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高强度开采覆岩地表破坏及防控技术现状与进展 预览
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作者 郭文兵 白二虎 赵高博 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期509-523,共15页
随着我国煤矿开采技术与装备水平的提升,煤矿生产集约化、智能化程度越来越高,以综采放顶煤、大采高支架为代表的高强度开采工作面日趋增多,研究高强度开采覆岩与地表破坏等负外部影响及其防控技术对于实现矿区资源开发与生态环境协调... 随着我国煤矿开采技术与装备水平的提升,煤矿生产集约化、智能化程度越来越高,以综采放顶煤、大采高支架为代表的高强度开采工作面日趋增多,研究高强度开采覆岩与地表破坏等负外部影响及其防控技术对于实现矿区资源开发与生态环境协调发展具有重要意义。在分析了煤矿高强度开采定义及其主要技术特征的基础上,阐述了长壁高强度开采引起的覆岩破坏规律研究现状及其进展,包括覆岩破坏高度理论分析、覆岩破坏充分采动及其判据、覆岩破坏高度计算方法以及覆岩"两带"破坏模式及其形成机理等,主要研究了覆岩破坏传递过程,提出了基于覆岩破坏传递过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法,揭示了高强度开采覆岩"两带"破坏模式的形成机制。其次,基于大量高强度开采工作面地表岩移实测资料,从高强度开采地表裂缝特征及地表移动变形特征等方面总结了我国煤矿高强度开采引起的地表变形破坏规律及其研究进展,阐述了高强度开采对覆岩与地表水资源、土地资源、地表生态环境、建(构)筑物等方面的负外部影响;基于高强度开采诱发的负外部影响,分析了我国高强度开采覆岩与地表破坏预防和控制技术及其进展,提出了煤矿高强度开采采动损坏的防控思路。研究认为我国煤炭高强度开采矿区将以开采的负外部影响一体化规律与防治、生态环境监测及保护技术研究为主,高强度开采条件下矿区生态环境原位保护将是未来的发展方向。 展开更多
关键词 高强度开采 负外部影响 岩层移动 地表沉陷 生态环境
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采动覆岩卸荷膨胀累积效应 预览
2
作者 许家林 秦伟 +1 位作者 轩大洋 朱卫兵 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期35-43,共9页
地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历... 地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。 展开更多
关键词 卸荷膨胀累积效应 关键层 岩层移动 覆岩隔离注浆充填 绿色开采
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分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究 预览
3
作者 柴敬 雷武林 +3 位作者 杜文刚 张丁丁 马哲 袁强 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期44-53,共10页
为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模... 为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V 11出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V 12出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V 13最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V 11和V 12的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。 展开更多
关键词 立体模型试验 巨厚复合关键层 厚板理论 分布式光纤传感 光纤响应特性
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基于深度学习的大采高工作面矿压预测分析及模型泛化 预览
4
作者 赵毅鑫 杨志良 +2 位作者 马斌杰 宋红华 杨东辉 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期54-65,共12页
综采工作面矿压显现的分析与预测对于复杂地质条件下工作面顶板管理,保证矿井生产安全具有重要意义。采用关系型数据库储存液压支架工作阻力数据以及利用工作面推进过程中矿压显现的时序特性,采用SQL语言,运用长短时记忆网络(Long Short... 综采工作面矿压显现的分析与预测对于复杂地质条件下工作面顶板管理,保证矿井生产安全具有重要意义。采用关系型数据库储存液压支架工作阻力数据以及利用工作面推进过程中矿压显现的时序特性,采用SQL语言,运用长短时记忆网络(Long Short Time Memory,LSTM)深度学习方法,以红庆河矿31101大采高综采工作面矿压规律为研究对象,对工作面支架工作阻力、支架不平衡力、支架安全阀开启情况及初次来压与周期来压等矿压显现规律进行分析;基于建立的数据库,预测了红庆河大采高工作面矿山压力,预测结果表明LSTM方法较BP神经网络预测更具准确性。为进一步讨论本研究采用的LSTM网络模型的泛化能力,在采用布尔台42103大采高工作面、上湾矿12401大采高工作面少量矿压数据的前提下,使用迁移学习方法,对矿压数据进行预测检验,结果表明:LSTM模型具有很好的泛化能力,相比于不使用迁移学习方法,迁移学习可提高模型的泛化能力。最后,探讨了模型在3个大采高工作面矿压预测表现的差别,发现数据量本身对模型预测行为影响较大,增大数据量可弥补原始数据缺失等问题。在预测模型基础上设计了周期来压预警模型,集成形成相应矿压分析与预警系统,经工程验证判定预警系统分析效果良好。 展开更多
