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极松软厚煤层超高巷道顶部高泡材料充填体强度确定

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采矿与岩层控制工程学报 2023年第4期5卷 73-83页

作者：王旭锋贾俊飞杨战标赵万里王纪尧杨培举杨前中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 平顶山天安煤业股份有限公司十一矿河南平顶山467047 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467000 平顶山天安煤业股份有限公司朝川矿河南平顶山467522

极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和... 详细信息

极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和优化支护效果。通过建立超高巷道顶部充填体受力模型,得到了巷道顶部充填体水平及垂直方向的受载强度,确定了顶部充填体所需的强度及变形能;根据不同水灰比、发泡剂含量条件下高泡材料的力学特性,采用数值模拟方法确定了高泡材料的最佳配比,通过工业试验验证了支护效果。研究结果表明,巷道高度为3~6 m时,顶部充填体水平及垂直方向最大受力载荷分别为0.48 MPa和1.37 MPa;巷道高度为6 m时,顶部充填体所需变形能应大于1.17 MPa;将水灰比为3∶1、发泡剂含量为0.03%的充填体充填至巷道顶部,数值模拟及现场的巷道两帮最大位移分别为220 mm和163 mm,满足工作面安全开采要求。研究结果可为类似条件的巷道围岩控制提供借鉴。

关键词：极松软厚煤层超高巷道高水高泡材料材料性能控制效果

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平顶山矿区地热地质条件及其成因分析

地球物理学进展 2023年第2期38卷 551-561页

作者：李延河万志军于振子王朱亭张波张源平顶山天安煤业股份有限公司平顶山467099 中国矿业大学矿业工程学院徐州221116 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院平顶山467099

地热资源作为清洁可再生能源之一,合理的开发地热能有助于国家“双碳”目标的实现,而正确认识区域地热地质条件及其成因是地热资源开发利用的前提.平顶山矿区位于构造隆起区且区内岩溶含水层广泛发育,基岩起伏产生的热折射效应及岩溶层... 详细信息

地热资源作为清洁可再生能源之一,合理的开发地热能有助于国家“双碳”目标的实现,而正确认识区域地热地质条件及其成因是地热资源开发利用的前提.平顶山矿区位于构造隆起区且区内岩溶含水层广泛发育,基岩起伏产生的热折射效应及岩溶层内地下水对流共同造成该区浅表存在温度异常,沉积盖层段的地温梯度值高达45.0℃/km.本文以7口钻井测温曲线和254块样品热物性资料为基础,分析了该区地温场特征,并结合区域典型地层剖面,对岩溶层内流体对流对地层温度影响的开展水热耦合研究,并通过热模拟分析构造界面两侧热物性差异产生的热流侧向汇聚作用对浅表聚热的作用大小.结果表明:平顶山矿区地温梯度值范围在8.0~66.9℃/km之间,对应的热流值范为31.0~135.0 mW/m^(2),且地温场分布呈明显的分带性,构造凸起区相对于四周凹陷区地层温度、地温梯度、热流值较高;水热耦合模拟显示,在补给区,随着冷水沿着地表出露的岩溶含水层的不断下渗,地层温度越来越低,在排泄区,补给区冷水经过深部循环加热后向上排泄,进而加热周边岩层;其次,导水断裂可以深刻改变地层温度场的分布,是地层温度下降或上升的分界线;基岩起伏产生的热折射效应是造成矿区构造隆起区温度较高的主要原因,因热折射效应在1.0 km范围内所造成的地温梯度值的波动在6.8℃/km左右,进而所产生的热流扰动在12.3 mW/m^(2),是造成该区局部热异常的主要原因之一.

