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不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

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力学学报 2024年第4期56卷 1047-1056页

作者：李利萍胡学锦潘一山孙媛涛辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学灾害岩体力学研究所沈阳110036

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数... 详细信息

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

关键词：煤岩界面粗糙度煤岩块体超低摩擦效应声发射信号

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煤的冲击倾向性对深部煤岩界面超低摩擦效应影响研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1633-1642页

作者：李利萍胡学锦潘一山李明会辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学灾害岩体力学研究所辽宁沈阳110036

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低... 详细信息

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低摩擦效应强度,开展了应力波扰动下不同冲击倾向性煤块超低摩擦试验。研究结果表明:(1)超低摩擦效应强度受扰动频率影响存在频率显著影响区,强、弱、无冲击倾向性煤块频率显著影响区分别为2.5~3.5 Hz、2.0~3.0 Hz、1.5~2.5 Hz,频率显著影响区内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。随着煤块冲击倾向性增强,频率显著影响区域整体右移。(2)超低摩擦效应强度与扰动幅值正相关,在高强度扰动下强冲击倾向性煤更易发生超低摩擦效应。(3)建立了有效弹性能释放速率指数与动能之间的拟合函数关系式,实现了用煤的冲击倾向性指标综合评价超低摩擦效应强度。

关键词：应力波扰动煤岩块体冲击倾向性煤岩界面超低摩擦效应

跨煤岩界面穿层压裂裂缝动态扩展特征试验研究

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岩土力学 2024年第3期45卷 737-749页

作者：李浩哲姜在炳范宗洋庞涛刘修刚煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

针对跨煤岩界面穿层压裂裂缝动态扩展过程,采用相似材料制作煤岩组合体试件,开展三点弯曲试验、真三轴水力压裂物理模拟试验,分别结合数字散斑技术、声发射监测技术,捕捉裂缝的动态扩展特征,分析裂缝扩展形态及影响因素。结果表明:三点... 详细信息

针对跨煤岩界面穿层压裂裂缝动态扩展过程,采用相似材料制作煤岩组合体试件,开展三点弯曲试验、真三轴水力压裂物理模拟试验,分别结合数字散斑技术、声发射监测技术,捕捉裂缝的动态扩展特征,分析裂缝扩展形态及影响因素。结果表明:三点弯曲试验中裂缝可从顶板直接进入煤层,裂缝在界面处未转向,增大预制裂缝长度试件断裂所需的峰值应力降低;真三轴水力压裂试验条件下,由于煤层塑性强,顶板内裂缝高度、长度均大于煤层,顶板内声发射事件比例高于煤层;在裂缝穿层扩展的前提下,增大水平井与煤层顶面距离会导致裂缝穿层扩展时间延长,提高压裂液注入排量可增大裂缝进入煤层的穿透深度,但是易导致缝高失控、缝长降低,提出采用变排量压裂施工,初期压裂液大排量注入促使裂缝纵向穿层,随后降排量促进裂缝在顶板和煤层内横向延伸;多裂缝同步起裂时缝间存在竞争扩展现象,部分裂缝可能无法穿层扩展。研究成果可为掌握裂缝跨煤岩界面穿层扩展特点、优化设计压裂施工参数提供理论支撑。

关键词：煤岩界面穿层压裂动态扩展数字散斑声发射

矿井煤岩界面探测天线及智能升降支架系统开发及应用

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金属矿山 2024年

作者：陈令洲郭爱军关丙火张迪许献磊中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院国能神东煤炭集团有限责任公司煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室

地质雷达在矿井地质构造及灾害源探测中得到了广泛应用，常规地面耦合式地质雷达天线需要贴近探测面进行作业，受限于复杂矿井环境，难以在工作面上进行快速连续测量，也无法满足煤岩界面随采实时探测的需求。为此，通过对矿井非接触式... 详细信息

地质雷达在矿井地质构造及灾害源探测中得到了广泛应用，常规地面耦合式地质雷达天线需要贴近探测面进行作业，受限于复杂矿井环境，难以在工作面上进行快速连续测量，也无法满足煤岩界面随采实时探测的需求。为此，通过对矿井非接触式煤岩界面探测天线及智能升降支架系统进行研究，开发了矿井煤岩界面探测天线及智能升降支架系统。通过优化TEM天线辐射面和加载屏蔽装置，开发了一种适用于煤岩界面探测的1 500 MHz空耦地质雷达天线，相对带宽可达553 MHz，主瓣增益11.53 dBi；设计了一种智能升降支架，可实现在矿井综采工作面随采高及煤层倾角变化，实时自适应调节空耦天线位置姿态，满足其在矿井复杂环境下的应用需求。试验结果表明：该矿井煤岩界面探测天线可实现对煤岩界面的非接触式探测，在1 m范围内探测煤岩界面位置平均误差为±1.2 cm，平均误差百分比为8.4%，为矿井智能化开采提供了技术支撑。

