主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
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煤炭学报
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  • 作者(Author):武强涂坤曾一凡刘守强
    关键词(KeyWords):煤炭资源主体能源升级版关键科技难题对策

    摘要:我国“相对富煤、贫油、少气、缺铀”的能源禀赋特征决定了煤炭资源作为我国主体能源的地位在短期内不会改变;同时,相对丰富的煤炭资源仍然是我国目前稳定供应最有保障、成本可接受的优势能源矿产,抛弃以煤为主的现实能源选择去解决中国的能源问题,是本末倒置,是不现实、不科学、不明智的,应该有清醒的认识;可以说,煤炭产业虽然不是“朝阳产业”,但短期内也决不会变成“夕阳产业”。但是,应该看到煤炭资源在过去的地质勘查、开发和消费利用全生命周期过程中带来了环境污染、生态损害、资源浪费、超高排放等诸多问题。因而,在新时代我国煤炭工业的发展必将发生重大变革,以科学化、安全化、生态化、高效化、标准化、数字化、和谐化和智能化等为特征的科学勘查和开发及清洁化、低碳化的消费利用方式,将是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。针对我国煤炭工业面临的挑战和机遇,分析了煤炭资源从地质勘查到开发和利用全生命周期过程中的现状与存在问题,制定了打造我国主体能源(煤炭)升级版的战略思路,提出了在实现我国主体能源(煤炭)升级版过程中面临的十一大关键科技难题,即:煤炭资源在地质勘查过程中的综合协调、绿色、深部、智慧难题和开发过程中的绿色化、安全、采出率、职业健康、高效益难题以及消费利用过程中的清洁化和低碳化难题,并探讨性地提出了相应的解决对策措施,对推动我国从煤炭生产大国转变为煤炭工业强国的转型升级、破解我国目前经济社会发展与生态环境保护之间的尖锐矛盾,具有指导意义和实用价值。
  • 作者(Author):康红普伊丙鼎高富强吕华文
    关键词(KeyWords):煤矿井下地应力数据库分布规律

    摘要:收集了采用井下小孔径水压致裂地应力测量装置获得的煤矿地应力数据,以及其它采用应力解除法、水压致裂法等获得的煤矿地应力数据,共计1 357条。在此基础上建立了“中国煤矿井下地应力数据库”,绘制了中国煤矿矿区地应力分布图。分析了我国煤矿井下地应力分布特征和主要影响因素,取得以下研究成果:① 埋深是影响煤矿井下地应力的重要因素。垂直应力总体上随埋深增加不断增大,但数据存在一定的离散性。最大、最小水平主应力总体上也与埋深呈正相关关系,但数据离散性更大。② 在浅部煤矿,地应力类型主要为逆断型应力状态(H>σh>σV);在千米深井,主要为正断型应力状态(V>σH>σh);介于两者之间主要为走滑型应力状态(H>σV>σh)。③水平应力与垂直应力的比值(包括最大、最小水平主应力与垂直应力的比值;平均水平主应力与垂直应力的比值;最大水平主应力与最小水平主应力之差与垂直应力的比值),埋深越小,这些比值离散性越大,分布范围越广。随着埋深增加,比值的离散性和范围越来越小,并逐渐趋于某一定值。④ 粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩和泥岩4类岩性地应力数据统计结果表明,总体上,岩石强度越高,承受的水平应力越大。⑤ 弹性模量较大的岩石,水平应力较高;弹性模量较低的松软破碎岩层,水平应力较低。
  • 作者(Author):武强刘宏磊赵海卿张萌刘守强曾一凡
    关键词(KeyWords):矿山环境与调查评价预测与修复治理模式监测预警与信息系统法规标准与管理“九节鞭”

