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Evaluation of the migration and environmental effects of metal elements within cementitious gangue-fly ash backfill in underground coal mines

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International Journal of Mining Science and Technology 2024年第11期34卷 1551-1562页

作者： Xuejie Deng Yuan Jiao Shicong Li Nan Zhou Yan An Erol Yilmaz qingxue zheng Xifeng Liang School of Energy and Mining Engineering China University of Mining and Technology-BeijingBeijing 100083China Engineering Research Center of Green and Intelligent Mining for Thick Coal Seam Ministry of EducationBeijing 100083China School of Mines China University of Mining and TechnologyXuzhou 221116China Department of Civil Engineering Geotechnical DivisionRecep Tayyip Erdogan UniversityFenerRize TR53100Turkiye Kailuan(Group)Limited Liability Corporation Tangshan 063018China

Cementitious gangue-fly ash backfill(CGB)is used as a green mining technology ***,under the coupled effects of geological stress and groundwater,the metal elements in the CGB tend to migrate into nearby strata,which can consequently result in pollution of the groundwater *** this paper,the influence of initial pH and stress damage on the migration behavior of metal elements in CGB is quantitatively studied through the multi-physical field coupling model of stress-permeability-con *** enhanced Nemerow index evaluation method is used to comprehensively evaluate the impact of these metal elements migration behaviors on the groundwater *** research results show that:(1)When the stress damage of the CGB increases from 0.76 to 0.95,the Darcy velocity at the bottom of the CGB first increases,then decreases,and finally stabilizes at 2.01×10^(-7)m/*** longest time to reach the maximum Darcy velocity is 3 a.(2)When the damage of the CGB is 0.95,the farthest migration distances of Al,Cr,Mn,Fe,Ba,and Pb are 40.5,34.0,29.8,32.9,38.8 and 32.1 m,respectively.(3)The alkaline environment stimulates the migration of Al,Cr,Fe,Mn,and Pb,whereas Ba migrates farther under acidic *** farthest migration distance of Ba is 31.6 m under pH 3.(4)The enhanced Nemerow index indicates that when stress damage increases from 0.76 to 0.95,the areas with poor water quality increase from 0 to 1.71%,and no area is classified as very poor *** the initial pH changes from 3 to 11,100%of the region is classified as fair or *** initial pH of the CGB has a relatively slight influence on the groundwater *** study provides experimental data and theoretical basis for the environmental evaluation of CGB.

关键词： Cementitious gangue-fly ash backfill Metal elements Migration patterns Environmental effects Geological stress damage pH

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近距离“薄-中-厚”交错分布煤层群上行协调开采定量判别研究

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煤炭学报 2019年第S2期44卷 410-418页

作者：李杨雷明星郑庆学刘树弟吕华新刘令生中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 开滦(集团)有限责任公司河北唐山063000

开滦矿区开平煤田煤系地层80 m范围内交错分布“薄-中-厚”5层可采煤层,该类煤层群的安全高效回收需要上行与下行相协调的开采模式,关键难题在于如何判断在多层采空区下煤层上行开采的可行性。本文以开滦矿区多年上行开采经验为研究背景... 详细信息

开滦矿区开平煤田煤系地层80 m范围内交错分布“薄-中-厚”5层可采煤层,该类煤层群的安全高效回收需要上行与下行相协调的开采模式,关键难题在于如何判断在多层采空区下煤层上行开采的可行性。本文以开滦矿区多年上行开采经验为研究背景,采用理论分析、数据统计和现场实测等方法,对开滦矿区近距离煤层上行开采的扰动破坏影响进行研究。基于上行开采的采动影响系数与间深比判别法,结合煤层群开采层间扰动影响、煤系地层分布、岩层物理力学性质、覆岩破断特征等多因素,提出上行开采综合性判别指标,建立上行协调开采的“可行度”定量判别式与评价体系;通过统计分析30个上行开采案例,提出上行开采可行度的区域划分方法;应用钻孔窥视与地质雷达探测技术实测了覆岩裂隙发育程度及破碎情况。结果表明:12-1号煤层的垮落带范围为15.4~21.2 m,观测段内岩层整体下沉量为0.1~0.4 m,验证了钱家营矿1692工作面上行开采方案的合理性;计算分析了范各庄矿全井田66个钻孔上行开采可行度,预测出井田范围内存在的危险区域,有效指导范各庄矿12号煤层→9号煤层上行开采可行性的问题。同时,通过对“可行度”判别式的研究,给出了开滦矿区近距离煤层、极近距离煤层及煤层群的判别依据。该方法在开滦矿区现场工程实践中成效显著,为安全高效开采近距离煤层群资源提供新的理论依据。