关键词：煤岩界面地质雷达天线非接触式探测智能升降支架高精度

深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究

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力学学报 2023年第3期55卷 686-698页

作者：李利萍余泓浩张海涛潘一山辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学环境学院沈阳110036

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程,期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化,同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征.为定量描述煤岩界面能量转化规律,引入量纲分析法... 详细信息

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程,期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化,同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征.为定量描述煤岩界面能量转化规律,引入量纲分析法,实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数,给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式.以沈阳红阳三矿为研究对象,通过实验研究和工程实际相结合,定义了冲击动能转化率新指标,验证了所建模型可靠性,定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律.研究结果表明:深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低,随冲击载荷频率增大而线性增加.深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧,当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时,深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms~41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应.首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应.结合实验和工程实际分析发现,能耗比实验结果均值为0.441,红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488,两者较为接近,进一步证明所建模型合理性.

关键词：时变力学模型煤岩界面超低摩擦效应量纲分析摩擦系数摩擦力

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含软弱夹层煤岩界面超低摩擦效应试验研究

岩石力学与工程学报 2023年第7期42卷 1638-1649页

作者：李利萍余泓浩张海涛潘一山辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036

为揭示动载扰动作用下煤岩界面软弱夹层特性对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自制煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿煤层和砂岩顶底板为研究对象,将煤粒、砂岩粒和煤砂粒铺置于煤岩界面,通过改变软弱夹层介质、厚度、粒径模拟... 详细信息

为揭示动载扰动作用下煤岩界面软弱夹层特性对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自制煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿煤层和砂岩顶底板为研究对象,将煤粒、砂岩粒和煤砂粒铺置于煤岩界面,通过改变软弱夹层介质、厚度、粒径模拟不同软弱夹层特性,以煤块为工作块体,利用其水平位移表征超低摩擦效应强度,进行煤岩界面不同软弱夹层特性对煤岩块体超低摩擦效应影响试验。研究结果表明:(1)垂直扰动幅值与超低摩擦效应强度呈线性增加关系。垂直扰动频率与超低摩擦效应强度间关系存在显著影响区。煤岩界面无软弱夹层时,垂直扰动频率为1~4 Hz时存在显著影响区;煤岩界面含软弱夹层时,垂直扰动频率为1~6 Hz时存在显著影响区。显著影响区范围内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。(2)垂直冲击扰动频率和幅值一定时,含软弱夹层煤岩界面发生超低摩擦效应强度分别为干摩擦和胶结煤岩界面的2.25和8.84倍。煤岩界面含煤粒、砂粒和煤砂粒软弱夹层时,随扰动幅值增加超低摩擦效应强度平均增幅分别为33.5%,57.1%,42.4%。(3)煤岩界面含软弱夹层、夹层厚度(5 mm)越大、夹层粒径(20~35目)越小时,煤岩界面更易发生超低摩擦效应。(4)结合红阳三矿超低摩擦型冲击地压事故实例分析,表明含软弱夹层煤岩界面更易发生煤体失稳,从而诱发超低摩擦型冲击地压。

关键词：岩石力学煤岩界面软弱夹层超低摩擦效应煤岩块体

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水平井煤岩界面方位电磁波测井仪器探测性能

煤田地质与勘探 2022年第2期50卷 140-149页

作者：张意康正明冯宏韩雪李飞李新煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077 西安石油大学电子工程学院陕西西安710065 中国石油集团测井有限公司陕西西安710077 中国石化石油工程技术研究院北京100101

煤岩界面的预先、精准识别是实现智能化开采,提高开采效率和降低成本的关键技术之一,方位电磁波测井已在石油测井岩性界面识别中获得较好效果,但对煤岩界面识别情况的研究较少。为了研究方位电磁波在煤田测井环境中的适用性和探测性能,... 详细信息