    摘要:矿山环境研究是建设“美丽中国”的具体行动之一,可以使废弃矿山变成绿水青山和“金山银山”。矿产资源开发曾经以牺牲人类生存环境为代价,造成了难以弥补的资源浪费和生态环境破坏,导致一系列严重的矿山环境问题出现。目前我国正在面临突出的矿山环境问题困扰,而矿山环境修复治理进度却相对缓慢。为科学解决矿产资源开发过程中诱发的众多矿山环境问题,采用系统工程思路,运用“九节鞭”手段,围绕矿山环境问题梳理、调查、评价与预测、修复治理技术与模式、矿山土地适宜性评价、监测与预警、信息系统研发、法规标准和矿山环境管理等9个方面探讨了逐步攻克和解决矿山环境问题的出路。提出了矿山环境问题的分类方案和各类型的效应特征;为规范矿山环境的调查和矿山环境数据采集,制定了矿山环境的现场原位调查技术方法和标准;为把握矿山环境现状和预判未来演化发展趋势,提出了矿山环境现状评价和针对不同开发方案其环境演化趋势预测的方法与模型;针对矿山环境的系统属性,开展了环境问题、修复治理目标、修复治理技术及修复治理模式等研究,建立了矿山环境修复治理模式体系;从修复矿山土地资源和矿山土地资源再利用的角度,构建了修复治理后的矿山土地适宜性评价理论与方法;以监测矿山环境、分析变化趋势以及预警突发事件为目的,开发了矿山环境监测与预警技术;为直观展示矿山环境修复治理成果、共享修复治理中的经验和教训,研发了基于云平台大数据等现代信息技术的矿山环境信息管理系统;整理了矿山环境相关的法律法规,对比分析了国内外矿山环境法规标准体系特征;阐述了政府和企业在矿山环境管理中的职责。最后,从消除矿山环境问题对生态环境产生的负面影响、开发闭坑矿山正效应资源并服务矿业城市经济建设与转型、深部开采矿山环境问题防治理论与方法、地下矿山生态环境、矿山环境问题及其公共安全防治理论与技术装备研发、矿山环境大数据平台建设与人工智能等角度,展望了矿山环境研究的未来发展方向和趋势。
  • 作者(Author):谢和平
    关键词(KeyWords):深部开采岩体力学原位岩石力学可视化多相多场

    摘要:随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:① 初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;② 系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③ 提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络(GMDH)算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚,能量耗散特性;④ 提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤ 建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥ 开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦ 概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧ 分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨ 建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。
  • 作者(Author):袁亮
    关键词(KeyWords):煤及共伴生资源精准开采三位一体互联网+物联网人工智能

    摘要:面临新一轮以大数据、云计算、人工智能、物联网、区域链、互联网为代表的信息技术革命,及煤、铀、油气相继走向智能化无人开采的发展趋势,深度融合现代信息技术、资源开采理论技术助推煤及共伴生资源无人(少人)开采,保障国家能源及战略需求,成为新时代能源资源开发模式变革的导向,基于此率先提出煤及共伴生资源精准开采的科学构想。煤及共伴生资源精准开采是以创新地球空间物理科学、多相多场耦合理论及智能管控系统为核心保障,互联网+现场监测、物理/数值模拟、基础实验的“三位一体”科研手段为支撑,实现煤及共伴生资源禀赋、原生/扰动地质灾害、开采装备工况全息实时展现,资源开发规划、矿井运行管理及退役矿井生态修复方案的智能弹性决策,潜在致灾因素的智能深度感知、精准圈定及高效解危,突发灾害的损伤体自主修复、管控系统韧性恢复、装备自适应调整的资源科学开发模式。煤及共伴生资源精准开采可有效破解资源开发面临的勘探监测、协同开发、灾害防控及环境负外部性等重大难题,为未来煤及共伴生资源开发提供了新思路。本文凝练了煤及共伴生资源精准开发的5个关键科学问题和7个主要研究方向,为实现新时代资源安全高效绿色开发提出了阶段性规划。
  • 作者(Author):王国法赵国瑞任怀伟
    关键词(KeyWords):智慧煤矿智能化开采智能系统操作平台补短板发展对策

    摘要:为解决煤炭开采面临的突出问题,找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术,分析了国内外能源结构及煤炭的现状,指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向,建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向:① 数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;② 复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③ 矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想,分析了各平台的功能、特征和关键核心问题,提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标,提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术,提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破,管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施,指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。
  • 作者(Author):钱鸣高许家林
    关键词(KeyWords):岩层运动“砌体梁”结构关键层块体运动科学采矿

    摘要:采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个“黑箱”,目前仅仅在控制原理上得到解释,达到“灰箱”程度。因此,岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。“砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4~8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防,为此,深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。
  • 作者(Author):周国庆李瑞林严康赵晓东陈君莫品强王广
    关键词(KeyWords):月球采矿小重力场高真空度极端温度月壤月岩力学特性