关键词 大采高 长壁开采 深度学习 矿压分析 迁移学习
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深部煤巷帮部失稳诱冲机理及“卸-固”协同控制研究 预览
5
作者 谭云亮 郭伟耀 +1 位作者 赵同彬 孟祥军 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期66-81,共16页
采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究方法,研究了“煤体”自身能量释放型和“煤体+顶底板”共同能量释放型两类煤巷帮部失稳诱冲机理,分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征,揭示了深部煤巷帮部“卸-... 采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究方法,研究了“煤体”自身能量释放型和“煤体+顶底板”共同能量释放型两类煤巷帮部失稳诱冲机理,分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征,揭示了深部煤巷帮部“卸-固”协同控制机理,研发了深部煤巷帮部失稳“卸-固”协同控制技术。结果表明:①顶底板及煤体内积聚弹性变形能共同释放是导致深部煤巷帮部发生冲击破坏的基本力学机制;②深部煤巷帮部按破坏程度由弱到强依次为产生宏观裂缝、轻微帮鼓片帮、严重片帮和帮部整体抛出共4类破坏形态;③产生宏观裂缝和轻微帮鼓片帮破坏驱动能量主要来自煤体本身,而严重片帮和帮部整体抛出破坏驱动能量来自煤体和顶底板共同作用;④深部煤巷帮部冲击地压防控应从“卸”和“固”两方面入手,包括巷帮浅部破裂区煤体加固和巷帮深部完整区煤体及顶底板卸压,实现煤巷帮部冲击地压“卸-固”协同控制。如何提升巷道锚固支护系统与围岩结构耦合吸能水平,构建冲击地压灾害"卸-固"协同控制理论与技术体系,是深部开采冲击地压防治工程中需重点研究内容之一。 展开更多
关键词 深部开采 煤巷 冲击地压 能量释放 卸压 支护 协同控制
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基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响 预览
6
作者 付裕 陈新 冯中亮 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期568-578,共11页
为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响,以河南城郊煤矿21304工作面的煤岩为研究对象,利用nanoVoxel-4000系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了CT扫描试验。基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建,结合等效球体... 为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响,以河南城郊煤矿21304工作面的煤岩为研究对象,利用nanoVoxel-4000系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了CT扫描试验。基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建,结合等效球体模型定量分析了煤岩内不同尺度原始裂隙在空间的分布特征。通过计算平面内原始裂隙与破裂主裂隙的裂隙组构张量,以及空间内原始主裂隙面与新产生主裂隙面的倾角,对比分析了不同围压下原始裂隙分布方向与破坏时新生成主裂隙方向之间的关系。研究结果表明:煤样试件内含有大量不同尺度的裂隙,等效直径小于1 000μm的裂隙数量多,体积小;等效直径大于5 000μm的裂隙数量少,体积大;当等效直径小于5 000μm时,随着裂隙等效直径的增加,裂隙的数目逐渐减少;在等效直径小于300μm时,裂隙体积分数随等效直径的增加而增大;等效直径在3 00~5 000μm的裂隙的体积分数整体呈现下降趋势,且等效直径在大于1 500μm以后波动较大。利用2阶和4阶裂隙组构张量计算得到的椭圆形分布规律,可以有效的描述裂隙的优势方向和劣势方向,且相比2阶张量,4阶对于平面裂隙分布规律的描述更全面。不同围压下平面内原始裂隙的2阶和4阶裂隙张量计算的优势方向与破坏主裂隙的发展方向一致,三维空间新产生的破坏主裂隙面会沿着原有较大主裂隙面方向扩展,形成了近似平行的裂隙面。不同围压作用下,煤岩试件内部损伤破裂面的三维分形维数不同,随着围压的增大裂隙面的分形维数减小,二者具有较好的相关性。 展开更多
