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膏体充填体假顶稳定性尖点突变分析

采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 741-748页

作者：鲜旭红常庆粮张彪甘肃能化股份有限公司窑街煤电集团有限公司甘肃兰州730080 中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

针对窑街三矿“三下”厚煤层压覆资源的安全开采问题,采用了下行分层膏体充填开采方法,通过构建膏体充填体假顶力学计算模型,得到了其厚度与极限强度关系式。利用尖点突变理论的势函数,推导了充填体假顶总势能,探究了充填假定的稳定性... 详细信息

针对窑街三矿“三下”厚煤层压覆资源的安全开采问题,采用了下行分层膏体充填开采方法,通过构建膏体充填体假顶力学计算模型,得到了其厚度与极限强度关系式。利用尖点突变理论的势函数,推导了充填体假顶总势能,探究了充填假定的稳定性。采用FLAC3D数值计算软件,建立了下行分层膏体充填开采数值计算模型,研究了充填体假顶的移动变形特征。研究结果表明:充填体假顶的极限强度与其厚度呈幂函数负相关。充填体假顶厚度为3.2 m时,其极限强度为4.9 MPa,当充填体假顶厚度大于3.2 m后,其极限强度逐渐稳定于2.9 MPa。充填体假顶的总势能满足失稳判别式Δ≥0,不会发生突变失稳破坏。充填体假顶与下分层充填体的最大主应力均为1~2 MPa,小于其极限承载的抗压强度,且塑性区出现在下分层充填体层位,充填体假顶未发生剪切或拉伸破坏,所受的拉应力稳定于0.65 MPa,远小于充填体的许用拉应力。现场实测表明:下分层充填开采时,充填体假顶下沉量与上、下分层充填体的压缩量累计仅为75 mm。因此,在上分层充填体假顶的基础上开采下分层,充填体假顶能够承受上部围岩所施加的覆岩荷载,保证其自身稳定性,不会发生破断失稳,从而保证窑街三矿“三下”厚煤层压覆资源的安全开采。

关键词：厚煤层开采膏体充填分层开采数值模拟充填体假顶

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不同浸水作用下煤岩损伤及力学性质劣化规律

地下空间与工程学报 2024年第S01期20卷 84-93页

作者：吴宝杨宋佳辉李鹏李志轩王雁冰煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 国家能源集团神东煤炭集团陕西榆林719315

本文以宁夏煤业的灵新矿的煤样为研究对象,设置煤样含水率、干湿循环次数、高盐矿井水矿化度3个变量,系统研究煤样无损吸水特性及不同浸水作用下煤样的力学性质损伤规律。并结合声发射试验获得的特征参数,量化抗压强度和弹性模量与不同... 详细信息

本文以宁夏煤业的灵新矿的煤样为研究对象,设置煤样含水率、干湿循环次数、高盐矿井水矿化度3个变量,系统研究煤样无损吸水特性及不同浸水作用下煤样的力学性质损伤规律。并结合声发射试验获得的特征参数,量化抗压强度和弹性模量与不同含水率、不同干湿循环次数、不同矿化度间的定量关系,分析不同变量下的煤样破坏特征及裂隙发育演化过程。结果表明:含水煤样的抗压强度及弹性模量与含水率和矿化度呈线性递减关系,与干湿循环次数呈指数递减关系;随煤样含水状态(含水率、干湿循环次数)的提高,煤样内部剪切裂隙的占比逐渐增加,之后增加幅度较小;三者对煤岩介质的力学性质都存在劣化作用。煤岩介质的浸水试验有效揭示了不同浸水条件的“水-岩”耦合作用下煤岩介质的损伤破坏机理,为确保地下水库煤柱坝体稳定性研究提供有效的参考,同时可以为解决煤炭开采过程中所产生矿井水难以有效储存和利用以及大量水资源损失等问题提供有效思路。

关键词：煤岩介质浸水作用力学性质破坏机理声发射

强突煤层群非连续开采应力叠加特征与瓦斯分区精准防治

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煤炭学报 2024年

作者：王亮郑思文陆壮蒋长宝刘超中国矿业大学力学与土木工程学院中国矿业大学安全工程学院重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室

随着浅部煤层及易开采煤层资源的日渐枯竭，许多老旧矿井由于煤层复杂瓦斯赋存情况及前期不合理的采掘规划，导致后续开采的邻近层工作面受应力叠加影响，瓦斯治理困难。笔者以芦岭煤矿Ⅱ944工作面为研究对象，利用数值模拟方法分析了... 详细信息

