煤炭原位开发地质保障

“双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原位开发已有较多探索,但地质选址和开发过程的地质安全性、可靠性和环保性仍是制约其规模化和商业化的科学难题。因此,煤炭原位开发地质保障的理论和技术研究亟待深入。秉持“安全、经济、环保、可持续”原则,从煤炭资源禀赋特征和地质条件出发,分析了煤炭原位开发研究现状;基于煤炭开发全生命周期的科学理念,提出了“煤炭原位开发地质保障”的科学内涵;在查明采前地质条件的基础上,从物理机制角度揭示深部原位开发过程中围岩地质体响应特征和损害规律,阐明原位开发中岩体工程地质力学行为,构建原位开发地质条件动态评价模型,形成原位开发减损保障策略和方法,提出原位开发空间的再利用途径,并以煤炭地下气化和地下热解2种开发模式为例阐述了原位开发阶段性,明确了原位开发区设计的地质条件要素,强调开发过程中实时动态监测和评价围岩地质体响应保证开发区密封性与安全性,实现地质条件时空演化的评价及地质风险可控性,此外注重协同开发深部热能与共伴生资源,实现残余资源利用和地下空间再利用。煤炭原位地质保障研究体现了资源赋存条件、地质环境约束、原位开发技术、地质风险防控、资源协同开发等层面的要求,突出了原位扰动条件下的地质条件变化,强调开发扰动与地质体结构的整体研究,理解原位开发时空效应范畴的多相场耦合损伤机制,从多圈层角度揭示原位开发扰动效应下地质风险模式,破解资源开发与地质环境制约之间矛盾,对于推动未来煤炭低碳开发,实现煤炭工业高质量发展具有重要的理论和实践指导意义。

王洼煤矿水库坝体下工作面安全开采高度研究

为解决水库坝体下开采安全性,提高煤炭资源回收率,以王洼煤矿水库坝体下110505工作面为研究背景,通过物理仿真模拟、数值模拟及理论分析等方法对覆岩裂隙发育规律及导水裂隙带高度展开研究。为避免矿井开采对地表水坝与水体破坏,针对导水裂隙带高度分析结果,提出了110505工作面限高开采方案。结果表明:工作面开采后地表形成“凹”型盆地,并产生拉伸裂隙,致使地表水位下降78%;现场实测导水裂隙高度为170.76 m,物理仿真模拟试验、数值计算、传统经验公式得出三者的导水裂隙带高度分别为162,164 m和120.57 m;方差修正系数对经验公式做出修正后,反推出限高开采的安全开采高度为2.6 m。研究揭示了工作面覆岩导水裂隙带高度发育规律及水库水体受采动影响的规律,为王洼煤矿后续此类条件下安全措施的制定提供了依据。

《西安科技大学学报》征稿简则

《西安科技大学学报》是由陕西省教育厅主管,西安科技大学主办,以矿业类为特色、兼顾理工学科各门类的综合性学术期刊。本刊坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,面向国内外矿业领域及相关学科的科技工作者,开展学术交流,为繁荣煤炭科学事业培养人才,为中国经济建设服务的办刊宗旨。主要刊载安全科学与工程、矿业工程、应急技术与管理、土木工程、建筑与土木工程、地质资源与地质工程、测绘工程、材料科学与工程、化学与化工、机械工程、电气工程及自动化、通信与信息工程、计算机科学与工程、矿业经济管理等专业领域内具有创新性的学术论文和科研成果。

S135钻杆接头螺纹三维参数化建模及力学特性分析

S135钢级钻杆在矿井勘探、探放水、瓦斯抽采等钻孔施工中得到了广泛使用。然而,由于钻杆接头螺纹承受轴向拉压、扭转、弯曲及其复合载荷的循环作用,导致接头螺纹的使用寿命远远低于其设计寿命,是整个钻杆结构中最薄弱的环节。因此,通过万能拉伸试验获得钻杆接头材料的力学性能参数,经计算转化得到其本构参数,对钻杆接头进行有限元分析。为了提高有限元分析效率,推导垂直于钻杆接头轴线的螺纹截面轮廓几何表达式,基于旋转、抬升、缩径和连接节点的设计思路,提出了一种考虑钻杆接头锥度和台肩的三维螺纹参数化建模方法,并根据单元和节点之间的关系开发了钻杆接头连接的参数化三维六面体网格建模程序,通过与交互式建模方法计算结果的对比验证了其有效性和可行性。此外,对上扣扭矩、压扭及压弯扭复合载荷作用下接头外螺纹的力学特性进行了分析。结果表明:3种工况下钻杆接头外螺纹上的应力近似呈现“浴盆”形态,第1螺纹牙上的应力最大;随着圈次的增加,螺纹牙上的应力迅速下降,最后一圈螺纹牙上的应力呈现上升趋势;在弯矩的作用下,螺纹牙上的应力具有非对称特征。在接头螺纹设计时,必须考虑井眼曲率的影响并且需要重点关注接头压缩边第1螺纹牙上的应力。

