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基于非稳态扩散的复合煤体能量失稳致灾研究

煤炭科学技术 2024年第7期52卷 126-138页

作者：秦玉金苏伟伟卢守青李铭杰中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈阳113122 煤炭科学研究总院北京100013 青岛理工大学安全科学与工程系山东青岛266520

在我国由于地质构造作用的影响,导致煤层中多存在原生结构煤和构造煤分层的现象;而构造煤的存在导致复合煤层突出危险性急剧增加,这严重制约我国煤矿安全生产。根据软硬复合煤体瓦斯的扩散状态,模拟分析了非稳态扩散复合煤体的力学失稳... 详细信息

在我国由于地质构造作用的影响,导致煤层中多存在原生结构煤和构造煤分层的现象;而构造煤的存在导致复合煤层突出危险性急剧增加,这严重制约我国煤矿安全生产。根据软硬复合煤体瓦斯的扩散状态,模拟分析了非稳态扩散复合煤体的力学失稳规律;建立了非稳态扩散的吸附瓦斯膨胀能计算模型,探讨了稳态扩散和非稳态扩散对于吸附瓦斯膨胀能的影响,从能量角度分析了吸附瓦斯膨胀能对突出的控制作用,阐释了非稳态扩散复合煤体的突出失稳致灾机制。结果表明:复合煤层中构造煤的存在能够增加其邻近原生结构煤的塑性破坏程度,提高了原生结构煤塑性区内的瓦斯运移速度,进而增加煤与瓦斯突出危险性;非稳态扩散条件下原生结构煤和构造煤的吸附瓦斯膨胀能是稳态扩散条件的0.50~0.57倍和3.36~3.38倍,复合煤层中由于构造煤的存在导致原生结构煤内部裂隙-基质系统间产生巨大的瓦斯浓度差,使得原生结构煤基质内部的吸附瓦斯迅速解吸,增加邻近原生煤中吸附瓦斯膨胀能,进而使得复合煤层的突出危险性显著增加。

关键词：非稳态扩散原生结构煤构造煤复合煤层煤与瓦斯突出

不同含氧官能团对煤润湿性影响的分子动力学模拟研究

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中国安全生产科学技术 2024年第7期20卷 114-120页

作者：王岩中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁沈阳110016 煤矿灾害防控全国重点实验室辽宁抚顺113122

为了探究不同含氧官能团对煤润湿性的影响规律,基于分子动力学(molecular dynamics,MD)理论,构建4个不同含氧官能团模拟系统(—COOH、—OH、—CO及—OCH 3),通过模拟接触角、分子相对体积分数、径向分布函数及相互作用能结果,详细分析... 详细信息

为了探究不同含氧官能团对煤润湿性的影响规律,基于分子动力学(molecular dynamics,MD)理论,构建4个不同含氧官能团模拟系统(—COOH、—OH、—CO及—OCH 3),通过模拟接触角、分子相对体积分数、径向分布函数及相互作用能结果,详细分析含氧官能团对煤润湿性的影响规律。研究结果表明:模拟平衡后,在—COOH体系中水团簇的接触角为18.65°,相互作用能为-1049.19 kcal/mol,并形成371.64个氢键。在—OH体系中水团簇的接触角为25.37°,相互作用能为-563.83 kcal/mol,并形成178.03个氢键。在—CO体系中水团簇的接触角为30.10°,相互作用能为-444.25 kcal/mol,并形成58.34个氢键。在—OCH 3体系中水团簇的接触角为59.96°,相互作用能为-149.00 kcal/mol,并形成13.25个氢键。水团簇与不同含氧官能团体系的接触角越小,形成的氢键越多,相互作用能绝对值越大,对煤亲水性增强作用越好,这与分子相对体积分数和径向分布函数分析结果一致;不同含氧官能团对煤亲水性增强作用排序为—COOH>—OH>—CO>—OCH 3。研究结果可为研究煤表面润湿性及其应用提供相关参考。