关键词：大地热流钻井测温曲线地下水地温场平顶山矿区

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深部煤岩层复合结构底板破坏机制及应用研究

岩石力学与工程学报 2022年第3期41卷 559-572页

作者：李昂纪丙楠牟谦王满于振子邓五先李宏跃韩泰然郭壮西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室河南平顶山467099 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467000 平顶山天安煤业股份有限公司十二矿河南平顶山467000

为研究平煤矿区深部岩石开采工作面底板岩体破坏机制,在传统的单一岩层底板塑性滑移线场理论基础上,构建三层复合结构底板塑性滑移线场力学模型,推导得出5种工况下底板最大破坏深度理论解;模拟分析不同推进度下底板岩体应力场分布规律... 详细信息

为研究平煤矿区深部岩石开采工作面底板岩体破坏机制,在传统的单一岩层底板塑性滑移线场理论基础上,构建三层复合结构底板塑性滑移线场力学模型,推导得出5种工况下底板最大破坏深度理论解;模拟分析不同推进度下底板岩体应力场分布规律及塑性变形特征;最后运用振弦式应变计实时监测十二矿己15-31040岩石开采工作面底板岩体微应变量,得到采面采前-采中-采后底板变形发育形态及破坏域。结果表明:(1)该工作面底板主动破坏区深度位于中层与下层结构岩层之间,属第三种工况,最大破坏深度理论解为17.08 m;(2)模拟实验发现了底板岩体破坏与损伤主要集中在开切眼及两巷下方,以塑性滑移破坏形式为主,破坏深度为17.1~17.9 m,且寒灰承压水导升高度小于石炭系底部铝土泥岩厚度,有效隔水层可抵御寒灰水导升;(3)实测数据显示底板破坏初始位置超前采面7.9m,以压剪破坏形式为主,临近采面底板岩体进入采空区后转化为拉剪破坏,破坏深度可达16.5~18 m,温度监测显示采动破坏带的下部岩体仍具有良好的抗渗性。理论计算与模拟实验及实测结果相一致,可为相似地质条件下煤岩层开采工作面底板水害防治提供理论指导和实践参考。

关键词：采矿工程塑性滑移线场复合结构底板塑性变形微应变

煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究

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煤炭学报 2023年第3期48卷 1115-1125页

作者：万志军张源师鹏苟红王朱亭于振子中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467099

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热... 详细信息

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:①矿区地热水静态可采量为1.14×10^(17)J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×10^(16)J/a,折合标煤1.01 Mt/a。②生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。③随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。④均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。⑤通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。⑥矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17万m^(2)的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10327 t,减少CO_(2)排放量26900 t,为企业创造693.8万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。

关键词：矿山地热煤-热共采矿井热害地热水非常规开采

我国煤矿地质保障系统建设30年:回顾与展望

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煤田地质与勘探 2023年第1期51卷 86-106页

作者：贾建称贾茜桑向阳吴艳中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 煤炭科学研究总院有限公司北京100013 平顶山天安煤业股份有限公司河南平顶山467099

地质保障是煤炭安全、高效、绿色开采不可或缺的基础。综述了我国煤矿地质保障系统建设30年来在保障内涵、基础理论研究、技术与装备研发等方面的主要进展。较为系统地分析了煤炭绿色智能开采背景下地质保障系统建设面临的5方面技术难题... 详细信息

地质保障是煤炭安全、高效、绿色开采不可或缺的基础。综述了我国煤矿地质保障系统建设30年来在保障内涵、基础理论研究、技术与装备研发等方面的主要进展。较为系统地分析了煤炭绿色智能开采背景下地质保障系统建设面临的5方面技术难题:地质信息采集与解释的智能化水平不高,静态地质条件探查精度较低、综合研究程度不高、超前预测可靠性亟待提高,动态地质信息实时在线监测方法单一、致灾响应评价技术标准缺项,地质信息管理与多源异构信息融合的技术水平不高,三维地质模型精度不能满足智能开采对地质透明化的要求。指出煤矿地质保障系统未来应以精准地质预测为目的,以实现地质透明为目标,以精细地质探测和精准地质表征为突破口,重点在以下方向攻关:(1)以建立具有矿井地质特色的全空间地球物理场多参量响应模板为目标,不断加强矿井物探的应用基础研究。(2)低空无人机与智能机器人在地质探测和监测数据采集中的先导性示范研究。(3)加强矿井地质体赋存与分布规律和采动覆岩变形规律研究,探索精准辨识“地质异常”的方法,研究基于矿井地质与工程特色的智能开采地质条件定量描述和分区综合预测评价的理论与方法。(4)多源多维异构地质数据体交换格式与建库标准、工作面地质透明程度量化评价方法研究,研发多源异构地质信息融合-共享与三维可视化技术、基于地质大数据的三维地质几何属性一体化集成建模与自动更新技术等。同时,提出分层分类梯级人才的培养模式。

