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煤炭学报 2024年

作者：于小鸽罗文娜徐东晶项杰涛张宁山东科技大学地球科学与工程学院山东能源新矿集团翟镇煤矿

在近断层煤层开采中，断层活化沟通含水层时常诱发矿井突水事故，影响煤矿安全生产，因此，合理留设防隔水煤岩柱的宽度对矿山断层突水的防治工作具有重要意义。《煤矿防治水细则》对各种情况下的断层煤岩柱的留设进行了详细的阐述，给... 详细信息

在近断层煤层开采中，断层活化沟通含水层时常诱发矿井突水事故，影响煤矿安全生产，因此，合理留设防隔水煤岩柱的宽度对矿山断层突水的防治工作具有重要意义。《煤矿防治水细则》对各种情况下的断层煤岩柱的留设进行了详细的阐述，给出了断层在导水情况下的煤岩柱留设计算公式，但是面对断层下复杂承压水的威胁，现有的防隔水煤（岩）柱计算公式还不够完善，计算结果还不够精确。为优化防隔水煤柱留设宽度问题，针对导水断层与煤层产状的空间关系及承压水的导水机制，结合承压水导升的水力学分析，根据恒定总能量方程建立了裂隙水流运动模型，分析断层导水过程中的渗流速度、压强与能量损失之间的关系，推导出承压水在断层通道内导升至任意位置的水压计算公式，进而对《煤矿防治水细则》中断层导水条件下的防隔水煤岩柱留设计算方式进行优化。以山东翟镇煤矿七采区近DF3断层待开采的F7202W工作面为工程实例，利用优化前后的公式计算煤柱留设宽度，对比计算结果表明：《煤矿防治水细则》原有计算公式没有考虑承压水导升的水压影响，将煤层底板水压理想化且根据煤层底板位置取水压估值，计算得出DF3断层煤岩柱尺寸为117 m。经优化后的计算方法结合七采区各工作面奥灰含水层实际突水数据，计算得出各工作面的稳定流速，根据奥灰含水层突水的最大稳定流速，利用优化公式计算防隔水煤柱尺寸为108 m。通过comsol multiphysics建立三维流-固耦合数值计算模型，模拟了翟镇煤矿F7202W工作面的开采过程，根据巷道应力和断层水压分布规律图及不同防隔水煤柱下的断层渗透率变化图，进一步论证了优化公式计算出的108 m煤柱宽度的安全性及合理性，且较《煤矿防治水细则》计算出的安全防隔水煤柱的尺寸缩短了9 m，增加了回采煤炭资源。研究成果可为矿井开采中不同承压水条件下断层防隔水煤岩柱留设宽度的精准计算奠定基础，为我国矿井防治水工作有效开展提供可靠依据。

关键词：导水断层防水煤岩柱留设承压水导升公式优化 comsol multiphysics模拟

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深井切顶自留巷自燃煤层采空区瓦斯灾害治理研究

深井切顶自留巷自燃煤层采空区瓦斯灾害治理研究

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作者：王静安徽建筑大学

学位级别：硕士

随着煤炭集约化程度的增加,许多矿井已逐渐进入到深井开采阶段,然而深井开采相比浅部开采会面临许多新的棘手问题,比如高地应力、高瓦斯、高地温“三高”现象的影响。瓦斯涌出量增大,同时深井高温、工作面风量增大、瓦斯抽采等引起的漏... 详细信息

