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碱水作用下弱胶结粉砂岩孔隙结构分形特征与非线性劣化机制

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中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 34-45页

作者：范钢伟骆韬张东升张世忠范张磊中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

弱胶结岩石遇水发生强度劣化是我国西部地区煤矿开采过程中矿压显现异常、顶板事故频发的重要原因.以我国新疆哈密地区弱胶结粉砂岩和地下水赋存环境为工程背景,通过SEM电镜扫描结合数字图像处理技术,研究了不同pH值碱性溶液、不同浸泡... 详细信息

弱胶结岩石遇水发生强度劣化是我国西部地区煤矿开采过程中矿压显现异常、顶板事故频发的重要原因.以我国新疆哈密地区弱胶结粉砂岩和地下水赋存环境为工程背景,通过SEM电镜扫描结合数字图像处理技术,研究了不同pH值碱性溶液、不同浸泡时间对弱胶结粉砂岩微观结构和孔隙分形维数的影响规律,确定了孔隙分形维数、孔隙率与单轴抗压强度、抗拉强度之间的函数关系,建立了碱水侵蚀条件下弱胶结粉砂岩劣化非线性动力学模型.研究结果表明:1)浸泡溶液碱性越强,弱胶结粉砂岩矿物颗粒形态越趋于圆润,且颗粒间接触形式变得疏松多孔;浸泡初期孔隙率与孔隙分形维数增幅相对较大而后期趋缓.2)碱水侵蚀作用下孔隙结构复杂程度及分布形态对力学强度影响显著,弱胶结粉砂岩单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数、孔隙率之间均具有较强的负线性相关关系;单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数的相关性大于孔隙率;碱水侵蚀降低了弱胶结粉砂岩的脆性.3)选取孔隙分形维数、孔隙率和单轴抗压强度为描述水化学反应系统的变量,以相应参量的时间序列值为非线性动力学方程的特解,通过反演建立了碱水化学作用弱胶结粉砂岩劣化的非线性动力学模型;采用建立的模型计算的孔隙分形维数值、孔隙率和单轴抗压强度与试验值的误差范围分别为2.37%~2.64%,2.38%~4.57%,3.48%~8.12%,可用于弱胶结岩石碱水侵蚀不同时间后孔隙分形维数、孔隙率以及单轴抗压强度等参数的预测评估.

关键词：碱水侵蚀弱胶结粉砂岩孔隙率孔隙分形维数非线性模型

高温碱水巷道锚杆腐蚀机理与热浸锌防腐围岩控制技术研究

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中国煤炭 2024年第8期50卷 104-111页

作者：陈勇范钢伟武振殷聪刘光旭敦思勤兖矿能源集团股份有限公司山东省济宁市273500 中国矿业大学矿业工程学院江苏省徐州市221116

针对高温、碱性淋涌水(以下简称“碱水”)条件下锚杆腐蚀破坏造成的巷道严重变形与支护失效难题,以兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿(以下简称“赵楼煤矿”)5305运输巷为研究背景,通过实验室实验,分析碱水、高温共同作用下锚杆腐蚀破坏特... 详细信息

针对高温、碱性淋涌水(以下简称“碱水”)条件下锚杆腐蚀破坏造成的巷道严重变形与支护失效难题,以兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿(以下简称“赵楼煤矿”)5305运输巷为研究背景,通过实验室实验,分析碱水、高温共同作用下锚杆腐蚀破坏特征和力学性能衰减规律,揭示锚杆腐蚀破坏机理,进而确定锚杆热浸锌防腐关键参数,并揭示其防腐机理。研究结果表明,锚杆腐蚀呈现出由肋间“点”到锚杆“面”的渐序腐蚀变化过程;锚杆体屈服载荷、破断载荷随侵蚀时间的增大呈线性下降,延伸率随侵蚀时间的增大呈负指数函数降低。高温、碱水作用下铁离子循环发生氧化和脱水反应,生成Fe_(2)O_(3)并脱落是锚杆腐蚀破坏的内在机理;锚杆热浸锌可有效提高其耐腐蚀性能,且最佳热浸锌厚度为60μm。高温、碱水作用下浸锌锚杆表面生产稳定的ZnO钝化层可有效阻止锚杆腐蚀破坏和力学性能衰减。通过赵楼煤矿现场工业性试验,验证了锚杆热浸锌防腐与围岩控制的有效性。