关键词：含氧官能团煤润湿性分子相对体积分数径向分布函数相互作用能氢键作用

卤盐阻化剂对煤自燃阻化作用的定量识别及机理

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 132-141页

作者：孟祥宁梁运涛郭宝龙孙勇田富超煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室和煤矿灾害防控全国重点实验室辽宁抚顺113122 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590

煤自燃灾害严重影响煤矿安全生产,卤盐阻化是防治煤自燃灾害的主要措施之一。优化阻化工艺、提高阻化效果的前提是掌握阻化剂的物理、化学阻化作用机制。为此,探究卤盐阻化剂对煤自燃的主要抑制方式,明确其物理、化学作用对煤层阻化的... 详细信息

煤自燃灾害严重影响煤矿安全生产,卤盐阻化是防治煤自燃灾害的主要措施之一。优化阻化工艺、提高阻化效果的前提是掌握阻化剂的物理、化学阻化作用机制。为此,探究卤盐阻化剂对煤自燃的主要抑制方式,明确其物理、化学作用对煤层阻化的贡献比显得尤为重要。基于此,提出一种定量识别卤盐阻化剂阻化作用的方法。本次研究卤盐中具有代表性的MgCl_(2)阻化剂,采用超声波清洗器多次反复冲洗阻化煤样和水洗煤样,得到水洗阻化煤样和水洗参考煤样。通过程序升温试验和红外光谱试验研究不同煤样的指标气体浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团的变化规律,从宏微观角度研究卤盐阻化剂的物理、化学阻化作用。结果表明:水洗阻化煤样的产气浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团含量明显低于原煤样,却高于阻化煤样,这说明MgCl_(2)阻化剂对煤自燃起到协同抑制作用,具有物理化学双重阻化效果。煤氧化反应前期,物理阻化作用大于化学阻化作用,煤氧化反应后期,化学阻化作用占主导地位,明显高于物理阻化作用。MgCl_(2)的化学抑制作用体现在能与煤中活性物质反应生成比较稳定的物质(ROCl)和镁络合物(Mg(OH)Cl),使得煤的活性下降,从而降低了煤的自热风险。MgCl_(2)阻化剂物理、化学阻化作用对平庄褐煤的贡献比分别为56.37%和43.63%,对同忻烟煤的贡献比为57.91%和42.09%,对白芨沟无烟煤的贡献比为59.60%和40.40%。随着煤样变质程度的增加,物理阻化作用贡献比增加,化学阻化作用贡献比减小,平庄褐煤的化学阻化作用是白芨沟无烟煤的1.08倍。该研究有助于丰富卤盐阻化剂的阻化机理,并为优化防灭火工艺提供理论指导。

关键词：煤自燃卤盐阻化剂化学阻化作用物理阻化作用阻化率

碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律模拟研究

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矿业安全与环保 2024年第1期51卷 92-101页

作者：任仲久中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利... 详细信息

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律,分析钻孔附近损伤区域内瓦斯含量变化及不同钻孔间距的抽采达标情况,对大直径钻孔间距进行优化。研究结果表明:大直径钻孔周围煤体中出现了较大范围的损伤破坏区,其渗透率大幅度增高,使瓦斯能够快速从损伤区域的煤体内运移至抽采钻孔中,为碎软煤层瓦斯高效抽采创造了条件。确定钻孔间距6 m、孔径300 mm的大直径钻孔进行瓦斯预抽,煤层瓦斯含量小于6.2 m^(3)/t,满足抽采达标条件,同时可降低施工费用。

关键词：碎软煤层大直径钻孔应力损伤—渗流耦合瓦斯抽采数值模拟

不同温度-冲击载荷下煤的渗透率演化规律研究

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煤矿安全 2024年第8期55卷 43-50页

作者：程士宜中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122 煤矿火灾及瓦斯防控国家矿山安全监察局重点实验室辽宁抚顺113122

为了探究不同温度-冲击载荷复合场下煤孔压裂后渗透率变化规律,基于分形理论和经典模型,分析极限冲击载荷和温度引起煤的静态应变和动态应变,推导复合场煤的渗透率模型,利用不同温度-冲击载荷下冲击-压裂渗流实验,了解煤孔压裂时渗透率... 详细信息

