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巨厚含水砂岩顶板煤层多元灾害协同防控技术研究进展

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采矿与安全工程学报 2025年第1期42卷 1-15页

作者：张吉雄黄书翔王洪涛王海宾周楠邓雪杰中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 山东能源集团西北矿业有限公司陕西西安710018 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

彬长矿区位于陕西省黄陇煤田中段,是全国13个大型煤炭基地之一,矿井的开采处于深埋高应力、高瓦斯、高地温、高自然发火和厚硬洛河组含水层(“四高一硬”)的复杂环境,面临着冲击地压、水害、瓦斯、热害和自然发火等多元灾害问题。当前... 详细信息

彬长矿区位于陕西省黄陇煤田中段,是全国13个大型煤炭基地之一,矿井的开采处于深埋高应力、高瓦斯、高地温、高自然发火和厚硬洛河组含水层(“四高一硬”)的复杂环境,面临着冲击地压、水害、瓦斯、热害和自然发火等多元灾害问题。当前针对多元灾害多采取分别防控的方法,并没有考虑各灾害之间的互馈关系和灾害防控导致次生灾害的问题。围绕当前彬长矿区巨厚含水砂岩顶板煤层开采面临多元灾害并存的重大挑战,针对彬长矿区多元灾害链互馈机理和多元动力灾害协同防控方法这2个关键科学问题,详细介绍目前取得的最新研究进展,具体包括巨厚含水砂岩顶板煤层开采多元灾害致灾机理、巨厚含水砂岩顶板煤层开采多元灾害链互馈机制、多元灾害防治次生效应和多元灾害链协同防控方法等4个方面的内容。研发的巨厚含水砂岩顶板煤层多元灾害协同防控技术可为我国类似复杂条件煤矿多元灾害协同防控和安全高效生产提供技术借鉴和理论支撑。

关键词：巨厚含水砂岩多元灾害灾害链互馈机理协同防控

复配生物质灰催化煤焦气化反应性及其赋存形态迁移规律

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燃料化学学报(中英文) 2025年第1期53卷 70-81页

作者：李晓董睿朱超超张如梦黄婷婷刘开蓉张兴闯李佩中国矿业大学化工学院煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室江苏徐州221116

本工作通过复配生物质灰的实验方法,重点考察典型生物质灰中关键组分对煤焦气化反应性的影响,分析了气化过程生物质灰的赋存形态迁移规律及煤焦结构演化特征。研究结果表明,气化温度及Si元素含量是影响煤焦气化反应性的关键因素,当煤中S... 详细信息

本工作通过复配生物质灰的实验方法,重点考察典型生物质灰中关键组分对煤焦气化反应性的影响,分析了气化过程生物质灰的赋存形态迁移规律及煤焦结构演化特征。研究结果表明,气化温度及Si元素含量是影响煤焦气化反应性的关键因素,当煤中Si/K质量比为0.5及1.0时,复配煤样气化反应性强于原煤,而Si/K质量比为1.5时,气化反应性则比原煤差。实验条件下Si/K质量比为0.5、Ca/K质量比为0.4的样品气化反应性最强,反应性指数约为原煤的1.35倍。相比含钾矿物质,含钙矿物质有着更高的反应活性,容易与硅酸盐结合生成含钙硅酸盐,如钙沸石(CaO·Al_(2)O_(3)·2SiO_(2)·4H_(2)O)等,进而避免了含钾矿物质与硅酸盐的反应,使钾能够充分地发挥其催化作用。动力学分析表明,复配生物质灰催化脱灰煤的气化过程采用收缩核模型拟合较为适宜,当Si/K质量比为0.5、Ca/K质量比为0.4时,复配煤样的气化反应活化能缩减为174.39 kJ/mol,相比原煤降低了14.32%。

关键词：煤生物质催化气化碱金属/碱土金属气化反应性

新疆准东和哈密煤中钠的赋存特征及富集机理差异性研究

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煤炭科学技术 2025年

作者：张延波车可心何鑫王文龙李家新王文峰神华地质勘查有限责任公司神华地质勘查有限责任公司柔性研发中心中国矿业大学资源与地球科学学院新疆大学地质与矿业工程学院中国矿业大学化工学院

新疆煤炭资源丰富，大多为优质的动力煤和煤化工原料煤，但也富含金属钠，富钠煤燃烧过程中产生的沾污结渣严重影响了新疆煤炭资源的洁净开发利用。研究以准东煤田西黑山露天矿煤和吐哈盆地大南湖矿区F1南井田二矿煤为研究对象，基于改... 详细信息