关键词：高温碱水锚杆腐蚀热浸锌防腐巷道围岩控制

水压-应力作用下井筒围岩的破坏机理与控制研究

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煤炭工程 2024年第6期56卷 126-134页

作者：华照来范钢伟史进陈笑予徐建民郑勇任帅锋陕西陕煤曹家滩矿业有限公司陕西榆林718000 陕西省煤层气开发利用有限公司陕西榆林718000 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

本研究结合曹家滩煤矿井筒围岩在穿越地层时受到了水压弱化作用的实际情况,采用查阅资料、现场查勘、理论分析、公式计算、数值模拟等研究方法,开展了该煤矿主斜井围岩在水压-应力作用下的变形破坏与控制研究。利用半圆拱形井筒断面等... 详细信息

本研究结合曹家滩煤矿井筒围岩在穿越地层时受到了水压弱化作用的实际情况,采用查阅资料、现场查勘、理论分析、公式计算、数值模拟等研究方法,开展了该煤矿主斜井围岩在水压-应力作用下的变形破坏与控制研究。利用半圆拱形井筒断面等效表示的当量半径法,结合地层水压、侧压系数、埋深、内聚力、内摩擦角、巷道尺寸等因素,优化建立了井筒围岩塑性区分布的数学表达式,并进行了模型的数值模拟验证与公式的敏感性分析,针对层位岩性差异及水压弱化作用等主要控制因素,从抑制围岩剪切破坏发生、提高围岩内聚力及内摩擦角、开孔泄水降压、注浆驱替水源、加强原有支护的角度进行了井筒的水害治理与围岩控制。对掌握井筒周边围岩在水压-应力作用下的变形破坏规律、开展相关的数值模拟研究、进行井筒的加固与水害防治工作具有一定的参考意义。

关键词：井筒围岩水压作用塑性区因素分析破坏规律

煤矿斜井过动水砂层帷幕注浆扩散封堵机理及应用

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中国矿业 2024年第5期33卷 187-195页

作者：雷亚军范钢伟杨建辉任闯难牛鸿波范张磊陕西陕煤曹家滩矿业有限公司陕西榆林719000 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 陕西省煤层气开发利用有限公司陕西西安710000

我国西部煤矿斜井井筒在富水松散层段大多发生渗漏水现象,有时甚至存在涌水溃砂风险,影响煤矿安全生产。为科学指导斜井过动水砂层防治水工作,以曹家滩煤矿主副斜井过动水砂层帷幕注浆为工程背景,借助有限元数值模拟软件建立了动水砂层... 详细信息

我国西部煤矿斜井井筒在富水松散层段大多发生渗漏水现象,有时甚至存在涌水溃砂风险,影响煤矿安全生产。为科学指导斜井过动水砂层防治水工作,以曹家滩煤矿主副斜井过动水砂层帷幕注浆为工程背景,借助有限元数值模拟软件建立了动水砂层帷幕注浆扩散封堵模型,探究了煤矿斜井过动水砂层帷幕注浆扩散封堵机理,结合具体治理区域,优化了动水砂层帷幕注浆参数及工艺,并进行了现场效果检验。研究结果表明:随着动水流速和注浆压力的增大,浆液顺水流方向扩散特征明显;注浆压力0.5MPa,动水流速0.3m/s时,顺水流方向浆液扩散半径增至1.83m;随着帷幕内壁与井筒外壁间距的增大,井筒围岩变形破坏范围逐渐远离井筒外壁,治理区域间距设置应不小于12.5m;注浆参数及工艺优化后,主副斜井治理段水量分别衰减85.6%和82.7%,治理效果显著。本文研究成果有助于解决动水砂层斜井井筒渗漏水问题,保障斜井井筒安全运营,保护矿山地下水资源。

关键词：斜井井筒动水砂层帷幕注浆工艺参数涌水量

长壁工作面支架阻力与涌水量时间序列数据联动关系分析

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煤炭学报 2023年第S2期48卷 669-679页

作者：范钢伟李其振张东升中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

长壁工作面矿压与涌水量间的数据联动关系是实现基于矿山多源信息融合进行开采参数动态决策和灾害智能预警的基础内容之一。基于工作面支架阻力与涌水量现场数据,建立了时间序列GARCH模型,从静态和动态角度挖掘出矿压与涌水量之间的联... 详细信息

