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循环加卸载条件下考虑温度的煤体本构模型

煤炭学报 2024年第1期49卷 442-453页

作者：周宏伟侯魏张龙丹谢森林贾文豪史贝贝中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下... 详细信息

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下三轴循环加卸载试验,分析了温度对试件峰值强度、变形模量、泊松比等基本力学参数的影响。将不同加卸载速率相关的应力-应变问题转化为时间-应力-应变问题,同时引入分数阶导数理论和连续介质损伤理论,提出了一个考虑了热-力耦合作用的分数阶粘弹塑性本构方程,通过试验数据验证了其有效性。结果表明:煤体变形模量随着循环次数的增加呈出现线性减小的趋势,而煤体泊松比减速上升,在峰值应力处达到极值,然后降低,表明循环加卸载作用对煤体基本力学性能有劣化作用。随着温度的升高,煤体峰值强度非线性减小,损伤累积变缓,对应的应变逐渐增大,表明升温能增强煤体延性变形能力,加速煤体损伤的发展。在循环加卸载过程中,输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在煤体破坏失稳阶段随温度升高呈现出明显的衰减现象,说明高温加剧了煤体内部的损伤,降低了煤体强度,使得破坏所需外界输入能量减少。考虑温度影响的分数阶粘弹塑性模型可以较好地描述深部煤体在循环加卸载条件下的力学行为。模型适用于热力耦合下深部煤体的复杂应力状态。

关键词：深部煤体分数阶导数循环加卸载温度效应热力耦合

综合机械化放顶煤充填开采技术构想及理论框架研究

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 469-482页

作者：张强张吉雄杨康巨峰黄鹏王云搏吕浩南中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

放顶煤开采具有一次采出空间大、矸石排放量高、采放工艺繁杂等特征.其中,矸石高排放与生态建设矛盾显著突出,充填开采是解决二者矛盾的有效途径之一.然而,放顶煤工作面充填开采相关理论技术研究尚属空白,为了促进该理论技术形成与发展... 详细信息

放顶煤开采具有一次采出空间大、矸石排放量高、采放工艺繁杂等特征.其中,矸石高排放与生态建设矛盾显著突出,充填开采是解决二者矛盾的有效途径之一.然而,放顶煤工作面充填开采相关理论技术研究尚属空白,为了促进该理论技术形成与发展,详细介绍了现有充填技术发展历程,从充填位置、工作面布置、充填动力、充填材料及工艺配合5个方面划分了现有充填技术体系,结合放顶煤与充填开采的技术特征,提出了综合机械化放顶煤充填开采构想,分析了该方法的技术难题,凝炼了可充填空间演化规律、放顶煤充填围岩变形与控制特征2个关键科学问题,构建了涵盖采放充一体化工艺、高稳定性充填装备研发、充填空间探测、充填效果监测及放顶煤智能充填控制系统5个方面的核心技术.放顶煤充填开采方法创新了厚煤层一次采全高矸石固废规模处置新技术,丰富了现有充填开采技术体系,拓展了充填开采技术应用范围,为煤矿企业可持续发展、生态环境保护提供了全新技术途径.

关键词：放顶煤充填开采固废处置生态保护理论体系关键技术

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构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤炭学报 2024年第2期49卷 645-663页

作者：程远平王成浩煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学人工智能研究院江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(... 详细信息

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。

关键词：煤与瓦斯突出构造煤煤体变形能瓦斯膨胀能释放机制

矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统设计与实现

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 346-358页

作者：刘举庆李军王兴娟张成业杜梦豪冉文艳王金阳胡靖宇中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专... 详细信息

矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专题、要素不全、基础量测、本地管理的初级阶段,无法满足现实环境中对矿山生态环境多要素、长时序、高频次监测与分析的需求。基于此,提出一种B/S架构下的矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统——矿山生态天眼,并详细介绍了其研发需求、技术架构、关键技术及核心功能。系统依托卫星遥感技术及其他监测手段,获取并聚合不同来源、信息丰富的矿山生态大数据,形成矿山分布一张图和数据资源服务;进而基于定量遥感反演矿山生态环境各生态参数,形成一套长时序、多要素的矿山生态监测产品,涵盖人类活动、自然地理条件和“植−土−水−气”各生态要素;在此基础上,系统提供GIS时空分析、统计分析及综合定量评价等工具集,分别实现对矿区土地利用、归一化植被指数(NDVI)等参数伴随采矿活动在空间上的变化监测,对土壤含水量、水体悬浮物浓度等生态要素历史统计值在不同时空位置和区域下的查询与可视化,对顾及多项生态因子的矿山生态环境质量综合定量评价,并最终形成矿山生态扰动与治理监测报告。矿山生态天眼的应用将服务于矿山生态环境全过程变化监测、数据管理、智能分析和决策应用,有望提高矿山生态环境监测与治理的效率和智能化水平,为推动生态文明信息化建设提供参考方案。

关键词：矿山生态环境治理变化监测生态大数据定量遥感智能分析网络地理信息系统

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低浓度铵盐高效精准脱除新疆准东煤中钠

煤炭学报 2024年第S1期49卷 404-412页

作者：苏金水卓相宇张丽芳张博王磊倪中海中国矿业大学化工学院中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心

新疆准东地区拥有丰富的高钠煤资源，它们是优质动力煤和化工原料用煤，但钠质量分数高会导致燃烧和气化过程中设备污染和积灰结渣严重，从而严重限制了准东煤的大规模高效利用，钠的高效经济绿色脱除对准东煤的清洁利用具有重要意义。... 详细信息

新疆准东地区拥有丰富的高钠煤资源，它们是优质动力煤和化工原料用煤，但钠质量分数高会导致燃烧和气化过程中设备污染和积灰结渣严重，从而严重限制了准东煤的大规模高效利用，钠的高效经济绿色脱除对准东煤的清洁利用具有重要意义。详细研究了系列低浓度铵盐对准东低阶高钠煤中钠的脱除规律及机制，结果表明：去离子水仅能脱除约52%的煤中钠，当使用0.006mol/L的低浓度NH4Ac、NH4Cl、（NH4）2SO4、NH4NO3、TMACl等各类铵盐时，总钠和有机钠脱除率可达90%～97%和80%～95%。煤灰中Na2O质量分数从原煤的6.21%和水处理煤的2.77%显著降低至低浓度铵盐处理煤的0.27%～0.81%。在上述各类铵盐中，NH4Ac脱钠效果最佳。脱钠药剂中阳离子对有机钠的脱除起着重要作用，其脱钠量顺序为H+> NH4+> TMA+，这归因于小的阳离子更有利于进入煤孔隙和有机质本体，与有机钠进行离子交换。铵盐能够脱除煤中各类羧酸钠是常规的离子交换机理，但酚钠的脱除机理可能涉及离子交换、酚铵盐的复分解及NH4+的水解等反应。提高温度、延长时间和增加铵盐量均能显著提高煤中总钠、水溶性无机钠和有机钠等各类形态钠的脱除量。建立了不同铵盐添加量与煤中总钠和有机钠脱除量之间的正相关关系，如对于NH4Ac为y（total Na）=12 479x（ammonium amount）+2 200, y（organic Na）=12 394x（ammonium amount）+136。该准东煤满足国家燃煤标准(w（Na2O）<2.0%，以灰分计质量分数)，需脱除约70%的总钠，每吨准东煤需添加约4.26 kg NH4Ac。

关键词：准东煤脱钠相关性铵盐

基于阈值和权重Census变换的煤矿井下图像立体匹配算法

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 216-225页

作者：杨春雨宋子儒张鑫中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221008

双目图像立体匹配是实现煤矿井下无人辅助运输车自主避障和视觉侦察的关键技术,但煤矿井下高粉尘、光照条件不稳定等因素会导致视觉传感器采集到的图像产生椒盐噪声,使得立体匹配的误匹配率很高。为此,提出一种基于阈值和权重相结合Cen... 详细信息