随着浅部煤层及易开采煤层资源的日渐枯竭，许多老旧矿井由于煤层复杂瓦斯赋存情况及前期不合理的采掘规划，导致后续开采的邻近层工作面受应力叠加影响，瓦斯治理困难。笔者以芦岭煤矿Ⅱ944工作面为研究对象，利用数值模拟方法分析了上下突出邻近层非连续回采后遗留煤柱形成的工作面叠加应力分布状态，通过理论分析获得应力集中区渗透率分布特征，基于此提出了“灾害分区，精准防治”关键技术。研究结果表明：Ⅱ944工作面应力分布呈现非连续时空分区分布状态，上下邻近层先后回采留设煤柱的时空顺序发生变化时，会导致中间煤层的低应力集中区转变为强显现的应力集中区、卸压区转变为应力集中区，因此可将可划分为卸压区、局部卸压区和应力集中区。应力集中区的最大垂直应力达到102 MPa，渗透率大幅降低。瓦斯治理前最大煤层瓦斯压力3 MPa、最大瓦斯含量16.72 m3/t。依据应力分布、渗透率及瓦斯赋存特征，制定了针对性地分区精准瓦斯治理技术，形成保护层卸压-水力造穴-网格式预抽协同治理的工作面瓦斯精准治理模式；局部卸压区域通过网格式穿层钻孔预抽后瓦斯压力降低至0.18 MPa，瓦斯含量降低至2.45 m3/t。应力集中区域通过水力造穴及网格式穿层钻孔预抽瓦斯压力降低至0.15 MPa，瓦斯含量降低至2.50 m3/t。整个回采期间未发生瓦斯超限事故，实现了非连续开采诱致叠加应力分布下的安全高效开采。上述研究对指导突出煤层群复杂工程条件的瓦斯精准治理工作具有重要意义。

关键词：煤层群应力集中瓦斯抽采瓦斯分区治理煤与瓦斯突出

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煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型

地质学报 2024年第8期98卷 2517-2530页

作者：魏迎春李新曹代勇张昀宁树正徐腾跃中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 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 中国煤炭地质总局勘查研究总院北京100039

战略性金属矿产资源在国民经济发展和国防安全中发挥重要作用。煤系作为一种特殊的含煤沉积岩系,在特定地质环境下可形成大型乃至超大型战略性金属矿床,煤系战略性金属矿产已成为矿产资源勘查的新领域和新方向。本文分析了煤与煤系战略... 详细信息

战略性金属矿产资源在国民经济发展和国防安全中发挥重要作用。煤系作为一种特殊的含煤沉积岩系,在特定地质环境下可形成大型乃至超大型战略性金属矿床,煤系战略性金属矿产已成为矿产资源勘查的新领域和新方向。本文分析了煤与煤系战略性金属矿产的基本特征,从煤与煤系战略性金属矿产有效的协同勘查技术方法(组合)和协同勘查工程布置方面,构建了地质-地球物理-地球化学-钻探等关键技术的煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型。基于煤与煤系战略性金属矿产的基本特征,确定协同勘查对象包括煤-锂/镓矿床、煤-锗矿床、煤-铌-锆-镓-稀土矿床、煤-铀矿床。在煤炭勘查的技术上,煤-锂/镓矿床协同勘查需加强地震和测井资料的处理分析,增加岩石地球化学勘探技术手段对煤层、煤层顶底板、夹矸的采样测试;煤-锗矿床协同勘查增加岩石地球化学勘探技术手段对煤层的采样测试;煤-铌、锆、镓、稀土矿床协同勘查技术手段要加强测井技术(自然伽马)及岩石地球化学勘探对自然伽马高异常层样品的采集测试;煤-铀矿床协同勘查充分利用煤炭钻孔自然伽马测井、地震勘探、电磁法勘探及磁法勘探资料进行分析,在自然伽马高异常区划定铀潜力资源区,加强自然伽马能谱测井、伽马能谱录井、穿透性地球化学测量及岩石地球化学勘探等技术手段协同运用。基于煤系战略性金属矿产的分布特征和经济性,遵循“全面筛查,分区施策”的原则,依据勘查对象相应的矿产地质勘查规范,确定煤与煤系战略性金属矿产协同勘查类型和协同勘查工程布置方案,包括勘查系统选择、勘查工程布置、勘查施工顺序,探讨了资源量估算方法和估算参数。基于煤与煤系战略性金属矿产的协同勘查技术方法(组合)和协同勘查工程布置,分别构建了煤-锂/镓矿床、煤-锗矿床、煤-铌-锆-镓-稀土矿床、煤-铀矿床的协同勘查模型,为煤与煤系战略性金属矿产协同勘查工作提供理论基础和方法依据。

关键词：煤煤系战略性金属矿产协同勘查技术协同勘查工程协同勘查模型

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压剪作用下单一闭合裂纹起裂扩展研究

应用力学学报 2024年第3期41卷 524-535页

作者：徐海铎李宏艳梁冰孙中学何适莫云龙辽宁工程技术大学力学与工程学院阜新123000 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业工程学院北京100083

