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煤显微组分对成炭过程及储钠行为的影响

煤炭学报 2024年

作者：何润东郭行孙仲超李文翠大连理工大学化工学院煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院

煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为... 详细信息

煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为前驱体，采取密度梯度离心法富集煤中有机显微组分，并在酸洗脱灰后通过高温炭化制备不同显微组分基硬炭材料。探究各显微组分在热解过程的差异以及其对硬炭材料中石墨微晶生长过程、孔隙结构和表面元素组成的影响，并结合恒电流充放电、恒电流间歇滴定、电化学交流阻抗和循环伏安测试等方法探究各显微组分基硬炭材料储钠行为的差异。结果表明，镜质组与惰质组热解过程存在差异，惰质组的热稳定性更好，镜质组更易生成片层尺寸更大的石墨微晶，在相同炭化处理温度下镜质组基硬炭的石墨化程度更高，且镜质组基硬炭材料表面含氧官能团的浓度高于惰质组基硬炭材料。在储钠行为方面，镜质组基硬炭与惰质组基硬炭的电化学性能随着炭化处理温度展现出不同的变化规律，其中镜质组经1200 ℃炭化制得的硬炭材料因其较多的层间储钠位点与含氧官能团浓度表现出最优的储钠性能，其在0.02 A g-1电流密度下可逆容量达到305.8 mA h g-1，首周库伦效率为82.2%，并且其在0.2 A g-1电流密度下仍能保持235.7 mA h g-1的可逆容量，倍率性能优异。

关键词：钠离子电池负极材料硬炭煤显微组分

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采动诱发断层活化响应机制特征研究

煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 12-20页

作者：孙文斌郝建邦戴宪政孔令君山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077

在煤矿开采过程中,采动引起的应力扰动是导致断层活化的关键因素,这种断层活化是煤矿安全开采面临的主要挑战之一。断层活化不仅易于诱发煤矿冲击地压、底板突水等地质灾害,而且对开采安全构成重大威胁。为分析采动效应下断层构造带的... 详细信息

在煤矿开采过程中,采动引起的应力扰动是导致断层活化的关键因素,这种断层活化是煤矿安全开采面临的主要挑战之一。断层活化不仅易于诱发煤矿冲击地压、底板突水等地质灾害,而且对开采安全构成重大威胁。为分析采动效应下断层构造带的演化机制,通过Flac^(3D)数值模拟软件及相似材料模拟试验,建立采动条件下断层的应力-位移响应模型,进行相关研究。结果表明:开采过程中,扰动对于应力的影响作用要先比位移产生,且应力会出现峰值;当应力出现峰值,达到屈服极限后,扰动对于位移的影响作用逐渐显现;随着工作面不断推进,采动导致上覆岩层大面积垮落,致使上覆岩层与断层带贯通,并逐渐诱发断层带的活化现象;采动影响下,断层活化并不是一次性全阶段活化,而是由上部到下部的逐渐活化,其具有明显的空间性、阶段性特征。明确了断层活化的发生特征,能够有效提高对于断层活化间接引起的冲击地压、底板突水等一系列地质灾害事故的预警预防,对于煤矿安全高效开采生产具有重要意义。

关键词：断层活化采动影响数值模拟相似试验应力分析

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宽高比对煤柱型冲击地压影响规律的实验研究

煤炭学报 2024年第3期49卷 1303-1317页

作者：朱志洁姚振华陈昆吕飞韩军王来贵辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 陕西华彬雅店煤业有限公司陕西咸阳712000

我国深部煤炭开采日趋复杂,区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压,煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题,研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极... 详细信息