关键词：近距离煤层群上行开采可行度定量判据等级评价方法

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固体充填开采“三效”关系及其优化控制方法

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煤炭学报 2021年第10期46卷 3148-3157页

作者：武中亚张强张昊郑庆学刘宏军田秀国中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 开滦(集团)有限责任公司河北唐山630006 开滦能源化工股份有限公司河北唐山630006

充填效果、充填效率和充填效益(简称“三效”)3者之间的关系是充填开采理论设计及工程实施过程中难以回避的问题,但目前尚未形成“三效”关系的定量表征方法。针对固体非密实充填和密实充填,提出了“三效”的内涵,给定了“三效”的表征... 详细信息

充填效果、充填效率和充填效益(简称“三效”)3者之间的关系是充填开采理论设计及工程实施过程中难以回避的问题,但目前尚未形成“三效”关系的定量表征方法。针对固体非密实充填和密实充填,提出了“三效”的内涵,给定了“三效”的表征原理,阐释了“三效”优化控制的概念。以充填体在机械夯实作用和采空区覆岩压实作用下逐渐密实的过程为纽带,构建了基于固体密实充填“三效”与充填工艺、充填材料参数和充填体密实状态关系的分析模型。采用理论分析方法阐述了充填效果、充填效率与充填效益之间的相互关系,给出了“三效”的量化表征方法、求解流程和计算公式。基于单因素变量分析方法,研究了夯实次数、单次夯实时间、单个支架落料时间和堆料高度4个充填工艺关键因素以及自然安息角和夯实前容重2个充填材料关键因素对“三效”的影响规律,得到了4种“三效”关系类型。根据“三效”关系变化规律并结合充填开采关键参数设计流程进一步提出了针对固体密实充填的“三效”优化控制方法。针对唐山矿T3292充填工作面的“三效”分析表明:充填开采过程中实施了富余的夯实次数,降低了充填效率和效益,建议优化充填材料并减少夯实次数,从而在保证充填效果的同时实现较高的充填开采效率和效益。

关键词：固体充填充填效果充填效率充填效益充填工艺精准控制

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煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求

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煤炭学报 2022年第12期47卷 4250-4264页

作者：邓雪杰刘浩王家臣王斐刘旭正郑庆学中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 开滦(集团)有限责任公司河北唐山063018

胶结充填是一种在煤矿获得广泛应用的绿色开采技术,然而煤矿胶结充填体的强度需求却缺乏成套的科学设计方法。为此,围绕煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求这一主题,通过实验室试验和理论分析等方法,实测得出胶结充填体单轴... 详细信息