新疆煤炭资源丰富，大多为优质的动力煤和煤化工原料煤，但也富含金属钠，富钠煤燃烧过程中产生的沾污结渣严重影响了新疆煤炭资源的洁净开发利用。研究以准东煤田西黑山露天矿煤和吐哈盆地大南湖矿区F1南井田二矿煤为研究对象，基于改良版逐级化学提取实验，和ICP-AES、SEM-EDS和离子色谱仪等测试手段，分析了两矿区煤中钠的分布赋存特征及差异性，明确了煤中钠的富集机理及主控因素。结果表明：在含量分布特征上，两矿区煤样均为典型低阶高钠煤，不同的煤层顶板岩性导致了大南湖煤中Na含量随煤层深度逐渐降低，西黑山煤呈相反趋势。在赋存特征上，煤中钠和水分与有机质均有较强的亲和性。逐级化学提取结果也证明了这点，西黑山煤中钠主要以水溶钠（54.32%）为主，氯化铵溶钠（30.35%）次之，而大南湖煤中钠主要以氯化铵溶钠（41.10%）为主，水溶钠（33.15%）次之。两矿区煤中水溶钠分别主要以NaHCO3和NaCl存在，且惰质体为其亲和性显微组分。煤岩煤质特征、煤化程度及物源沉积体系的差异性均会导致煤中Na的赋存特征不同。新疆煤中钠的富集是多因素相互叠加的结果，主要受地表水淋滤（垂向补给）和地下水驱动效应（侧向补给）双重控制，其中大南湖煤中Na的富集主要受盐碱化土壤的淋滤作用，而西黑山煤主要受含水层岩石和煤层顶板中含钠矿物影响。脱钠预处理方式也应针对钠的赋存状态进行改良，对于富含有机酸钠的高钠煤，低浓度铵盐溶液以及有机酸可作为脱钠溶剂，对于高含水高惰质体的高钠煤可考虑用浮选+乙酸铵进行预处理，同时达到钠的脱除和惰质体的分离，提高精煤中活性组分-镜质体的含量。

关键词：新疆高钠煤逐级化学提取赋存差异富集机理脱钠提质

光滑及粗糙表面纳米气泡成核与生长动力学行为

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物理学报 2025年第2期74卷 160-172页

作者：杨海昌徐梦迪邢耀文桂夏辉曹亦俊中国矿业大学炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室徐州221116 中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心徐州221116 郑州大学关键金属河南实验室郑州450001

界面纳米气泡的存在已被证实,其在矿物浮选、水产养殖、废水处理等多个领域极具应用潜力,但纳米气泡微观成核过程仍未明晰.本研究基于气体扩散理论建立了纳米气泡生长动力学模型,并借助分子动力学模拟研究了表面粗糙度和气体过饱和对纳... 详细信息

界面纳米气泡的存在已被证实,其在矿物浮选、水产养殖、废水处理等多个领域极具应用潜力,但纳米气泡微观成核过程仍未明晰.本研究基于气体扩散理论建立了纳米气泡生长动力学模型,并借助分子动力学模拟研究了表面粗糙度和气体过饱和对纳米气泡成核和生长动力学的影响机制.结果表明:光滑均质表面上,随着气体过饱和度从100增大至150,纳米气泡的成核时间逐渐缩短,生长速率逐渐加快,且理论模型可以较好地拟合纳米气泡的生长动力学过程.然而,当气体过饱和度降低至50时,纳米气泡在200 ns模拟时间内始终未成核,这是由于低气体过饱和度时纳米气泡临界成核尺寸较大导致成核难度增加.在凹坑宽度为1-10 nm的粗糙表面上,气体过饱和度为50时,表面凹坑均迅速生成气核,但凹坑宽度在2 nm以下时气核难以生长为纳米气泡.理论分析表明:只有凹坑尺寸所对应的最小气泡半径达到纳米气泡临界成核半径时,凹坑中的气核才能生长为纳米气泡.研究结果将进一步完善纳米气泡成核理论体系,同时为纳米气泡生成调控及应用提供理论支撑.