长壁工作面矿压与涌水量间的数据联动关系是实现基于矿山多源信息融合进行开采参数动态决策和灾害智能预警的基础内容之一。基于工作面支架阻力与涌水量现场数据,建立了时间序列GARCH模型,从静态和动态角度挖掘出矿压与涌水量之间的联动性和数据结构特征,提出了基于Almon分布模型的支架工作阻力与涌水量的滞后联动时间计算方法。研究结果表明:工作面回采期间工作面涌水量峰值和支架阻力之间具有显著的时变关联性;工作面支架阻力变动率和涌水量变动率均呈现非正态分布且具有波动集聚性和自相关性;在平稳时间序列ADF单位根检验、格兰杰因果检验和自相关检验的基础上,构建了支架阻力与涌水量数据的ARMA-GARCH-t-Copula边缘分布组合模型,确定了采用Clayton-Copula函数来描述两者数据的非对称相关结构特征和数据联动程度,可以捕捉到工作面支架阻力处于下降趋势或者剧烈波动时数据联动性更强,即顶板发生来压时,工作面涌水量也将出现峰值拐点;从动态角度建立了DCC-GARCH分析模型,案例工作面支架工作阻力和涌水量动态系数在-0.2649~0.2649波动,总体波动具有正联动性和长期协整关系;通过PDL估计模型对Almon分布滞后模型的参数进行了分析,提出了工作面支架阻力和涌水量数据滞后期的计算方法。研究成果可为长壁开采涌水量动态预测与智能预警提供基础数据分析模型。

关键词：长壁开采支架阻力涌水量数据关联边缘分布组合模型滞后模型

保水开采覆岩等效阻水厚度的内涵、算法与应用

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煤炭学报 2022年第1期47卷 128-136页

作者：张东升范钢伟张世忠马立强王旭锋中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

煤炭资源保水开采是实现绿色化开采的核心技术之一,保水开采可行性评价则是开展科学开采设计的基础问题。从采动覆岩整体阻水性角度入手,综合考虑覆岩整体的阻水行为与地下水系统的动态响应之间的关系,提出了将上覆隔水岩层(组)虚拟为... 详细信息

煤炭资源保水开采是实现绿色化开采的核心技术之一,保水开采可行性评价则是开展科学开采设计的基础问题。从采动覆岩整体阻水性角度入手,综合考虑覆岩整体的阻水行为与地下水系统的动态响应之间的关系,提出了将上覆隔水岩层(组)虚拟为等效阻水层的学术思想,形成了基于采动覆岩等效渗透系数计算等效阻水厚度进行保水采煤可行性定量评价的新思路与方法。基于达西定律、Kozeny-Caman方程以及采动覆岩移动影响函数递推关系,采用分层、分区组合等效方法,在单岩层水平方向上通过并联来计算整层垂向等效渗透系数,进而通过垂直方向上进行多岩层等效渗透系数串联计算,建立了基于采高、工作面长度、沉陷参数和岩层初始水理参数的采动覆岩整体垂向等效渗透系数的计算方法;以采后覆岩地下水渗漏速度与目标含水层补给速度相等作为保水采煤临界条件,确定了保水采煤最大临界渗透系数与采高、等效岩层厚度之间的关系;基于采动覆岩的渗透系数与其等效阻水厚度成反比的假设,建立了采动覆岩等效阻水厚度的计算方法,进而根据维持含水层水位稳定所允许的最大临界渗透系数,提出了基于采动覆岩等效阻水厚度的保水采煤可行性评价方法,并通过伊犁四矿保水采煤含水层水位变化实测进行了实例验证。研究成果为保水开采预测评价、方法选择和参数优化提供了新的方法。

关键词：保水采煤等效阻水厚度等效渗透系数组合等效定量评价

倾斜煤层长壁开采承压底板力学结构及渗流稳定性分析

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Journal of Central South University 2023年第9期30卷 2948-2965页

作者：梁帅帅张东升范钢伟 KOVALSKY Evgeny 范张磊张磊韩学森 School of Mines China University of Mining and TechnologyXuzhou 221116China State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining China University of Mining and TechnologyXuzhou 221116China Department of Mining Engineering Saint Petersburg Mining UniversitySaint Petersburg 199106Russia