为了探究不同温度-冲击载荷复合场下煤孔压裂后渗透率变化规律,基于分形理论和经典模型,分析极限冲击载荷和温度引起煤的静态应变和动态应变,推导复合场煤的渗透率模型,利用不同温度-冲击载荷下冲击-压裂渗流实验,了解煤孔压裂时渗透率随温度和冲击载荷变化规律情况。结果表明:当压力煤渗透率随冲击载荷升高逐渐降低,随温度升高逐渐下降并趋于平缓;当1.0 MPa≤压力煤发生压裂破碎,冲击能量释放,裂隙结构稳定,致使渗透率趋于稳定;复合场作用下,煤孔冲击压裂经过敏感温度渗透和敏感冲击载荷渗透2个阶段;新模型计算数值与试验值基本相同,较好呈现不同温度-冲击载荷下煤孔压裂渗透率变化规律;煤孔压裂煤在较小冲击载荷作用下,渗透率降低,产生滑脱效应;冲击载荷达到煤极限抗拉载荷后,煤内部发生径向和环向破裂,滑脱效应减弱,渗透率增加。

关键词：温度-冲击载荷冲击-压裂静态-动态渗透率敏感临界值滑脱效应

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深部缓倾斜煤层切顶卸压自成巷应用研究

煤炭科技 2024年第3期45卷 166-171,177页

作者：白盛涛沈阳焦煤股份有限公司林盛煤矿辽宁沈阳110108

针对林盛煤矿-780 m埋深、平均15°深部缓倾斜煤层地质条件,现场围岩非对称大变形支护难问题,采用理论计算,得出切顶高度、切顶角度以及恒阻大变形锚索支护等关键参数,并通过数值模拟和现场爆破试验优化了林盛煤矿1221运输巷切顶卸压自... 详细信息

针对林盛煤矿-780 m埋深、平均15°深部缓倾斜煤层地质条件,现场围岩非对称大变形支护难问题,采用理论计算,得出切顶高度、切顶角度以及恒阻大变形锚索支护等关键参数,并通过数值模拟和现场爆破试验优化了林盛煤矿1221运输巷切顶卸压自成巷工艺切缝深度8.0 m,切缝角度75°,封孔长度3.0 m,孔间距500 mm,装药结构为3+3+2+1的参数设计值,随后在林盛煤矿1221运输巷进行了工业性现场试验,矿压监测数据结果表明,在滞后工作面170 m左右巷道围岩变形基本趋于稳定,顶板最大下沉量165 mm,底鼓量38 mm,这与FLAC 3D数值模拟结果接近,证明了切顶卸压理论的正确性。留巷后巷道变形小,现场巷道围岩完整、无破坏现象,该试验深部缓倾斜煤层的成功应用可为切顶卸压自动成巷技术的进一步推广应用提供一定的借鉴。

关键词：深部缓倾斜煤层支护困难切顶卸压自成巷现场试验

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林盛煤矿大倾角煤层工作面快速回撤技术研究

煤炭科技 2024年第3期45卷 160-165页

作者：张先和沈阳焦煤股份有限公司林盛煤矿辽宁沈阳110108

通过实测矿压数据与数值模拟相结合的研究方法,以林盛煤矿1201工作面为工程背景,对大倾角煤层回撤通道应力演化规律进行研究,提出了一种采用采煤机扩巷结合“锚杆(索)+金属网”联合支护技术,并进行现场应用。与传统预掘回撤通道相比,该... 详细信息

通过实测矿压数据与数值模拟相结合的研究方法,以林盛煤矿1201工作面为工程背景,对大倾角煤层回撤通道应力演化规律进行研究,提出了一种采用采煤机扩巷结合“锚杆(索)+金属网”联合支护技术,并进行现场应用。与传统预掘回撤通道相比,该技术能显著减少巷道掘进量,降低劳动强度,节约煤炭资源,并加快通道施工速度,为矿井高产高效提供了保障。与传统双通道回撤技术相比,采用回撤安装同步技术不仅能加快通道施工进度,还大幅降低了作业人员的工作强度,最大限度地减少了煤炭资源的浪费。该技术的成功应用,为宝鼎矿区和西南煤矿等相似工作面设备回撤安装提供了成功经验,同时也为东北矿区乃至更广泛区域内具有复杂地质条件的工作面回撤提供了借鉴。

