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锚网−围岩接触面注浆充填预应力施加技术

煤炭学报 2024年第5期49卷 2222-2230页

作者：原贵阳高富强王涛李建忠王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技... 详细信息

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验,分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验,得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值,验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素,围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加,面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中,面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关,面应力上升过程中,注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度,面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势,受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术,为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

关键词：锚杆支护金属网网后注浆面型预应力围岩控制

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含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 362-371页

作者：张村王磊王潇杰刘金保崔舒畅陈见行中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 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)厚煤层绿色智能开采教育部工程研究中心北京100083

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈... 详细信息

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明:干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使声发射强度降低。

关键词：废弃矿井含水率巴西劈裂抗拉强度声发射弱化机制

孔隙率对煤样力学性质及变形破坏特征的影响机制

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采矿与岩层控制工程学报 2024年第3期6卷 63-76页

作者：李建忠魏炯原贵阳石垚煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为揭示孔隙对煤样力学性质及变形破坏特征的影响,采用UDEC-Trigon开展了不同孔隙率煤样单轴压缩数值模拟试验,分析了不同孔隙率煤样的力学性质和变形破坏特征,研究了孔隙对其宏观变形破坏、微裂隙及声发射演化的影响,阐明了孔隙尖端拉... 详细信息

为揭示孔隙对煤样力学性质及变形破坏特征的影响,采用UDEC-Trigon开展了不同孔隙率煤样单轴压缩数值模拟试验,分析了不同孔隙率煤样的力学性质和变形破坏特征,研究了孔隙对其宏观变形破坏、微裂隙及声发射演化的影响,阐明了孔隙尖端拉应力集中驱动尖端裂隙产生扩展并贯通导致煤样力学性质及变形破坏变化的影响机制,探讨了孔隙特征对其宏微观力学表现的影响。研究结果表明:(1)随孔隙率的增大,煤样UCS和残余强度呈指数规律递减,弹性模量和变形模量逐渐减小,但泊松比逐渐增大;(2)孔隙影响下煤样内部微观张拉裂隙更易起裂、扩展,随孔隙率的增大,煤样失稳由拉剪脆性破坏向张拉延性破坏转变;(3)孔隙影响下煤样声发射信号由突然急剧增加向缓慢增加演化转变;(4)孔隙尖端拉应力驱动微观张拉裂隙产生并扩展延伸,孔隙率越高拉应力分布范围越广、量值越大,微观裂隙大量起裂扩展并更易贯通,宏观裂纹分布范围越广、数量越多;(5)煤样内部拉应力分布及演化受孔隙结构特征影响显著,影响孔隙尖端微裂隙产生、扩展及贯通,导致煤样力学性质和变形破坏特征产生明显变化。研究成果可为煤矿巷道钻孔卸压防治冲击地压提供参考。

关键词：孔隙率数值模拟力学性质微裂隙拉应力

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覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防治冲击地压技术体系及应用

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1318-1331页

作者：郝宪杰孙希奎唐忠义付鹏鑫罗江昊沈灵杰唐宽旭山东能源集团山东济南250000 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 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)内蒙古研究院内蒙古鄂尔多斯017001

主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式,或采用回采工作面平巷布孔卸压,或采用井下原位水力压裂技术,具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足;或采用地面水力压裂防冲系统,具有卸压范... 详细信息

主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式,或采用回采工作面平巷布孔卸压,或采用井下原位水力压裂技术,具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足;或采用地面水力压裂防冲系统,具有卸压范围广时效长等优点,也需要解决前期投入等。因此,秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想,研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的新型区域卸压源头防冲技术体系势在必行。提出了覆岩高位超前整层爆破卸压技术体系,针对可产生动载荷的较高位关键层,创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置,将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂,从而形成“人造预裂层”。该方法突破了一般的长钻孔距离限制,使得岩层爆破的卸压高度、卸压范围、卸压效果均大幅提高,可形成覆盖整个工作面区域甚至多个工作面的超前工作面开采的高位“人造预裂层”。高位爆破“人造预裂层”首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱,其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力,最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。在陕西长武亭南煤业3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验后,现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域,支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均大幅减少;巷道深孔和浅孔应力也均减少;微震事件总能量、大能量微震事件大幅度减少,且密集程度显著降低,工作面中段的微震事件尤为稀疏;地音高能事件、震源CT获得的冲击风险区域也有减少,各种实测手段均验证了高位爆破人造预裂层卸压防冲技术的优越性。