倾斜煤层开采底板破坏易造成水资源流失甚至突水灾害问题,倾斜煤层产量在中国总产量中占有一定比例,因此,开展关于地面结构对地下开采响应稳定性的研究有重要意义。首先,通过分析底板应力状态与变形破坏规律,建立了双向线性载荷作用下... 详细信息

倾斜煤层开采底板破坏易造成水资源流失甚至突水灾害问题,倾斜煤层产量在中国总产量中占有一定比例,因此,开展关于地面结构对地下开采响应稳定性的研究有重要意义。首先,通过分析底板应力状态与变形破坏规律,建立了双向线性载荷作用下四边固支倾斜层合板模型;然后,通过研究渗透系数与变形之间的关系得到渗流稳定性判别方法及条件,并通过工程案例确定了倾斜煤层保水开采的影响因素及其敏感性。倾斜煤层底板最大挠度工作面方向位于工作面中下部0.5864倍的工作面长度处,推进方向上位于0.5864倍的工作面推进距离处。通过正交试验分析得出底板挠度影响因素的显著性大小排序为:工作面长度>水压>推进度>地层倾角。层合板中上层层位边界为压应力区域,中部为拉应力区域,中下层层位则相反,剪应力分区域集中分布。工作面下侧区域各应力最大值均大于上侧区域的,表现出明显的非对称性。最后,确定了渗流稳定性评价指标及稳定条件:极限渗透系数(K_(li))与等效渗透系数(K_(eq))之比不小于1,即K_(li)/K_(eq)≥1。渗流稳定性影响因素的显著性大小为:水压>工作面长度>地层倾角,可为类似矿井的保水开采提供建议。

关键词：层合板模型倾斜煤层结构稳定性渗流稳定性等效渗透系数正交分析显著性分析

基于改进AHP-熵权法耦合的淋涌水巷道顶板富水性评价与应用

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煤炭工程 2023年第12期55卷 141-146页

作者：陈勇范钢伟殷聪张东升韩学森兖矿能源集团股份有限公司山东邹城273500 中国矿业大学江苏徐州221116

为了实现碱性淋涌水巷道条件下的富水性评价,选取了顶板松动圈范围、顶板裂隙发育程度、温度、湿度、pH值、淋水时间6个指标作为评价顶板富水性的主要指标。综合AHP和熵权法的特点,提出了将改进AHP和熵权法通过最小二乘法耦合的富水性... 详细信息

为了实现碱性淋涌水巷道条件下的富水性评价,选取了顶板松动圈范围、顶板裂隙发育程度、温度、湿度、pH值、淋水时间6个指标作为评价顶板富水性的主要指标。综合AHP和熵权法的特点,提出了将改进AHP和熵权法通过最小二乘法耦合的富水性指标权重计算方法。并利用赵楼煤矿5305运输巷道50组现场地质数据,进行了基于改进AHP法和熵权法耦合的淋涌水巷道顶板富水性评价,根据评价结果对赵楼煤矿5305运输巷道强富水性区进行了支护设计,该支护方案能有效控制围岩松动圈发育以及顶板淋水状况,对全矿井和相似地质条件的东部煤矿具有借鉴意义。

关键词：淋水巷道 AHP 熵权法富水性评价支护设计

神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征

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中国矿业大学学报 2011年第2期40卷 196-201页

作者：范钢伟张东升马立强中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

以神东矿区3类典型的煤层赋存条件为主要研究对象,采用实验室相似材料和计算机数值模拟的方法,分析了浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙在水平方向和垂直方向的扩展与分布的动态演变特征.研究表明,随工作面的推进,覆岩会出现与地表同步垮... 详细信息

以神东矿区3类典型的煤层赋存条件为主要研究对象,采用实验室相似材料和计算机数值模拟的方法,分析了浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙在水平方向和垂直方向的扩展与分布的动态演变特征.研究表明,随工作面的推进,覆岩会出现与地表同步垮落现象;工作面推进越快,裂隙扩展的时间越短,裂隙闭合也越快;覆岩强风化带的存在,有利于消解部分采动裂隙.

关键词：浅埋煤层覆岩移动采动裂隙分布关键层模拟分析