    摘要:月球上蕴含丰富的钛、钍、铀、氦等矿产资源以及三斜铁辉石、锆石等地球上未发现的新矿物,月球矿产资源开发利用可有效解决地球资源枯竭及环境破坏等全球性问题,已成为新一轮全球范围太空开发竞争的焦点。然而,月球表面独特的重力、真空及温度等环境和月球地质体特殊的组分、结构及几何特征造就了月壤/月岩特殊的力学特性和工程行为,给未来月球采矿和月球基地建设带来了前所未有的巨大挑战。空间环境方面,月球重力场仅为地球的1/6,月面真空度高达133×10-12 Pa,温度最高130 ℃、最低-183 ℃,温差高达313 ℃。月球地质体几何特征方面,月壤颗粒呈现出多孔、多勾角的异型结构;结构特征方面,月壤呈现出粒径跨度大且夹杂月岩大颗粒的典型壤/岩混合体特征;组分方面,月壤及月岩富钛、富铁特征十分典型。因此,获得月球低重力引起的低应力水平和低应力梯度条件、月表超高真空和极端温度等特殊环境条件下月壤/月岩的力学行为,以及异形月壤颗粒形状引起的力学响应、月岩特殊组分及组构相关的力学特征等基础力学问题的系统研究成果,是实现月球矿产资源安全、高效开发的前提和基础。为此,需要对理论及试验研究方法进行创新,弥补现有研究方法和手段无法满足该领域研究需求的短板。理论手段方面,应该建立考虑应力梯度的月球地质体高阶力学方法,实现月壤/岩力学行为对低应力梯度响应的表征;实现月壤特殊颗粒形状的数学表征及数值重构,为揭示月壤复杂颗粒形状特征及其对力学特性的影响奠定基础;构建考虑复杂颗粒形状的月壤多尺度力学方法,实现月壤“细观颗粒形状-宏观力学行为”的跨尺度关联。试验手段方面,需要在地面构造与月面相似的空间环境并研制与月壤/月岩相似的试验材料,为在地球环境研究月球采矿基础力学问题构建试验平台。
  • 作者(Author):王国法刘峰庞义辉任怀伟马英
    关键词(KeyWords):煤矿智能化科学内涵核心技术智能装备保障措施

    摘要:提出了煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心技术支撑的科学思想,阐述了煤矿智能化的定义和总体要求,明确了煤矿智能化发展的目标是建设智慧煤矿,分析了煤矿智能、智慧、信息化、数字化等术语的内涵和关联关系,提出了我国煤矿智能化建设原则和阶段目标。进行了煤矿智能化顶层设计,提出了统筹规划煤矿智能化发展模式、科学设计智慧煤矿总体架构、建设100个智能化示范煤矿的发展思路。探讨了井工煤矿精准地质探测与4D-GIS系统、智能化开拓规划与工作面设计、智能化巷道快速掘进成套技术、智能化综采工作面成套技术、智能化主/辅运输技术、危险源智能感知与预警技术、智能化洗选系统、智能化综合保障技术、矿井物联网综合管控系统和操作平台等主要环节的发展路线。阐述了露天煤矿智能化发展方向,提出了建设露天煤矿信息化系统、开发露天煤矿智能化连续开采技术、建立露天煤矿空-天-地一体化安全预警系统、推进露天煤矿生态环境协调绿色发展的理念。大力发展煤机装备智能制造,提高煤机装备的可靠性与适应性,促进煤炭资源开发的机器人化替代,为煤矿智能化发展提供智能装备保障。提出了加大煤矿智能化发展政策支持、设立煤矿智能化标准体系建设专项、建立国家级煤矿智能化技术创新研发实验平台等政策建议。
  • 作者(Author):汤伏全董龙凯王宗良黄景偲
    关键词(KeyWords):InSAR形变监测开采沉陷对称性三维位移反演