胶结充填是一种在煤矿获得广泛应用的绿色开采技术,然而煤矿胶结充填体的强度需求却缺乏成套的科学设计方法。为此,围绕煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求这一主题,通过实验室试验和理论分析等方法,实测得出胶结充填体单轴抗压强度(UCS)与侧限条件下压缩率之间的关系,阐明了煤矿充填开采采空区充实率的科学内涵,分析了采空区充填体的承载机制,建立了胶结充填采空区充实率表征模型,揭示了胶结充填体强度对充实率的影响作用机制,研究了多场景胶结充填目标充实率计算原理,形成了煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求动态设计方法。研究表明:(1)侧限压缩试验中,特定垂直应力对应的胶结充填体压缩率与充填体UCS呈单调负相关,二者关系可利用上下边界Allometrical函数表征,且压缩率对UCS的敏感性随充填体强度增加而减小,即充填体强度达到一定程度后再提升强度对其压缩率的影响很小;(2)得出了充填体所受垂直应力、压缩率和充填体UCS三者的耦合关系,形成不同开采深度条件下胶结充填体UCS和压缩率的数学表征方法,建立了胶结充填充实率数学表征模型;(3)将充实率表征模型应用于控制顶板下沉、导水裂隙和地表沉陷多种应用场景,形成了目标充实率控制导向的胶结充填体强度需求设计方法。将研究成果应用于开滦集团某矿胶结充填体强度需求设计,得出充填体平均强度需求为3.00 MPa,并基于充填开采区域内煤厚、埋深等采矿地质条件的变化和工作面巷道布置方案,给出了CT1201,CT1202和CT1203工作面充填体强度需求的动态分布。

关键词：胶结充填体强度需求充实率侧限压缩

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基于固体充填开采的充填材料选择设计方法

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采矿与岩层控制工程学报 2022年第3期4卷 76-85页

作者：王云搏张强孟国豪张昊王高峰郑庆学田秀国尹宝杰马国平中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 开滦(集团)有限责任公司河北唐山063006 开滦能源化工股份有限公司河北唐山063006 开滦股份范各庄矿业分公司河北唐山063006

充填材料是保障充填效果、控制充填成本的重要影响因素。总结了现有固体充填材料基本类型及其物理力学性质;阐述了固体充填材料影响岩层控制效果的机理;基于“三下”开采、坚硬顶板下开采、房式煤柱回收以及矸石处理等充填开采工程的需... 详细信息

充填材料是保障充填效果、控制充填成本的重要影响因素。总结了现有固体充填材料基本类型及其物理力学性质;阐述了固体充填材料影响岩层控制效果的机理;基于“三下”开采、坚硬顶板下开采、房式煤柱回收以及矸石处理等充填开采工程的需求,对应设计了建筑物变形、导水裂隙带发育范围、坚硬顶板能量释放、房式煤柱稳定以及矸石处理量等5类评估指标;建立固体充填开采充填材料选择设计流程,以工程需求为目标,以充填体充实率为连接核心,指导固体充填材料选择设计,实测充填材料充采质量比和实际充实率,监测、反馈并调节充实率,形成了固体充填开采充填材料选择设计方法。唐山某矿建筑物下F5001工作面工程实践表明,设计2.5~50 mm的矸石作为固体充填材料,最大沉降量为61 mm,保护了地表建筑物,取得了良好的充填效果。研究结果可为矿井选择充填材料提供设计参考。

关键词：充填开采材料选择设计流程充实率

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基于自动水位补偿的含水煤层瓦斯压力测定方法研究

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工业安全与环保 2017年第7期43卷 19-23页

作者：张嘉勇周凤增王凯郑庆学庞凤岭杨秀军华北理工大学矿业工程学院河北唐山063009 开滦集团有限责任公司河北唐山063301 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

通过研究含水煤层瓦斯压力测定方法现状,确定主要影响测定结果的因素为水压干扰、煤泥水干扰。针对以上问题提出了测定新方法,运用自动水位补偿方法剔除水压对测定结果的干扰,通过设计装有复合材质倾斜滤网的煤泥沉淀池,完成对煤泥的过... 详细信息