关键词：大倾角煤层应力演化采煤机扩巷快速回撤

基于GA-BP优化模型的红外CO分析仪温度补偿研究

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煤矿安全 2024年第9期 60-70页

作者：邹永洺王银辉田富超煤炭科学研究总院中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿灾害防控全国重点实验室

光谱分析法是煤矿气体定量分析的重要技术手段。然而,当前广泛采用的便携式红外气体分析仪在现场测试过程中受环境温度影响较大,为提高气体分析仪的分析精度和适用性,围绕红外气体分析仪恒温加热的必要性、合理加热温度范围、测试数据... 详细信息

光谱分析法是煤矿气体定量分析的重要技术手段。然而,当前广泛采用的便携式红外气体分析仪在现场测试过程中受环境温度影响较大,为提高气体分析仪的分析精度和适用性,围绕红外气体分析仪恒温加热的必要性、合理加热温度范围、测试数据误差优化模型等问题,开展了理论分析和实验研究。首先,搭建了涵盖温度补偿前、恒温加热测试、温度补偿后以及不同测试环境温度条件的红外气体分析仪实验平台,提出了实验步骤以及相应的分析方法;其次,在环境温度为25～45℃时,测试的CO气体体积分数为800×10-6,通过多次测试发现加热温度为45℃时,CO气体分析仪精度最佳,测试值最接近气体体积分数真实值;同时,选用CO(体积分数为10×10-6～500×10-6)标准气体进行了精度测试,计算CO气体绝对误差仅为0～9×10-6,优于标准规定的误差范围;最后,设置-15～45℃的变温环境,对加热后的CO气体分析仪进行了温度补偿验证,测试得出环境温度越低,待测气体体积分数越高,则分析仪检测误差越大,最大误差可达110×10-6。基于此,建立了BP、GA-BP神经网络误差分析模型,将环境温度、测试体积分数和标准气体体积分数与优化模型进行融合。对比发现:采用GA-BP神经网络模型得到的MAE值相较于BP神经网络降低了12.982 3×10-6,且MSE、RMSE计算结果也验证了GA-BP模型在气体分析中的稳定性和可行性。

关键词： CO分析仪加热温度温度补偿 GA-BP优化模型误差分析

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深部大采高工作面沿空留巷围岩控制技术

煤矿安全 2024年第7期55卷 118-126页

作者：张俊虎陈振江高贤成张磊李建华邓鹏江华晋焦煤有限责任公司沙曲二号煤矿山西吕梁033399 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122

综采工作面沿空留巷经历多次采动影响,矿压显现较为强烈,围岩变形量大,极易造成巷道围岩失稳。为了研究大采高工作面沿空留巷围岩控制问题,以某矿1313工作面留巷为研究背景,通过理论分析、数值模拟、现场实践等方法,分析沿空留巷围岩运... 详细信息

综采工作面沿空留巷经历多次采动影响,矿压显现较为强烈,围岩变形量大,极易造成巷道围岩失稳。为了研究大采高工作面沿空留巷围岩控制问题,以某矿1313工作面留巷为研究背景,通过理论分析、数值模拟、现场实践等方法,分析沿空留巷围岩运动特征,提出“支-卸平衡”巷道围岩协同控制技术;加强了巷道围岩支护强度,改善了巷道围岩的应力环境。通过现场工程实践验证,1313工作面留巷的巷道顶底板变形量为246 mm,两帮变形量为442 mm,巷道表面没有明显的鼓出现象,巷道围岩变形量满足作业规程的相关规定。

关键词：巷道围岩失稳大采高工作面沿空留巷协同支护围岩控制