关键词 煤岩 裂隙 CT扫描 三维重建 破坏特征 三轴压缩
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基于改进NMM的深部煤巷围岩碎胀大变形模拟研究 预览
7
作者 蒋亚龙 徐贞珍 +1 位作者 刘泉声 马昊 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期579-589,共11页
深部煤巷围岩碎胀大变形是一个从峰前损伤扩容到峰后破裂碎胀的连续-非连续渐进破坏演化过程。本文以数值流形方法为基本架构,发展了深部煤巷围岩破裂碎胀大变形模拟预测分析方法,主要进行了4个方面的研究:①在数值流形方法中植入Vorono... 深部煤巷围岩碎胀大变形是一个从峰前损伤扩容到峰后破裂碎胀的连续-非连续渐进破坏演化过程。本文以数值流形方法为基本架构,发展了深部煤巷围岩破裂碎胀大变形模拟预测分析方法,主要进行了4个方面的研究:①在数值流形方法中植入Voronoi随机多边形环路自动生成算法,基于该几何表征方法发展了能够考虑岩体非连续面黏聚力和张拉强度的界面接触计算模型,构建了基于界面接触模型的岩体破裂算法准则;②构建了基于显式积分格式的数值流形算法,并引入Voronoi随机多边形环路自动生成算法和界面接触计算模型,搭建了基于Voronoi多边形环路构型的显式数值流形方法;③在上述算法改进的基础上,发展了基于软化单元法和删除单元法的煤巷开挖卸荷模拟算法;④基于上述改进的数值流形方法,对深部煤巷开挖卸荷作用下围岩渐进破坏演化规律与碎胀大变形力学行为特征、以及最终开挖损伤区的形成与分布特征等进行研究。研究结果表明,上述改进方法能够实现深部煤巷围岩复杂多裂纹扩展路径的模拟,并在同一架构下对围岩峰前损伤扩容连续变形-峰后破裂碎胀非连续变形进行仿真分析;通过该方法能够较好地对深部煤巷开挖卸荷作用下围岩破裂碎胀行为特征、围岩径向收敛变形特征以及最终形成的EDZ分布特征进行预测分析。 展开更多
关键词 深部煤巷 碎胀大变形 数值流形方法 Voronoi随机多边形 界面接触模型 开挖算法
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顶爆下锚固硐室拱顶变形与加速度响应模型试验 预览
8
作者 杨自友 杨本水 顾金才 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期590-597,共8页
若地下硐室拱顶的变形或加速度过大,其围岩就会因此而破坏或不稳定。为了探索锚固硐室拱顶变形与加速度对爆炸荷载的响应规律,开展了室内顶爆模型试验研究。根据Froude相似原理,对顶爆试验进行了设计,对开挖硐室围岩采用不同锚固参数锚... 若地下硐室拱顶的变形或加速度过大,其围岩就会因此而破坏或不稳定。为了探索锚固硐室拱顶变形与加速度对爆炸荷载的响应规律,开展了室内顶爆模型试验研究。根据Froude相似原理,对顶爆试验进行了设计,对开挖硐室围岩采用不同锚固参数锚杆进行了加固。通过测定硐室拱顶变形与加速度波形曲线及其峰值,比较了不同锚固参数硐室拱顶变形、加速度及其最终破坏形态特征的差异性。结果表明,在爆炸荷载作用下,当硐室拱顶的环向应变、加速度波形处于正峰值时,拱顶曲率减小,围岩产生拉伸变形;锚杆间距比其长度对硐室拱顶变形的影响大;当锚杆的长度增大到一定程度时,对拱顶变形和加速度减小的作用并不明显,反而增大了拱顶加速度;当锚杆长度相同时,疏锚杆硐室拱顶出现了下沉、纵横向裂缝和掉块;当锚杆间距相同时,短密锚杆硐室拱顶仅出现了裂缝,但偏离了纵向方向,而长密锚杆硐室拱顶的变形相对较小,仅产生纵向直裂缝;拱脚加长硐室拱顶的变形比疏锚杆硐室小一个数量级,且其拱顶加速度相对较小,故采用这种加固方式有利于维护拱顶稳定。综合比较变形、加速度对硐室拱顶稳定性的影响发现,前者大小能在一定程度上可以作为判定影响拱顶稳定性的关键指标,而后者只能视作辅助性指标。 展开更多
关键词 锚固硐室 模型试验 顶爆 拱顶 加速度
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考虑托板作用的深埋岩体分区破裂时空效应 预览
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作者 于远祥 王赋宇 +3 位作者 任建喜 李鑫 王树明 邵红旗 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期598-612,共15页
分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋硐室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象,考虑不同大小托板反力作用对硐室围岩强度参数的影响,基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征... 分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋硐室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象,考虑不同大小托板反力作用对硐室围岩强度参数的影响,基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征,建立了杆体与围岩协调变形的力学分析模型,推导了围岩分区破裂后锚杆中性点位置的计算公式,进而对不同托板反力作用下的围岩分区厚度、破裂范围及数量进行了反演分析;根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力,提出了弹塑性界面岩体破裂发生时刻的理论公式。