煤岩介质对水压裂隙扩展的影响机理

为研究不同煤岩介质压裂条件下水压钻孔裂隙起裂压力、起裂位置的变化规律,通过梳理现有理论,对连续介质弹性理论和非连续介质断裂理论2种经典模型进行比较。以王家岭煤矿等9个矿井为研究对象,针对不同介质岩石钻孔的压裂条件,开展室内试验并对结果进行比较,采用比较分析法进一步研究围岩压力、抗压强度对裂隙起裂压力、起裂位置的影响规律。结果表明:不同应力环境中,侧压系数越大,2种介质岩石钻孔开裂所需的起裂压力越大,相差越大,差值(2种压力差与连续介质岩石起裂压力的比值)越小,当侧压系数大于2时,差值无限接近于0;不同介质岩石的抗压强度具有差异性,抗压强度越大,2种介质岩石钻孔起裂压力越大;连续介质理论中起裂位置与围岩压力、抗压强度呈正相关,非连续介质理论中起裂位置始终沿水平应力方向。岩石介质对水压裂隙扩展规律的影响,可以为理论模型的优选提供参考,同时有助于裂隙起裂扩展行为预测。

煤制兰炭过程中挥发性有机污染物和臭氧协同处理机理

为探究低温等离子体联合催化剂载体协同处理煤制兰炭过程中产生的挥发性有机污染物及臭氧,以二甲苯作为目标污染物,选取γ-氧化铝小球为催化剂载体,考察功率、氧通量、二甲苯初始浓度、催化剂载体用量等因素对挥发性有机污染物和臭氧协同处理效果的影响。结果表明:低温等离子体放电功率越大,二甲苯的脱除效果越好;在放电功率为70 W、氧通量为15%、初始浓度为600×10^(-6)时,二甲苯的去除率为64.41%,此时臭氧的产生量为125.21×10^(-6),综合考量在该性能下的协同处理效率最高;在最优低温等离子体性能的条件下,γ-氧化铝载体粒径越小,二甲苯的去除效率越高,协同处理效果最佳,二甲苯总去除率最高可达73.93%,臭氧抑制率最高为66.45%。γ-氧化铝载体对低温等离子体协同处理挥发性有机污染物与臭氧具有一定的促进作用。研究成果可为协同处理挥发性有机污染物提供有效的参考。

数字经济、绿色创新对碳排放强度的影响

数字经济、绿色创新对碳排放强度的降低有一定的作用。通过构建多层次的数字经济发展评价体系,并运用超效率SBM模型、中介效应及门槛效应等方法,基于2008-2021年30个省份面板数据探讨了数字经济、绿色创新对碳排放强度的影响。结果表明:数字经济的发展抑制了碳排放强度,而绿色创新效率在其中发挥了显著的中介效应和门槛效应;不同地区之间绿色创新效率的中介效应存在异质性,东部、中部和西部地区的中介效应呈递减趋势,而东北地区的中介效应则不明显;随着绿色创新效率的增加,数字经济发展对碳排放强度的抑制效果不断增强,表明绿色创新效率在数字经济发展降低碳排放强度的过程中起到关键作用。

志丹-甘泉地区晚三叠世储层特征与成岩演化序列

为研究志丹-甘泉地区晚三叠世储层特征以及成岩演化序列,在岩芯、测井分析的基础上,采用普通压汞、恒速压汞等间接测定技术与核磁共振、微米CT等直接观测技术相结合的方式对储层的微观孔隙结构进行研究。结果表明:志丹-甘泉地区晚三叠世储层以次生孔隙为主,发育粒间溶孔、粒内溶孔、填隙物内溶孔及微裂隙,其中常见粒内溶孔,长石溶孔多伴随粒内溶孔发育,填隙物溶孔为少量浊沸石溶蚀形成的孔隙,微裂缝溶孔发育较少;普通压汞确定了志丹甘泉地区储层排驱压力、中值压力的最小值,计算了进汞饱和度值以及退汞效率;恒速压汞试验总结了不同渗透率储层的喉道分布特征,认为喉道是决定渗流率的主要因素;核磁共振T2谱的弛豫时间与储层的孔隙度呈正相关;微米CT技术构建了储层的孔隙网络模型,认为储层孔隙连通性较差。研究结果对志丹-甘泉地区延长组储层特征与成岩演化序列研究提供了理论依据。

