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一种新型煤与瓦斯突出物理模拟系统研制与应用

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 327-339页

作者：刘永茜霍中刚李宏艳舒龙勇孙中学汪东刘学史兴旺煤炭科学技术研究院有限公司煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)

物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一。研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统，旨在借助现有先进监测技术和装备，结合具体瓦斯地质模拟条件，开发出先进的实验设计方案，实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现... 详细信息

物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一。研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统，旨在借助现有先进监测技术和装备，结合具体瓦斯地质模拟条件，开发出先进的实验设计方案，实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现象模拟，助推煤与瓦斯突出机理研究。本模拟系统由应力加载子系统、实验箱体子系统、动力牵引子系统、气压控制子系统、诱突装备子系统、模拟巷道子系统和测控子系统7部分构成，在各个子系统设计过程中都不同程度地实现了技术方法提升，整个系统形成了标志性创新成果。模拟系统有如下特点：(1)完善了三轴同步连续非均匀加载技术装备的高载荷加/卸载功能。试件加载由X、Y和Z方向的10个独立压头完成，试件尺寸为400 mm×400 mm×1 200 mm，载荷强度最大25 MPa，最大密闭气压6.0 MPa，上述10个压头中的任意个体可根据指令独立或同步完成行程内的加/卸载任务，并实现了水平应力分层加卸载。(2)形成了系统制样、装样、密封、加载一体化工艺。实验箱体为新型分体式结构，由动力牵引系统辅助实验箱体完成试件成型、应力加载和模拟材料搬运，且箱体结构平移量控制精准。(3)集成多种诱突技术于同一模拟平台，完成了包括箱体、突出窗口等多项技术装备功能创新，完成了动力诱突、二级爆破片联动诱突、变径钻进诱突等多种诱突技术及装备研制，且在动力诱突和变径钻进诱突技术装备上实现了原始创新，并经过了实验模拟验证。(4)实现了关键装置结构体的设计创新。双层钢板箱体缓解了同步加载的应力集中并提高箱体结构气密性，突出口的内腔设计提高了诱突效率，模拟巷道端头结构与管道“软包硬”结构设计提高了系统安全性，变径钻头结构实现了Rouleauxs triangle理论的工程化应用。(5)多元信息监测及数据融合实现了模拟测试的精准化。采用了先进的数据采集系统(应力、气压、温度等数据)和包括声发射、高速摄像机等监控技术装备，实现了煤与瓦斯突出的多元数据精准监测。(6)工程案例模拟证实了系统应用的可靠性。通过平煤“3·22”突出案例模拟，完成了系统功能的整体检验，并发现了突出过程中断层构造对地应力、气体压力和温度的影响规律，证实了本物理力学模拟系统性能可靠，可为煤与瓦斯突出机理研究提供平台支撑作用。

关键词：煤与瓦斯突出物理模拟地质构造诱突技术控制系统装备研制

煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 219-237页

作者：王洪磊郭鑫张亦凡张俊升煤炭科学研究总院有限公司智能矿山研究院北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击... 详细信息

当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击穿光谱法(LIBS)及其与其他光谱联合的多光谱联用技术为代表的光谱学技术的基本原理、优缺点、研究进展与工业应用情况和以图像分析为代表的人工智能煤质煤量检测方法。然后,基于不同技术的工业应用情况进行问题梳理,分析实时煤质煤量在线检测技术在工业应用中的技术局限性,包括:基于技术原理的探测精度问题;由复杂环境因素引用的设备稳定性问题;基于大量数据处理的算法分析问题;煤炭全产业链应用的技术适用与灵活性问题。最后,对未来煤质煤量全面分析及在线检测技术提出4点发展建议:结合地质条件的煤质在线检测技术研究;工业化多光谱联用技术研究;光谱学与图像分析技术联用煤质煤量全面分析技术研究;智能化在煤质煤量实时检测的深入应用研究。智能化煤质煤量全面分析及在线检测装备研发需多学科共同努力,基于煤岩学、光谱学、仪器仪表工程、数据处理和模式识别、人工智能和机器学习等多学科科学技术,建立工业应用场景-煤质煤量参数-实际应用指导数据库,是实现智能化煤质煤量在线检测,掌握和预测全面煤质煤量信息的重要发展方向。

关键词：煤矿智能化煤质煤流量激光诱导击穿光谱分析法图像分析与机器视觉

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煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 164-176页

作者：孙四清杨帆郑玉岐张庆利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

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得... 详细信息

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

关键词：煤层瓦斯含量定点取样密闭取样碎软煤层硬煤

煤及燃煤产物中稀土元素的分布赋存特征研究进展

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 269-282页

作者：邢艳阳丁华白向飞何金煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院北京100013 国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室北京100013