关键词：纳米气泡成核光滑表面粗糙表面气体过饱和度

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商混站污水的双铝电极电絮凝研究

工业水处理 2025年第1期45卷 123-130页

作者：倪宽山晓莉戚栋李强张文军中国矿业大学化工学院江苏徐州221116 湖州上建华煜混凝土有限公司浙江湖州313000

为实现商混站强碱性污水的无药剂高效絮凝沉降与澄清再生,提出了双铝电极电絮凝方法。通过正交试验考察了商混站污水浊度随电解时间、工作电压和电极配置模式的变化规律,并利用聚焦光束反射分析仪(FBRM)考察了3种因素对絮团弦长的影响... 详细信息

为实现商混站强碱性污水的无药剂高效絮凝沉降与澄清再生,提出了双铝电极电絮凝方法。通过正交试验考察了商混站污水浊度随电解时间、工作电压和电极配置模式的变化规律,并利用聚焦光束反射分析仪(FBRM)考察了3种因素对絮团弦长的影响。正交试验结果表明,工作电压对浊度的影响显著性最大,其次是电极配置模式,电解时间的影响显著性最小。通过对絮团弦长的分析可知,絮团尺寸和抗破碎强度均随工作电压的增大和电解时间的延长而增加,且单极并联模式(MP-P)下生成的絮团强度最大。当采用MP-P模式、工作电压30 V、电解时间15 min时,商混站污水的絮凝澄清效果最佳,污水浊度可降至69.8 NTU以下,浊度去除率可达93%以上,且絮团平均弦长增长速率最快,强度最大。相较于传统化学絮凝,电絮凝法可避免处理过程对循环水的二次污染,不会对混凝土的工艺性能产生不利影响,为商混站污水的科学高效净化回用提供了一种新方法。

关键词：强碱性污水电絮凝双铝电极浊度絮团弦长

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浸润作用及动载损伤后砂岩力学性能研究

采矿与安全工程学报 2025年第1期42卷 40-49页

作者：孔凯戚盛名李鹏杰黄书翔崔超超方坤山东能源集团西北矿业有限公司陕西西安710018 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

为研究深部矿井巷道受强扰动及矿井水作用后围岩再承载能力与稳定性变化,对动载损伤后的砂岩试件开展试验研究,分析其再承载能力和抗冲击强度能力的变化,研究浸润条件下动载损伤砂岩体强度弱化机制。结果表明:随着动载损伤程度增加,砂... 详细信息

为研究深部矿井巷道受强扰动及矿井水作用后围岩再承载能力与稳定性变化,对动载损伤后的砂岩试件开展试验研究,分析其再承载能力和抗冲击强度能力的变化,研究浸润条件下动载损伤砂岩体强度弱化机制。结果表明:随着动载损伤程度增加,砂岩内部结构劣化,与未破碎砂岩试样相比,重度破碎砂岩试样单轴抗压强度减小了36.20%;损伤岩体对动载的抵抗能力明显降低,与未破碎砂岩试样相比,重度破碎砂岩试样破碎耗能占比减小了58.51%;岩体对动载应力波传递的阻抗能力明显降低,透射应力由未破碎时的16.38 MPa上升至重度破碎时的37.31 MPa;浸润与动载损伤叠加将进一步弱化岩体结构,浸润条件下重度破碎岩样单轴抗压强度为21.24 MPa,降低了40.74%。

关键词：动载损伤砂岩再承载性能

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变转速工况下松动故障自适应时频模态分解

工程科学学报 2025年第1期47卷 130-141页

作者：单振汤佳琛王重秋杨建华郝晨航李尚袁中国矿业大学计算机科学与技术学院徐州221116 中国矿业大学机电工程学院徐州221116 徐州重型机械有限公司徐州221004

松动故障广泛存在于机械设备之中,而在变转速工况下的松动故障诊断仍存在一定挑战.为实现变转速工况下的松动故障诊断,本文提出了一种自适应时频模态分解方法.为提高该方法的多工况自适应能力,针对时频模态分解窗宽参数进行了优化选取,... 详细信息

松动故障广泛存在于机械设备之中,而在变转速工况下的松动故障诊断仍存在一定挑战.为实现变转速工况下的松动故障诊断,本文提出了一种自适应时频模态分解方法.为提高该方法的多工况自适应能力,针对时频模态分解窗宽参数进行了优化选取,研究了窗宽参数与分解输出的非线性关联特征,实现了不同噪声下的自适应时频模态分解.为验证该方法的有效性,针对支承松动故障进行了实验验证,同时在某工程设备上进行了旋转部件松动故障实验验证.采用自适应时频模态分解算法对实验验证数据进行处理,实现了非平稳特征的模态分解.通过定义和计算各阶次能量占比,完成了振动信号的故障特征分析,实现了松动故障的特征提取与诊断.结果表明,所提方法能够实现非平稳信号的模态分解,对于松动故障具备有效的诊断能力.