结果表明:①在分区破裂条件下,深埋硐室围岩与预应力锚杆产生协调变形,沿杆体长度方向存在多个处于拉-压受力平衡的中性点,在各中性点附近的弹塑性界面上岩体具有显著的流变特性。当该界面岩体所受最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂;②预应力全长锚固锚杆对围岩强度参数具有重要影响,预应力的增加能够有效改善围岩的承载特性,围岩分区厚度、破裂区宽度与数量以及弹塑性界面上岩体破裂发生时刻随锚杆预应力的变化而变化;③在锚杆预应力作用下围岩强度的提高对硐壁岩体破裂具有一定的抑制作用。随着锚杆预应力的逐渐增大,靠近硐壁处的第1个锚杆中性点逐步向硐壁表面移动,硐壁岩体破裂区厚度也逐渐减小直至不再破裂;④通过算例分析对上述认识的合理性进行了验证。 展开更多
关键词 深埋岩体 分区破裂 托板作用 时空效应 影响规律
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高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征 预览
10
作者 苏承东 宋常胜 苏发强 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期613-625,共13页
为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后... 为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:①高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,经历温度越高压密和屈服阶段越明显,峰值后应力跌落速度有所减缓;②高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低,在100和500℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100~400℃高温,高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25℃煤样比较,经历100,200,300,400和500℃高温后,煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%,抗压强度平均降幅依次为47.88%,49.99%,56.24%,56.91%和87.57%;③高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息,在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系,不同高温后煤样的声发射特征存在差异,声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生,声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点,且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前,而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征,其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低,累计能量随温度变化具有波动性;⑤高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系,抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100~500℃高温作用后煤样结构发生了变化,煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而� 展开更多
关键词 岩石力学 高温后煤样 单轴压缩 变形强度 声发射特征
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煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法 预览
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作者 张吉雄 巨峰 +2 位作者 李猛 周楠 张强 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期131-140,共10页
煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题,推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段,统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要,而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解... 煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题,推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段,统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要,而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解决上述问题的技术途径。基于此,在充分考虑采煤、分选和充填基础上,以井下分选为核心,围绕充填开采方法构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式,阐述了煤矿井下采、选、充系统的时空协同关系,揭示了“就近分选+原位充填”的科学内涵,实现了充填能力与分选能力匹配、采充系统与分选系统布置、采充工艺与分选工艺组织和矸石物流运输与调控4个方面的协同;提出了实现不同目标层次的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系,主要包括全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个不同等级的井下煤矸分选技术和实现采场矿压与地表沉陷控制、矸石处理和资源回收不同目标的井下原位充填技术2个方面;分析评价了新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种井下煤矸分选方法的适用性,给出了煤矿矸石井下分选方法选择流程,确定了煤矿矸石井下分选系统及巷硐布置要求,探讨了煤矿井下全粒级分选的发展方向;提出了全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种典型充填开采方法,明确了4种典型充填开采方法的定义、系统布置及技术优势,形成了充填开采方法选择流程,进一步对比分析了4种典型充填开采方法的地表沉陷与采场矿压控制效果。研究成果为实现煤矿煤炭开采、井下分选和矸石处理集约化提供技术借鉴,进一步丰富我国煤矿绿色开采的技术体系。 展开更多
关键词 绿色开采 充填开采方法 矸石分选 原位充填
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我国煤矿充填开采应用现状与发展 预览
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作者 刘建功 李新旺 何团 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期141-150,共10页
为全面了解煤矿充填开采可行性,国家煤监局组织对我国充填开采技术应用现状进行系统调研,获取了我国不同区域、不同井型煤矿各种方法充填开采的详细资料。充填矿井生产实践表明:实施充填开采,消除了矸石山对生态环境的污染,有效遏制了... 为全面了解煤矿充填开采可行性,国家煤监局组织对我国充填开采技术应用现状进行系统调研,获取了我国不同区域、不同井型煤矿各种方法充填开采的详细资料。充填矿井生产实践表明:实施充填开采,消除了矸石山对生态环境的污染,有效遏制了地表沉陷,保护地表和地下水资源,避免了地面基础设施和建筑物损毁和村庄搬迁,减少了井下采空区涌水、降低采空区瓦斯积聚、浮煤自燃等事故发生可能性,取得良好的生态和社会效益。调研发现,我国仍有很多矿井面临生态环境破坏问题,有的可以通过充填开采予以解决,但真正选择通过充填开采解决实际问题和坚持长期充填开采的煤矿占比很小,通过深度调研了解了充填开采实施过程中存在的问题,分析了充填开采初期建设投资大、周期长、充填成本高、充填物料短缺、充填能力没有很好的发挥和缺乏政策激励等制约我国充填开采发展的主要因素。利用调研结果,探讨了区域经济、地质、生态、资源禀赋、产业特点、产业政策对充填开采的需求程度,以及不同地区、不同井型矿山对充填开采方式的优先选择原则,并对充填材料来源和充填重点区域进行了分析,研究了我国充填开采技术与装备的发展前景,提出了利用精准充填建设全过程生态矿山和井下“采选充留”技术路线。 展开更多
关键词 充填开采 充填材料 精准充填 采选充留
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中国遗煤开采现状及研究进展 预览
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作者 冯国瑞 张玉江 +1 位作者 戚庭野 康立勋 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期151-159,共9页
我国煤炭开采储采比低,对我国煤炭资源的可持续开发带来严重挑战,而历史原因造成浅部大量优质煤炭资源未能有效采出,形成了遗煤。通过对遗煤储量计算及遗煤开采矿井的统计,分析了我国遗煤储量、储采比、赋存类型、开采特点、遗煤开采研... 我国煤炭开采储采比低,对我国煤炭资源的可持续开发带来严重挑战,而历史原因造成浅部大量优质煤炭资源未能有效采出,形成了遗煤。通过对遗煤储量计算及遗煤开采矿井的统计,分析了我国遗煤储量、储采比、赋存类型、开采特点、遗煤开采研究现状及尚需解决的关键技术问题。研究表明:全国遗煤可采储量约400亿t,初次采出率不高于20%的遗煤可采储量达271.6亿t,占全部遗煤可采储量的67.4%,开采价值巨大;遗煤对储采比的增加率呈现东高西低的趋势,东部地区平均增加95.9%,中西部地区平均增加51%;15个省份进行遗煤开采,其可采储量347.1亿t,约占全国遗煤可采储量的86%;遗煤开采在2006年前后呈现不同趋势,2006年前,88.5%的遗煤开采矿井集中于东部产煤省,2006年后中西部产煤省开始大量进行遗煤开采;在地域上东部遗煤开采矿井占全部的65.82%,山西省占24.1%,可见遗煤开采集中在东部省份以及中部的山西省;遗煤类型可分为整层、分层、块段及复合遗煤4类,块段遗煤分布最广,东西部遗煤主导类型不同,东部以边角煤和保护煤柱为主,中西部则以小煤窑破坏区遗煤为主;遗煤开采研究在遗煤探测技术、遗煤开采理论及技术和遗煤开采灾害防治技术3个方面取得了进展。但遗煤开采是一个复杂的系统工程,在遗煤开采危险源探测、遗煤开采方法、遗煤开采矿压显现规律及岩层控制方法、老空区水、气赋存和运移规律及治理、遗煤开采灾害防治新型材料方面仍需深入研究。 展开更多