稀土元素因其特殊的性质被广泛用于永磁、冶金、储氢材料等领域,消费量逐年递增。我国是稀土元素储量大国,至2020年我国稀土元素矿产量在世界占比逐年下降,近几年有所回升,但仍需要寻找和开发其他可作为稀土元素供应源的材料。煤作为一... 详细信息

稀土元素因其特殊的性质被广泛用于永磁、冶金、储氢材料等领域,消费量逐年递增。我国是稀土元素储量大国,至2020年我国稀土元素矿产量在世界占比逐年下降,近几年有所回升,但仍需要寻找和开发其他可作为稀土元素供应源的材料。煤作为一种有机矿产,形成过程中可富集稀土元素。深入认识煤中稀土元素含量及赋存状态对后续研究其燃烧产物中稀土元素赋存和提取回收具有重要意义。国内外学者分时代、地区、煤级研究煤中稀土元素含量,对煤及其燃烧产物中的稀土元素赋存状态研究进行总结,并初步认识到我国煤及其燃烧产物中的稀土元素分布赋存特征。目前研究表明,中国煤中的平均稀土元素含量是世界煤中的平均稀土元素含量的两倍;晚二叠世时期煤中稀土元素相对富集;煤中稀土元素主要以硅酸盐态存在。稀土元素性质稳定,经过燃烧后可在燃煤产物中明显富集,主要富集在非磁性的细飞灰颗粒中。对于煤中稀土元素含量的统计应综合考虑样品来源矿区的覆盖率、样品处理方式、微量元素测试方式等因素,以提高统计数据的代表性和准确性。综合直接观测、表征测试方法、逐级化学提取法及数理统计方法以推测得到较为可靠的赋存状态。我国煤炭消费量可观,能源供应以火力发电为主,燃煤产物产量巨大,煤中稀土元素至燃煤产物中可得到几十倍的富集,探明电厂燃煤产物中稀土元素富集分布规律,结合其提取的难易程度提出对应的回收工艺,以实现对燃煤产物资源化利用。

关键词：煤稀土元素赋存状态燃煤产物富集行为

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煤矿采动应力演化与围岩控制

岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 1-40页

作者：康红普高富强中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

应力是引起采矿工程地下空间围岩变形与破坏的根本驱动力,大范围、高集中应力是煤矿井下采动应力的显著特点。煤矿井下应力场包括原岩应力场、采动应力场及支护应力场,三者共同构成井下综合应力场。以应力为主线,论述煤矿井下围岩应力... 详细信息

应力是引起采矿工程地下空间围岩变形与破坏的根本驱动力,大范围、高集中应力是煤矿井下采动应力的显著特点。煤矿井下应力场包括原岩应力场、采动应力场及支护应力场,三者共同构成井下综合应力场。以应力为主线,论述煤矿井下围岩应力演化特征及围岩控制理论与技术。在原岩应力方面,基于大量现场地应力测量数据,详细分析我国煤矿井下地应力场分布特征及影响因素。在采动应力方面,采用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场监测相结合的方法,从多个维度综合研究掘进工作面与巷道围岩应力的演变过程,分析采煤工作面周围的采动应力演化特征及主要影响因素。在支护应力方面,自主研发一系列巷道支护测试及模拟试验平台,系统开展锚杆及护表构件在多种复杂受力状态下的测试试验,揭示它们的力学响应特征及破坏机制。深入研究各种支护方式在支护结构自身及围岩中产生的支护应力场分布特征及演化规律。在研究原岩应力、采动应力及支护应力的基础上,分析围岩表面支护、锚固、改性、卸压及联合法的围岩控制机制、设计方法、支护加固材料及控制技术。应用实例重点介绍水力压裂卸压技术、支护+改性+卸压协同控制技术,井下试验与应用表明,基于采动应力演化的围岩控制技术显著提高了巷道围岩稳定性和安全程度,取得良好的围岩控制效果。最后,分析煤矿井下应力场研究及巷道围岩控制中存在的问题,并对未来围岩应力测试与分析、围岩控制理论与技术发展趋势进行展望。

关键词：采矿工程煤矿原岩应力采动应力支护应力应力演化围岩控制

原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 74-86页

作者：雷国荣李春元齐庆新王嘉敏杜伟升李向上何团煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院北京100013

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层... 详细信息

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征;结合CT扫描及三维重构技术,应用煤岩灰度分布频数数据,提出了不同层位CT灰度均值的计算方法,获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律,建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系;构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型,并应用测试数据进行了对比验证。结果表明:①含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关,随层理倾角增加,组合体的纵波波速近似线性减小,而波速比的分布范围增大;②不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关,随CT灰度均值增高,煤岩组合体波速线性增加;③煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高,其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系,并随CT灰度均值增高趋于增大;④层理倾角与煤岩含量相比,组合体波速对煤岩含量的敏感性更高,煤岩含量相近则波速受层理倾角响变化最大。