随着煤炭集约化程度的增加,许多矿井已逐渐进入到深井开采阶段,然而深井开采相比浅部开采会面临许多新的棘手问题,比如高地应力、高瓦斯、高地温“三高”现象的影响。瓦斯涌出量增大,同时深井高温、工作面风量增大、瓦斯抽采等引起的漏风增大,采空区遗煤自燃危险性高。因此深部开采将面临防治瓦斯与遗煤自燃的双重挑战,为此必须要更加重视复合灾害的影响,而复合灾害的防治措施存在相互制约的影响容易陷入顾此失彼难以平衡的难题中。为了能有效合理地预防和防治自燃煤层下考虑采空区遗煤防治的深井工作面瓦斯治理难题,本文以朱集西煤矿110工法切顶自留巷千米深井工作面为例,理论分析和总结概括了瓦斯与遗煤自燃灾害相互影响关系和防治机理,以及各种具体防治措施在采空区的多场耦合影响关系,采取以防治自燃煤层瓦斯灾害为主,在此基础上研究瓦斯与煤自燃灾害的联合防治,构建了采空区数学物理模型,并利用软件编译了孔隙率、渗透性系数和瓦斯涌出源项。利用上述模型运用comsol软件对工作面不同风量配比、高位钻孔不同抽采量和层位、尾部埋管不同抽采距离和抽采量、惰性气体注入量、调整尾巷为辅助进风通风方式后回风隅角埋管抽采量和回风隅角埋管抽采情况下惰性气体注入量等治理措施时采空区瓦斯和氧气浓度场的变化规律进行了分析总结。可得到如下结果,工作面风量增大,采空区高浓度瓦斯和自燃带均向深部移动,进风隅角侧移动最为明显,选择以运输巷1500m/min、轨道巷600m/min作为现场工作面指导风量;高位钻孔抽采治理采空区瓦斯效果明显,但大流量抽采会增加采空区自燃带区域,留巷回风侧和中部采空区变化相对明显,因此要控制流量抽采并加强留巷挡矸墙封堵;尾抽应在距离工作面100m以上抽采,此时对于工作面漏风和采空区自燃带影响不大,仅对于留巷抽采口附近影响较大,可通过控流量抽采和加强挡矸墙的封堵来降低此负面影响;在进风侧采空区距工作面40m注惰性气体时,进风侧和中部采空区防灭火效果最为明显,但会有部分瓦斯被挤向工作面,需要适量搭配高位孔抽采防止瓦斯涌出;改通风方式后,采空区氧化带区域明显减小,有利于采空区遗煤防治,但由于回风隅角成为新的采空区能位最低处和漏风汇,高浓度瓦斯更易外溢至留巷风流和涌向工作面,因此瓦斯治理和挡矸墙封堵更为重要;回风隅角插管抽采对于回风隅角瓦斯灾害治理效果很好,中部采空区和回风侧自燃带增加幅度相对较大,需注意避免大流量抽采引起回风隅角附近漏风和采空区自燃带增大;回风隅角抽采量为35 m/min时,随注氮量增大,高浓度瓦斯逐渐向深部移动,综合考虑工作面氧浓度安全和采空区防灭火效果,考虑注入量为10m/min时效果较好,同时做好气体参数监测工作。以数值模拟的研究结果为依据,结合朱集西煤矿13403工作面瓦斯与遗煤防治的实践,对工作面各种瓦斯治理和防灭火措施及其综合治理效果进行了分析,呈现出与模拟结果较好的一致性。主要体现在工作面风量回采初期至回采373m选择1500m/min风量为进风量,后结合工作面瓦斯不超限和采空区防灭火调整风量为1200m/min;高位钻孔、尾部埋管、留巷插管等在瓦斯可控条件下控制抽采流量,降低了抽采导致的漏风增加影响;留巷插管选择在距离工作面100m后开启引导瓦斯向深部转移;进风侧施行垛袋封堵减少进风侧漏风和对挡矸墙实行动态封堵策略;改通风方式后瓦斯抽采效果增加和防火难度降低等方面。通过模拟与实践的相互印证,以期提升我们对深井切顶自留巷考虑采空区遗煤防治的瓦斯治理灾害认识水平,为以后自燃煤层采空区瓦斯灾害的预防治理提供参考。图43;表5;参56

关键词：瓦斯治理切顶自留巷 comsol multiphysics模拟复合灾害通风系统调整

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脉冲激光去除Q345钢表面锈蚀的技术研究

脉冲激光去除Q345钢表面锈蚀的技术研究

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作者：马明亮山东大学

学位级别：硕士

工程机械装备长期服役于恶劣的工作环境,表面的锈蚀氧化物严重影响零部件的使用寿命和安全系数,因此,有效去除材料表面的氧化物层对于机械装备的保养和维护至关重要。传统除锈工艺包括:机械打磨、喷丸喷砂处理、化学清洗以及高压水射流... 详细信息

