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浅埋复合采空区覆岩采动裂隙分区特征及其治理技术

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煤炭科学技术 2024年

作者：汪北方吕元昊张晶辽宁工程技术大学鄂尔多斯研究院辽宁工程技术大学矿业学院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室山东科技大学山东省矿山灾害预防控制重点实验室辽宁工程技术大学理学院

李家壕煤矿浅埋近距离煤层开采覆岩裂隙发育，漏风条件复杂，遗煤自燃隐患突出，严重制约矿井安全、高效生产。为此，采用相似实验和数值模拟划定浅埋复合采空区覆岩采动裂隙分区，运用分形几何理论量化分区裂隙，基于“关键层理论”分... 详细信息

李家壕煤矿浅埋近距离煤层开采覆岩裂隙发育，漏风条件复杂，遗煤自燃隐患突出，严重制约矿井安全、高效生产。为此，采用相似实验和数值模拟划定浅埋复合采空区覆岩采动裂隙分区，运用分形几何理论量化分区裂隙，基于“关键层理论”分析裂隙分区诱因并提出针对性治理技术方案。研究结果表明：31114工作面开采覆岩裂隙循环张开、闭合，地表滞后工作面周期性产生倾向动态裂缝。浅埋复合采空区覆岩裂隙呈“M状”分布，划为垮落带不规则裂隙区Ⅰ，裂隙带斜向破断裂隙区Ⅱ、Ⅲ和斜向离层裂隙区Ⅳ，地表边界内侧形成边缘裂缝。其中，裂隙区Ⅰ空隙发育、分布复杂，裂隙网络分形维数最大为1.569，裂隙区Ⅱ、Ⅳ和Ⅲ依次为1.531、1.438和1.396。建立浅埋复合采空区覆岩关键岩块“砌体梁”结构力学模型及失稳判据，阐释覆岩基本顶关键层“砌体梁”结构回转变形失稳导致裂隙区Ⅱ和Ⅲ斜向破断裂隙张开，基本顶关键层和层间关键层“砌体梁”结构组合承载作用致使裂隙区Ⅳ斜向离层裂隙发育。提出浅埋复合采空区覆岩斜向裂隙和地表裂缝井上、下协同治理技术，增加工作面进、出上覆采空区和末采阶段推进速度至14 m·d-1，辅以裂隙区Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ及边界地表回填风积沙、覆盖黄土。SF6示踪技术测试表明浅埋复合采空区地表漏风量小，覆岩采动裂隙治理效果良好，为遗煤自然发火防治提供重要理论参考依据。

关键词：浅埋复合采空区裂隙分区分形几何理论 “砌体梁”结构裂隙治理

基于DIC及CPG技术的热冷循环后花岗岩Ⅰ型断裂特性

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煤炭学报 2024年第7期49卷 3102-3117页

作者：吴秋红夏宇浩赵延林翁磊王世鸣冯淦湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 湖南科技大学土木学院湖南湘潭411201 四川大学水利水电学院四川成都6100652

深部储层岩石的热力学特性,尤其是循环热冷作用下损伤破坏特性,对于增强型地热系统井壁稳定性分析及地热开采效率评估具有重要意义。针对中心直裂纹半圆盘(NSCB)花岗岩试样,首先进行不同热冷循环处理(加热温度400℃,最高循环次数13次),... 详细信息

深部储层岩石的热力学特性,尤其是循环热冷作用下损伤破坏特性,对于增强型地热系统井壁稳定性分析及地热开采效率评估具有重要意义。针对中心直裂纹半圆盘(NSCB)花岗岩试样,首先进行不同热冷循环处理(加热温度400℃,最高循环次数13次),然后开展3点弯Ⅰ型断裂韧度特性试验。基于裂纹扩展计(CPG)和数字图像相关(DIC)测试技术,研究了热冷循环作用下花岗岩Ⅰ型断裂韧度、断裂过程区(FPZ)、裂纹扩展速率及断裂轮廓特征的影响规律。试验结果表明:当热冷循环次数达到10次以上,花岗岩试样脆性明显减弱,而峰前软化特性和峰后延性增强;花岗岩的断裂过程区由裂缝尖端开始逐步孕育,断裂过程区长度随荷载增大呈先增大后减小的趋势,Ⅰ型断裂韧度、最大断裂过程区长度及裂纹平均扩展速度随热冷循环次数增大而指数减小,Ⅰ型断裂面随热冷循环次数增大越来越不平整。最后,基于X-ray衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等微观测试技术,研究了热冷循环作用对花岗岩矿物成分及微观结构的影响规律,结果表明花岗岩4种矿物成分的峰值衍射强度及矿物质量分数均随热冷循环次数增大而降低,而微裂纹大小及数量随热冷循环次数增大而增大。热冷循环作用下花岗岩的损伤劣化机理包含了多次高温热损伤、水冷冲击及水弱化等3方面的联合作用结果。