双目图像立体匹配是实现煤矿井下无人辅助运输车自主避障和视觉侦察的关键技术,但煤矿井下高粉尘、光照条件不稳定等因素会导致视觉传感器采集到的图像产生椒盐噪声,使得立体匹配的误匹配率很高。为此,提出一种基于阈值和权重相结合Census立体匹配算法,减少椒盐噪声对立体匹配影响。具体改进包括:①先对支持窗口内所有像素的灰度值进行阈值处理,去除支持窗口内灰度值极大和极小的像素点,解决异常值对加权融合的影响;②再将中心点对应的4条斜对角像素进行加权融合代替中心点像素,选择中心像素点4条斜对角线上的像素点,步长取1~3,根据对应的步长分别赋予0.7、0.2、0.1的权重,将这12个像素点中有效的像素点分别乘上对应权重,然后除以有效权重之和,得到经过加权处理后的中心像素点值,解决传统算法对Census变换窗口中心点依赖的问题,从而提高匹配精度。试验结果表明:基于阈值和权重Census代价计算全部区域的误匹配率相比传统Census算法降低了5.64%;相比基于均值Census算法降低了1.71%,且在不同噪声下全部区域的误匹配率相比传统Census算法降低了15.93%;相比基于均值Census算法降低了16.62%;而在非遮挡区域,算法的误匹配率相对于传统Census算法降低17.19%,相对于基于均值Census算法降低18.11%。所提出的基于阈值和权重相结合Census立体匹配算法有效的增强了抗噪声的鲁棒性,降低了误匹配率,提高了匹配精度。

关键词：无人辅助运输车双目视觉 Census变换椒盐噪声立体匹配

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煤矸石规模化生态利用原理与关键技术

煤炭学报 2024年第2期49卷 978-987页

作者：胡振琪赵艳玲毛缜中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 矿山生态安全教育部工程研究中心北京100083

煤炭是我国主要能源,是能源安全的压舱石。煤矸石作为采煤和洗煤加工过程中的必然产物,每年产出量达7亿t以上,亟需规模化、生态化利用技术,以破解煤矸石作为企业发展绊脚石的难题。在分析煤矸石大规模利用中的生态损伤机理的基础上,提... 详细信息

煤炭是我国主要能源,是能源安全的压舱石。煤矸石作为采煤和洗煤加工过程中的必然产物,每年产出量达7亿t以上,亟需规模化、生态化利用技术,以破解煤矸石作为企业发展绊脚石的难题。在分析煤矸石大规模利用中的生态损伤机理的基础上,提出煤矸石规模化生态利用原理,从技术视角探讨了环境安全的规模化生态利用具体解决途径,提出了酸性煤矸石山原位污染控制与生态修复和煤矸石地面充填造地两大规模化生态利用方式关键技术。结果表明:(1)煤矸石规模化生态利用的关键是环境污染的防控,通过对矸石的可利用性和经济性评价,结合风险管控手段,可实现煤矸石规模化生态利用。(2)对已堆积的矸石山采用原位污染控制基础上的植被恢复以实现生态化利用,提出了污染源头诊断-防灭火与污染阻隔-植被恢复一体化的生态利用技术。基于矸石氧化产酸产热导致污染的机理分析,采用热红外与测绘技术相耦合进行煤矸石山深部燃点(氧化点)定位;研发了杀菌剂与还原菌耦合的氧化抑制剂并结合惰性材料覆盖碾压进行抑氧隔氧污染阻隔;对自燃区采用喷浆控火与注浆灭火结合的安全灭火技术;氧化抑制剂结合惰性材料覆盖碾压的长效防火技术;提出以乡土草灌为主的防燃型植被恢复技术,可实现酸性煤矸石山的原位污染控制与生态修复。(3)通过地面充填生态化利用可行性分析、充填生态化利用技术和维护管理长期监测,可实现煤矸石地面充填造地的生态化利用。其关键是矸石材料筛选的污染风险分析、地面充填场地选择的可行性分析以及充填全过程的环保措施,包括充填前的场地底部防渗阻隔、渗滤液导排等安全环保措施,充填中的分层充填技术、防火控酸的污染防控和土壤剖面重构技术,充填后的侵蚀控制、植被恢复等技术。煤矸石规模化生态利用不仅解决了矿区固废堆存带来的生态环境问题,还通过对新、旧矸石的科学合理利用,打造矿区生态修复的新模式。

