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煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 164-176页

作者：孙四清杨帆郑玉岐张庆利煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得... 详细信息

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

关键词：煤层瓦斯含量定点取样密闭取样碎软煤层硬煤

原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 74-86页

作者：雷国荣李春元齐庆新王嘉敏杜伟升李向上何团煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院北京100013

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层... 详细信息

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征;结合CT扫描及三维重构技术,应用煤岩灰度分布频数数据,提出了不同层位CT灰度均值的计算方法,获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律,建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系;构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型,并应用测试数据进行了对比验证。结果表明:①含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关,随层理倾角增加,组合体的纵波波速近似线性减小,而波速比的分布范围增大;②不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关,随CT灰度均值增高,煤岩组合体波速线性增加;③煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高,其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系,并随CT灰度均值增高趋于增大;④层理倾角与煤岩含量相比,组合体波速对煤岩含量的敏感性更高,煤岩含量相近则波速受层理倾角响变化最大。

关键词：煤岩组合体层理倾角超声波 CT扫描波速灰度

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煤矿用钻孔机器人钻臂定位误差补偿研究

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 153-163页

作者：梁春苗姚宁平姚亚峰彭涛中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 煤炭科学研究总院北京100013

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻... 详细信息

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻臂运动学模型;通过对加工误差、机身变形、装配间隙等影响因素分析,发现采用回转减速器蜗轮蜗杆结构间隙会引起倾角和方位角误差放大,并在机身平时会引起倾角和方位角误差最大达0.85°;为消除误差,首先采用传统钻臂运动学误差补偿方法建立了钻臂静、动态误差补偿模型,利用全站仪测试关节间隙和变形量,基于补偿模型和RBF神经网络法求逆解得到误差补偿量,钻臂期望位姿与实际位姿误差的x方向平均误差为9.6 mm,y方向平均误差为18.2 mm,z方向平均误差为16 mm,满足工程应用要求;其次为解决传统全站仪试验测量的方法的复杂性和非实时性问题,提出了一种通过激光测距仪和高精度开孔定向仪组合获得位姿误差检测的方法,通过测距实时计算实际和理论倾角、方位角差值,作为误差补偿后的新倾角和方位角的控制输入量,对钻臂进行实时误差检测与补偿;最后利用传统全站仪精度检测方法对激光测距组合位姿误差补偿模型进行验证。试验表明:激光测距组合定位误差检测法最大误差差值在±0.5°以内,方位角最大误差在±0.5°以内,比未采用误差补偿前分别提高了41.1%和37.5%,满足了钻孔机器人开孔定位误差要求。在煤炭行业开展了钻孔机器人钻臂在线精确定位与误差补偿研究,对钻孔机器人精确自动开孔定位及孔群全自动施工具有重要的借鉴和指导意义。

关键词：钻孔机器人钻臂定位运动学模型位姿误差检测误差补偿模型煤矿

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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

煤及燃煤产物中稀土元素的分布赋存特征研究进展

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 269-282页

作者：邢艳阳丁华白向飞何金煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院北京100013 国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室北京100013

稀土元素因其特殊的性质被广泛用于永磁、冶金、储氢材料等领域,消费量逐年递增。我国是稀土元素储量大国,至2020年我国稀土元素矿产量在世界占比逐年下降,近几年有所回升,但仍需要寻找和开发其他可作为稀土元素供应源的材料。煤作为一... 详细信息

