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松软煤层护孔抗压多通道集输花管研究与应用

煤炭学报 2024年

作者：王振锋曹良超卢志杰王峰谢文强魏书民王永龙河南理工大学能源科学与工程学院煤炭安全生产河南省协同创新中心河南神火煤电股份有限公司新庄煤矿神火集团许昌新龙矿业有限公司河南神火煤电股份有限公司

针对松软煤层预抽钻孔封孔后出现失稳坍塌引起预留花管堵塞或破损阻断瓦斯运移通道、严重影响瓦斯治理效果的问题，研究一种用于松软煤层钻孔瓦斯抽采的集输花管，其结构由瓦斯抽采管、小花管、抽采管-花管连接器、端头连接器和护孔防... 详细信息

针对松软煤层预抽钻孔封孔后出现失稳坍塌引起预留花管堵塞或破损阻断瓦斯运移通道、严重影响瓦斯治理效果的问题，研究一种用于松软煤层钻孔瓦斯抽采的集输花管，其结构由瓦斯抽采管、小花管、抽采管-花管连接器、端头连接器和护孔防堵器构成。通过理论分析、数值模拟结合现场试验的研究方法，对钻孔失稳坍塌造成花管失效原因进行分析，基于COMSOL与Fluent仿真软件对原始花管和集输花管的抗挤压强度及流体流动状态进行模拟分析，研究显示：1)采用1 m长度的集输花管单孔瓦斯流量比原花管提高42.5%，过流面积提升152%，增加花管与钻孔负压接触面积的同时提高了单孔瓦斯流量。2)在花管外部施加不同围压时，集输花管的变形量始终小于原花管，且大部分压力被外部花管承担，对内部花管起到了很好的保护作用。3)原花管中流体流动较为紊乱，而集输花管中流体流动稳定，集输花管有效避免了抽采管中涡流现象的产生，减少了流体在管道流动中的能量损失，提升了花管内部的瓦斯流量。4)现场工业性对比试验结果表明：抽采初期，采用两种类型花管的钻孔瓦斯抽采浓度和流量相近；抽采60天后，采用集输花管的试验组钻孔平均瓦斯浓度比采用原始花管的对比组提高50.7%，平均瓦斯流量提升57.1%，随着抽采时间的延长，试验组钻孔瓦斯浓度和流量衰减更慢，采用集输花管的钻孔抽采效果优于采用原花管的钻孔。集输花管提高了钻孔瓦斯抽采流量和浓度，缩短了煤层瓦斯的治理周期。

关键词：瓦斯抽采集输花管抗挤压强度流动状态瓦斯浓度

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动压沿空巷道煤柱失稳的能量表征与调控研究

采矿与安全工程学报 2024年第5期41卷 958-970页

作者：王猛李志学尚栋煌韦四江单成方刘洪林郑苛苛李振华河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 库车市榆树岭煤矿有限责任公司新疆阿克苏843300 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454000 新疆大学地质与矿业工程学院新疆乌鲁木齐830046

煤岩破坏是能量驱动下的状态失稳现象,从能量角度描述煤岩破坏是评价工程稳定的有效方法之一。基于能量耗散有限差分算法,提出采用耗散能集中区定位煤岩破坏位置,采用耗散能密度评估煤岩破坏程度,描述煤岩峰后软化和变形破坏行为。将动... 详细信息

煤岩破坏是能量驱动下的状态失稳现象,从能量角度描述煤岩破坏是评价工程稳定的有效方法之一。基于能量耗散有限差分算法,提出采用耗散能集中区定位煤岩破坏位置,采用耗散能密度评估煤岩破坏程度,描述煤岩峰后软化和变形破坏行为。将动压煤柱简化为平面应变模型,研究覆岩给定变形作用下煤柱耗散能演化规律,从能量角度揭示煤柱的变形失稳路径:煤柱能量耗散主要发生在峰后和残余阶段,峰后剪切面与角部能量耗散区贯通,并随加载程度增加发生内移,一旦弹性区消失,煤柱存在失稳风险。煤柱能量耗散及稳定状态与煤柱宽度、加载程度和加载方式有关。建立煤柱主动支护模型,研究锚杆(索)对能量耗散的调控效应,发现锚杆(索)可有效改善耗散能的传递和分布状态,支护强度增加有利于提高煤柱延性和抗变形能力,不同支护方式对耗散能的调控效果不同,锚索优于锚杆,对穿锚索优于常规锚索。以榆树岭矿小煤柱留巷为例,介绍小煤柱“锚杆+对穿锚索”支护的现场应用,取得良好的控制效果。