通过研究含水煤层瓦斯压力测定方法现状,确定主要影响测定结果的因素为水压干扰、煤泥水干扰。针对以上问题提出了测定新方法,运用自动水位补偿方法剔除水压对测定结果的干扰,通过设计装有复合材质倾斜滤网的煤泥沉淀池,完成对煤泥的过滤和导流,实现对煤泥水的净化。此方法直接测定瓦斯压力,避免反推计算,从而减小了环境因素对测定结果的干扰。依据理论设计了含水煤层瓦斯压力测定装置,并进行了井下对比试验,现场试验结果表明:运用新设计装置测定结果比普通方法更接近理论值,数据利用价值高。该装置操作简单、自动化程度高、测定结果准确,可为含水煤层瓦斯治理提供数据支持,确保生产安全。

关键词：含水煤层瓦斯压力平衡水位安全生产

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基于响应面法的采空区充填材料配比优化研究

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金属矿山 2024年第9期 26-33页

作者：张嘉勇邱艳兵崔啸郭立稳郑庆学武建国关联合华北理工大学应急管理与安全工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210 开滦(集团)有限责任公司河北唐山063000

为解决采空区垮落和瓦斯扩散问题,分别选用矿渣、粉煤灰和水泥作为充填材料的骨料、细料和胶结剂,采用响应面法(Response Surface Method,RSM)设计配比试验,以质量浓度、材料比例和矿渣粒径作为单因素影响因子,材料流动性、抗压强度和... 详细信息

为解决采空区垮落和瓦斯扩散问题,分别选用矿渣、粉煤灰和水泥作为充填材料的骨料、细料和胶结剂,采用响应面法(Response Surface Method,RSM)设计配比试验,以质量浓度、材料比例和矿渣粒径作为单因素影响因子,材料流动性、抗压强度和渗透率为响应目标值,分析料浆质量浓度、材料比例和矿渣粒径对充填材料流动性、抗压强度和渗透性能的影响规律,并建立非线性回归方程,优化多目标条件下的充填材料配比。研究结果表明:①粉煤灰的火山灰效应会影响充填材料的水化反应进程,随着粉煤灰比例增大,各龄期的抗压强度先增大后减小,各龄期的渗透率增大;②矿渣表面粗糙,密度变化较大,在养护后期,随着矿渣粒径增大,材料抗压强度先增大后减小,材料渗透率减小;③充填材料的最佳材料配比为水泥∶粉煤灰∶矿渣=1∶3∶5,其中料浆质量浓度为80%,矿渣粒径为5~10 mm;④该配比条件下的充填材料浆体流动度为20.5 cm,14 d渗透率为0.021×10^(-14)m^(2),14 d抗压强度为22.2 MPa。研究成果为采空区减沉与瓦斯封存协同治理提供了基础参数和理论依据。

关键词：充填材料采空区减沉瓦斯封存力学性能渗透特性响应面法

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Achieving stable K-storage performance of carbon sphere-confined Sb via electrolyte regulation

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Journal of Energy Chemistry 2023年第1期76卷 51-58,I0002页

作者： Ningning Chen Nailu Shen Xiaoping Yi Yinshuang Pang Jing zheng qingxue Lai Yanyu Liang Jiangsu Key Laboratory of Electrochemical Energy Storage Technologies College of Materials Science and TechnologyNanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016JiangsuChina School of Energy and Environmental Engineering University of Science and Technology BeijingBeijing 100083China Department of Chemistry and Materials Science College of ScienceNanjing Forestry UniversityNanjing 210037JiangsuChina

Potassium-ion batteries(PIBs)have been considered as one of the most promising alternatives to lithiumion batteries(LIBs)in view of their competitive energy density with significantly reduced product ***,alloy-type materials are expected as a high-performance anode of PIBs thanks to their intrinsic chemical stability as well as high theoretical specific ***,the serious incompatibility between alloy-type active materials and electrolytes,especially for the formation of unstable solidelectrolyte interfacial(SEI)films,often leads to insufficient cycle ***,the formation mechanism of SEI films in the K-storage systems based on carbon sphere confined Sb anode(Sb@CS)were investigated in commercially available *** characterizations and theoretical calculation revealed that the solvents in the dilute electrolyte of 0.8 M KPF_(6)/EC+DEC were excessively decomposed on the interface to generate unstable SEI and thus result in inferior K-storage *** the contrary,a salt-concentrated electrolyte(3 M KFSI/DME)can generate inorganic-dominated stable SEI due to the preferential decomposition of *** a result,the prepared Sb@CS in the matched 3 M KFSI/DME electrolyte delivered a high reversible capacity of 467.8 m A h g^(-1)after 100 cycles at 100 m A g^(-1),with a slow capacity decay of 0.19%per cycle from the 10th to the 100th *** findings are of great significance for revealing the interfacial reaction between electrodes and electrolytes as well as improving the stability of Sb-based anode materials for PIBs.