关键词：热冷循环断裂韧度断裂过程区裂纹扩展速度裂纹扩展计(CPG)技术数字图像相关(DIC)技术

煤孔裂隙多尺度表征及其对渗透率的影响分析——以中国14个大型煤炭基地为例

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重庆大学学报 2024年第4期47卷 34-50页

作者：王刚陈雪畅程卫民陈昊山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590

为探究煤体不同尺度孔裂隙特征及其对渗透率的影响,从我国14个大型煤炭基地分别取样,进行氮气吸附、压汞和CT实验,并将CT扫描后的煤样进行渗流实验。结果表明,各煤样中微孔和过渡孔多为封闭孔,连通性差,不利于渗流的进行。r=10 nm和r=10... 详细信息

为探究煤体不同尺度孔裂隙特征及其对渗透率的影响,从我国14个大型煤炭基地分别取样,进行氮气吸附、压汞和CT实验,并将CT扫描后的煤样进行渗流实验。结果表明,各煤样中微孔和过渡孔多为封闭孔,连通性差,不利于渗流的进行。r=10 nm和r=100μm的孔裂隙体积占比相对较大,贡献了煤体大部分孔隙率,S2和S3中的大尺度平行板孔隙为渗流提供了充足的空间。通过划分3种实验表征的优势孔径段,提出了综合表征孔隙率和分形维数的方法,得到各煤样的孔隙率范围为1.62%~11.60%,分形维数范围为2.29~2.78。煤样渗透率在0.0002×10^(-15)~0.6525×10^(-15)m^(2)之间,以中低渗为主。r8.5μm的孔隙率分量与渗透率的关系分别为y=0.2741x-0.0781、y=0.0674x+0.0237和y=0.0039x^(2.5986),其中r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的相关性最强。相对于氮气吸附和压汞实验,CT实验更适用于分析孔裂隙结构对水渗的影响。

关键词：煤多尺度表征分形维数孔隙率渗透率

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西部大采高工作面保护煤柱宽度优化研究

山东科技大学学报（自然科学版） 2024年第4期43卷 12-22页

作者：解成成刘学生范德源杨康宋虎山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司宁夏银川750011 榆林市榆神煤炭榆树湾煤矿有限公司陕西榆林719000

保护煤柱尺寸一直是三下开采研究的热点问题,特别是在西部大采高软弱覆岩特厚煤层开采条件下,其对地表建筑物安全的影响有待进一步研究。以榆树湾井田20119工作面为例,综合利用数值模拟和概率积分法确定了合理保护煤柱宽度,并进行现场... 详细信息

保护煤柱尺寸一直是三下开采研究的热点问题,特别是在西部大采高软弱覆岩特厚煤层开采条件下,其对地表建筑物安全的影响有待进一步研究。以榆树湾井田20119工作面为例,综合利用数值模拟和概率积分法确定了合理保护煤柱宽度,并进行现场验证。结果表明:随着煤柱宽度的减小,地表沿X方向的水平移动呈现倒“S”型趋势,沿Y方向的移动呈现倒“U”型趋势,地表的最大下沉量随煤柱宽度的减小而不断减少;结合概率积分法对保护煤柱宽度进行预计,确定优化后的煤柱宽度为180 m;对现场村庄进行实时监测,地表下沉和倾斜值均满足现场施工要求,验证了保护煤柱宽度的合理性。

关键词：大采高工作面数值模拟概率积分保护煤柱宽度

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黄土基胶结材料析水率特性试验研究

能源技术与管理 2024年第1期49卷 11-13,21页

作者：王旺旺张东刘守志王家乐彬县水帘洞煤炭有限责任公司陕西咸阳713500 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201

为了探究黄土基胶结材料的析水率特性,运用正交试验设计了以黄土、高水材料、水泥、粉煤灰为组合的胶结充填材料,采用对比、极差分析、方差分析等方法研究了温度以及黄泥浆质量浓度、高水材料含量、水泥含量、粉煤灰含量4个关键因素对... 详细信息