我国深部煤炭开采日趋复杂,区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压,煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题,研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极意义。采用不同宽高比煤样的“岩-煤-岩”组合体进行了单轴压缩实验,通过分析煤岩组合体的冲击倾向性、动态破坏特征、分形维数和声发射特征参数等,研究了宽高比对煤柱冲击破坏的影响规律。结果发现:①煤柱的宽高比对煤岩组合体的冲击倾向性具有显著影响,宽高比不小于2∶1时,其冲击能量指数K_(E)为1.82~2.65,冲击倾向性无明显变化;小于2∶1时冲击倾向性呈先升高后降低的趋势,1∶1时K_(E)最大,达到了15.43。②随宽高比减小,煤岩组合体破坏特征依次表现为:拉压破坏—压剪破坏—拉剪破坏。煤柱宽高比为5∶1~3∶1时,煤岩组合体破坏较为缓慢;宽高比为2∶1时开始出现片状煤屑弹出,冲击破坏剧烈程度较低;宽高比为1∶1和0.75∶1时,具有明显的冲击破坏特性;宽高比为0.5∶1时,煤岩组合体整体稳定性下降,相对0.75∶1煤岩组合体煤柱破坏的剧烈程度降低。③峰后声发射能量释放率与分形维数D变化规律相似,均随宽高比减小呈先升高后降低的趋势。宽高比不小于2∶1时,煤岩组合体破坏过程中能量持续释放时间较长,煤柱破坏平缓;宽高比为1∶1时,能量释放率和D值明显增大,相较宽高比不小于2∶1煤岩组合体的能量释放率增大了约4倍,D值增大了0.18~0.23,煤柱冲击破坏最为剧烈;宽高比0.75∶1煤岩组合体能量释放率与D值分别降低了约10%和0.01,破坏剧烈程度与1∶1煤岩组合体相近;宽高比减小至0.5∶1时,相关参数的降低幅度约为0.75∶1煤岩组合体的6倍,破坏剧烈程度相对较小。研究表明:宽高比对煤柱的冲击破坏具有显著影响,整体上,煤柱冲击破坏剧烈程度随宽高比减小(5∶1~0.5∶1)呈先升高后逐渐降低的趋势;煤柱宽高比大于3∶1时,煤柱冲击危险性相对较小,煤柱宽高比为1∶1和0.75∶1时冲击危险性较大,0.5∶1次之。

关键词：煤柱型冲击地压煤柱宽高比煤岩组合体声发射分形维数

深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

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煤炭学报 2024年第4期49卷 1845-1859页

作者：高明忠何坤宸叶思琪谢晶杨本高李飞郝海春刘军军杨尊东深圳大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室广东深圳518060 深圳大学广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室广东深圳518060 深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东深圳518060 四川大学水利水电学院四川成都610065 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国电建集团成都勘察设计研究院有限公司四川成都611130

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通... 详细信息

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制,定义二维条件下的饼化烈度系数,以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象,利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌,采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段,分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构;同时,基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明:松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类,端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状;岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性;岩心饼化行为主要受到张拉应力控制,其裂隙起裂一般起始于岩心根部,由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素,高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹,垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素,一般会抑制饼化行为的发生;钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化,其中总应变能呈阶梯状下降,耗散能呈对应的阶梯状上升,且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

关键词：岩心饼化松科二井颗粒离散元宏细观特征破坏模式

流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 189-199页

作者：陈军涛李昊贾东秀马庆李文昕山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590 山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿山东德州251105 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样... 详细信息

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。

关键词：注浆加固裂隙长度流固耦合渗透率起裂强度

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极近距离煤层采空区下沿空留巷技术研究

中国煤炭 2024年第4期50卷 68-78页

作者：高海滨侯可可王兆其黄万朋隋乐邵贤坤山东新查庄矿业有限责任公司山东省泰安市271608 山东科技大学能源与矿业工程学院山东省青岛市266590 山东东山王楼煤矿有限公司山东省济宁市272057

为了解决极近距离煤层采空区下多次回采影响的沿空留巷围岩严重变形难题,以山东新查庄矿业有限责任公司(以下简称“新查庄煤矿”)91006综采工作面为工程背景,研究分析了采空区下沿空留巷覆岩顶板结构特征及运动规律,通过建立顶板位态力... 详细信息

为了解决极近距离煤层采空区下多次回采影响的沿空留巷围岩严重变形难题,以山东新查庄矿业有限责任公司(以下简称“新查庄煤矿”)91006综采工作面为工程背景,研究分析了采空区下沿空留巷覆岩顶板结构特征及运动规律,通过建立顶板位态力学结构模型,确定了采空区下沿空留巷巷旁支护阻力计算方法,计算出巷旁支护阻力为3432 kN,提出了“水力压裂超前断顶+巷旁钢管混凝土墩柱高强支护”为主体的巷旁复合支护体系。利用超前断顶卸压技术将巷旁顶板由传递岩梁结构向短悬臂梁结构转变,大大降低巷旁支护阻力,与钢管混凝土墩柱的高强巷旁支护相结合,特别适用于采空区下的沿空留巷工程。通过在新查庄煤矿91006综采工作面试验应用表明,留巷取得了较好的效果,巷道表面整体变形量较小,满足工作面回采期间的要求。