关键词： Interfacial regulation Solid-electrolyte interface Sb-based alloy anode Electrolyte compatibility Potassium-ion batteries

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Prediction and Analysis of the Force and Shape Parameters in Variable Gauge Rolling

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2022年第4期35卷 79-92页

作者： Yuanming Liu Zhenhua Wang Tao Wang Jie Sun Xianguang zheng Dianhua Zhang qingxue Huang College of Mechanical and Vehicle Engineering Taiyuan University of TechnologyTaiyuan 030024China Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment Ministry of EducationTaiyuan 030024China TYUT-UOW Joint Research Center Taiyuan University of TechnologyTaiyuan 030024China State Key Laboratory of Rolling and Automation Northeastern UniversityShenyang 110819China

Variable gauge rolling is a new process to obtain a plate for which the thickness changes continuously by continuously and dynamically adjusting the roll gap upward and downward in the rolling *** technology is an efective method for producing lightweight,low-cost,and economical ***,variable gauge rolling is an unsteady process,and the changes in the force and deformation parameters are *** this research,based on the minimum energy theory of the variational principle and considering the characteristics of the roll movement and workpiece deformation comprehensively,the internal plastic deformation,friction,shear and tension powers,and the minimum result of the total power functional in upward and downward rolling are obtained with the frst integral and then with a variation of adopting the specifc plastic power and strain rate vector inner *** analytical results of the deformation and force parameters are also established using the variational *** the precision of this model is certifed using the measured values in a medium plate hot rolling plant and the experimental data for Tailor Rolled Blank *** agreement is ***,the variation rule of bite angle,neutral angle,and location neutral points are shown,and the change mechanism of the friction parameter on the stress state efect coefcient is given in variable gauge *** research proposes a new mathematical model for rolling process control that provides a scientifc basis and technical support for obtaining an accurate section shape in variable gauge rolling production.

关键词： Variable gauge rolling Analytical solution Roll separating force Energy method Neutral point

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深部软岩巷道锚注支护机理研究与应用

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煤炭与化工 2019年第2期42卷 1-5页

作者：刘树弟郑庆学张建公刘金广田福民开滦(集团)有限责任公司河北唐山063000

针对吕家坨矿-950 m皮带机上山掘进过程中巷道围岩破碎软弱、底鼓、顶板下沉和两帮内挤的难题,为达到巷道支护稳定,保证矿井行人、通风和运输等各生产环节通畅,安全生产的目的,本文研究了软岩的破坏机理和锚注加固支护的机理,并在皮带... 详细信息

针对吕家坨矿-950 m皮带机上山掘进过程中巷道围岩破碎软弱、底鼓、顶板下沉和两帮内挤的难题,为达到巷道支护稳定,保证矿井行人、通风和运输等各生产环节通畅,安全生产的目的,本文研究了软岩的破坏机理和锚注加固支护的机理,并在皮带机上山进行了锚注支护加固工程实践,经过后期的表面收敛观测表明,在前期锚网喷支护的基础上,选择合适的时机进行注浆加固支护,可以有效改善巷道围岩的应力分布,减小巷道的位移量,对维持巷道整体稳定性具有很大的作用。

关键词：软岩巷道注浆加固支护机理收敛观测

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