关键词：煤矸石规模化生态利用污染防控

温度对不同孔隙砂岩Ⅰ型断裂韧度影响的试验研究

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 430-436页

作者：黄彦华陶然韩媛媛陈笑罗一鸣武世岩中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学电气工程学院江苏徐州221116

高温岩石力学特性是煤炭地下气化等岩石工程围岩稳定分析和支护设计的重要依据。为揭示高温后岩石断裂特性,对两组不同孔隙率砂岩进行高温(25~800℃)处理,采用图像处理技术获得砂岩热裂纹分布特征,探究高温后砂岩微裂纹面积比演化规律;... 详细信息

高温岩石力学特性是煤炭地下气化等岩石工程围岩稳定分析和支护设计的重要依据。为揭示高温后岩石断裂特性,对两组不同孔隙率砂岩进行高温(25~800℃)处理,采用图像处理技术获得砂岩热裂纹分布特征,探究高温后砂岩微裂纹面积比演化规律;对高温后砂岩进行三点弯曲试验,分析高温对砂岩载荷-位移曲线、Ⅰ型断裂韧度及破裂模式的影响规律。结果表明:高温后砂岩微裂纹面积比随温度升高呈先减小后增大趋势,较高孔隙率C组砂岩微裂纹面积比更大;相同温度条件下,A组砂岩Ⅰ型断裂韧度高于C组砂岩;随着温度的升高,两组砂岩Ⅰ型断裂韧度均先增大后减小,阈值温度分别为200℃和400℃;三点弯曲作用下,从预制裂隙尖端萌生的裂纹扩展导致砂岩试样破坏,且温度越高,砂岩破坏程度越明显。

关键词：岩石力学高温作用 Ⅰ型断裂韧度微观结构图像处理

铁基非晶条带催化降解性能的退火晶化调控机理

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物理学报 2024年第9期73卷 307-316页

作者：余秀冬刘海顺薛琳张响杨卫明中国矿业大学材料与物理学院徐州221116 河海大学力学与材料学院南京210098 中国矿业大学力学与土木工程学院徐州221116

非晶合金是原子结构长程无序的亚稳态材料,具有优异的催化降解性能,同时也很容易发生晶化,但晶化对催化降解性能的影响机理目前尚不明确.本文研究了退火晶化对Fe-Si-B-Cu-Nb工业非晶条带微观结构及其对酸性橙7催化降解性能的影响.研究发... 详细信息

非晶合金是原子结构长程无序的亚稳态材料,具有优异的催化降解性能,同时也很容易发生晶化,但晶化对催化降解性能的影响机理目前尚不明确.本文研究了退火晶化对Fe-Si-B-Cu-Nb工业非晶条带微观结构及其对酸性橙7催化降解性能的影响.研究发现:经460—580℃退火后,条带的催化降解性能大幅下降,其反应速率常数低于0.01 min–1,α-Fe析出相导致其非晶结构的破坏,降低了羟基自由基的形成速率;而经过650—700℃退火后,条带的催化降解性能显著提高,反应速率可提升至退火前的3.77倍,降解15 min时的脱色率达99.22%,为退火前的1.12倍,催化降解性能的提高得益于晶化相与金属化合物间的原电池效应及富集Cu团簇和零价铁之间的置换反应.本研究揭示了退火晶化对偶氮染料的铁基非晶条带催化降解性能的作用机理,为利用老化的铁基非晶工业条带处理印染废水、实现“以废治废”,提供了有益的理论与实验支撑.

关键词：铁基非晶合金工业条带退火晶化催化降解

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