    摘要:利用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术进行煤矿开采沉陷监测时,所获得的雷达视线方向(LOS)位移是地表点垂直向、南北向、东西向三维位移的矢量叠加。将LOS向位移分解为地表下沉及沿工作面走向和倾向水平位移,是研究开采沉陷规律和获取地表移动参数的基础。目前,基于 InSAR LOS位移反演开采沉陷三维位移的主要方法有:利用不同轨道卫星的三幅SAR影像建立LOS位移方程组来求解三维位移分量;根据开采沉陷预计模型将地表水平位移视为下沉的关联函数,由单幅SAR影像来解算下沉及水平位移;或者直接忽略水平位移的影响,将 LOS向位移投影为下沉分量。本文在分析上述方法局限性的基础上,根据近水平煤层开采地表下沉和水平位移关于移动盆地主断面对称的基本特征,建立地表移动盆地对称点上多期InSAR LOS向叠加位移的几何方程组,并对该方程组进行叠加和差分处理,导出LOS向位移反演开采沉陷三维位移的函数模型。在工作面推进过程中,由于地表移动具有滞后性,使得动态沉陷盆地中心偏向开切眼一侧,本文依据移动盆地中央地表下沉达到最大且水平位移趋近为零的特征,基于相邻像元LOS向位移进行叠加和差分,自动搜索出地表移动盆地的动态中心位置,从而实现工作面推进过程中地表动态三维位移的分解。基于Matlab平台对上述三维位移反演模型进行了算法实现,并利用多期InSAR 实测数据进行了模型验证,其下沉和水平位移反演结果与实测资料较为一致,明显优于忽略水平位移而直接分解地表下沉的方法。上述模型能够用于近水平煤层开采地表移动稳定后和动态移动过程中InSAR监测的三维位移分解,具有较好的普适性。
  • 作者(Author):姜福兴陈洋李东王存文盖德成朱斯陶
    关键词(KeyWords):孤岛煤柱充填开采冲击地压结构模型失稳判据

    摘要:孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下“充填体-煤柱-顶板”力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:① 采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;② 受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;③ 充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;④ 决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。
  • 作者(Author):彭斌聂百胜申杰升刘鹏程葛泽
    关键词(KeyWords):低瓦斯矿井封闭采空区“呼吸”现象地面大气参数瓦斯超限防控技术

    摘要:低瓦斯矿井停采工作面进行封闭处理后,大量游离瓦斯会集聚在封闭空间内。当密闭质量下降到一定程度时,采空区外界空气压力的波动会引发封闭采空区“呼吸”现象,该现象会使密闭外侧存在瓦斯超限的安全隐患。以正利煤矿14-1103封闭采空区为研究对象,分析了不同大气参数条件下封闭采空区内、外气压以及密闭外侧瓦斯体积分数的变化规律。运用通风能量方程和理想气体状态方程分析了“呼吸”现象的产生机理,结合达西定律得到了密闭内外压差与密闭外瓦斯体积分数的关系表达式。结果表明,封闭采空区“呼吸”现象的产生是地面大气参数、井巷风流参数、井巷特征和采空区内气体状态参数综合作用的结果;在密闭内外压差的持续作用下,封闭采空区会与外界产生气体交换,当压差分别为正值和负值时,采空区内气体压力分别呈逐渐降低和逐渐升高趋势;封闭采空区内气压变化幅度很小,密闭内外压差产生正负交替的主导因素为密闭外空气静压的波动;当井巷特征和井巷风量稳定时,密闭外侧空气静压的变化趋势与地面大气压相似,与地面大气温度相反;在密闭渗透率和密闭外侧风量比较稳定的前提下,密闭内外压差为正值时,密闭外瓦斯浓度与密闭内外压差呈正相关关系,两者的变化趋势相似。为了预防密闭外侧瓦斯超限,设计了由监测信号采集子系统、现场自动控制子系统和管道抑爆子系统组成的瓦斯释放自动监测调控系统,确定了基于压差阈值和瓦斯浓度阈值的联合调控准则,提出了阀门开度的分级调控逻辑思路。
  • 作者(Author):冯国瑞杜献杰郭育霞戚庭野王泽华李庆东李化运康立勋
    关键词(KeyWords):构造充填开采固废资源化地下空间再利用“构造充填体-直接顶”结构“三下”压煤资源