关键词：智能开采地质保障系统精细探测地质透明精准预测进展展望

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基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究

煤炭科学技术 2023年第6期51卷 11-19页

作者：李延河杨战标朱元广王升中国平煤神马控股集团有限公司河南平顶山467000 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467099 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的... 详细信息

煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的1 m级间距布置。通过室内标定试验掌握了传感器光缆的测试性能,测试结果表明:研制的应变传感光缆应变量程不低于0.04,灵敏度为1.23 pm/με,精度等级为0.5,属于高精度传感器并具有良好的重复性和线性度。依托平煤股份四矿深部岩石巷道开展了现场工业性试验,试验结果表明:巷道围岩应变随孔深增加而减小,4 m范围内围岩应变数值较大,7 m外应变数值较小且渐趋稳定;巷道围岩应变激增主要发生在前30 d内,随后巷道围岩应变增加量逐渐减小并趋于稳定;取应变速率迅速向0收敛位置作为围岩松动区边界,确定巷道帮部和顶部松动区边界为5 m,肩部松动区边界为4 m。该应变光缆通过弱光纤光栅技术与时分复用技术的综合应用,极大地提高了光纤传感网络的复用容量,满足了煤矿深部巷道围岩变形监测的大量程、精细化在线监测需求。通过技术应用,可及时掌握煤矿深部巷道围岩内部变形特征及松动圈时空演化规律,为深部巷道围岩稳定控制决策提供科学基础数据。

关键词：煤矿弱光纤光栅光纤传感松动圈巷道变形地应力

矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

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煤炭学报 2024年第8期49卷 3571-3579页

作者：张源万志军胡淞博王朱亭张波赵东中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精准勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467099 平顶山天安煤业股份有限公司十矿河南平顶山467099 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条... 详细信息

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

关键词：矿井地热岩溶热储地质建模储量评价地热水

基于分子模拟的表面活性剂对煤体的润湿机制探讨

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煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 127-138页

作者：仝艳军杨尊东宋杰李永程刘依婷平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467000 四川大学水利水电学院四川成都610065 深圳大学土木与交通工程学院广东深圳518060

随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高,瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重,采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散,减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理,以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研... 详细信息

随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高,瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重,采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散,减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理,以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研究对象,利用FT-IR、XRF、XRD等手段分析其基础物化特性,联合EA、XPS、^(13)C NMR等测试技术分析并建立煤尘分子结构模型,通过建立分子模型考察水-表面活性剂-煤润湿吸附体系的平衡吸附构型、分子空间分布特征,设计实验测定表面活性剂吸附前后煤尘的表面自由能组成变化,验证并讨论表面活性剂在煤尘界面的润湿吸附机制。结果表明:表面活性剂可在疏水性煤尘表面形成有效定向吸附层(吸附层较紧密,对煤表面覆盖程度高),通过表面活性剂疏水尾链覆盖煤尘表面疏水结构,亲水头基朝向水相,使得煤尘表面自由能极性分量增大,煤尘表面因此由疏水性向亲水性发生转变。研究结果可为煤矿开采中的高效抑尘处理提供理论指导和借鉴。

关键词：煤尘润湿机制分子模拟非离子表面活性剂表面自由能

基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

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煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 161-170页

作者：刘佳伟张盛陈召杨战标冀畔俊魏永辉河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454001 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454001 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院河南平顶山467099 河南平宝煤业有限公司河南许昌461714

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩... 详细信息

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明:在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。

关键词： TBM 煤矿岩巷围岩分级可掘性岩层适应性