关键词：沿空巷道护巷煤柱变形失稳能量演化稳定控制

低频振动激励煤体共振增渗实验系统研制及应用

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煤田地质与勘探 2024年第9期52卷 31-40页

作者：温志辉郭树乾魏建平张铁岗王建伟张立博任永婕河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地河南焦作454000 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454000 郑州煤炭工业(集团)有限责任公司河南郑州450000

【目的】振动波激励煤体共振增渗技术作为一种新兴的绿色高效增渗手段,利用低频振动所产生的应力波激励煤体使其孔裂隙发育,渗透率提升。为研究激励频率、应力场及共振效应等因素对增渗效果的影响,探明低频振动激励煤体共振增渗机制,自... 详细信息

【目的】振动波激励煤体共振增渗技术作为一种新兴的绿色高效增渗手段,利用低频振动所产生的应力波激励煤体使其孔裂隙发育,渗透率提升。为研究激励频率、应力场及共振效应等因素对增渗效果的影响,探明低频振动激励煤体共振增渗机制,自主设计研发了低频振动激励煤体增渗实验系统。【方法】该实验系统包括主机控制单元、煤样夹持单元、振动激励单元与煤体振动参数监测单元四个部分,可以测试煤体的固有频率、模拟不同强度的激励条件和实时监测振动激励下煤体的振动响应特征。以河南焦作赵固二矿无烟煤样品为研究对象,利用该实验系统开展煤体固有频率测试实验及低频振动激励下煤体渗流实验,揭示在不同激振参数、应力大小等因素下低频振动激励煤体渗透特性变化规律,实现煤体原位受迫振动,通过监测煤体振动响应特征,观测煤体在低频振动激励下所出现的共振效应,并结合工业CT扫描技术,阐明煤体共振致裂增渗的影响机制。【结果和结论】实验结果表明:(1)低频振动作用促使煤体渗透率上升,越靠近煤岩损伤的临界失稳状态时低频振动激励下煤体增渗效果越好。(2)当低频振动激励频率与煤体固有频率(20 Hz)相接近时煤体产生共振效应,煤体受迫共振后加速度响应加大,煤岩体内部的微裂隙逐渐扩展,煤基质内部的孔裂隙连通,使得其渗透率提升效果显著。上述实验结果及实验设备的研发,可以揭示低频振动激励煤体共振增渗的影响机制,为低渗煤层瓦斯高效抽采提供理论指导。

关键词：煤体低频振动固有频率应力波共振增渗瓦斯高效抽采

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深部地热水多开采井联合运行模式优化

煤田地质与勘探 2024年第1期52卷 140-151页

作者：平宇李放季文清袁筱莹齐玉峰邓晓颖王心义河南理工大学资源环境学院河南焦作454000 河南省地质局生态环境地质服务中心河南郑州450011 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454000

深部地热水作为一种清洁低碳的可再生能源,对促进实现“双碳”目标具有重要意义,但其不合理开采将导致水量减少、水位下降、工程效益低等一系列问题。以河南开封市城区已有的地热井勘探资料为基础,构建表征地热水运移的水文地质模型及... 详细信息

深部地热水作为一种清洁低碳的可再生能源,对促进实现“双碳”目标具有重要意义,但其不合理开采将导致水量减少、水位下降、工程效益低等一系列问题。以河南开封市城区已有的地热井勘探资料为基础,构建表征地热水运移的水文地质模型及对应的数学模型,利用Galerkin有限单元法对模型进行识别与验证。针对现有地热井单独运行、按需开采的弊端,围绕开封市城区主采的埋深1200~1400 m热储层,以水位降深最小、井间干扰最小、运行费用最低为目标函数,以水位降深、供需平衡为约束条件,建立地热水开采井运行模式优化模型。为提高收敛的准确性和结果可靠性,引入Pareto-灰狼算法求解模型并用TOPSIS理论对结果进行排序。研究表明:优化后剖分节点水位降深之和减少70.3%,地热井之间水位降深影响值之和减少10.83%,分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水位降深分别减少12.85%、28.14%、43.77%,-80和-90 m水位等值线包围的降落漏斗面积分别降低15.5%和28.7%,地热井运行总费用降低28.7%。研究成果通过构建优化模型和引入改进算法,为地热水合理开发提供科学依据,优化地热水开采井的运行模式,不仅可以减少水资源浪费,提高水资源利用效率,还可以降低地热井运行费用,对于地热水合理开发与科学保护具有重要指导作用。

关键词：地热能开采地热管理模型多井联合 Galerkin有限元法 Pareto-灰狼算法 TOPSIS理论开采优化

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褐煤中高岭土对生物甲烷代谢过程的控制效应

煤炭科学技术 2024年

作者：郭红玉李浩李国富陈林勇徐强魏国琴白秀佳河南理工大学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理工大学能源科学与工程学院煤与煤层气共采国家重点实验室中国煤炭地质总局勘查研究总院