稀土元素因其特殊的性质被广泛用于永磁、冶金、储氢材料等领域,消费量逐年递增。我国是稀土元素储量大国,至2020年我国稀土元素矿产量在世界占比逐年下降,近几年有所回升,但仍需要寻找和开发其他可作为稀土元素供应源的材料。煤作为一种有机矿产,形成过程中可富集稀土元素。深入认识煤中稀土元素含量及赋存状态对后续研究其燃烧产物中稀土元素赋存和提取回收具有重要意义。国内外学者分时代、地区、煤级研究煤中稀土元素含量,对煤及其燃烧产物中的稀土元素赋存状态研究进行总结,并初步认识到我国煤及其燃烧产物中的稀土元素分布赋存特征。目前研究表明,中国煤中的平均稀土元素含量是世界煤中的平均稀土元素含量的两倍;晚二叠世时期煤中稀土元素相对富集;煤中稀土元素主要以硅酸盐态存在。稀土元素性质稳定,经过燃烧后可在燃煤产物中明显富集,主要富集在非磁性的细飞灰颗粒中。对于煤中稀土元素含量的统计应综合考虑样品来源矿区的覆盖率、样品处理方式、微量元素测试方式等因素,以提高统计数据的代表性和准确性。综合直接观测、表征测试方法、逐级化学提取法及数理统计方法以推测得到较为可靠的赋存状态。我国煤炭消费量可观,能源供应以火力发电为主,燃煤产物产量巨大,煤中稀土元素至燃煤产物中可得到几十倍的富集,探明电厂燃煤产物中稀土元素富集分布规律,结合其提取的难易程度提出对应的回收工艺,以实现对燃煤产物资源化利用。

关键词：煤稀土元素赋存状态燃煤产物富集行为

煤矿井下图像的双分支耦合Transformer网络增强方法

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煤炭学报 2024年第9期49卷 4027-4037页

作者：程健宋泽龙李昊马永壮李和平孙大智煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学研究总院有限公司矿山大数据研究院北京100013 天地科技股份有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响,井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点,另外深度学习低照度图... 详细信息

受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响,井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点,另外深度学习低照度图像增强方法在一定程度上解决了低照度图像亮度增强的问题,但其模型泛化能力较差,在实际煤矿井下场景应用效果不佳。针对上述问题,利用Transformer本身泛化能力强的优势,提出一种基于Transformer模型的低照度图像增强算法。融合Swin v2模块与卷积模块,构建煤矿井下低照度图像的乘法图和加法图,并与原图像进行叠加拟合,以解决细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声的问题。同时采用多尺度模块的注意力机制对叠加拟合后的图像进行色彩处理,以解决图像亮度提升有限、存在大量暗区以及色彩失真的问题。经实验表明,相较于LIME、Zero-DCE、RetiNexNet、MBLLEN、KIND算法,本文算法在客观质量指标峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)上的表现,分别提高了34.76%、55.73%,47.32%、52.76%,22.52%、25.7%,19.615%、12.285%,5.81%、2.625%。同时定性分析结果表明该方法能够对煤矿井下低照度图像进行显著增强,图像亮度达到可视范围,相比其他方法,色彩更加真实,图像细节信息更为清晰。说明本文提出的算法在图像噪声程度、色彩失真程度、对比度、结构相似度以及亮度等方面均具有良好的性能,整体相对较优。

关键词：低照度图像图像增强 Transformer模型煤矿井下

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天然弱面对瓦斯抽采水平井压裂多裂缝扩展的影响

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煤炭科学技术 2024年

作者：庞涛姜在炳王正喜刘修刚李浩哲煤炭科学研究总院中煤科工西安研究院(集团)有限公司

针对碎软低渗煤层待掘煤巷条带瓦斯高效抽采难题，提出待掘煤巷条带顶板水平井分段压裂高效预抽瓦斯技术。为实现瓦斯无空白带均衡抽采，基于分段多簇压裂的裂缝网络构建是技术成功的关键。为研究煤系地层中的多裂缝扩展形态，分析了煤... 详细信息