    摘要:为应对充填采煤面临的成本逐渐增高、效率相对低下、地下空间资源被大量浪费等挑战,提出了构造充填开采思想。构造充填是一种充填率低、结构稳定性强、充填效果好的充填开采,其目标为:高效利用矿区固废资源、降低充填成本,改进充填材料与工艺、提高充填效率,合理进行采充规划、实现对地下开采空间的再利用。构造充填的设计原则为:直接顶不发生破断且变形量在允许范围内、充填体抗压强度足够大且能长期稳定承载。根据此原则确定了构造充填的关键位置为:特殊地质构造区、围岩应力集中区、直接顶最大受力处、直接顶最大变形处和充填体自身薄弱点等。构造充填的关键技术主要包括:通过优化煤矸石骨料形态与颗粒级配、研发新型低成本胶凝材料、开发新型外加剂、发展多种替代原材料等手段进一步开发新型固废充填材料;通过构建不同形态高强构造充填体和直接顶自承结构构建“构造充填体-直接顶”复合承载结构;通过研发智能化充填材料制备系统、可视化充填料浆输送系统、独立式充填体构筑系统、移动式充填材料浇注系统、立体化充填效果监测系统构建井下一体化构造充填系统。基于“三下”压煤资源的开采需求,在构造充填开采思想的引领下,提出了在城市下建设地下综合体、在村镇与农田下建设地下农业基地、在铁路(公路)与水体下建设地下储库等构想。
  • 作者(Author):李廷春张浩张治高贾绪路孙广京万 晓张宪堂
    关键词(KeyWords):综采工作面大落差断层深孔预裂爆破断层探巷预掘爆破巷参数设计

    摘要:为解决综采工作面遇大落差硬岩断层阻碍推采问题,分析传统过断层方法以及现有研究技术弊端,对过大落差断层深孔预裂爆破技术展开系统研究。针对大落差断层产状不明晰,过断层路径设计不精确的问题,提出了断层产状探测技术,优选断层探巷布置方案,根据其揭露信息建立了断层走向计算模型;针对深孔爆破技术在工作面、运输巷、回风巷不适用的问题,研究预掘爆破巷关键技术,提出了爆破巷布置原则及布置参数计算方法,确定了爆破巷内实施深孔预裂爆破的方案,设计了耳式硐室施工方法,解决了大药量集中爆破难题;基于岩石爆破理论,结合过大落差断层工程特点,针对性设计孔径、孔深、装药量、封堵长度、炮孔布置及爆破振动安全控制,形成了完整的爆破参数选取及计算方法。新巨龙煤矿2302N工作面下平巷揭露综合落差125 m硬岩断层,通过下平巷揭露点依次布置的6个探测孔,探明了断层向工作面延展初始走向,设计了垂直断层走向、沿煤层底板掘进探巷方案以及沿断层下盘煤层底板掘进爆破巷方案;通过实测信息规划了过断层路径,根据路径内断层产状变化划分了8个爆破区域,设计了各区域内爆破布置参数,并借助数值模拟对爆破效果进行了预测分析。应用效果表明,爆破裂隙贯通效果良好,采煤机过断层截齿消耗减少了40%~50%,相比传统过断层方法节省了时间一倍以上。新巨龙煤矿多个工作面均成功完成了过大落差工程应用,在保障工作面高效连续推采、减少过断层成本、保证爆破安全等方面取得了良好的效果。
  • 作者(Author):李树刚魏宗勇林海飞赵鹏翔肖鹏郝昱宇
    关键词(KeyWords):大尺度煤与瓦斯共采裂隙演化瓦斯运移三维模拟实验

    摘要:为进一步解决煤与瓦斯共采模型实验研究手段不足的问题,自主研制了一套煤与瓦斯共采三维大尺度物理模拟实验系统。该系统采用模块化设计,高度集成机、电、液、气于一体,主要由大尺度箱体(30 m×25 m×18 m)与基座、自动液压开采、柔性加载、自动通风、瓦斯抽采、瓦斯注入以及综合数据采集与控制等7个子单元构成。按几何相似比1∶100计,加载单元可模拟最大采深2 105 m,开采单元可模拟采高0~12 m以及推进距离200 m;通风单元可模拟U型、U+L型、Y型等多种通风方式以及实现不同风量通风;抽采单元可模拟高位巷、高位钻孔、地面抽采等多种立体化抽采方式;瓦斯注入单元采用独立注入方式,实现不同瓦斯涌出量、不同位置的瓦斯涌出;综合数据采集与控制单元实现覆岩裂隙、矿山压力、瓦斯运移、瓦斯抽采等表征参数的采集以及对整个实验系统进行自动控制。该实验系统可进行工作面煤层开采、通风、瓦斯涌出与抽采等功能的模拟,实现煤层开采过程中覆岩裂隙演化、矿山压力分布、卸压瓦斯运移、瓦斯抽采等科学问题的一体同步研究。运用该系统对山西某矿302工作面开采过程进行模拟实验,得到了该矿条件下基本顶初次来压步距45 m,周期来压步距20 m,覆岩破坏在空间上呈椭圆抛物形态等覆岩破断与裂隙演化规律;工作面推进过程中应力峰值不断前移,应力集中系数211~263,超前工作面距离6~11 m等动态应力变化规律;在卸压瓦斯储集与分布规律方面,得到采空区后部76~120 m瓦斯浓度增加较快,120 m之后趋于稳定,采空区上部5~60 m裂隙带中瓦斯浓度逐渐增加,裂隙带最上层瓦斯浓度达到65%~68%。实验结果表明,该系统能够较好进行工作面煤与瓦斯共采全过程的模型实验研究。
  • 作者(Author):张吉雄张强巨峰周楠李猛张卫清
    关键词(KeyWords):煤及伴生资源绿色化开采煤矸分选采选充+充填开采

