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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

月桂酰胺硼酸酯水基润滑剂的合成及摩擦学性能研究

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应用化工 2024年第4期53卷 818-822页

作者：杭智军孟征煤炭科学技术研究院有限公司矿用材料分院北京100013 煤炭科学研究总院北京100013

通过酯化反应和酰胺化反应,在月桂酸的基础上引入B、N极压吸附基团,合成了月桂酰胺硼酸酯液压支架传动介质用润滑剂,利用红外光谱和核磁氢谱进行结构表征,利用四球法考察了添加剂水溶液的摩擦学性能,并探究了润滑机理。结果表明:添加剂... 详细信息

通过酯化反应和酰胺化反应,在月桂酸的基础上引入B、N极压吸附基团,合成了月桂酰胺硼酸酯液压支架传动介质用润滑剂,利用红外光谱和核磁氢谱进行结构表征,利用四球法考察了添加剂水溶液的摩擦学性能,并探究了润滑机理。结果表明:添加剂具有良好的水解安定性,当质量浓度为0.4%时,P_(B)值为696 N,磨斑直径随浓度升高逐渐减小后趋于平缓,随载荷升高先增大后减小再增大,这是由于在低载荷下主要靠吸附起到边界润滑作用,随着载荷的增加,摩擦副接触区生成了Fe_(2)O_(3)、Fe_(2)B、BN、B_(2)O_(3)等物质堆积到金属表面形成的高强度化学反应膜和吸附膜共同形成了复合膜,对摩擦副起到了有效的保护作用。

关键词：水基润滑剂含氮硼酸酯润滑机理水解安定性

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

基于HSV空间的煤矿不均匀照度图像修复算法研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：雷声张金虎李艳鹏刘培源中煤科工开采研究院有限公司煤炭科学研究总院开采研究分院

为适应煤矿智能化建设的需要，井下逐渐部署了大量数字图像采集设备，在矿山安全高效生产中发挥出重要作用。然而受井下人工光源布置不均引起的非均匀照度以及煤尘等微粒引入的噪声等因素的制约，所采集图像的质量难以保证。针对这一问... 详细信息

为适应煤矿智能化建设的需要，井下逐渐部署了大量数字图像采集设备，在矿山安全高效生产中发挥出重要作用。然而受井下人工光源布置不均引起的非均匀照度以及煤尘等微粒引入的噪声等因素的制约，所采集图像的质量难以保证。针对这一问题，提出了一种在HSV颜色空间中进行图像修复的方法。该方法将图像转换到HSV颜色空间并分别提取明度分量、色度分量和饱和度分量；通过改进的多尺度Retinex算法来修复与均衡明度，通过在频率域中的噪声分析并应用巴特沃斯滤波器来修复色度，通过基于相关性的自适应饱和度校正方法来修正饱和度；最后将修复后的图像从HSV空间逆变换回RGB空间，从而完成图像修复。在图像修复效果上，本文所述方法相比经典的多尺度Retinex（Multi-Scale Retinex， MSR）算法和带有颜色恢复的多尺度Retinex（Multi-Scale Retinex with Color Restore， MSRCR）算法均有明显改进，能够在修复图像观感的同时保持其色彩和边缘。实验对比了不同算法处理所得图像的标准差、平均梯度和信息熵等指标，本文所提出的图像修复算法相较MSR算法分别提升了24.24%、48.38%、1.43%，相较于MSRCR算法分别提升了8.68%、39.88%、1.35%。实验结果表明，本文所述方法可有效提升从井下观测得到的图像与视频质量，为矿山安全生产和智能化决策提供高质量图像数据支持。

关键词： Retinex 图像增强图像滤波不均匀照度煤尘

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散料集装箱快速定量装车技术研究与应用

煤炭工程 2024年第5期56卷 95-100页

作者：李旭孙国顺中煤科工智能储装技术有限公司北京100013 天地科技股份有限公司北京100013 煤炭科学研究总院储装技术研究分院北京100013

在我国经济发展处于新常态和“一带一路”倡议推广的背景下,单车双集装箱散料物流运输需求加速提升,传统装车技术无法实现单车双集装箱散料的连续装载。针对上述问题,分析了煤炭集装箱快速定量装车典型工艺参数,研究了单套、两套独立、... 详细信息

在我国经济发展处于新常态和“一带一路”倡议推广的背景下,单车双集装箱散料物流运输需求加速提升,传统装车技术无法实现单车双集装箱散料的连续装载。针对上述问题,分析了煤炭集装箱快速定量装车典型工艺参数,研究了单套、两套独立、两套联体、单套双仓快速定量装车可行方案,提出一种双仓协同异步装车新技术,称重仓、溜槽相互独立作业,解决了单车双集装箱无法连续装车的难题,装车效率大大提高,装车质量也得到保障。工程应用表明,散料集装箱快速定量装车系统最大装车能力可达7200 t/h,较实际装载需求提升10%以上,实现了单车双集装箱的连续、快速、高效装载。

关键词：散料集装箱多式联运双仓协同快速定量装车

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低刚度加载诱发煤样冲击破坏特征及其机制

岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1455-1467页

作者：卢志国高富强鞠文君娄金福白刚董双勇孙卓越杨磊李建忠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 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组... 详细信息