构建了压剪作用下单一闭合裂纹尖端应力场方程,应用最大周向应力准则分析了翼裂纹开裂角,侧压系数k对应力场和翼裂纹起裂扩展的影响,单轴压缩下裂纹倾角α对翼裂纹起裂应力的影响。通过单轴压缩试验及三轴文献数据对比验证了理论解的正... 详细信息

构建了压剪作用下单一闭合裂纹尖端应力场方程,应用最大周向应力准则分析了翼裂纹开裂角,侧压系数k对应力场和翼裂纹起裂扩展的影响,单轴压缩下裂纹倾角α对翼裂纹起裂应力的影响。通过单轴压缩试验及三轴文献数据对比验证了理论解的正确性。研究表明:开裂临界相对尺寸λ→0或裂纹倾角α→45°,T应力对翼裂纹开裂角的影响作用可以忽略;周向拉应力随侧压系数k的升高而降低,翼裂纹起裂所需轴向应力增大;围压对翼裂纹的扩展存在抑制作用,且裂纹面有效剪应力大于0时抑制作用更强;试验观察到预制裂纹尖端出现翼裂纹和少量的反翼裂纹和共面剪切裂纹,翼裂纹的开裂角在预测值附近上下波动;单轴压缩,翼裂纹起裂应力随裂纹倾角的增大而增大;三轴压缩,翼裂纹起裂应力随侧压系数的增大而增大,与模型预测的变化关系具有一致性。

关键词： T应力有效剪应力翼裂纹侧压系数周向应力单轴压缩试验

宁夏回族自治区碳捕集、利用与封存源汇匹配与集群部署

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1583-1596页

作者：刘世奇莫航桑树勋刘统中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏徐州221008

“双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年,CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势,而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据,能够建立高... 详细信息

“双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年,CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势,而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据,能够建立高效CO_(2)输运管网、降低减排成本。宁夏是国家能源安全战略布局的重要保障基地,能源结构偏煤、工业结构偏重特征明显,面临着巨大的碳减排压力。针对宁夏CCUS集群部署的源汇匹配问题,调研评估了宁夏工业碳排放源特征和地质碳汇潜力,构建了CCUS源汇匹配模型,在充分考虑源汇性质、捕集-输运-封存成本、CO_(2)运输距离、区域地理条件、土地利用类型、人口密度等因素基础上,应用改进的节约里程法和基于地理信息系统(GIS)的最低成本路径优化法,结合ArcGIS平台和优化求解软件,获得了宁夏CCUS源汇匹配优化和应用方案,并提出宁夏CCUS集群部署建议。结果表明,截止2021年,宁夏工业碳排放源107个,碳排放总量2.26亿t/a,以化工(含自备电厂)和电力行业碳排放为主。宁夏主要封存地质体包括深部咸水层、深部不可开采煤层和油气藏,CO_(2)理论地质封存容量151.55亿t,以深部咸水层封存潜力最大。宁夏CCUS源汇匹配效果较好,在源汇直接相连的情况下,区内年排放量10万t以上的大型工业排放源CCUS集群部署(30 a规划期)总成本约2.45万亿元,并以捕集成本为主,占比83.65%,单位减排成本402.32元/t,共需建设CO_(2)运输管道2 459 km;改进的节约里程法和基于GIS的最低成本路径优化法可大幅降低CCUS集群部署成本,优化后CCUS单位减排成本降至381.76元/t,节约管道建设里程938 km。宁夏应聚焦电力、化工等“两高”(高耗能、高排放)行业,在以宁东能源化工基地为重点的北部、东部地区超前应用CCUS技术,打造宁东能源化工基地、银川—吴忠、石嘴山、中卫和固原5个CCUS特色集群,构建宁夏特色的工程化CCUS全流程技术模式。

关键词：碳捕集、利用与封存源汇匹配管网优化 CCUS集群部署宁夏

接种AMF对海绵结构重构土层的玉米根系分布及水分利用特征的影响

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水土保持通报 2024年第1期44卷 1-8,19页

作者：毕银丽李晗柯增鸣杨伟薛超西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院陕西西安710054 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

[目的]露天煤矿区生态脆弱,水资源短缺,利用微生物复垦已成为矿区生态重建的研究热点。探究露天矿排土场重构土层海绵生态结构条件下接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)对玉米根系生长及水分利用特征的影响,为矿区生态... 详细信息