关键词 遗煤 复采 储量 储采比 分布
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基于采动充分性的地表动态下沉预计方法 预览
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作者 李全生 郭俊廷 戴华阳 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期160-167,共8页
井工开采及其对地表附属物的影响是一个动态过程,目前常用的采动影响预测多为静态结果,难以准确评价受护对象的影响程度,科学预测采动影响范围及程度对指导工程设计与受护对象防护具有重要的实际意义。在分析国内外动态预计方法的基础上... 井工开采及其对地表附属物的影响是一个动态过程,目前常用的采动影响预测多为静态结果,难以准确评价受护对象的影响程度,科学预测采动影响范围及程度对指导工程设计与受护对象防护具有重要的实际意义。在分析国内外动态预计方法的基础上,将现有动态预计方法依据其建立方法和思路分为时间函数法、速度函数法和下沉折减法3类,分析了这些方法的优势和局限性。分析了随开采充分性变化地表下沉速度的分布特征,通过对4个工作面近水平开采条件下地表移动的长时间观测与理论分析,提出了开采过程中地表最大下沉速度的计算公式,避免了因观测时间间隔差异引起测得地表下沉速度不准确的问题,分别建立了起动距、超前影响距、最大下沉速度滞后距与工作面推进速度的动态关系;提出了走向主断面包含开采充分性的地表下沉速度的分布函数和走向主断面动态下沉预计方法。采用建立的动态下沉预计方法,对神东补连塔矿地质开采条件下地表动态下沉进行了预计分析,并与主断面实测下沉数据进行了对比验证,结果表明,当工作面推进速度变化不大时,所用方法平均相对误差为2.1%,具有较好的预测精度;建立的动态下沉预计方法弥补了以往研究成果对开采初始阶段研究的不足,比建立在充分采动区单点移动全过程的预测模型更为可靠。 展开更多
关键词 地表动态下沉 地表下沉速度 开采充分程度 预计方法
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我国煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术的研究进展及发展趋势 预览
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作者 余明高 阳旭峰 +1 位作者 郑凯 栾鹏鹏 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期168-188,共21页
瓦斯爆炸严重威胁着矿井安全开采,瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构、学者在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究,开发了一系列的瓦斯爆炸抑爆减灾技术及装备。从文献研究的角度出发,从基础研究、材料开发... 瓦斯爆炸严重威胁着矿井安全开采,瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构、学者在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究,开发了一系列的瓦斯爆炸抑爆减灾技术及装备。从文献研究的角度出发,从基础研究、材料开发、装备研制3个方面对我国瓦斯抑爆减灾技术及装备的研究现状进行了综述与讨论。瓦斯爆炸及抑爆方面,国内学者主要基于实验手段,采用宏观的参数(如最大爆炸压力和最大压力上升速率等)表征瓦斯爆炸在障碍物激励或者抑爆剂抑制作用下的最终结果,缺乏对瓦斯爆炸过程中详细的爆炸或抑制过程的理论认识。瓦斯爆炸火焰传播过程中爆炸火焰-湍流-压力波的多场耦合作用下的火焰传播理论仍需完善,抑爆过程中抑爆介质对瓦斯爆炸反应的详细作用机制仍需明确。抑爆装置研制方面,近年发生的重(特)大瓦斯爆炸事故表明现有的瓦斯抑爆、控爆装备较难在矿井发生瓦斯爆炸时对瓦斯爆炸火焰实现精准探测、快速响应和高效抑爆,致使瓦斯爆炸抑爆装备在防控瓦斯爆炸过程中作用较为有限。对于瓦斯爆炸抑爆、控爆装置的配置方式及如何高效的实现抑爆、控爆功能仍需要进一步研究。减灾装备研制方面,国内学者主要考虑改变风井防爆门的结构以实现快速开启、复位功能。在这些设计中缺乏对风井防爆门在瞬时(ms)冲击作用下的破坏动态力学特征与动作响应特征的考虑。在未来,瓦斯爆炸抑爆减灾技术体系的研究以瓦斯爆炸机理及火焰传播特性理论为基础,打破以实验为主的研究手段,发展数值模拟理论模型,深入基础理论的研究;以瓦斯抑爆介质及其抑爆机理为核心,探寻具有物理和化学抑爆耦合作用机制的高效复合抑爆材料;以瓦斯抑爆装备和减灾技术为保障,发展兼顾快速、高精确度、高稳定性的瓦斯爆 展开更多
关键词 瓦斯爆炸 爆炸机理 抑爆介质 抑爆装备 减灾技术