为了探究黄土基胶结材料的析水率特性,运用正交试验设计了以黄土、高水材料、水泥、粉煤灰为组合的胶结充填材料,采用对比、极差分析、方差分析等方法研究了温度以及黄泥浆质量浓度、高水材料含量、水泥含量、粉煤灰含量4个关键因素对胶结材料析水率的影响。结果表明:黄土基胶结材料的析水率随温度上升而下降,随高水含量增加而下降;而黄泥浆质量含量、水泥含量、粉煤灰含量对黄土基胶结材料的析水率影响较小。综合分析认为,材料析水率与温度呈负相关关系,在一定温度条件下,高水含量对材料析水率的影响相较于其他材料最大,呈负相关关系,且高水的固水作用加快了材料的凝固,减少了析水。

关键词：黄土基胶结材料析水率正交实验特性影响

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3种脱硫喷嘴雾化特性对比试验

矿业工程研究 2024年第1期39卷 66-72页

作者：刘开新刘荣华王鹏飞袁新虎湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201

为了解不同类型脱硫喷嘴的雾化特性,选取螺旋喷嘴、实心锥喷嘴和空心锥喷嘴作为研究对象,用清水作为试验工质,结合激光粒度分析仪研究这3种脱硫喷嘴在不同供水压力下的射程、流量、雾化角、雾滴粒径等性能参数的变化规律.试验结果表明:... 详细信息

为了解不同类型脱硫喷嘴的雾化特性,选取螺旋喷嘴、实心锥喷嘴和空心锥喷嘴作为研究对象,用清水作为试验工质,结合激光粒度分析仪研究这3种脱硫喷嘴在不同供水压力下的射程、流量、雾化角、雾滴粒径等性能参数的变化规律.试验结果表明:(1)喷嘴的雾滴粒径与供水压力呈现负相关,流量、射程、雾化角与供水压力均呈正相关.(2)螺旋喷嘴的流量变化最大,其流量系数为0.495;实心锥喷嘴在供水压力逐渐增加的情况下流量变化不明显.(3)在0.2 MPa的初始供水压力下,螺旋喷嘴的雾化角就远大于实心锥喷嘴和空心锥喷嘴的雾化角,达到148.6°;在相同供水压力下,螺旋喷嘴的射程较其他2种喷嘴的射程小.(4)3种喷嘴的雾滴粒径在0.2 MPa的初始供水压力下均较大,雾化效果不佳;随着供水压力的增加,雾滴体积频率的最大值呈现往粒径减小的方向移动的规律.综合雾化特性的结果,螺旋喷嘴的雾化性能较好,比较适合用于实际生产过程中.

关键词：脱硫喷嘴雾化特性雾化角雾滴粒径

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浸水煤表面结构演化与自然发火指标实验研究

山东科技大学学报（自然科学版） 2024年第3期43卷 21-30页

作者：葛俊岭解树亮赵滨夏鸣泽王刚济宁矿业集团有限公司霄云煤矿山东济宁272213 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590 枣庄矿业集团有限责任公司山东枣庄277000 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590

为了提高浸水煤自燃预警的可靠性和准确性,采用扫描电镜实验与程序升温氧化实验研究了不同含水率煤与原煤的结构变化和氧化规律。首先对比分析了浸水煤的表面结构变化,然后通过浸泡法制备了含水率为4%、11%、18%、25%、32%的煤样,利用... 详细信息

为了提高浸水煤自燃预警的可靠性和准确性,采用扫描电镜实验与程序升温氧化实验研究了不同含水率煤与原煤的结构变化和氧化规律。首先对比分析了浸水煤的表面结构变化,然后通过浸泡法制备了含水率为4%、11%、18%、25%、32%的煤样,利用程序升温实验分析不同含水率煤样气体产生量随温度的变化关系。结果表明:浸水后,煤样氧化产生CO和C_(2)H_(4)的临界温度由73℃、180℃提前到62℃、161℃,各煤样升温过程中产生气体随温度升高而升高,含水率为18%的煤样产生的CO、CO_(2)、C_(2)H_(4)和C_(2)H_(6)体积分数最高;在CO、C_(2)H_(4)可作为标志气体的基础上,引入CO与CO_(2)体积分数比值γ和C 2H_(4)与C 2H_(6)的体积分数比值ε,分别作为煤吸氧蓄热阶段和自热氧化阶段的预测指标,即:γ≤0.019时,煤样温度小于136℃,处于吸氧蓄热阶段;0.752≤ε≤0.836时,煤样温度136~226℃,处于自热氧化阶段;γ≥0.908时,煤氧化温度大于226℃,处于加速氧化阶段。最后,基于CO、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)三种标志气体和γ、ε值,建立了浸水条件下采空区遗煤自燃的分级预警防控指标体系。

