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非均厚“弓形”巨厚关键层动静载作用机制研究

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煤炭学报 2024年

作者：朱卫兵宁杉曹安业许家林窦林名中国矿业大学矿业工程学院中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室

巨厚关键层破裂运动是诱发矿山动力灾害的重要原因，探究其厚度变化对采动应力分布及破裂动载的影响，对明确巨厚关键层采场动、静载来源及冲击矿压孕育机制具有重要意义，是冲击矿压风险预测及灾害防控的理论基础。本文以陕西彬长矿区... 详细信息

巨厚关键层破裂运动是诱发矿山动力灾害的重要原因，探究其厚度变化对采动应力分布及破裂动载的影响，对明确巨厚关键层采场动、静载来源及冲击矿压孕育机制具有重要意义，是冲击矿压风险预测及灾害防控的理论基础。本文以陕西彬长矿区某矿非均厚“弓形”巨厚关键层为研究对象，综合理论分析与数值仿真计算，剖析了巨厚关键层“弓形”形态下伏煤岩体采动应力异常集中的力学原理，探明了“弓形”形态对巨厚关键层破裂特征的影响规律，揭示了“弓形”形态下伏区域动静载叠加致灾机制，据此提出了“弓形”巨厚关键层破裂致灾风险预测方法。结果表明，“弓形”巨厚关键层底部凸起导致下伏煤岩体垂直应力异常集中，相较于均匀厚度巨厚关键层，该区域煤岩体垂直应力额外增加22.1MPa，增幅比例高达56%，此为下伏煤岩体高静载形成的根本原因。同时，伴随着开采范围的扩大以及非均厚“弓形”巨厚关键层运动，造成其底部内凹拐角区出现显著的高集中现象，导致该区域岩石发生破裂及弹性能快速释放，此为强动载形成主要原因。在上述非均厚“弓形”巨厚关键层动静载叠加作用下，煤柱大巷区域极易出现冲击矿压。基于此，准确识别并定位了非均厚“弓形”巨厚关键层影响下采动覆岩动载形成来源及发生区位，结合巨厚关键层分布式光纤原位监测结果，以光纤断裂高度为监测指标，验证了巨厚关键层破裂及动载荷形成之间的内在联系。本文研究成果，有效指导了该矿冲击矿压高危开采区域的灾害防控。

关键词：非均厚岩层巨厚关键层支承应力冲击矿压顶板灾害深部开采

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煤层层理对微波破煤增透效果的影响

煤炭学报 2024年第5期49卷 2324-2337页

作者：朱健胡国忠许家林杨南王同辉王宏图秦伟中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 重庆大学资源与安全学院重庆400044

层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开... 详细信息

层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验,探究了不同层理方向煤样微观孔隙结构与细观裂隙的演化特征,揭示了微波辐射下层理对煤体孔裂隙结构的数量、尺度与连通性的影响规律;对比分析了微波辐射前、后不同层理方向煤体的气体渗透特性,阐明了煤体在煤层层理与微波破煤叠加影响下的渗透率变化规律,揭示了煤层层理对微波破煤增透的影响机制。结果表明:①煤层层理对微波破煤增透效果的影响显著,层理面与加载方向之间夹角越大,微波辐射下煤体的束缚孔减少幅度与连通性裂隙增长幅度也更大;与原煤样相比,微波辐射后不同层理方向煤样渗透率之间的数量级差异有效减小,渗透率各向异性弱化明显。②微波辐射下煤体中细观裂隙发育具有显著的层理效应,具体演化过程为:沿层理面原生裂隙扩展→新的沿层理面裂隙萌生→与层理面相交的裂隙扩展。③煤基质与层理面的介电损耗和传热性质差异,使得微波对煤体的热应力分布受制于层理面。当层理面与加载方向垂直或平行时,煤体以张拉破坏为主;当层理面与加载方向斜交时,煤体以剪切滑移破坏为主。

关键词：微波破煤增透煤层层理结构损伤渗透特性层理方向

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顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 203-213页

作者：郭世斌胡国忠朱家锌许家林秦伟杨南中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116

顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点,被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置,以高效抽采采空区卸压瓦斯,是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此,在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其... 详细信息

顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点,被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置,以高效抽采采空区卸压瓦斯,是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此,在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其布置位置影响因素的基础上,提出了一种基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法;采用灰色关联分析法确定了GA–BP神经网络模型的预测指标,并设计开发了顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测系统。研究结果表明:①工作面的采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度等5个物理指标是顶板瓦斯抽采巷布置位置的主控因素,且其权重值排序由大到小依次为采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度。②随着遗传代数的增加,GA–BP神经网络适应度不断减小,且当遗传代数为60时其适应度变化基本稳定,表明GA–BP神经网络初始权重和偏置效果较好。③在当前训练样本数据集的前提下,基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置的预测结果与实际工况值的相对误差仅为0.43%~11.27%,在可接受的范围内。该研究可为顶板瓦斯抽采巷精准设计提供一定的参考。

关键词：瓦斯抽采顶板瓦斯抽采巷巷道布置遗传算法智能预测

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覆岩隔离注浆充填技术实践与研究展望

中国煤炭 2024年第6期50卷 74-80页

作者：许家林轩大洋李建煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏省徐州市221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏省徐州市221116

煤层开采后覆岩关键层失去下部支撑,在地层压力作用下断裂沉降是导致一系列采动损害与环境问题的根源,通过充填阻止关键层破断是减少环境损害的源头绿色开采技术。目前我国煤矿充填开采技术得到长足发展,但井下充填采煤存在效率相对较... 详细信息

煤层开采后覆岩关键层失去下部支撑,在地层压力作用下断裂沉降是导致一系列采动损害与环境问题的根源,通过充填阻止关键层破断是减少环境损害的源头绿色开采技术。目前我国煤矿充填开采技术得到长足发展,但井下充填采煤存在效率相对较低、成本较高等问题,限制了其推广应用。而创新研发的覆岩隔离注浆充填技术,建立了地面钻孔“一注式减损”高效绿色开采新模式,突破了井下充填效率低的技术瓶颈。覆岩隔离注浆充填是基于采动覆岩卸荷膨胀累积效应对离层产生抑制作用,通过地面钻孔向关键层下进行高压注浆的充填,产生“压下托上”作用,将关键层下方碎胀岩体压实形成支撑体,在采空区形成压实承载结构,阻止关键层断裂。该技术解决了离层注浆充填量少、减沉率低的技术难题,可用于综采、综放工作面,以及单一煤层与多煤层开采;目前该技术已在全国推广应用,解决了东部矿区建筑物压煤开采难题,并在矸石减排、“减震防冲”“减漏保水”等方面开展了工程试验与实践。介绍了“双碳”背景下,针对煤矿充填材料不足问题,进一步研发“煤基固废+CO 2”覆岩隔离注浆充填绿色开采新技术构想,该技术可取得减沉、减漏、减震、减排、减碳等“一注五减”效果,实现煤炭资源的绿色开采与低碳利用。

关键词：岩层移动覆岩卸荷膨胀累积效应关键层覆岩隔离注浆充填绿色开采

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采动含水层生态功能修复:概念内涵、理论与技术框架

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绿色矿山

绿色矿山 2024年第1期2卷 21-30页

作者：鞠金峰李全生许家林王晨煜中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京100011 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国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

针对我国保水采煤研究现状及煤矿区采损生态修复的技术需求,提出应开展采动含水层生态功能修复研究,并将其纳入绿色开采技术体系中。在充分阐述采动含水层生态功能修复概念与内涵的基础上,构建了以采动含水层失水流动规律及水径流阻隔... 详细信息