短横轴截割机器人直墙拱形巷道自动成形控制方法

针对掘进机在直墙拱形巷道掘进过程中存在定位难、截割效率低、成形质量差等问题,提出一种短横轴截割机器人及其自动成形控制方法。首先设计了串联式短横轴截割机器人结构,构建了短横轴截割机器人运动学模型,建立了截割臂升降油缸、滑移油缸及回转油缸伸缩量与截割头末端位姿的数学关系,提出了短横轴截割机器人直墙拱形巷道自动成形控制方法;其次研究分析了短横轴截割机器人截割头包络空间与直墙半圆拱形巷道空间耦合关系,确定了截割过程中截割轨迹关键点位置,提出了基于截割轨迹关键点的“弓”型截割轨迹规划方法;然后根据建立的短横轴截割机器人运动学模型,求解截割头在跟踪截割轨迹的过程中运动控制量和截割、修帮、扫底3个任务各个关节控制时序;最后以模糊PID为例,建立了短横轴截割机器人自动成形控制方法,利用Adams软件对短横轴截割机器人进行截割运动仿真试验。结果表明:利用“弓”型截割轨迹规划方法能够完成直墙拱形巷道的截割轨迹规划,控制截割头对截割轨道进行跟踪控制,实现了直墙拱形巷道断面的自动成形截割,截割成形的巷道最大欠挖量为48 mm,最大超挖量为21 mm,满足煤矿巷道成形质量要求。研究得出短横轴截割机器人可在沿巷道中线不左右移机的情况下,高效率、高质量地完成直墙拱形巷道断面自动成形截割任务。

煤层群下行开采底板应力演化规律与合理巷道错距研究

为解决近距离煤层开采遗留煤柱下伏回采巷道合理布置工程问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,基于半无限平面体理论建立遗留煤柱底板岩层应力分布力学模型,系统研究了遗留煤柱下伏底板岩层应力分布特征及减压区相对位置关系,提出遗留煤柱非均布载荷影响的底板水平/垂向距离判别方法,揭示了遗留煤柱水平/垂向间距对下伏煤层回采巷道应力变化率的影响程度。结果表明:垂直应力集中是导致下伏巷道失稳的主控因素,以垂直应力变化量0.2γH作为评判应力影响程度的临界指标,探究了不同因素影响下的应力扰动程度,随着遗留煤柱尺寸、煤层间距、埋深与岩层垮落角逐渐减小,底板岩层应力影响深度呈递减趋势;随着水平错距增大,巷道围岩垂直应力值、应力变化率差值不断减小,界定两者数值低于0.2γH与0.01时,围岩达到可控稳定状态;现场试验21320回风巷采用外错式25 m进行实测验证,优化布置后巷道顶板相对位移量控制在45 mm以内,服务期间巷道围岩工况稳定,验证了所得安全错距的合理性。

鄂尔多斯盆地东北部神木地区本溪组煤系致密砂岩储层特征

由于致密砂岩储层发育影响因素复杂,导致对储层进行合理、定量分类通常较困难。运用铸体薄片、扫描电镜、黏土矿物X-射线衍射、高压压汞、核磁共振等资料,对鄂尔多斯盆地东北部神木地区石炭系本溪组煤系致密砂岩气储层特征进行研究,采用储层综合指数(CEI)建立储层定量分类标准,预测有利储层。结果表明:神木地区本溪组主要发育石英砂岩和岩屑石英砂岩,填隙物主要为高岭石、绿泥石、铁白云石和铁方解石等胶结物;孔隙类型以原生粒间孔隙和高岭石晶间孔隙为主,微裂隙和岩屑粒内溶孔次之,主要发育粗孔-中喉型和细孔-小喉型孔隙结构;区内压实压溶作用和胶结作用普遍,石英及岩屑粒内溶蚀作用发育,储层普遍进入中成岩B期阶段。神木地区本溪组发育Ⅰ类(CEI>0.6)、Ⅱ类(0.4储层),Ⅰ类和Ⅱ类为有利储层,Ⅰ类储层分布范围相比Ⅱ类储层较小,但两者纵向上均以本1段最为发育,平面上多分布在水下分支河道和砂坪微相中。