工程机械装备长期服役于恶劣的工作环境,表面的锈蚀氧化物严重影响零部件的使用寿命和安全系数,因此,有效去除材料表面的氧化物层对于机械装备的保养和维护至关重要。传统除锈工艺包括:机械打磨、喷丸喷砂处理、化学清洗以及高压水射流清洗等,但存在对基体损伤大、污染严重、操作不便等问题,不符合绿色化清洗的发展趋势。激光清洗技术作为一种新型的清洗手段,凭借其绿色环保、非接触式清洗、操作方便以及适用范围广等优势,逐渐应用多个领域,如:工程机械、航空航天、文物保护以及轮胎模具等。本文针对工程机械中常用材料Q345钢表面的锈蚀氧化物开展激光清洗研究。首先通过表面附着污物的物理化学性质分析,建立了氧化物的分层清洗模型;其次,基于分层模型,分析了激光能量的传递过程和清洗机理,并借助comsol multiphysics软件,建立了氧化物的单次去除量预测模型;最后,通过探究不同参数对材料表面性能和清洗效率的影响规律,进行清洗工艺参数优化,为激光清洗技术在工业领域的应用提供理论指导与技术参数。1.本文对脉冲激光的相关参数及污物的基本性质进行分析。首先分析了脉冲激光的光学特性,包括输出光束的质量、激光的吸收效应等。基于不同的清洗路径和光束分布情况,建立了清洗沟槽的轮廓模型,用于指导实际清洗过程。通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）分析了锈蚀氧化物的表面微观形貌、化学元素含量和化合物组成,得出氧化物的分层结构:Fe2O3、Fe3O4以及Fe基体,并采用积分球反射法测量出各层材料的激光吸收率分别为:58.6%、53.8%以及35.0%。2.基于氧化物的分层清洗模型,进行激光清洗机理分析并建立氧化物的单次去除量预测模型。通过锈蚀氧化物的性质分析,建立了氧化物的分层清洗模型,并分析了激光能量的传递过程和主要的清洗机理。借助comsol multiphysics软件定性分析了不同激光参数对各层材料温度场分布的影响,同时设计中心复合试验,得出了 Fe2O3、Fe3O4关于激光峰值功率密度和扫描速度的单次去除量预测模型H1、H2,并推导出同时去除Fe2O3和Fe3O4的预测模型H3。结合试验验证,证明激光清洗机理主要为烧蚀去除机理和热应力去除机理,单次去除量预测模型有效。3.针对工程机械材料表面关键性能（表面粗糙度、显微硬度、抗腐蚀性能等）和清洗效率开展工艺参数优化。以激光功率、重复频率（脉冲宽度）以及光斑搭接率为变量,综合考虑各参数对性能和清洗效率的影响规律,得出最佳工艺参数为:激光功率280W、重复频率10kHz（脉冲宽度84ns）以及光斑搭接率70%。基于最优工艺参数,材料表面氧元素含量最低,清洗效率最佳,同时表面粗糙度较低。相比于原件,显微硬度提升60%,抗腐蚀性能提升62.9%。

关键词：激光清洗分层模型 comsol multiphysics模拟去除量预测模型参数优化

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中子管发热特征研究

中子管发热特征研究

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作者：韩靖卜西京学院

学位级别：硕士

中子管最有效益的应用是中子测井,石油测井用的小直径中子管需要在175摄氏度的高温环境中正常工作数小时,中子管内部的真空状态和外部的高温环境为其正常工作带来了挑战。真空状态使中子管内部产生的热量不易扩散,长时间工作会影响中子... 详细信息

中子管最有效益的应用是中子测井,石油测井用的小直径中子管需要在175摄氏度的高温环境中正常工作数小时,中子管内部的真空状态和外部的高温环境为其正常工作带来了挑战。真空状态使中子管内部产生的热量不易扩散,长时间工作会影响中子管的寿命和产额。随着近年来钻井深度的不断提高,又对其使用的环境温度提出了更高的要求,因此研究中子管发热特征,寻找改善和提高其耐高温能力的方法显得非常必要。然而目前对中子管发热特征的全面分析研究较为缺乏。本研究通过借助西安冠能中子探测技术有限公司(以下简称冠能公司)的地下实验室,对直径25mm的中子管进行了高温打靶实验,获得了其靶端外侧的最高温度。同时借助于Solid Works、comsol multiphysics两款软件对中子管进行几何建模和仿真模拟,利用实验结果进行对比分析,对仿真模型进行检验、修正和优化。本研究包括以下几个方面:(1)理论方面:对中子管的几何结构特征和工作原理进行分析,获得了中子管的发热机制和各个部分热源功率大小。其中中子管的发热源包括:离子轰击靶面沉积的热量;零件表面上沉积的热量;气体存储器灯丝、阳极、靶上产生的焦耳热。靶面上核反应产生的热量太小可以忽略。利用各个零件的输入电功率,得到其相应的发热功率,从而建立等效的发热模型,为模拟仿真提供建模依据。(2)实验方面:依托冠能公司地下实验室在双层真空玻璃油罐中进行中子管温度实验研究,通过Pt100温度传感器测量油桶绝缘油温度,当油温达到稳定状态后进行打靶实验。将测温纸贴于中子管靶端外侧来获得其最高温度,经过2小时的连续高温打靶后观察测温纸颜色变化。实验结果表明,最高温度达到了193-199摄氏度。(3)仿真模拟:利用Solid Works软件搭建三维建模,并将重要数据进行参数化设置。接着将模型导入comsol multiphysics物理场仿真软件中,分别对材料、物理场、网格、研究等节点下的相关数值进行设置。利用该软件的固体传热模块,设置相应的发热参数和环境温度,进行模拟仿真,得到其温度分布特征。结果显示,在175摄氏度的环境下,中子管连续打靶2小时后的靶面温度接近220摄氏度,靶端外测温度接近200摄氏度,这一结果与实验一致。本研究旨在揭示中子管在不同环境温度下长时间工作后的发热特性及温度分布特性。研究结果表明最高温度在靶面,并进一步获得了不同环境温度下,连续打靶后的靶面温度与打靶时间之间的关系。其结果为中子管在不同温度环境中的工程应用提供了指导。