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组合试样各项力学参数,并分析其宏、细观破坏特征;收集煤样破坏后碎屑,量化碎屑尺度及散落空间分布特征,利用高速相机记录煤样碎屑弹射过程,获取弹射碎屑的体积、速度、动量及动能等参量描述其弹射特征,以碎屑尺度、散落空间分布及弹射特征,定量评价组合试样中煤样破坏烈度。利用黏贴于试样表面应变片获取加载过程变形特征,结合试验机记录载荷数据,计算能量演化,从能量角度分析组合试样中煤样冲击破坏机制。研究发现:(1)组合试样中煤样均发生冲击破坏,加载阶段岩石被压缩而积累弹性应变能,当煤样破坏时,所积累能量中超过90%随岩石回弹变形而释放对煤样做功,导致煤样冲击破坏。(2)组合试样轴向变形是岩石和煤样变形的综合,峰值强度时刻煤样轴向变形量相对恒定,不同组合模式下,组合试样轴向变形量的差异主要取决于岩石,峰值强度时刻岩石轴向应变随弹性模量增大而减速降低。(3)随岩石弹性模量降低,峰前变形量呈反比例函数增大,弹性应变能积累量增加,峰后能量释放量急速增大,导致煤样破坏烈度随岩石弹性模量降低而非线性加剧。(4)峰值强度时刻岩石轴向应变、煤样破坏烈度等参量随组合试样中岩石弹性模量演化规律的非线性特征突出:当岩石与煤样弹性模量处于同一量级时,各参量对岩石弹性模量变化响应显著;当岩石弹性模量显著高于煤样时,各参量对岩石弹性模量响应程度减弱。

关键词：岩石力学煤岩组合试样冲击破坏力学性质变形特征能量演化破坏烈度

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冲击载荷下砂质泥岩破碎分形特征

中国安全生产科学技术 2024年第6期20卷 133-139页

作者：孙卓越吴拥政周鹏赫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

为研究砂质泥岩在冲击载荷下的破碎分形特征,采用霍普金森压杆试验装置,对砂质泥岩试样开展冲击压缩试验,探究其在5级冲击气压和2种长径比下的应力-应变曲线特征和破坏形态,并引入分形维数量化破碎程度和破碎块度分布,分析分形维数与加... 详细信息

为研究砂质泥岩在冲击载荷下的破碎分形特征,采用霍普金森压杆试验装置,对砂质泥岩试样开展冲击压缩试验,探究其在5级冲击气压和2种长径比下的应力-应变曲线特征和破坏形态,并引入分形维数量化破碎程度和破碎块度分布,分析分形维数与加载值、强度值和能量值的关系。研究结果表明:冲击载荷下砂质泥岩破坏演化主要分为裂隙压实段、以弹性变形为主的弹-塑性稳定段、以塑性变形为主的塑-弹性非稳定段、宏观破坏段4个阶段,对于冲击前长度20 mm砂质泥岩试样,在裂隙压实段试样被压缩至19.86 mm,压缩量为0.7%;冲击载荷下砂质泥岩试样呈劈裂破坏,且破碎块度分布具有较好分形规律,长径比0.4和0.8试样的分形维数与应变率、动态抗压强度、破碎耗能密度均呈正相关;相同冲击气压下,长径比0.4试样对应变率和动态抗压强度的敏感性较长径比0.8更强;当破碎耗能密度相同时,长径比0.4试样较长径比0.8的分形维数更大。研究结果可为砂质泥岩顶底板巷道的防冲治理提供一定理论参考。

关键词：岩石动力学分离式霍普金森压杆(SHPB) 分形维数应变率破碎形态

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工作面液压系统流量补偿技术研究

工矿自动化 2024年第2期50卷 42-48页

作者：赵叔吉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

目前工作面液压系统的优化研究对连续推进过程中液压系统压力流量特性的分析较少,对液压系统压力流量波动问题缺乏简单有效的解决方案。针对工作面快速移架需求,以张家峁煤矿2-2煤层新建大采高工作面为工程背景,采用AMEsim软件建立了单... 详细信息

目前工作面液压系统的优化研究对连续推进过程中液压系统压力流量特性的分析较少,对液压系统压力流量波动问题缺乏简单有效的解决方案。针对工作面快速移架需求,以张家峁煤矿2-2煤层新建大采高工作面为工程背景,采用AMEsim软件建立了单台液压支架和成组液压支架仿真模型,基于自动跟机移架中千斤顶的动作时序,对煤炭开采过程中液压支架移架推溜过程进行仿真,分析了不同数量液压支架同时动作时工作面液压系统的压力流量变化情况,指出移架过慢的原因是液压支架瞬时需液量超过泵站最大流量,同时在液压支架成组运动过程中存在瞬时需液量不足和部分时刻泵站供液能力过剩的矛盾。针对液压系统间歇性大流量需求,提出了基于蓄能器的流量补偿技术,通过仿真验证了安装蓄能器后液压系统的压力波动被明显抑制,各千斤顶运动速度明显提升。在张家峁煤矿新建工作面对基于蓄能器的流量补偿技术进行现场试验,结果表明接入蓄能器后,液压系统平均压降降幅达74.1%,压力波动受到明显抑制,验证了流量补偿技术可满足液压系统间歇性大流量需求,为快速移架提供保障。

关键词：工作面液压支架自动跟机移架快速移架液压系统流量补偿蓄能器

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