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砂层压密特性及其对劈裂-压密注浆扩散过程的影响 预览
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作者 张连震 李志鹏 +2 位作者 张庆松 刘人太 李术才 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期667-675,共9页
劈裂-压密注浆模式是砂层注浆工程中的重要模式,砂层自身的压密特性对劈裂-压密注浆扩散过程具有显著影响,基于此,以山东青岛地区含黏性土砂层为典型砂层介质,通过侧限压缩试验测试了不同条件下的砂层压缩变形曲线,测试压力范围0~2 MPa... 劈裂-压密注浆模式是砂层注浆工程中的重要模式,砂层自身的压密特性对劈裂-压密注浆扩散过程具有显著影响,基于此,以山东青岛地区含黏性土砂层为典型砂层介质,通过侧限压缩试验测试了不同条件下的砂层压缩变形曲线,测试压力范围0~2 MPa,砂层黏性土含量10%~50%,砂层初始含水量12%~28%,分析了黏性土含量及初始含水率对砂层压密过程的影响,从是否形成砂骨架的角度揭示了砂层压密变形机理。采用二次抛物线模型来拟合砂层侧限压缩过程应力-应变数据,建立了可描述砂层非线性压密过程的数学模型,模型参数可通过初始压缩模量及2 MPa下的特征应变量确定。在此基础上,认为劈裂-压密注浆过程中劈裂通道两侧砂层的压密过程近似符合侧限条件,分析了黏性土含量对砂层劈裂-压密注浆扩散过程的影响。研究结果表明:黏性土含量是影响砂层压密特性的主控因素,当黏性土含量低于25%左右时,砂层压缩过程中会形成砂骨架,砂层整体可压缩性较差,反之,不会形成砂骨架,砂层整体可压缩性较好;存在最优初始含水率(20%左右),当砂层初始含水率由最优初始含水率增加或者减少时,相同压力条件下砂层压缩量均会减小;砂层压密过程数学模型曲线与试验数据较为一致,所创建的数学模型可较好地描述砂层压密过程;相同注浆时间条件下,黏性土含量与注浆扩散过程中的劈裂通道开度正相关,而与浆液扩散半径及注浆压力负相关;在相同注浆终压条件下,黏性土含量与浆液扩散半径正相关。在砂层劈裂-压密注浆设计中应充分考虑砂层压密特性对注浆扩散过程的影响。 展开更多
关键词 砂层 注浆 劈裂-压密模式 压密特性 注浆扩散规律
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煤体基质热开裂增透模型 预览
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作者 滕腾 王伟 +1 位作者 刘斌 郭俊廷 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期676-683,共8页
温度变化对煤体损伤与破裂具有重要影响。温度变化导致非均质煤体内部产生热膨胀失配各向异性力,打破微裂纹临界受力平衡,引发煤体基质热开裂,继而导致煤体渗透率增大。从断裂力学理论出发,建立了煤体基质中单一微裂纹源热开裂的细观断... 温度变化对煤体损伤与破裂具有重要影响。温度变化导致非均质煤体内部产生热膨胀失配各向异性力,打破微裂纹临界受力平衡,引发煤体基质热开裂,继而导致煤体渗透率增大。从断裂力学理论出发,建立了煤体基质中单一微裂纹源热开裂的细观断裂力学模型,推导了微裂纹热开裂的临界裂纹尺寸,分析指出煤体温度变化越大,热开裂临界裂纹尺寸越小,即小裂纹越趋向于发育。引入微裂纹特征尺寸和孔径分形维数对煤体基质中单一微裂纹和空间裂纹网络进行表征,计算获得了煤体中微裂纹特征尺寸的分形维数,建立了煤体基质空间裂纹云的分形表征方法。以球形微孔为例,定义了热开裂增透因子,建立了基质热开裂增透力学模型,模型显示,随着煤体升温梯度增大,渗透率增透因子增大,基质渗透率增大效果越明显。最后对不同加热处理后的平顶山矿煤样和金佳矿煤样开展了压汞实验,加热温度分别为25,50,75和100℃,获得煤中微孔结构随温度的演化规律:煤体基质孔隙度随处理温度的增大而增大,孔径分形维数随处理温度线性增大,表明随着温度梯度的增大,煤体热开裂现象增强,基质渗透率增大。 展开更多
关键词 热开裂 分形维数 增透因子 压汞实验
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含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律 预览
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作者 罗浩 于靖康 +2 位作者 潘一山 王俊陆 张寅 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期684-694,共11页
为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积... 为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数减少,单位时间电荷事件数降低,电荷信号向煤体峰值强度后转移;瓦斯作用下,随着瓦斯压力升高,煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现"矩形波"特征,信号主频在200 Hz以下,随着瓦斯压力升高,主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运动产生自由电荷角度,提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理,一方面,煤体裂纹面附近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒,导致不同属性带电粒子向不同方向移动,解释了应力突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象;另一方面,煤岩内部孔隙贯通,瓦斯气体因压力差而流动,Stern-Gouy双电层结构产生流动电荷,流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量,解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似"矩形波"特征。 展开更多