关键词：煤岩组合体层理倾角超声波 CT扫描波速灰度

坚硬主控覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度机制研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S01期43卷 3363-3373页

作者：张玉军肖杰李友伟宋业杰煤炭科学研究总院开采研究院北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验北京100013

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的... 详细信息

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的情况下控制采动导水裂缝带发育高度的低损害开采技术构想。采用相似模拟,理论分析和数值模拟分析相结合的研究方法探究预裂弱化坚硬主控岩层控制导水裂缝带发育高度作用机制,并根据数值模拟结果提出含水层下坚硬覆岩预裂层位确定方法。研究结果表明:坚硬岩层相较于软弱岩层采动破断块度较大,采动破坏后整齐堆积于采空区,采动破坏膨胀量较小;不同层位坚硬岩层预裂弱化条件下采动响应存在显著差异,因此预裂层位选择将直接决定预裂弱化控制导水裂缝带高度效果;数值模拟结果显示中位岩层预裂和中、低位岩层同时预裂时导水裂缝带发育高度控制效果较好。研究成果为含水层下煤炭资源安全、高效和绿色开采提供了新的技术途径。

关键词：采矿工程导水裂缝带控制预裂弱化坚硬主控岩层水害防治水资源保护

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煤矿用钻孔机器人钻臂定位误差补偿研究

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 153-163页

作者：梁春苗姚宁平姚亚峰彭涛中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 煤炭科学研究总院北京100013

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻... 详细信息

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻臂运动学模型;通过对加工误差、机身变形、装配间隙等影响因素分析,发现采用回转减速器蜗轮蜗杆结构间隙会引起倾角和方位角误差放大,并在机身平时会引起倾角和方位角误差最大达0.85°;为消除误差,首先采用传统钻臂运动学误差补偿方法建立了钻臂静、动态误差补偿模型,利用全站仪测试关节间隙和变形量,基于补偿模型和RBF神经网络法求逆解得到误差补偿量,钻臂期望位姿与实际位姿误差的x方向平均误差为9.6 mm,y方向平均误差为18.2 mm,z方向平均误差为16 mm,满足工程应用要求;其次为解决传统全站仪试验测量的方法的复杂性和非实时性问题,提出了一种通过激光测距仪和高精度开孔定向仪组合获得位姿误差检测的方法,通过测距实时计算实际和理论倾角、方位角差值,作为误差补偿后的新倾角和方位角的控制输入量,对钻臂进行实时误差检测与补偿;最后利用传统全站仪精度检测方法对激光测距组合位姿误差补偿模型进行验证。试验表明:激光测距组合定位误差检测法最大误差差值在±0.5°以内,方位角最大误差在±0.5°以内,比未采用误差补偿前分别提高了41.1%和37.5%,满足了钻孔机器人开孔定位误差要求。在煤炭行业开展了钻孔机器人钻臂在线精确定位与误差补偿研究,对钻孔机器人精确自动开孔定位及孔群全自动施工具有重要的借鉴和指导意义。

关键词：钻孔机器人钻臂定位运动学模型位姿误差检测误差补偿模型煤矿

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固废基质煤矸石混凝土抗压性能与微观表征

洁净煤技术 2024年第S2期 216-222页

作者：范东林国能神东煤炭技术研究院

为了加快煤矸石的资源化利用，满足碳中和的战略要求，利用碱激发原理制备固体废弃物胶凝煤矸石道路稳定材料。本研究对差异条件下的固废基质胶结煤矸石混凝土稳定材料开展了单轴压缩试验测试，借助SEM、EDS与XRD从微观层面探析了煤矸... 详细信息

为了加快煤矸石的资源化利用，满足碳中和的战略要求，利用碱激发原理制备固体废弃物胶凝煤矸石道路稳定材料。本研究对差异条件下的固废基质胶结煤矸石混凝土稳定材料开展了单轴压缩试验测试，借助SEM、EDS与XRD从微观层面探析了煤矸石混凝土材料的结构特征。结果表明：随着用碱量的增加，试样抗压强度逐渐增大；随着水胶比的增大，试样抗压强度呈现先增后减的变化趋势；随着骨胶比的增大，试样抗压强度呈现先升后降的变化趋势；当用碱量为7%、水胶比为0.4、骨胶比为0.8时，固废基质胶结煤矸石混凝土稳定材料的抗压强度达到最大；依据微观试验发现，养护至28 d时，固废基质在碱性环境下反应生成的无定形态生态胶凝聚合产物充填在煤矸石散体骨架颗粒之间，大量的聚合产物堆积形成蜂窝网状拓扑结构。研究结果可为煤矸石混凝土在井下巷道铺筑巷道底板提供理论依据。

关键词：地质聚合物煤矸石抗压性能微观结构