针对我国保水采煤研究现状及煤矿区采损生态修复的技术需求,提出应开展采动含水层生态功能修复研究,并将其纳入绿色开采技术体系中。在充分阐述采动含水层生态功能修复概念与内涵的基础上,构建了以采动含水层失水流动规律及水径流阻隔关键技术为主的理论与技术框架,分析了当前相关研究进展与未来攻关方向。含水层的损伤失水与生态功能退化本质源于采煤引起的岩层运动与裂隙发育,应在充分掌握含水层失水机制与规律的基础上对其开展生态功能修复理论与技术研究。深入揭示含水层失水路径分布与水流动力耗散规律,将失水流量集中分布的采动影响区作为重点修复的靶区,合理运用“边采边修”、“采后再修”等方式实施水流通道封堵与修复。同时,应充分利用采动岩体裂隙自修复机制及其引起的含水层自恢复效应,开展采动含水层生态功能引导修复研究与实践;基于水-气-岩相互作用产生化学沉淀促进导水裂隙自修复的降渗机理,提出了向含水层下方裂隙岩体中灌注可与地下水产生化学沉淀的修复试剂,以诱导沉淀物在裂隙中吸附-固结并封堵通道的含水层生态功能修复技术路径。在此基础上,阐述了利用铁/钙质化学沉淀进行导水裂隙修复降渗的研究现状,提出未来应重点研究形成利于不同类型导水通道高效封堵的化学沉淀诱导生成对策。研究可望为西北部生态脆弱矿区煤炭开采地下水保护与生态修复提供参考。

关键词：含水层生态功能修复失水路径修复靶区导水裂隙自修复绿色开采

铁路隧道下综放面覆岩隔离注浆充填开采试验研究

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采矿与安全工程学报 2023年第5期40卷 1102-1110页

作者：轩大洋许家林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

针对铁路隧道压煤开采问题,研究了长壁开采条件下铁路隧道的破坏形式及保护要求,提出覆岩隔离注浆充填保护隧道的方法。在采动影响下,铁路隧道保护的核心是变形后的内轮廓满足限界要求,其控制的关键在于减少开采导致的移动量。提出计算... 详细信息

针对铁路隧道压煤开采问题,研究了长壁开采条件下铁路隧道的破坏形式及保护要求,提出覆岩隔离注浆充填保护隧道的方法。在采动影响下,铁路隧道保护的核心是变形后的内轮廓满足限界要求,其控制的关键在于减少开采导致的移动量。提出计算采动变形条件下隧道限界富余量的方法,推导出开采变形后隧道内轮廓的坐标方程,并计算其与限界的富余空间。开展长壁综放工作面覆岩注浆充填保护地面铁路隧道试验研究,共施工7个地面钻孔,对覆岩内裂隙进行注浆充填。通过实施注浆充填,隧道减沉率达到88%,限界满足列车通行要求。该方法为开采影响下地面隧道保护提供参考与借鉴。

关键词：综放开采铁路隧道保护地表沉陷控制覆岩隔离注浆

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覆岩隔离注浆充填绿色开采技术

煤炭学报 2022年第12期47卷 4265-4277页

作者：轩大洋许家林王秉龙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

充填是煤矿减损开采与固废减排的技术,覆岩隔离注浆充填是在深入揭示覆岩卸荷膨胀累积效应基础上提出的绿色开采新方法。该项技术通过确定控制岩层移动与地表沉陷的关键层,采用压实注浆新工艺,在关键层下的主层位实施高压注浆,将下方覆... 详细信息

充填是煤矿减损开采与固废减排的技术,覆岩隔离注浆充填是在深入揭示覆岩卸荷膨胀累积效应基础上提出的绿色开采新方法。该项技术通过确定控制岩层移动与地表沉陷的关键层,采用压实注浆新工艺,在关键层下的主层位实施高压注浆,将下方覆岩的卸荷膨胀量重新压缩转化为可充填空间,大幅提高了注采比,在采空区形成压实承载结构,支撑关键层,实现岩层沉陷控制与建(构)筑物保护。覆岩隔离注浆充填采用粉煤灰、煤矸石、煤泥等作为注浆材料,充分利用了煤矿采动空间与空隙,实现固废减排。介绍了不同类型固废制浆的工艺及特点,论述了充填浆液从固体-浆体-压实体的转变过程,以及浆液流动泌水固结特征。浆液由钻孔进入覆岩裂隙腔体内快速泌水,并在压力作用下不断固结压实,泌出水向注浆层围岩渗流。岩层饱和度对泌出水向工作面的流动产生影响。注浆充填体最终在地层内形成压实体,保证了地表沉陷控制的长期效果。除沉陷控制、固废减排之外,覆岩隔离注浆充填还可用于减震防冲、保水采煤等领域,并在无煤柱开采、相邻采空区开采、多煤层开采等复杂地质采矿条件中得到了成功应用。该技术的适用条件是工作面具有一定的基岩厚度,能够找出可作为注浆层位的关键层。未来该技术仍需在减震防冲、保水采煤中开展进一步试验研究。