关键词 含瓦斯煤体 冲击倾向性 电荷感应 裂纹滑移 瓦斯运移
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基于改进差分进化粒子群的煤尘颗粒图像辨识 预览
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作者 王征 潘红光 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期695-702,共8页
为实现煤尘融合区域内单个颗粒准确分离,进一步明确煤尘特性参数图像分析内在机理,构建改进差分进化粒子群模型(IDE-PSO,全称Improved Differential Evolution Particle Swarm Optimization)对煤尘颗粒群基本形态特征进行研究。指出颗... 为实现煤尘融合区域内单个颗粒准确分离,进一步明确煤尘特性参数图像分析内在机理,构建改进差分进化粒子群模型(IDE-PSO,全称Improved Differential Evolution Particle Swarm Optimization)对煤尘颗粒群基本形态特征进行研究。指出颗粒分离过程可分为3个阶段:①分析煤尘特性参数变化规律,建立图像特性模型,根据煤尘物理特性参数确定颗粒群重叠域;②推导图像参数和煤尘特性的关系表达式,定位边缘特征点,实现边缘平滑处理并在重叠域边缘特征点内提取重叠颗粒交点计算模型;③确定粒子群各行粒子适应度函数值,更新粒子群位置矩阵,获取粒子群全局最优位置交点,运用改进差分进化粒子群算法实现煤尘重叠颗粒分离。结果表明:通过参数模型建立颗粒群基本形态特征判定规则;通过特征点定位,可剔除大多数干扰点,交点提取计算量明显降低,利于寻找有效交点;理论计算模型加入变异算子可保证粒子群多样性,避免粒子过早收敛。当粒径<20μm时,提出算法模型的识别率为80.85%,随粒径范围增大到粒径<75μm时,提出算法模型的识别率为86.54%,当75μm<粒径<200μm和粒径> 200μm时,提出的模型算法的识别率分别为88.04%和91.16%,与其他识别算法相比,改进算法对煤尘颗粒图像识别精度具有明显优势。在煤尘物理特性分析的基础上,建立图像特性分析模型,推导出其图像参数和煤尘特性的关系表达式,易于编程实现,在矿山实际运用中具有较强的可行性,也为以后煤尘爆炸浓度检测可靠性研究提供了借鉴。 展开更多
关键词 重叠颗粒 图像特性 边缘特征 支撑区域 全局最优
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深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统 预览
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作者 文光才 孙海涛 +3 位作者 曹偈 刘延保 戴林超 王波 煤炭学报 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期223-231,共9页
深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力... 深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素,理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求,提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度30 GN/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60℃,可满足在相似比为0.6~1.0条件下,1000~1500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析,得到:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同,大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后,突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展,应力主导下的突出持续时间较短,抛出煤量较少;实验共抛出煤样15.86 kg,还原现场突出煤量34.8 t,突出煤样的分选性不显著,呈现出典型压出型突出表象特征,与实际情况相符合,证明了该套系统的适用性及功能性。 展开更多
关键词 深井 煤岩瓦斯动力灾害 模拟系统 事故分析
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