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松软破碎煤体取制样与剪切试验系统研制及应用

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 126-134页

作者：舒龙勇饶文铭范喜生刘正帅孙中学霍中刚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

研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数... 详细信息

研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数测试系统组成,各部分具有以下主要功能与特点:①取样装置中的单动三管取芯器包含脑袋总成、外管总成及内管总成3部分,内外管间设置稳定环,保证内外管同心,内管总成腔体内部设置衬管用于储存煤心,取芯钻进时内管不随外管旋转;当钻取的煤心充满衬管后,退出取芯器,拆卸取出衬管,将煤心连同衬管一并取出并进行封装。取样装置灵活、轻便、易拆装携带。②制样装置包含脱模仪、切割机、冰箱、热风枪4部分,脱膜仪用于脱去煤心外层衬管,切割机、冰箱和热风枪用于对煤心进行切割、冷冻和热缩;制作标准煤心试件分为打孔润湿、冷冻切割和热缩脱模3个步骤,采用端头局部冷冻切割、脱模与热缩均匀同步等技术,实现多种标准尺寸试件制备,制样方法完善、成功率高。③力学特性参数测试系统包含主体结构、伺服油源控制装置和软件系统3部分,能实现限制性及非限制性直剪试验功能,主要用于开展松软破碎煤体标准试件不同法向应力下直剪试验、不同围压下三轴压缩试验。整体设计结构简单、操作方便。研究利用单动三管取芯器获取松软破碎煤体,利用脱模仪等制样装置将其制备成标准试件,进而在力学特性参数测试系统上分别开展松软破碎煤体标准试件在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09 MPa法向应力下的直剪试验和0.2、0.3、0.4 MPa围压下的三轴压缩试验,并求得两种试验条件下松软破碎煤体的黏聚力和内摩擦角等抗剪强度参数,其中直剪试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.125 kPa和37.2°,三轴压缩试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.121 kPa和36.4°。结果表明,该套系统具有较好的实用性和可靠性,为研究松软破碎煤体力学特性提供了较好的试验平台和方法。

关键词：松软破碎煤体取芯器取样标准煤样制备剪切试验抗剪强度

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多频雷达融合的顶煤结构精准探测技术

岩土力学 2024年第2期45卷 633-646页

作者：刘万里王诚龙王浩宇张学亮中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116 煤炭工业规划设计研究院有限公司北京100120

顶煤结构的准确探测是实现综放智能化开采的重要依据,然而我国煤层结构复杂且内部常含多层夹矸,易影响综放智能化开采的水平。为此,提出一种多频雷达融合的顶煤结构精准探测方法,可提高雷达天线探测深度内的浅部探测精度,同时对顶煤内... 详细信息

顶煤结构的准确探测是实现综放智能化开采的重要依据,然而我国煤层结构复杂且内部常含多层夹矸,易影响综放智能化开采的水平。为此,提出一种多频雷达融合的顶煤结构精准探测方法,可提高雷达天线探测深度内的浅部探测精度,同时对顶煤内部的结构信息进行解释。主要研究步骤如下:首先,对不同频率的雷达数据进行预处理和空间对齐,建立不同频率雷达数据之间的空间对应关系;其次,利用滑动窗口与小波变换加权融合方法对多频率雷达数据进行处理,根据窗口内各分段小波信号的能量占比确定各频率信号的时变权重值,并引入边缘检测算法来提高小波变换对雷达数据的融合效率,实现多频雷达数据有效融合;最后,根据煤-矸-岩的介电常数差异和电磁波传播的衰减特性,建立顶煤内部回波强度模型,并利用分层识别方法计算出顶煤内部煤-矸-岩之间的界面信息,进而反演出顶煤内部结构(包括顶煤厚度、夹矸厚度及层数、夹矸层间距等)。试验结果表明:所提出的方法能有效地将不同频率雷达数据进行融合,并能有效地探测出顶煤内部结构特征,且顶煤厚度、夹矸厚度和夹矸层间距的探测误差均小于10%。该方法有助于实现顶煤结构的精准探测,为综放智能化开采提供理论技术支撑。

关键词：综放开采多频雷达融合顶煤结构探测

科技期刊质量建设路径及策略研究——以《洁净煤技术》创新发展实践为例

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编辑学报 2024年第1期36卷 93-97页

作者：白娅娜代艳玲武英刚常明然张鑫张晓宁柳妮煤炭科学研究总院有限公司出版传媒集团 100013 煤炭工业规划院设计研究院有限公司《煤炭经济研究》编辑部北京100120:

强化科技期刊质量建设路径是提高科技期刊核心竞争力和影响力的重要途径。以《洁净煤技术》创新发展实践为例,从“升级期刊智库,提升办刊能力”,“剑指热点前沿,创新办刊模式”,“深化媒体融合发展,构建数字媒体平台”3方面详细介绍了... 详细信息

强化科技期刊质量建设路径是提高科技期刊核心竞争力和影响力的重要途径。以《洁净煤技术》创新发展实践为例,从“升级期刊智库,提升办刊能力”,“剑指热点前沿,创新办刊模式”,“深化媒体融合发展,构建数字媒体平台”3方面详细介绍了科技期刊质量建设路径和策略。“小核心,中砥柱,大外围”内、中、外3圈层科技期刊智库,为期刊高质量发展提供保障;基于前沿热点、国家重大战略项目等采用“为科学家办刊、由科学家办刊”模式,组织策划了系列热点专题,极大提高了期刊学术质量;通过开创特色品牌建设,拓展内容呈现方式,最大限度发挥平台优势整合智力资源,实现期刊多媒体态势下的快速发展。随着期刊学术质量和影响力逐步扩大,《洁净煤技术》进入高质量、高水平发展的新阶段。

关键词：质量建设专题《洁净煤技术》期刊智库媒体融合

坚硬主控覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度机制研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3363-3373页

作者：张玉军肖杰李友伟宋业杰煤炭科学研究总院开采研究院北京100013 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 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验北京100013

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的... 详细信息

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的情况下控制采动导水裂缝带发育高度的低损害开采技术构想。采用相似模拟,理论分析和数值模拟分析相结合的研究方法探究预裂弱化坚硬主控岩层控制导水裂缝带发育高度作用机制,并根据数值模拟结果提出含水层下坚硬覆岩预裂层位确定方法。研究结果表明:坚硬岩层相较于软弱岩层采动破断块度较大,采动破坏后整齐堆积于采空区,采动破坏膨胀量较小;不同层位坚硬岩层预裂弱化条件下采动响应存在显著差异,因此预裂层位选择将直接决定预裂弱化控制导水裂缝带高度效果;数值模拟结果显示中位岩层预裂和中、低位岩层同时预裂时导水裂缝带发育高度控制效果较好。研究成果为含水层下煤炭资源安全、高效和绿色开采提供了新的技术途径。

关键词：采矿工程导水裂缝带控制预裂弱化坚硬主控岩层水害防治水资源保护

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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

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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

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迎采动宽煤柱承载特性及矿压显现规律研究

煤炭工程 2024年第4期56卷 1-7页

作者：宗保东陈立虎煤炭工业太原设计研究院集团有限公司山西太原030001

单翼开采矿井为解决采掘接替紧张的问题,常会出现迎采对掘的情况,而迎采动掘巷期间,矿压显现规律和煤柱宽度的确定是巷道掘进及安全回采的关键。以炭窑坪煤业100303运输巷迎采掘巷期间为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方... 详细信息

单翼开采矿井为解决采掘接替紧张的问题,常会出现迎采对掘的情况,而迎采动掘巷期间,矿压显现规律和煤柱宽度的确定是巷道掘进及安全回采的关键。以炭窑坪煤业100303运输巷迎采掘巷期间为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,对煤柱的合理宽度及迎采期间的矿压显现规律进行研究分析。主要结论有:通过理论计算,煤柱在受到掘进扰动和工作面采动的双重影响下,确保煤柱不完全发生塑形破坏且存在弹性核的宽度至少为30 m。数值模拟发现,掘进迎头至相遇位置前方20~30 m时,围岩变形开始增大,煤柱帮和回采帮变形量均超过0.5 m。当掘进至采空区后方一定距离后,围岩因同时受掘进扰动与采空区侧向支承应力的叠加影响,变形增幅加快,煤柱帮变形严重,最大变形量超1 m。提出100303运输巷掘进距100302综采工作面70 m时,停止掘进,在迎采扰动范围内,优化支护参数,提高煤柱承载能力。现场监测表明,巷道顶底板和两帮均变形较小均在可控范围内,有效控制了迎采动工作面掘巷的围岩变形。

关键词：迎采对掘煤柱宽度矿压显现数值模拟围岩控制

坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 105-118页

作者：张玉军李友伟肖杰张志巍李嘉伟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 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 煤炭科学研究总院开采研究院北京100013

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐... 详细信息

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

关键词：坚硬覆岩预裂弱化岩层控制导水裂缝带高度改性效应

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