关键词：绿色开采关键层覆岩隔离注浆煤基固废减排沉陷控制

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基于双向合约协同的侧链扩容技术研究

基于双向合约协同的侧链扩容技术研究

作者：许家林广州大学

学位级别：硕士

区块链具有去中心化,不可篡改的特点,使其具有广泛的应用场景。但区块链系统相比其他中心化系统,扩展能力弱,特别是当大量的用户使用区块链系统时,出现交易手续费高,交易处理时间长等问题,并且区块链上的数据对链上所有的用户都公开,也... 详细信息

区块链具有去中心化,不可篡改的特点,使其具有广泛的应用场景。但区块链系统相比其他中心化系统,扩展能力弱,特别是当大量的用户使用区块链系统时,出现交易手续费高,交易处理时间长等问题,并且区块链上的数据对链上所有的用户都公开,也带来一定的隐私安全问题。区块链链下扩容技术的出现使得区块链上的计算压力得到一定程度的缓解,但目前的链下扩容方案还存在链下中心化、链下处理效率低等问题,并且当前链下扩容主要针对单一化的转账场景。本文针对上述问题,以联盟链作为主链,对侧链扩容技术进行了研究:(1)本文提出了主侧链协同的共识模型,为满足链下高效运行的要求,本文在Raft共识机制的基础上,保留了Raft共识机制高效处理交易的特点,并针对中心化问题对领导人选举机制进行改进。为了保障侧链交易的安全性,利用联盟链用户准入的原则,在主链上设置基于信誉值的激励机制,通过合约协同的方式,把侧链的交易过程压缩上链,让链上监督并约束侧链节点的行为。一方面通过信用值等合理设置侧链领导者,另一方面为侧链扩容功能的高效运行提供安全保障。(2)本文提出了基于合约协同的双向锚定机制,针对跨链资产管理链上处理效率低,跨链转移过于中心化的问题,本文使用数字签名结合双向合约协同的方式,让主链和侧链都参与到跨链资产转换的过程中来,提高了资产转移时链上的处理效率,提高了去中心化程度,同时降低了在资产解锁和资产赎回时链上花费的gas费用。(3)在前两者的基础上,提出了基于双向合约协同的侧链扩容模型,对节点在侧链中的操作,以及侧链中的交易过程展开具体的设计。通过默克尔树生成证明,为链上验证侧链交易提供了可能。在节点加入和退出侧链的过程中引入保证金和挑战期的机制,为侧链节点安全交易提供保障。模型可以有效解决当前区块链链上计算压力大的问题,同时提供隐私安全的交易需求。

关键词：区块链侧链扩容智能合约

“煤炭科学开采前沿”专刊——纪念我国采矿工程专家钱鸣高院士特邀主编致读者

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采矿与安全工程学报 2023年第5期40卷 I0001-I0002页

作者：王家臣许家林中国矿业大学(北京) 中国矿业大学

没有煤炭工业的贡献,就没有我国经济的快速发展,煤炭行业在为国民经济发展做出巨大贡献的同时也付出了巨大的社会成本。这意味着原有的煤炭开采技术和理念需要重大变革,实行“科学采矿”是必然选择,即在保证安全的前提下、在环境容量的... 详细信息

没有煤炭工业的贡献,就没有我国经济的快速发展,煤炭行业在为国民经济发展做出巨大贡献的同时也付出了巨大的社会成本。这意味着原有的煤炭开采技术和理念需要重大变革,实行“科学采矿”是必然选择,即在保证安全的前提下、在环境容量的允许范围内,经济、高效、高回收率地采出煤炭。

关键词：煤炭开采技术采矿工程钱鸣高环境容量科学采矿高回收率科学开采煤炭行业