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松软破碎煤体取制样与剪切试验系统研制及应用

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 126-134页

作者：舒龙勇饶文铭范喜生刘正帅孙中学霍中刚煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013

研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数... 详细信息

研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数测试系统组成,各部分具有以下主要功能与特点:①取样装置中的单动三管取芯器包含脑袋总成、外管总成及内管总成3部分,内外管间设置稳定环,保证内外管同心,内管总成腔体内部设置衬管用于储存煤心,取芯钻进时内管不随外管旋转;当钻取的煤心充满衬管后,退出取芯器,拆卸取出衬管,将煤心连同衬管一并取出并进行封装。取样装置灵活、轻便、易拆装携带。②制样装置包含脱模仪、切割机、冰箱、热风枪4部分,脱膜仪用于脱去煤心外层衬管,切割机、冰箱和热风枪用于对煤心进行切割、冷冻和热缩;制作标准煤心试件分为打孔润湿、冷冻切割和热缩脱模3个步骤,采用端头局部冷冻切割、脱模与热缩均匀同步等技术,实现多种标准尺寸试件制备,制样方法完善、成功率高。③力学特性参数测试系统包含主体结构、伺服油源控制装置和软件系统3部分,能实现限制性及非限制性直剪试验功能,主要用于开展松软破碎煤体标准试件不同法向应力下直剪试验、不同围压下三轴压缩试验。整体设计结构简单、操作方便。研究利用单动三管取芯器获取松软破碎煤体,利用脱模仪等制样装置将其制备成标准试件,进而在力学特性参数测试系统上分别开展松软破碎煤体标准试件在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09 MPa法向应力下的直剪试验和0.2、0.3、0.4 MPa围压下的三轴压缩试验,并求得两种试验条件下松软破碎煤体的黏聚力和内摩擦角等抗剪强度参数,其中直剪试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.125 kPa和37.2°,三轴压缩试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.121 kPa和36.4°。结果表明,该套系统具有较好的实用性和可靠性,为研究松软破碎煤体力学特性提供了较好的试验平台和方法。

关键词：松软破碎煤体取芯器取样标准煤样制备剪切试验抗剪强度

基于多种解析法和数值法求解巨厚砂岩水文地质参数

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煤炭科学技术 2024年第S1期52卷 174-182页

作者：周全超刘玲李继升殷裁云华能煤炭技术研究有限公司北京100070 中国煤炭地质总局勘查研究总院北京100039

在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全。水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义。为了获取更... 详细信息

在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全。水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义。为了获取更加贴近实际的矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的水文地质参数,以新庄煤矿洛河组巨厚砂岩含水层上、下段的抽水试验资料为依托,采用传统的非稳定流的Theis公式法、Jacob直线图解法和水位恢复法等解析法,结合实际场地特征,计算出洛河组砂岩含水层上、下段的渗透系数分别为0.22~0.59和0.03~0.35 m/d;上段导水系数为128.74~373.67 m^(2)/d,下段为5.52~47.07 m^(2)/d;上段的贮水系数为2.22×10^(-4)~6.69×10^(-3),下段为6.53×10^(-5)~3.29×10^(-3)。并通过FEFLOW软件建立新庄矿区的地下水流数值模型,求解洛河组含水层的水文地质参数,得到洛河组上、下段渗透系数分别为0.55和0.45 m/d。通过多种方法对比分析表明,通过数值模拟法得到的水文地质参数结果与多种解析法计算的结果相近。在此基础上,根据各方法得出的水文地质参数计算矿井涌水量,并与实际涌水量进行对比,结果表明:在含水层上段,采用数值模拟法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量;而在洛河组下段,采用Jac-ob直线图解法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量。进一步提高了水文地质参数计算的准确度,为后期的含水层富水性研究、矿井涌水量预测以及类似矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的矿井水防治工作提供依据。

关键词：矿井涌(突)水水文地质参数抽水试验洛河组砂岩

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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

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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

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 92-103页

作者：何杰吴拥政孙卓越李军臣煤炭科学研究总院有限公司开采研究分院北京100013 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 煤炭科学研究总院煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机... 详细信息

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明:①在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力-应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快-慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹-剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。②揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律:孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地压巷道钻孔卸压机理,为冲击地压防治提供理论支持。

关键词：岩石动力学分离式霍普金森压杆孔洞力学特性能量耗散

6~10 m厚煤层超大采高液压支架及其工作面系统自适应智能耦合控制

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 276-288页

作者：韩会军王国法许永祥张金虎雷声李艳鹏煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 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北京100013

厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半,通过梳理厚煤层开采历史沿革,总结了我国厚煤层开采40年来的技术及装备研发实践,系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的6~10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备... 详细信息

厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半,通过梳理厚煤层开采历史沿革,总结了我国厚煤层开采40年来的技术及装备研发实践,系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的6~10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备研究进展,提出了大采高支护理论及围岩智能耦合控制的突破是厚煤层一次开采高度突破的首要因素,完善的感知体系建立是液压支架自适应支护的前提,数字技术的应用为大采高工作面高效推进及装备智能协同控制提供了新的技术途径;阐明了大采高综放液压支架与围岩耦合关系,剖析了采高增加对硬煤层冒放性的有利影响,提出了基于煤矸识别、放煤机构控制的“纯煤段记忆放煤+煤岩分界模糊段人工反馈式干预放煤”的智能放煤控制策略;分析了大采高开采“采–运”协同智能耦合控制关键技术,构建了基于采煤机牵引速度与刮板输送机链速间联动调节的工作面装备间多机异构耦合自适应协同控制模型;研发了厚煤层开采中10 m超大采高液压支架,分析了厚煤层开采不断突破开采高度极限的新认识,从开采装备、控制系统等方面提出厚煤层一次开采高度的突破的研发方向。

关键词：厚煤层开采高端开采装备支架–围岩耦合大采高综采大采高综放

煤矿井下图像的双分支耦合Transformer网络增强方法

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煤炭学报 2024年第9期49卷 4027-4037页

作者：程健宋泽龙李昊马永壮李和平孙大智煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学研究总院有限公司矿山大数据研究院北京100013 天地科技股份有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响,井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点,另外深度学习低照度图... 详细信息

受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响,井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点,另外深度学习低照度图像增强方法在一定程度上解决了低照度图像亮度增强的问题,但其模型泛化能力较差,在实际煤矿井下场景应用效果不佳。针对上述问题,利用Transformer本身泛化能力强的优势,提出一种基于Transformer模型的低照度图像增强算法。融合Swin v2模块与卷积模块,构建煤矿井下低照度图像的乘法图和加法图,并与原图像进行叠加拟合,以解决细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声的问题。同时采用多尺度模块的注意力机制对叠加拟合后的图像进行色彩处理,以解决图像亮度提升有限、存在大量暗区以及色彩失真的问题。经实验表明,相较于LIME、Zero-DCE、RetiNexNet、MBLLEN、KIND算法,本文算法在客观质量指标峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)上的表现,分别提高了34.76%、55.73%,47.32%、52.76%,22.52%、25.7%,19.615%、12.285%,5.81%、2.625%。同时定性分析结果表明该方法能够对煤矿井下低照度图像进行显著增强,图像亮度达到可视范围,相比其他方法,色彩更加真实,图像细节信息更为清晰。说明本文提出的算法在图像噪声程度、色彩失真程度、对比度、结构相似度以及亮度等方面均具有良好的性能,整体相对较优。

关键词：低照度图像图像增强 Transformer模型煤矿井下

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我国煤矿重特大事故统计分析及对策建议

中国安全科学学报 2024年第9期34卷 9-18页

作者：王海军齐庆杰梁运涛齐庆新刘英杰孙祚煤炭科学研究总院有限公司北京100013

为揭示近年来我国煤矿事故特征,有针对性地提出事故防范对策建议,首先,收集整理2013—2023年全国重特大煤矿事故,分析事故发生的年份、类型、月份、省份和原因等方面;其次,以内蒙古新井煤业“2·22”特别重大坍塌事故为例,基于“2-4”模... 详细信息

为揭示近年来我国煤矿事故特征,有针对性地提出事故防范对策建议,首先,收集整理2013—2023年全国重特大煤矿事故,分析事故发生的年份、类型、月份、省份和原因等方面;其次,以内蒙古新井煤业“2·22”特别重大坍塌事故为例,基于“2-4”模型(24Model)分析导致事故发生的原因;最后,结合以上分析和研究结果提出符合我国现阶段煤矿安全生产形势的事故预防对策与建议。结果表明:煤矿重特大事故发生起数和死亡人数呈整体下降趋势,且进入“十二五”规划以来,我国煤矿安全生产水平明显提高;瓦斯事故仍是我国煤矿主要事故,占事故总起数的51%;每年第4季度是煤矿事故高发期,占事故总起数的30.43%;受地质条件和赋存情况影响,煤炭主要产区发生事故较多;人的不安全行为导致的事故占比高达74%;当个体层面和组织层面存在隐患且双重预防措施不到位时,易发生事故;从安全监管、科技兴安、队伍建设、安全文化等4个维度提出降低煤矿安全事故的对策建议。

关键词：煤矿重特大事故统计分析 “2-4”模型(24Model) 事故原因不安全行为

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