关键词：变转速工况模态分解松动故障强噪声自适应

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范各庄矿岩巷周边定向控制爆破技术研究

煤矿安全 2025年第1期56卷 128-136页

作者：杨晓光王恒恺赵禄祥开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司河北唐山063109 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

为解决范各庄矿岩巷钻爆法掘进过程中超挖、周边成型效果较差的问题,通过室内试验测定了围岩的物理力学参数并标定了HJC本构模型参数,通过数值模拟对比了岩石在普通药包、切缝药包、90°、180°、270°护壁套管作用下的爆生裂纹扩展规律... 详细信息

为解决范各庄矿岩巷钻爆法掘进过程中超挖、周边成型效果较差的问题,通过室内试验测定了围岩的物理力学参数并标定了HJC本构模型参数,通过数值模拟对比了岩石在普通药包、切缝药包、90°、180°、270°护壁套管作用下的爆生裂纹扩展规律,通过工程试验对比了不同控制爆破技术在周边眼的应用效果。数值模拟结果表明:切缝药包在切缝方向可以较好地实现定向断裂爆破,非切缝方向的裂纹长度减小了56.71%;护壁套管的弧度对粉碎区和径向裂纹的分布有较大影响,90°、180°护壁套管的护壁侧裂纹长度分别减小了79.9%和75.1%,270°护壁套管的护壁侧裂纹平均长度减小了58.57%;爆炸荷载对临空侧的岩石产生了更多损伤。工程试验结果表明:切缝药包和护壁套管均能在一定程度上起到定向控制爆破的作用;与普通药包相比,使用切缝药包的平均超挖量减少158.33 mm,3种弧度护壁套管对应的平均超挖量分别减少63.00、125.67、224.67 mm;半眼痕率随着护壁套管弧度的增大而提高,通过调整护壁套管的弧度可以改善周边眼的成型效果。

关键词：切缝药包护壁爆破数值模拟裂纹扩展定向控制爆破

再论大采高采场顶板“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构

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煤炭学报 2025年

作者：闫少宏路洋波尹希文徐刚中国矿业大学(北京)能源与矿业学院中煤科工开采研究院有限公司

针对大采高采场“组合短悬臂梁—铰接岩梁”定量化结构进行研究。采高加大必然引起采场覆岩在横向、纵向的活动范围加大，由于采场覆岩自下而上运动以及冒落碎胀的特点，必将使采空区冒落空间在某一时间趋近于零，因此提出了对采场支架... 详细信息

针对大采高采场“组合短悬臂梁—铰接岩梁”定量化结构进行研究。采高加大必然引起采场覆岩在横向、纵向的活动范围加大，由于采场覆岩自下而上运动以及冒落碎胀的特点，必将使采空区冒落空间在某一时间趋近于零，因此提出了对采场支架产生作用力的顶板岩层是有范围的，即存在边界层并给出了边界层的概念和判断方法。随着采场的继续推进，采空区冒落的矸石将继续在上覆岩层的作用下发生蠕变而再次压缩变形，从而引起上覆岩层多次下沉传导，引起地表沉陷直至最终稳定，因此从对采场矿压显现有影响的角度将采场至地表的覆岩分为近场岩层和远场岩层。近场岩层为支架上方至边界层内的复合岩层，远场岩层为边界层至地表的复合岩层，近场岩层运动规律是采场矿压研究的重点、远场岩层运动规律是开采地表沉陷研究的重点。基于大采高采场下位复合顶板在垮落前不能触矸而呈“组合短悬臂梁”结构、其上位复合顶板岩层在采场前方煤壁、支架与直接顶联合支撑体、采空区冒落矸石支撑下在采场横向呈“铰接岩梁”结构的特点，提出了大采高采场近场岩层中直接顶、基本顶的新概念并给出了定量化判定方法，从而形成了大采高采场顶板“组合短悬臂梁—铰接岩梁”定量化结构。呈“铰接岩梁”结构的基本顶岩层一般会有一层甚至多层，取决于采高与顶板岩层的厚度、强度、层位等，其形成铰接结构的基本条件是：①基本顶可能下沉量小于其极限下沉量(△m＜△f)；②在结构面的中截面上部应力大于其抗拉强度(σt＞[Rt])且下部应力小于其抗压强度(σc＜[Rc])；③断裂步距大于其厚度的2倍。以曹家滩煤矿10m超大采高采场为工程背景，通过现场实测分析得到边界层存在的客观性。作为大采高采场“组合短悬臂梁—铰接岩梁”定量化结构理论的应用，研究确定了曹家滩煤矿10m超大采高采场设备回撤专用垛式支架的支护强度。研究成果为深入认识大采高近场岩层所成“组合短悬臂梁—铰接岩梁”结构以及对支架作用力的定量计算、采场岩层定量化控制提供了理论支持，丰富和发展了我国中厚煤层采场矿压理论。

关键词：组合短悬臂梁—铰接岩梁结构边界层近场与远场岩层极限下沉量可能下沉量