关键词：采空区极近距离煤层沿空留巷巷旁支护钢管混凝土墩柱

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基于灰色关联分析的断层突水阶段化感知方法

中国安全科学学报 2024年第7期34卷 63-70页

作者：孙文斌张纪扬王晓杨辉樊建聪 ABDUMALIK Olimov 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东科技大学计算机科学与工程学院山东青岛266590 塔吉克斯坦冶金学院地质与油气工程系塔吉克斯坦苦盏735730

为提升煤矿断层水害感知水平,提出一种以断层活化演变机制和关键控制因素识别的断层突水阶段化感知方法,通过断层突水演化过程相似模拟试验研究工作面底板与断层破坏的演化特征,以底板破坏带应力、断层裂隙带应力、导水通道内水压等为... 详细信息

为提升煤矿断层水害感知水平,提出一种以断层活化演变机制和关键控制因素识别的断层突水阶段化感知方法,通过断层突水演化过程相似模拟试验研究工作面底板与断层破坏的演化特征,以底板破坏带应力、断层裂隙带应力、导水通道内水压等为阶段监测参数,揭示各监测参数与涌水量变化的阶段特征;结合灰色关联性分析法,判定断层突水阶段转化的关键控制因素,进而根据断层突水分析与研究过程,提出断层突水阶段化感知方法。结果表明:底板破坏带、断层裂隙带的应力,导水通道内的水压等监测参数的数值变化特征在断层活化突水过程中呈现出明显的阶段特征,控制因素与涌水量的灰色关联度排序为:底板破坏带应力>断层裂隙带应力>导水通道水压,通过对关键控制因素的识别,可实现断层突水阶段的感知,揭示基于灰色关联分析的感知方法在原理上具备可行性。

关键词：灰色关联性分析断层突水阶段化感知关键控制因素相似模拟试验

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以断层活化突水事故为例的煤矿灾害感知研究

有色设备 2024年第2期38卷 24-31页

作者：孙文斌张纪扬陈东伟山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东鲁泰控股集团有限公司安全生产与应急管理部山东济宁272000

煤矿智能化的发展为提升矿井安全保障能力提供了新的思路,但在煤矿灾害的感知方法研究上仍有不足,难以对灾害发育的阶段进行有效感知,缺少针对灾害发育不同阶段的防治措施。针对上述问题,本文提出了一种基于灾害演化特征分析的煤矿灾害... 详细信息

煤矿智能化的发展为提升矿井安全保障能力提供了新的思路,但在煤矿灾害的感知方法研究上仍有不足,难以对灾害发育的阶段进行有效感知,缺少针对灾害发育不同阶段的防治措施。针对上述问题,本文提出了一种基于灾害演化特征分析的煤矿灾害感知方法,通过研究矿井灾害发育机制,划分灾害的演化阶段,提取阶段的转化条件并识别控制因素,结合关联性分析方法,选择敏感控制因素进行灾害发育的阶段感知。以煤矿断层活化突水事故为例,进行了灾害感知方法的试验验证,结果表明,敏感控制因素随工作面推进的变化能够反映断层活化突水事故演化程度,因此,基于演化特征分析的感知方法有望为煤矿灾害发育阶段感知提供参考。

关键词：灾害感知敏感特征断层突水数值模拟

灰岩含水层定向钻孔注浆效果智能评价方法研究

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煤炭工程 2024年第1期56卷 63-69页

作者：李文昕贾东秀陈建刚傅子群陈军涛郭洪运刘磊山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿山东德州251105 山东能源新汶矿业集团有限责任公司榆树井煤矿内蒙古鄂尔多斯016299 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

基于黄河北煤田邱集煤矿现场注浆工程,通过XGboost、支持向量机、K近邻和BP人工神经网络四种算法,对灰岩定向钻孔的注浆效果进行科学分析。研究表明,XGboost、支持向量机、K近邻的模型精度均达不到0.9,而BP人工神经网络测试的拟合程度达... 详细信息

基于黄河北煤田邱集煤矿现场注浆工程,通过XGboost、支持向量机、K近邻和BP人工神经网络四种算法,对灰岩定向钻孔的注浆效果进行科学分析。研究表明,XGboost、支持向量机、K近邻的模型精度均达不到0.9,而BP人工神经网络测试的拟合程度达0.93,使用现场数据测试准确度达0.9,证明了BP人工神经网络评价注浆效果的可行性和准确性;最后运用MATLAB提出了一种基于BP人工神经网络的注浆效果智能化评价方法,并根据模型制作了简单的演示平台,实现了注浆效果评价的智能化与快捷化。

关键词：定向注浆效果评价机器学习 BP人工神经网络智能评价