关键词：冲击地压高位爆破人造预裂层卸压防冲矿山压力微震

煤-热协同开采导水断层岩体热-流-固耦合试验研究

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 352-361页

作者：马丹侯文涛孔赛博张吉雄李樯周楠高富强汪锋刘勇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 广州市城市规划勘测设计研究院广东广州510060 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

导水断层岩体的高渗透性为煤炭-水热型地热能高效协同开采提供了新思路,研究深部热-流-固耦合条件下断层岩体的渗透性演变规律是实现煤-热协同开采的重要前提。自主研制了热-流-固耦合三轴试验系统,开展了导水断层岩体热-流-固耦合特性... 详细信息

导水断层岩体的高渗透性为煤炭-水热型地热能高效协同开采提供了新思路,研究深部热-流-固耦合条件下断层岩体的渗透性演变规律是实现煤-热协同开采的重要前提。自主研制了热-流-固耦合三轴试验系统,开展了导水断层岩体热-流-固耦合特性试验。试验结果表明,热-流-固耦合作用下破碎岩体的渗透过程可以划分为冲蚀增透阶段及体缩抑流阶段,其中,冲蚀增透阶段发生在试验初期,岩体的渗透性参数(孔隙率、流速及渗透率)在该阶段迅速增长,进入体缩抑流阶段后保持小幅波动。高温下岩石颗粒的热膨胀效应抑制了岩体孔隙空间扩展,导致渗透参数在冲蚀增透阶段增长缓慢;水压越高,渗透参数在冲蚀增透阶段增幅越大,表明高水压的冲蚀效应更显著;加载轴压与围压均会促进岩体的体缩效应,抑制渗透压力的冲蚀效果,导致试样渗透特性降低。文章丰富了导水断层岩体热-流-固耦合特性研究,为煤-热高效协同开采提供了试验基础。

关键词：煤-热协同开采断层岩体热-流-固耦合特性冲蚀效应

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采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

煤炭学报 2024年第1期49卷 16-35页

作者：宋振骐文志杰蒋宇静蒋金泉石永奎山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 长崎大学工学研究科日本长崎852-8521

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰... 详细信息

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论,提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则,建立了定量分析的力学模型和设计方法,发展了针对性的岩体灾害控制技术,并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制;提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件,给出“给定变形”和“限定变形”准则;调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标,提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术;建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U);研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统,实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程,为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备;分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控制及冲击地压控制4个方向进行了工程案例研究,相关研究成果在工程应用中得到了验证。

关键词：采动力学岩层控制岩体灾害 “3S”因素弱面判据试验系统研发

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动载扰动巷道再现冲击地压模拟试验研究

采矿与岩层控制工程学报 2024年第3期6卷 53-62页

作者：杨磊高富强卢志国娄金福王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为解决巷道冲击地压模拟试验难以再现的问题,研发了一套简便的动载扰动巷道冲击地压模拟试验系统和相应的低强度类煤岩模拟材料,并开展了验证性试验。试验结果表明:系统成功在实验室再现冲击地压,且操作简单便捷,动静载施加灵活,模型材... 详细信息

为解决巷道冲击地压模拟试验难以再现的问题,研发了一套简便的动载扰动巷道冲击地压模拟试验系统和相应的低强度类煤岩模拟材料,并开展了验证性试验。试验结果表明:系统成功在实验室再现冲击地压,且操作简单便捷,动静载施加灵活,模型材料满足需求;借助多源信息监测系统,实现了动载扰动下巷道冲击地压的全过程模拟与监测。研发的低强度类煤岩材料,以模型石膏粉、GRG石膏粉、水解树脂与水为主要原料,强度控制在6~9 MPa,制样与试验周期缩短至21 d。静态加载过程中的围岩应变与声发射信号互相吻合,能够反映模型试样经历的压密、弹性变形与微破裂发展等阶段;动载扰动对巷道围岩的变形破坏影响存在方向性,顶板的变形响应最为显著,在巷道周向产生较大的应变振荡与塑性弯曲变形,但冲击显现主要发生在巷道两帮,两次动载扰动在巷道同一区域均成功诱发了巷道的冲击地压现象,且第2次动载扰动引发的冲击显现程度趋于强烈,揭示了动载扰动对冲击发生的影响作用。研究结果表明该试验系统与模型材料稳定可靠,能够较好地模拟动载扰动下巷道的冲击失稳过程,可为研究巷道动静载组合致冲机理、动载扰动巷道的支护防控机制等提供参考。