高岭土是煤中常见的矿物，其对煤生物甲烷的代谢过程的影响关注较少。本研究选取脱矿后的褐煤和高岭土，通过生物产气模拟实验、红外光谱分析、XPS、荧光光谱和宏基因组分析来探究高岭土对煤生物产气的控制作用。结果表明：添加一定比... 详细信息

高岭土是煤中常见的矿物，其对煤生物甲烷的代谢过程的影响关注较少。本研究选取脱矿后的褐煤和高岭土，通过生物产气模拟实验、红外光谱分析、XPS、荧光光谱和宏基因组分析来探究高岭土对煤生物产气的控制作用。结果表明：添加一定比例的高岭土能够有效促进生物甲烷的产出，其中添加6%的高岭土，生物产气量相较于原煤增加了90.4%，高岭土过多则会抑制生物甲烷的产出。高岭土使发酵系统中煤的大分子结构变化更加明显，芳香类物质被有效转化为小分子量物质；添加高岭土的发酵系统使得煤样中酚碳或醚碳进一步氧化为有机酸类物质，C-C、C-H的相对含量分别减少了2.01%和10.20%。可溶性有机质能够被有效降解和利用，进而有利于生物产气。高岭土促使微生物菌群物种丰度增加，增强了各产甲烷途径中关键酶的基因丰度，促进发酵液中各类复杂物质的降解以及甲烷的转化。研究结果为煤中赋存的高岭土对生物甲烷代谢的影响提供实验支撑。

关键词：褐煤生物气高岭土物化特征代谢途径

闭坑矿井和生产矿井之间老空水水力联系密切程度定量判识

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矿业安全与环保 2024年

作者：司良成李放高吾斌岳俊超张波王心义河南平煤神马夏店煤业股份有限公司河南理工大学资源环境学院煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心平顶山天安煤业股份有限公司

为了精确识别老空水与生产矿井出水点之间的水力联系，遴选采空区未压实比率、导水裂隙带内岩层渗透系数、断层发育程度、老空水直线流速、碘离子的质量浓度主次峰频度为指标因子。采用熵权-TOPSIS模型定量判别了平顶山煤田香安矿与九... 详细信息

为了精确识别老空水与生产矿井出水点之间的水力联系，遴选采空区未压实比率、导水裂隙带内岩层渗透系数、断层发育程度、老空水直线流速、碘离子的质量浓度主次峰频度为指标因子。采用熵权-TOPSIS模型定量判别了平顶山煤田香安矿与九矿、十一矿井下出水点的老空水水力联系密切程度。研究表明：香安矿副井与22091风巷出水点、16150机巷外口出水点、42机巷出水点、-593m泄水巷出水点之间老空水的水力联系程度量化值分别为0.81、0.56、0.35、0.01，即水力联系程度自强至弱的顺序为：22091风巷>16150机巷外口>42机巷>-593m泄水巷。判识结果与香安矿停排水后4个井下出水点涌水量变化相一致，说明了指标因子遴选的合理性，验证了熵权-TOPSIS模型法应用的可靠性。研究成果可为类似矿井亟待解决的水力联系密切程度精准识别提供参考。

关键词：老空水水力联系采空区压实示踪试验熵权-TOPSIS模型

松软厚煤层区段煤柱剪切滑块运动机理及协同控制技术

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1332-1344页

作者：王方田屈鸿飞张洋刘超郝文华江振鹏中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 永城煤电集团股份有限公司顺和煤矿河南永城476600 煤炭科学研究总院北京100013

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围... 详细信息

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围及应力分布规律,揭示煤柱侧帮剪切滑块运动机理,提出煤柱稳定性协同控制对策并在现场进行工程实践验证。结果表明:①采用极限平衡理论与叠加理论,确定了煤柱剪切滑块运动范围及煤柱垂直应力分布规律,阐明煤柱剪切滑块安全系数分布规律:0~1.26 m深度,煤柱上部安全系数较小;在1.26~3.95 m处,煤柱中线部分大面积安全系数较小,易受顶板来压破坏。②提出了1种以“注浆加固—锚索强化—切顶卸压”为主体的区段煤柱协同控制技术,煤柱侧裂隙较无支护条件及原支护条件分别减少62.89%和46.26%,巷道围岩完整性大幅提高,形成了强承载结构,有效控制了煤柱变形及底臌。③根据松软厚煤层区段煤柱条件,合理确定了协同控制设计参数,并对煤柱防控效果进行试验监测评估。现场试验结果表明,煤柱裂隙得到充分填充,注浆后煤体强度提高63%以上;巷道位移、锚杆索受力、离层等均在可控范围,表明协同控制技术明显提高了煤柱承载力,回采巷道围岩变形得到有效控制,为工作面安全高效开采提供了空间保障。