    摘要:煤炭接续资源多在深部和优质资源多在西部并存的现状使得深部与西部开采成为煤炭资源开发的新常态,绿色矿山建设、绿色矿业发展与绿色化开采推进已势在必行。本文提出了煤炭资源“采选充+X”绿色化开采技术构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选、矸石充填与“岩层移动主动控制、沿空留巷、瓦斯抽采、灾害防治、保水开采”一体化生产系统,形成了煤炭“采选充+X”(控、留、抽、防、保)协同生产模式;明确了“采选充+X”绿色化开采技术的内涵与技术框架,阐述了“采选充+X”的四代演化历程,分析了其践行绿色化的技术优势,给出了科学化的工程设计方法;阐述了5类典型“采选充+X”技术对应的技术原理、工程需求、设计流程与方法、关键技术及工艺装备等。工程实践分别证明了采选充+控、采选充+留、采选充+抽等“采选充+X”技术具有的显著技术优势与工程示范效应。未来“采选充+X”绿色化开采将延伸采选充+处、采选充+智、采选充+调、采选充+协等技术模式。整体形成的“采选充+X”技术体系,可为实现煤炭及伴生资源绿色化开采提供有力的技术支持。
  • 作者(Author):程久龙黄少华温来福董毅王浩宇
    关键词(KeyWords):主轴各向异性响应特征矿井全空间瞬变电磁场三维数值模拟

    摘要:研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题,可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导,对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征,采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演。将电导率张量加入麦克斯韦方程组,对Yee氏交错网格进行了改进以便于对主轴各向异性介质中的瞬变电磁场进行差分离散处理,形成了全空间三维主轴各向异性有限差分正演算法。在均匀全空间模型中对比各向异性有限差分数值解及均匀全空间解析解,验证了算法的正确性。建立了不同各向异性类型和不同各向异性对称主轴姿态模型,分别计算了其瞬变电磁场响应,最后结合工程探测实例,通过正演模拟分析了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征,解释了探测结果存在偏差的原因。研究表明:在矿井超前探测模式下,对于HTI-X介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场的影响不明显,不同各向异性系数条件下的感应电动势曲线差异较小;对于HTI-Y介质和VTI介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场有明显的影响,随着介质各向异性系数增大,介质瞬变电磁场响应不断变小;随着各向异性介质对称主轴方向与探测方向之间夹角的增大,各向异性介质产生的瞬变电磁场响应不断增大,当对称主轴方向与探测方向一致时(HTI-X介质),各向异性介质产生的感应电动势最弱,而对称主轴方向与探测方向垂直时(VTI介质),各向异性介质产生的感应电动势最强;不同类型的主轴各向异性介质具有明显的各向异性瞬变电磁场响应特征。
  • 作者(Author):李化敏王伸李东印王文袁瑞甫王祖洸朱时廷
    关键词(KeyWords):采场智能岩层控制人工智能矿山大数据动态数值计算

