和安全高效发展阶段5个时期,受安全政策和产能发展的影响,不同时期的煤矿安全形势差别很大;②我国不同省级行政区煤矿产能和安全水平存在很大差异,通过列联表卡方检验分析发现煤矿安全生产的事故数量和事故等级都与事故区域表现出显著的相关关系,不同地区煤矿产能的调整也是影响我国煤矿事故整体形势的关键因素;③考虑采煤工艺、机械化程度以及不同区域的煤炭产量构建多因素时间序列预测LSTM模型,可以较为准确地对煤矿事故死亡人数进行预测,预测值和真实值的相关系数R2=0.99,预测数据均方根误差为40.49,预测效果较好;④根据模型预测结果,在全国煤炭总产量保持不变的情况下,增加西北地区的产能,而减少东北或西南地区的产能,都会进一步提升煤矿安全生产形势;⑤分析发现产能由西南转移至西北后煤矿死亡人数会有更大幅度的下降,但事故死亡人数降低的效果随着时间的推移而减弱,尽管西北地区煤炭开采条件较好,但仍需重视煤炭产能高速发展下的安全开采风险.研究结果可以为科学制定煤炭产业政策提供参考.

    煤矿产能煤矿安全统计分析长短期记忆网络产能优化

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    贵州深部煤层气地质特征及其资源潜力

    杨兆彪高为秦勇张孟江...
    348-361页
    查看更多>>摘要：加快深部(1 000 m以深)煤层气资源勘探开发是煤层气走向规模化开发的重要途径,是近年来煤层气产业的重要发展方向.贵州省煤层气资源丰富,深部煤层气资源占比大,然而目前尚未开展深部煤层气资源的地质研究和勘探开发.立足于贵州煤层气地质背景,基于大量的煤层气试井资料和测试化验资料,分析了深部煤层气地质特征及其资源潜力.研究结果显示:贵州深部煤层气资源主要分布于六盘水、黔北和织纳煤田的众多向斜单元.沉积分异和构造分区导致深部煤储层地质条件具有区域差异性,六盘水煤田以"超压明显、低温、较高应力"为特征,织纳煤田以"超压、较高温度、较低应力"为特征,黔北煤田以"超压、高温、高应力"为特征.深部煤储层渗透率偏低,1 000m以深渗透率将普遍低于0.1 × 10-15m2.煤储层含气量较高,在1 000m以浅,以六盘水煤田为代表的中阶煤储层平均含气量为10.03 m3/t,以织纳、黔北煤田为代表的高阶煤储层平均含气量为14.51 m3/t,400m以深超饱和现象较为明显.优选游离气、吸附气预测模型,考虑煤阶随深度的变化,预测深部整体含气量将进一步增加,超饱和现象更为明显,游离气占比增大,在2 000m左右,游离气占比普遍达到10％～25％,且中阶煤游离气占比要高于高阶煤.在此基础上,计算了包含2 000 m以深的贵州省重点向斜的煤层气地质资源量,贵州省煤层气地质资源量为3.85万亿m3,其中1 000m以深煤层气地质资源量达到了 1.90万亿m3,六盘水和黔北煤田深部煤层气资源占比大.综合考虑资源规模和资源丰度,提出了开发次序建议,盘关—土城—照子河—旧普安向斜和格目底向斜为首选开发单元,以上向斜均属于高丰度大型气田.

    贵州深部煤层气地质特征吸附气游离气资源潜力

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    多源低热值燃气无焰燃烧的数值模拟研究

    颜蓓蓓刘晓芸周生权陈冠益...
    362-374页
    查看更多>>摘要：生物质、生活垃圾、低品位煤等原料通过厌氧发酵、热解气化等技术可制备燃气.这既能处理固体废弃物、清洁利用煤,又能产生可利用的燃气,具有能源和环保的双重效益.但制得的燃气热值低、组成复杂、不可燃组分多,且组成受原料、工艺影响变化较大,采用传统燃烧方式存在点火困难、燃烧不稳定、污染物不易控制等问题.无焰燃烧是一种低氧条件下的温和燃烧模式,污染物排放量低、燃烧效率高,有助于解决这些问题.因此,采用详细化学反应机理GRI Mech 3.0和涡耗散概念(EDC)模型,通过湍流与化学反应的耦合计算,对3种低热值燃气无焰燃烧过程进行数值模拟研究.实验数据验证该方法能够准确地模拟实际燃烧器中的无焰燃烧.随后对沼气、生物质气化气、煤气化气进行无焰燃烧数值模拟研究,包括温度场、组分场、OH自由基分布和污染物排放等,并通过对燃烧器的改进成功实现了生物质气化气和煤气化气的无焰燃烧.结果表明,生物质气化气、煤气化气在进行无焰燃烧时温度分布比天然气、沼气的温度分布更加均匀、反应区结构更大,且NOx接近"零排放";CO2的稀释对于无焰燃烧有促进作用;CH4成分的存在会改变反应区及OH分布,使温度分布更加趋于不均匀.将3种低热值燃气无焰燃烧横向对比发现,即便输入功率一样,燃气热值越低,炉膛整体温度越低,但烟气量更大,因此应加强烟气的余热利用,增大系统的热效率.

    无焰燃烧MILD燃烧数值模拟低热值燃气氮氧化物排放

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