煤岩界面的预先、精准识别是实现智能化开采,提高开采效率和降低成本的关键技术之一,方位电磁波测井已在石油测井岩性界面识别中获得较好效果,但对煤岩界面识别情况的研究较少。为了研究方位电磁波在煤田测井环境中的适用性和探测性能,使用一维广义反射系数法计算磁场分量,并使用快速Hankel变换加快积分计算速度,模拟线圈系组合方式、频率、源距、线圈系半径、电阻率对比度、发射电流和电阻率各向异性对煤田方位电磁波测井响应的影响。结果表明:方位电磁波测井仪器能够分辨煤岩界面,对煤岩界面识别具有较大的应用潜力。线圈系半径和发射电流主要影响仪器响应信号的大小;在一定电阻率对比度范围内,幅度比和相位差在界面附近的幅值随电阻率对比度增大而增大,高阻地层电阻率各向异性对幅度比和相位差影响较小;仪器发射频率、源距、电阻率对比度同时影响方位信号最大探边深度。

关键词：方位电磁波测井煤岩界面水平井正演模拟

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基于图像的煤岩界面识别技术研究

煤炭工程 2022年第1期54卷 128-132页

作者：张释如张艳花西安科技大学通信与信息工程学院陕西西安710054

由于矿井的环境复杂、煤岩赋存条件不同,使得煤岩界面识别成为国际上的一大难题。文章从煤炭开采对煤岩界面识别的需求出发,简述了基于图像的煤岩界面识别技术的研究现状,并对各类方法的适应条件进行分析。提出将基于图像的三维建模方... 详细信息

由于矿井的环境复杂、煤岩赋存条件不同,使得煤岩界面识别成为国际上的一大难题。文章从煤炭开采对煤岩界面识别的需求出发,简述了基于图像的煤岩界面识别技术的研究现状,并对各类方法的适应条件进行分析。提出将基于图像的三维建模方法和关注煤与岩石不同介电特性的方法相结合,对煤岩界面进行纵向可视化,从而更加高效地控制采煤机头的运动。最后,探讨了煤岩界面识别技术的潜在应用,并指出摄像头安装位置的重要性。

关键词：模式识别煤岩界面三维建模图像处理

基于图像信息挖掘的采煤机煤岩界面识别方法研究

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基于图像信息挖掘的采煤机煤岩界面识别方法研究

作者：杨宇博太原理工大学

学位级别：硕士

煤岩界面识别方法的探索研究始终是国内外研究的热点和难点。到目前为止,已有20多种煤岩界面识别的技术被提出,这些方法虽取得一些成绩,但由于煤矿井下环境的复杂性和特殊性,许多方法存在识别精度低、适用范围窄等问题。随着机器视觉技... 详细信息

煤岩界面识别方法的探索研究始终是国内外研究的热点和难点。到目前为止,已有20多种煤岩界面识别的技术被提出,这些方法虽取得一些成绩,但由于煤矿井下环境的复杂性和特殊性,许多方法存在识别精度低、适用范围窄等问题。随着机器视觉技术的发展,基于图像识别的煤岩界面识别方法相关研究得到进一步发展,为实现煤岩界面的精准识别提供了一种新的思路。因此,针对从采煤工作面采集到的煤岩界面图像,本文从图像识别的相关理论入手,并在此基础上进行煤岩图像的识别研究。具体工作如下:(1)制作煤岩图像的数据集。目前,基于图像的煤岩识别相关研究处于初步阶段,缺少公开的煤岩图像数据集,本文利用防爆照相机从山西省长治市沁源县王陶乡东盛煤矿综采工作面获取了煤岩图像样本。由于井下条件恶劣,获取到的样本数量较少,本文利用多种方式对图像数据集进行了增广,并对增广后的图像进行了标注,构建了煤岩图像数据集。(2)设计适用于煤岩图像的特征提取方法和分类器选取方法,实现图像分类。本文叙述了图像分类的一般流程,对煤岩图像数据集进行图像预处理操作,采用GLCM方法提取了煤岩图像的纹理特征,分别选取KNN、RF和BP神经网络作为分类器,将提取到的特征向量输入分类器中进行训练,实现煤岩图像分类。(3)设计了基于深度学习的煤岩图像分类网络模型。针对多种不同的深度学习网络做对比实验,如VGG16、Res Net50、Mobile Net V2和Efficient Net V2,结合迁移学习对网络进行训练,并在本文煤岩数据集上进行了验证。结果表明,较其他模型,Efficient Net V2模型具有更优的性能。(4)设计了一种基于Trans U-Net的煤岩界面图像语义分割方法。通过引入CNNTransformer的组合结构取代了原先U-NET结构中编码器的部分。利用pytorch深度学习框架,在煤岩图像分割数据集上,与FCN、U-Net和U-Net++网络模型进行了对比实验。实验结果验证了Trans U-Net在煤岩图像分类上的有效性和优越性。

关键词：煤岩界面图像识别深度学习 TransU-Net