    摘要:煤矿采场智能岩层控制是智慧矿山及智能化开采的重要组成部分,是由“试误岩层控制”向“精准岩层控制”、由“静态岩层控制”向“动态岩层控制”发展的关键路径,是当前和今后一个时期采场岩层控制领域的重要发展方向之一。明确了采场智能岩层控制的内涵:即运用现代信息技术、人工智能技术及方法等,以采场智能装备系统为载体,实现开采全过程的采场围岩自动化、智能化控制。采场智能岩层控制分为3个关键环节:开采过程中的环境及设备运行数据的感知与汇集、动态分析与状态判别、实时决策控制与反馈。分析了矿山数据的构成、感知汇集方法及利用方式,矿山数据的主要用途为:岩层控制效果与事故灾害特征评价的大数据关联分析、为人工智能模型提供学习样本及分析对象、作为动态数值计算的反演分析参照对象、作为数据可视化与开采实景虚拟的信息来源。给出了采场智能岩层控制的动态分析与状态判别、实时决策与控制的技术路径,提出了采场智能岩层控制的关键科学问题:① 环境及设备运行数据的感知汇集方法与技术;② 矿山数据实时快速分析方法与技术;③ 采场智能岩层控制的关联分析与模型;④ 矿山数据可视化与开采场景虚拟构建;⑤ 基于大数据的快速动态数值计算原理及算法;⑥ 采场智能岩层控制“感知-分析-控制-反馈”全过程算法集成与系统构建。结合工程实际介绍了基于支持向量机和动态数值计算的采场智能岩层控制初步应用。
  • 作者(Author):刘建功赵家巍
    关键词(KeyWords):充填开采连续曲形梁充填支架充填体相互作用

    摘要:为解决不同地质与开采条件下充填支架的关键参数确定问题,以充填开采条件下岩层移动的实际变形形态为基础,将基本顶作为研究对象,建立了基于多跨超静定结构的“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型,煤壁和充填体为主要承载体,充填支架对顶板起限定变形作用,据此建立了连续顶板的力学平衡方程和变形协调方程,在充填支架支撑载荷未知的情况下进行问题的求解,将充填体分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承,取单跨隔离体进行分析,建立截面切口形变分量方程,进而推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式,得到的n+2个变形协调方程与3个平衡方程构成n+5个求解方程,对应n+5个未知约束,所求问题全部得解;为了更真实地反映顶板载荷的分布,更合理地分析顶板、支架和充填体的相互作用关系,尝试将力学模型与数值模型相结合,改变以往力学模型中将顶板载荷作为均布载荷的简化分析方法,建立与力学模型中充填支架作用和充填体参数一致的数值模型,将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷q(x),代入“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型,由此解出模型中所有支座的反力、梁体内力、梁端弯矩等未知量,从而得出顶板载荷、支架和充填体支撑作用力的相互作用关系,通过具体算例分析了不同充填体弹性地基系数和不同顶板限定变形量条件下双顶梁结构充填支架前顶梁和后顶梁支护强度的变化规律,为充填支架关键参数的确定提供有效依据。
  • 作者(Author):于斌徐刚黄志增郭金刚李政李东印王世博孟二存牛剑锋薛吉胜赵铁林
    关键词(KeyWords):特厚煤层智能综放群组放煤采放协调煤矸识别控制装备

    摘要:综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、“采-支-放-运”系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面“采-支-放-运”系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。
  • 作者(Author):周宏伟荣腾龙牟瑞勇王路军任伟光
    关键词(KeyWords):渗透率模型采动应力各向异性损伤破裂吸附解吸

    摘要:首先对煤体渗透率的经典模型进行了简介,其次结合采动过程中煤体内的力学变化机制及渗透率的控制因素提出了采动应力下煤体渗透率模型构建过程中的关键问题,并就每个关键问题的研究进展进行了总结和分析。关键问题包括以下3个方面:采动煤体各向异性特征、采动煤体损伤破裂特征和煤体吸附解吸特征的表征方法。其中,各向异性特征的煤体渗透率模型可划分为有效应力变化和几何参数变化进行表征的两类,有效应力变化角度的建模结果基本为指数型函数、几何参数变化角度的建模结果多为3次方的幂函数;损伤破裂特征的煤体渗透率模型被归纳为本构方程中含损伤变量和渗透率表达式中含损伤变量的2类,本构方程中含损伤变量的模型具有更广的适用范围,渗透率表达式中含损伤变量的模型能够更加直观的表示渗透率和影响因素之间的数量关系;在煤体吸附解吸特征的表征方法中对基于吸附热力学而建立的煤体吸附应变表达式进行了总结,同时指出在煤体渗透率模型构建中Langmuir方程形式的吸附应变表达式应用最为广泛。然后,对采动应力下煤体渗透率模型的研究进展进行了介绍,将采动应力下煤体渗透率模型归纳为有效应力型、几何参数型和系数拟合型的3类,依次对3类模型中代表性成果的表达式及应用情况进行了概述。最后,从每个关键问题的角度对后续构建采动应力下煤体渗透率模型的研究进行了展望。
  • 作者(Author):王家臣杨胜利杨宝贵李杨王兆会杨毅马焱超
    关键词(KeyWords):深井超长工作面基本顶分区破断支架阻力