关键词：中子管温度分布 comsol multiphysics模拟

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深部矿井开采过程中的多场耦合特征

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山东煤炭科技 2021年第3期39卷 159-162页

作者：徐百超山东科技大学山东青岛266590

为了研究深部矿井开采过程中的多场耦合特征,通过comsol multiphysics软件建立数学模型,模拟了煤层开挖过程中各物理场的变化,分析了各物理场之间的相互作用关系。

关键词： comsol multiphysics模拟煤层开挖多场耦合

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高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究

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安全 2020年第8期41卷 43-47,52页

作者：秦俊宾范涛李全贵李延召郑强河南省三软煤层开采工程技术研究中心河南郑州450007 河南省新郑煤电有限责任公司河南新郑451100

为了掌握赵家寨煤矿二1煤层采空区自然发火规律,论文以赵家寨煤矿二1煤层12205工作面为研究对象,采用现场测试、理论研究和数值模拟研究相结合的研究方法,研究不同进风量情况下采煤工作面采空区的氧气浓度场,划分了采空区自然发火“三... 详细信息

为了掌握赵家寨煤矿二1煤层采空区自然发火规律,论文以赵家寨煤矿二1煤层12205工作面为研究对象,采用现场测试、理论研究和数值模拟研究相结合的研究方法,研究不同进风量情况下采煤工作面采空区的氧气浓度场,划分了采空区自然发火“三带”。研究结果表明:工作面回风侧开切眼以里0~6m为散热带,6~26m为氧化升温带,大于26m为窒息带,氧化升温带宽度为20m;随着工作面供风量的增加,采空区散热带、氧化升温带、窒息带整体向采空区深部移动,且氧化升温带的范围呈现扩大趋势。研究结果对类似郑州矿区二1煤层的矿井自然发火具有重要指导意义。

关键词：煤自燃三带 comsol multiphysics模拟氧气浓度场采空区高地温

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双被保护层卸压效果数值模拟研究

双被保护层卸压效果数值模拟研究

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皖赣湘苏闽鲁浙七省煤炭学会联合学术交流会

作者：陈滔赵鹏涛黄渊跃刘趸业湖南省煤炭科学研究院有限公司

为完善金竹山矿业有限公司某矿的保护层开采研究,基于该矿23采区将2煤作为3、5煤的保护层的情况,通过comsol multiphysics软件首次建立双被保护层模拟模型,重点研究双被保护两个层的卸压效果在不同保护层开采宽度下的变化情况,得出两个... 详细信息

为完善金竹山矿业有限公司某矿的保护层开采研究,基于该矿23采区将2煤作为3、5煤的保护层的情况,通过comsol multiphysics软件首次建立双被保护层模拟模型,重点研究双被保护两个层的卸压效果在不同保护层开采宽度下的变化情况,得出两个被保护层的最大倾向卸压角分别为80.54°和79.5°,最大走向卸压角分别为86.19°和79.51°,最大倾向膨胀变形率分别为1.125%和0.5%,最大走向膨胀变形率分别为12.5‰和5‰,研究结果可为该矿井保护层开采的效果考察和双被保护层的卸压瓦斯抽采提供参考依据。

关键词：双被保护层卸压角膨胀变形率 comsol multiphysics模拟

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