关键词：浸水煤扫描电镜程序升温实验表面结构自然发火指标气体

沙柳木粉基高效吸附材料对煤矿废水中Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)作用特性及机理

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1570-1582页

作者：周刚栾国梁李帅龙陈冠双吕颖慧孙慧赟山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590 山东科技大学、矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 阿尔伯塔大学土木与环境工程系阿尔伯塔埃德蒙顿T6G2R3

针对煤矿酸性废水中含有较高质量浓度铁离子和锰离子的问题,以沙柳木粉为主要原料,遵循农林废弃物提取再利用原则,经过NaOH、Na2SO3等溶液处理后获得脱木素木粉(DWF),通过微波辅助-原位合成的手段,制备了一种针对煤矿废水中Fe(Ⅱ)和Mn(... 详细信息

针对煤矿酸性废水中含有较高质量浓度铁离子和锰离子的问题,以沙柳木粉为主要原料,遵循农林废弃物提取再利用原则,经过NaOH、Na2SO3等溶液处理后获得脱木素木粉(DWF),通过微波辅助-原位合成的手段,制备了一种针对煤矿废水中Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附剂(AA-DWFPAM)。借助扫描电子显微镜(SEM)、N_(2)吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和红外热重联用(TG-FTIR)对产物的微观结构、反应机理、热稳定性进行了分析,探讨了AA-DWF-PAM的最佳吸附条件、吸附动力学、吸附等温线,研究了AA-DWF-PAM对Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的吸附特性和吸附机理。表征实验结果表明:AA-DWF-PAM整体存在较多孔洞并呈现网状结构,且比表面积(BET)为150.83 m^(2)/g,说明改性后的吸附剂具有较大的比表面积,能够为Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)吸附提供较多位点和空间;此外,AA-DWF-PAM热解气态产物主要有H_(2)O、CO_(2)以及少量CO,裂解温度较高,其结构稳定性较强。吸附特性实验研究表明:AA-DWF-PAM用量为4 g/L、溶液pH=4、吸附时间达到200 min,以及Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)初始质量浓度为100 mg/L和80 mg/L时,为AA-DWFPAM的最佳吸附条件;经过计算得知,AA-DWF-PAM更接近于伪二级动力学假设,吸附主要控制过程为化学过程,且吸附过程更符合Langmuir方程的单层分子吸附,Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的理论最大吸附量分别为192.29 mg/g和123.65 mg/g;通过Materials Studio对吸附过程进行分子模拟和量子化学计算得知,吸附过程中—NH_(2)、—COOH以及—OH官能团起到静电吸附作用。因此,合理利用农林废弃物,为煤矿酸性废水治理提供了新途径,开发的AA-DWF-PAM吸附剂,能够有效处理煤矿酸性废水中的铁锰离子。

关键词：废弃物沙柳木粉酸性废水吸附剂分子动力学

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厚煤层沿空掘巷煤柱留设宽度研究与应用

矿业研究与开发 2024年第7期44卷 15-21页

作者：王东杰陈立伟边乐王文梁忠秋河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作市454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作市454000 煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心河南焦作市454000 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作市454000 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺市113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈阳110116

为确保煤柱和巷道的稳定性,避免煤炭资源的浪费,厚煤层工作面需要确定合理的区段煤柱宽度。在小峪煤矿2202巷道开展小煤柱沿空掘巷技术的研究,通过理论计算、数值模拟和现场监测相结合的方法,确定了厚煤层工作面区段煤柱留设的合理宽度... 详细信息

为确保煤柱和巷道的稳定性,避免煤炭资源的浪费,厚煤层工作面需要确定合理的区段煤柱宽度。在小峪煤矿2202巷道开展小煤柱沿空掘巷技术的研究,通过理论计算、数值模拟和现场监测相结合的方法,确定了厚煤层工作面区段煤柱留设的合理宽度为7.8 m。对掘进、回采期两个阶段的巷道围岩变形进行了监测与分析,结果表明:在掘进过程中,巷道两帮移近量最大值为73 mm,顶底板移近量最大值为62 mm;在回采过程中,巷道两帮移近量最大值为805 mm,顶底板移近量最大值为604 mm,巷道围岩变形得到了有效控制,且巷道处于应力降低区。研究成果可为类似矿山工作面采用沿空掘巷技术的煤柱宽度确定提供参考。

关键词：区段煤柱煤柱宽度沿空掘巷围岩稳定巷道变形