关键词：松软煤层煤柱剪切滑块协同控制围岩稳定性

矿用锚索捻距与拉伸力学性能及锚固效果关系研究

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 80-91页

作者：刘少伟窦智付孟雄贾后省王宝华河南理工大学能源科学与工程学院煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心郑州煤炭工业集团新郑煤电有限责任公司

矿用锚索主要由多根钢绞线缠绕而成，具有可弯曲、抗破断能力强及成本低廉等优点，在煤矿巷道围岩，特别是巷道顶板稳定性控制中广泛采用。捻距是制作锚索的重要参数之一，当选取煤矿锚索时，因了解尚浅而往往忽略这一参数。为探究捻距... 详细信息

矿用锚索主要由多根钢绞线缠绕而成，具有可弯曲、抗破断能力强及成本低廉等优点，在煤矿巷道围岩，特别是巷道顶板稳定性控制中广泛采用。捻距是制作锚索的重要参数之一，当选取煤矿锚索时，因了解尚浅而往往忽略这一参数。为探究捻距参数对锚索拉伸力学性能与锚固效果是否存在影响，论文采用理论分析与室内试验相结合的方法，初步厘清了捻距参数对锚索拉伸时的几何变形特征的影响，明晰了其对锚索锚固力的影响机制。基于试验获得的锚索拉伸及锚固拉拔数据构建数值模拟模型，与井下试验结果进行对比，得到了捻距与其极限拉伸载荷、最大锚固力的关系式，获取了能够充分发挥锚索拉伸力学性能与锚固效果的最佳捻距。研究结果表明：当锚索受到拉伸时，在一定范围内捻距与延伸率的关系为负相关，与拉伸极限载荷的关系为正相关；锚索-锚固剂界面存在一定的几何匹配关系，当捻距减小至其13倍公称直径时，最大锚固力随着捻距的减小而增大；综合分析锚索极限拉伸载荷与最大锚固力等因素发现，能够充分发挥锚索拉伸力学性能与锚固效果的最佳捻距为13～14倍公称直径。研究成果增加了锚索捻距对拉伸力学性能影响的认识，明晰了对其锚固机制的理解，为锚索制作及选取煤矿锚索提供了参考及理论支撑。

关键词：矿用锚索锚索极限载荷锚索锚固力锚索锚固效果最佳捻距

UCG污染物苯酚在PRB中穿透行为及数值反演

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洁净煤技术 2024年第5期30卷 155-161页

作者：王凡徐冰谌伦建李从强邢宝林苏发强河南理工大学化学化工学院河南省煤炭绿色转化重点实验室河南焦作454003 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454003 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003

煤炭地下气化(UCG)是集煤炭开发、转化为一体的煤炭清洁利用技术,但地下水污染风险已成为限制其推广应用的主要瓶颈之一。以有井式UCG为背景,以苯酚溶液为模拟UCG污染水,分别以砂、砂与有机膨润土和砂与活性炭混合材料构建模拟渗透反应... 详细信息

煤炭地下气化(UCG)是集煤炭开发、转化为一体的煤炭清洁利用技术,但地下水污染风险已成为限制其推广应用的主要瓶颈之一。以有井式UCG为背景,以苯酚溶液为模拟UCG污染水,分别以砂、砂与有机膨润土和砂与活性炭混合材料构建模拟渗透反应墙(PRB)试验系统,利用有限元法和Python科学计算库NumPy及SciPy构建数值反演程序,研究苯酚在PRB中穿透现象。发现:①对充填砂和有机膨润土的PRB,随砂和有机膨润土质量比增加,扩散系数D和渗流速度q增大,弥散度λ和延迟因子R减小;对充填砂和活性炭的PRB,随砂和活性炭质量比增加,扩散系数D、渗流速度q和延迟因子R减小,弥散度λ增大。②混合材料质量比决定其孔隙率和吸附性能,对阻滞净化苯酚影响大。对砂和有机膨润土配制PRB墙体材料,质量比增大,PRB墙体孔隙率增大,苯酚初检时间缩短;对砂和活性炭配制PRB墙体材料,质量比增大,PRB墙体孔隙率减小,苯酚初检时间先增后减。③PRB对苯酚的吸附净化效果与机理:砂与有机膨润土构成墙体材料,其质量比存在阈值(本试验条件阈值2∶1),质量比小于该阈值时PRB对苯酚净化效果好,大于该阈值时净化效果急剧下降;砂与活性炭构成的墙体材料,其质量比小于2∶1时溶液渗流速度占主导作用,质量比大于2∶1时活性炭吸附性能占主导作用。

关键词：煤炭地下气化地下水污染渗透反应墙数值反演有限元

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