    摘要:开采深度和工作面长度增加导致采场矿压显现程度和空间分布特征发生改变,增加了该类采场围岩失稳类型的不确定性及控制难度。针对深井超长工作面异常矿压现象发生频率高、预测难度大等问题,采用理论分析、室内实验和实测等方法分析了该类采场基本顶破断类型和支架阻力分布特征。结果表明:开采深度增加提高了岩体中裂隙发育程度,裂隙尺寸服从对数正态分布,裂隙倾角和倾向服从正态分布;基于蒙特-卡罗模拟方法实现深井超长工作面基本顶三维重构,工作面长度增加导致基本顶中部存在裂隙的概率升高,增大了基本顶在工作面中部发生局部破断的可能性;建立深井超长工作面基本顶分区破断力学模型,采用上限定理推导出完整基本顶的整体承载能力以及基本顶中存在1条和2条原生裂隙时的局部承载能力,获得基本顶在裂隙影响区发生局部分区破断和迁移现象的力学判据;基本顶分区破断现象导致破断岩块在空间上呈非均匀分布,表现为工作面中部块度小、两端块度大的特征;分区破断模型预测结果同相似模拟实验结果吻合,解释了深井超长工作面开采实践中发现的顶板压力沿工作面方向的非均匀分布现象。
  • 作者(Author):李超峰虎维岳刘英锋
    关键词(KeyWords):保水采煤洛河组分层垂向富水性富水性指数彬长矿区

    摘要:为查明彬长矿区白垩系洛河组地层的水文地质条件,从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探概念,给出了可用于承压含水层垂向富水性评价的综合富水性指数法,依据垂向富水性变化规律对洛河组进行分层,并研究洛河组垂向水文地质条件与特征、自然状态和采煤扰动时洛河组垂向各含水层段之间的水力联系、以及洛河组下段存在的保水采煤意义等。给出了富水性指数计算方法:对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋值、分别赋权重为0.3,0.4,0.3,之后将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(fi),利用Fi=0.5fi+0.15fi-1+0.1fi-2+0.15fi+1+0.1fi+2计算各地层的综合富水性指数。给出了洛河组含水层垂向富水性分级标准:F<0.003 289为隔水层,0.003 289≤F<0.012 339为弱富水,0.012 339≤F<0.015 504为中等富水,F≥0.015 504为强富水。依据综合富水性指数将高家堡井田T1,T2钻孔洛河组垂向上划分为上、中、下3段。研究结果表明:① 采用综合富水性指数法可以对承压含水层垂向富水性进行精细化评价,可操作性强;② 局部地区洛河组内部发育有泥岩地层,但尚未构成区域上的隔水层;③ 洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏,又可以阻隔中上段含水层水进入矿井,对保水采煤有利;④ 高家堡矿井首采面回采期间洛河组中上段地下水位下降26.71~43.06 m。通过含水层水量、水位、水质等指标分析,采用控制煤层采高等技术实现了对洛河组含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。
  • 作者(Author):谭云亮郭伟耀辛恒奇赵同彬于凤海刘学生
    关键词(KeyWords):深部开采冲击地压分类机理监测预警防治

    摘要:针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题,采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法,研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理,提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标,建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系,获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征,给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法,研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比,深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大,以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数,而对于深部断层滑移型冲击地压,这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主,但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术,可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息,对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程,以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。
  • 作者(Author):谢生荣陈冬冬曾俊超郜明明张涛刘俊
    关键词(KeyWords):两侧煤柱弹性基础基本顶两侧采空板结构

    摘要:建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型,采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小,基本顶厚度h、弹模E较大时),反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1,L2及支撑系数km1,km2改变时,基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变,而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E,h大,而L1,km1,L2,km2小时,基本顶在两侧煤柱区不断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面,断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面,断裂特征为非对称“O-X”型;而L1,km1较小,L2,km2较大时,只较弱煤柱侧基本顶不破断,最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k,E,h改变时,km1及km2与k保持某个任意比值不变),基本顶破断规律不变。
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