针对碎软低渗煤层待掘煤巷条带瓦斯高效抽采难题，提出待掘煤巷条带顶板水平井分段压裂高效预抽瓦斯技术。为实现瓦斯无空白带均衡抽采，基于分段多簇压裂的裂缝网络构建是技术成功的关键。为研究煤系地层中的多裂缝扩展形态，分析了煤系地层天然弱面发育特征，建立了天然弱面对多裂缝扩展形态的判别式，并采用有限元方法分析了单一天然弱面和多天然弱面对多裂缝扩展的影响。结果表明：煤层及顶底板岩层中发育有大量裂隙、层理、界面等天然弱面，影响着水力压裂裂缝的扩展形态；裂缝与天然弱面的相互作用受原场地应力、已形成裂缝的诱导应力和裂缝尖端应力场的共同影响；天然弱面距预置裂缝距离小时能够诱导裂缝起裂并迅速取得扩展优势，距离大时能够诱导多裂缝扩展呈复杂形态；小角度天然弱面能够诱导附近裂缝快速扩展，角度为90°时不影响缝间干扰。多天然弱面发育条件下，应力差低时易形成以天然弱面为主的缝网，应力差大时易形成较为简单的单一裂缝；天然弱面密度大、形态复杂时易形成缝网，地应力对缝网形态影响不大。工程应用表明，试验井水力压裂形成了覆盖待掘煤巷条带的缝网，日产气量已达1 708m3，且正处于产气量上升阶段，具有良好抽采前景。

关键词：煤巷条带顶板水平井瓦斯预抽天然弱面多裂缝扩展

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熔渣气化炉喷嘴燃烧区行为的数值模拟研究

化工学报 2024年第2期75卷 659-674页

作者：王学云郁肖兵彭万旺沈岩松煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 新南威尔士大学化工学院澳大利亚悉尼2052

燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现:工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向... 详细信息

燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现:工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向上发展;气体在熔渣气化炉中心区域的流动速度为2.5 m/s左右,但未形成“高速对撞区”;高温区出现在燃烧空腔外表面附近特别是正对喷嘴且靠近炉中心的区域,该区域的温度可以达到约2000℃;氧气主要分布在气化剂喷嘴前端约0.5 m的空腔内,一氧化碳的分布区域与水蒸气在空间上有较大程度重叠,二氧化碳主要在喷嘴前端空腔外壳附近生成,氢气浓度较高的区域则出现在燃烧区对应空腔的上沿;沿喷嘴轴线方向,气体温度呈先升至峰值再逐渐下降的趋势。随着气化剂流量的增大,燃烧温度极大值出现的位置逐渐朝炉中心处移动,并呈较明显的线性变化规律。

关键词：熔渣气化炉煤气化燃烧区形状合成气数学模拟反应动力学

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CFRP基材矿用安全头盔轻量化设计与优化

复合材料科学与工程 2024年

作者：石林鑫王海军王洪磊煤炭科学研究总院中国煤炭科工集团煤炭科学研究总院有限公司

为解决目前矿用安全头盔重量过大的问题，采用碳纤维增强复合材料(CFRP)替代传统ABS注塑材料实现矿用安全头盔的轻量化设计。建立了钢球-头盔碰撞仿真有限元模型，在碰撞仿真环境下对比分析ABS和CFRP盔壳的力学性能。CFRP盔壳的强度和... 详细信息

为解决目前矿用安全头盔重量过大的问题，采用碳纤维增强复合材料(CFRP)替代传统ABS注塑材料实现矿用安全头盔的轻量化设计。建立了钢球-头盔碰撞仿真有限元模型，在碰撞仿真环境下对比分析ABS和CFRP盔壳的力学性能。CFRP盔壳的强度和刚度优于ABS盔壳，且具有更好的防护性能。利用BP神经网络模拟CFRP铺层参数与头盔力学性能之间的输入输出映射关系，并使用粒子群优化算法实现了对CFRP头盔力学性能的全局优化。优化结果表明，最优铺层参数为单层层厚0.2 mm，各层铺层角度[0°/45°/60°/45°/0°/90°]，优化后的CFRP头盔在碰撞仿真中头盔顶部最大变形量为19.601 mm，头模最大受力为4.891 kN。该优化方案能够满足相关国家标准的要求，同时实现相比ABS头盔盔壳减重49.3%的轻量化设计。

关键词：碳纤维增强复合材料有限元分析 BP神经网络粒子群优化轻量化设计