关键词：巷道冲击地压动载扰动试验系统物理模拟试验

废弃矿井地下空间再利用根源因素识别及评价模型构建

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 585-599,612页

作者：孙中博赵毅鑫任建东中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为了推动废弃矿井空间资源的精准开发利用,根据地质条件和形态方位差异对影响废弃矿井地下空间再利用的众多因素开展系统研究.首先,从资源禀赋状态、稳定性、安全性和区位条件4个维度构建了包含18个因素的指标体系.然后,引入K-means聚... 详细信息

为了推动废弃矿井空间资源的精准开发利用,根据地质条件和形态方位差异对影响废弃矿井地下空间再利用的众多因素开展系统研究.首先,从资源禀赋状态、稳定性、安全性和区位条件4个维度构建了包含18个因素的指标体系.然后,引入K-means聚类算法避免了阈值确定的主观性和随意性,建立DEMATEL-ISM评价模型分析各因素间的相互作用关系.其次,构建多属性两阶段决策评价模型,采用TFN-TODIM方法对备选矿井排序.结果表明:“高度影响关系”类别的阈值包含63个,λ取值范围为0.107~0.248.各影响因素之间呈现复杂的同级和跨级作用关系,并得到了影响废弃矿井地下空间再利用的5个关键因素(煤层稳定性、围岩性质、地质构造复杂程度、开采深度、地质灾害发生频率)和3个根本因素(瓦斯浓度等级、矿井涌水量、煤层自燃倾向性).以地下旅游及休闲娱乐场所模式为例,各备选矿井的优劣势排序为A1(山西太原白家庄煤矿)>A3(山东济宁唐口煤矿)>A2(山西临汾团柏煤矿)>A5(陕西榆林山东煤矿)>A7(贵州遵义云安煤矿),最优先开发的矿井为山西太原白家庄煤矿.最后,展望了物资仓储、医疗场所、科研教学基地和深地工程等模式的决策评价模型的研究焦点和方向.研究结论为促进废弃矿井地下空间资源再利用提供了理论支撑,对推动矿区转型发展具有借鉴意义.

关键词：废弃矿井地下空间再利用 DEMATEL-ISM K-means聚类 TODIM

基于新一代信息技术的煤炭工业治理体系平台技术架构

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煤炭科学技术 2024年第S01期52卷 228-237页

作者：胡亚辉周昱江庞义辉中国矿业大学(北京)人工智能学院北京100083 中煤科工开采研究院有限公司北京100013

针对我国煤炭工业治理体系无法适应当前煤炭高质量发展需求的问题,提出利用第四次工业革命所倡导的新一代信息技术建立一套完整的煤炭工业治理体系平台,提升政府监管能力,打通市场合作瓶颈,建立国际对话渠道,支撑我国煤炭工业机制体制... 详细信息

针对我国煤炭工业治理体系无法适应当前煤炭高质量发展需求的问题,提出利用第四次工业革命所倡导的新一代信息技术建立一套完整的煤炭工业治理体系平台,提升政府监管能力,打通市场合作瓶颈,建立国际对话渠道,支撑我国煤炭工业机制体制深化改革与相关政策的有效落实。分析了5G、人工智能、大数据、区块链4种信息技术的技术特点、发展现状及趋势,指出各种信息技术在构建煤炭工业治理平台中的角色与定位。提出了基于新一代信息技术的煤炭工业治理平台总体架构及网络架构图,进一步分析了建设平台所需的信息基础设施,包含公专融合5G煤炭工业网络、煤炭大数据与智能信息处理子平台、区块链煤炭产业协作监管子平台3部分。深入探讨了公专融合5G煤炭工业网络、煤炭大数据与智能信息处理子平台及区块块链煤炭产业协作监管子平台的关键技术,为建设煤炭工业治理平台提供可行化方案。

关键词：煤炭工业治理体系第五代无线通信技术大数据人工智能区块链