[目的]露天煤矿区生态脆弱,水资源短缺,利用微生物复垦已成为矿区生态重建的研究热点。探究露天矿排土场重构土层海绵生态结构条件下接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)对玉米根系生长及水分利用特征的影响,为矿区生态农业建设提供科学依据。[方法]在室内布设土柱模拟试验,设置裸土柱(CK)、玉米不接菌(NM)和玉米接菌(AM)3个处理,采用氢氧稳定同位素示踪技术研究玉米根系水分利用特征。[结果]①接种AMF处理促进了玉米根系的生长,改变了玉米根系分布。AM处理玉米的总根长、总根表面积、总根体积和根尖数分别比NM处理高19.3%,14.8%,9.1%和34.0%,AM处理小于0.3mm的细根及大于0.7mm的粗根比例分别比NM处理高3.2%和3.5%。②AMF改变了玉米的水分利用特征,AM处理玉米利用的水分来源于0—20cm土层的比例较NM处理提升5.5%。③AM处理土柱0—20cm土层含水率显著低于NM处理,饱和黏土层含水率:CK处理>NM处理>AM处理。AMF提升了玉米根系吸收水分的能力,影响黏土层中水分的释出。[结论]在矿区排土场海绵结构重构土层上接种AMF能促进玉米根系发育,改善水分利用策略,使其充分利用海绵结构中涵水层保蓄的水分。

关键词：海绵生态结构丛枝菌根真菌根系分布氢氧同位素水分利用

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厚硬覆岩下巨厚煤层开采转角塔塔线体稳定性演化特征研究

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 730-740页

作者：顾伟王允卿中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

巨厚煤层开采地表塔体稳定性难以保证,明确合理的开采方案已成为巨厚煤层高效开采与塔体稳定问题亟待解决的关键。以崔家沟煤矿转角塔下压煤开采2311工作面为工程背景,研究了厚硬覆岩条件下巨厚煤层开采对地表特殊结构转角塔塔线体稳定... 详细信息

巨厚煤层开采地表塔体稳定性难以保证,明确合理的开采方案已成为巨厚煤层高效开采与塔体稳定问题亟待解决的关键。以崔家沟煤矿转角塔下压煤开采2311工作面为工程背景,研究了厚硬覆岩条件下巨厚煤层开采对地表特殊结构转角塔塔线体稳定性的影响。研究结果表明:对于转角塔塔线体结构,水平移动和倾斜对各项力学性能影响最大。覆岩中硬覆岩占比过大导致沉陷系数取值存在特殊性。利用实测数据训练后的沉陷参数反演预测模型预测值准确度高。通过开采方案中限厚开采段长度及位置因素阐明了塔线体稳定性演化特征。其中限厚开采段长度及位置存在阈值,小于阈值均不能满足塔线体稳定性要求。不同采深下塔线体稳定性演化特征相似,但取值范围呈现非线性关系。研究对于相似塔下压煤开采、煤炭采出率提高以及沉陷控制具有指导意义。

关键词： “三下”采煤塔线体厚硬覆岩沉陷预计地表变形监测

强突煤层地面丛式井造穴卸压辅助石门揭煤技术研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：刘厅翟成童校长徐鹤翔邹全乐林柏泉徐吉钊中国矿业大学安全工程学院煤矿灾害防控全国重点实验室煤炭开采国家工程技术研究院煤矿瓦斯治理国家工程研究中心重庆大学资源与安全学院

针对深部强突煤层石门揭煤危险性高，打钻过程易喷孔、效率低的难题，基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统；其次揭示... 详细信息

针对深部强突煤层石门揭煤危险性高，打钻过程易喷孔、效率低的难题，基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统；其次揭示了丛式井造穴卸压煤体物理场演化规律，提出了造穴关键技术参数优化方法；最后成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验，验证了技术的有效性。结果表明：① 提出了多场协同调控防突方法，揭示了地面丛式井区域全覆盖造穴强化卸压增透，辅助石门揭煤消突机理，开发了“机械扩孔-水力喷射-排水释压”多级造穴技术，并配套研发了“造穴-排渣-水渣分离”一体化系统；② 煤体塑性区体积与等效直径平方呈线性关系，本文条件下的比值为81.90；洞穴附近低渗透区瓦斯压力随着洞穴直径的增大先降低后升高，对应的最优洞穴直径为2.0 m；揭煤巷道沿着垂直于最大主应力方向布置时，造穴后巷道两侧煤体更容易消突；③ 成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验，技术实施后，煤层透气性系数提高约10倍，残余瓦斯压力和残余瓦斯含量显著降低，试验地点井下揭煤措施孔数量减少了24%、钻孔工程量降低了21%。本文的开发的技术可进一步拓展形成“地面井煤气共采”方法，有望实现难采-难抽煤层煤与瓦斯的协同高效共采。

关键词：强突煤层石门揭煤地面井造穴应力-渗流耦合煤气共采