2种假单胞菌对乌海风化煤的连续降解

为提高煤的微生物降解率,实现煤的微生物法产业化应用,进行了2种假单胞菌(日本假单胞菌和铜绿假单胞菌)对内蒙古乌海风化煤的微生物连续降解研究。首先,采用了3种组合降解模式和2种单一降解模式对煤样进行生物转化,降解结束后使用重量法和紫外可见吸光度法评估各个降解路线的生物降解率,并分别对不同降解路线的产物进行表征;然后,选最优工艺路线进行微生物降解,用紫外可见光吸光度、红外光谱和GC-MS等表征分析了降解过程中煤的官能团变化和液相产物的组成和结构;最后,在此基础上,探究了内蒙古乌海氧化风化煤微生物转化的连续降解机制。结果表明:先用日本假单胞菌,再利用铜绿假单胞菌进行连续降解(表示为“日本假单胞菌→铜绿假单胞菌”)为最优降解路线,降解率由单一菌种的49.2%提高到了68.2%;在乌海氧化风化煤的微生物降解过程中,日本假单胞菌更容易降解煤的脂肪族侧链,而芳香族骨架则更容易被铜绿假单胞菌降解;最优降解顺序“日本假单胞菌→铜绿假单胞菌”降解乌海氧化风化煤的可能过程为先降解煤表面的长链烷烃,再降解煤内部的芳香烃。研究结果对提高煤的微生物降解率和实现煤的微生物转化利用具有一定的指导意义。

静压桩残余应力对极限承载力影响

为研究静压桩回弹特性,明确静压桩残余应力性状,使静压桩承载力能够得到有效发挥,通过静压桩沉桩及静载荷试验,结合有限元模拟方法,对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析,总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响规律。结果表明:卸荷过程中桩体回弹量占桩体总沉降量的80%,卸荷完成桩体回弹位移逐渐稳定;沉桩结束后,桩周土体应力最大达到被动土压力的4.5倍,卸荷后浅部土体桩周侧压应力消散程度大于深部土体;桩端土体应力消耗越多,桩端残余应力越小,卸荷后桩端土体回弹量越多;沉桩速率和卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小,从而桩端土体能够提供的承载力降低,致使桩体承载力降低。研究认为静压桩残余应力是影响承载力的主要因素,卸荷速率对静压桩残余应力的影响最为明显。

基于多注意融合网络的输煤皮带异物识别方法

为改善现有输煤皮带异物识别算法网络参数量大、识别精度不高的问题,及时避免大块煤和矸石、锚杆等带来的安全隐患,提出了一种基于多注意融合网络的输煤皮带异物识别方法,使用低照度图像处理算法对数据集进行预处理,采用融合局部注意力残差块作为基本特征提取单元,在残差块中融入带有额外偏移量的可变形卷积以增加对不规则特征的描述,用注意力机制对全局特征图做期望最大化处理。结果表明:在Cifar 10数据集和矿用皮带传输异物识别数据集的识别准确率分别为93.7%和84.8%;与ShufflenetV2、MobileNetV2、ResNet 50、ResNet 110、Darknet 53算法相比,识别准确率分别提升了4.7%、3.9%、0.4%、0.5%、1.7%;与识别准确率相近的ResNet 50、ResNet 110算法相比,网络参数量和计算复杂度大大减小。识别方法能够快速识别输煤皮带异物,且具有较高的识别准确率,对保障煤矿运输系统的安全运行具有参考意义。

湘中北晚二叠世石煤元素地球化学特征

湘中北地区晚二叠世吴家坪组赋存少量石煤,其属性特征鲜明。为揭示湘中北地区石煤元素地球化学特征,采集4个湘中北地区晚二叠世石煤样品,利用X射线衍射仪、带能谱的扫描电镜、X射线荧光光谱仪、电感耦合等离子质谱仪和逐级化学提取试验,测定了石煤样品的矿物成分、常量元素和微量元素含量,进行了微量元素赋存状态分析。结果表明:湘中北地区晚二叠世石煤高灰特征显著,石煤全硫含量差异性大,以硫化铁为主,有机硫次之;石煤矿物种类较少,以石英为主,陆源碎屑输入量极大;石煤高度富集V、Cr、As、Cd、Mo和Sb,其中Cd达到了上地壳丰度的555倍;石煤微量元素赋存特征复杂,其中Ni、Zn、Sr、Mo、Cd赋存状态多样,Li、V、Cr、Cu、Rb、Zr、Ba、U和REEs赋存状态相对简单;根据湘中北晚二叠世石煤元素地球化学特征认为石煤沉积于被动大陆边缘区域,接受陆源碎屑输入,沉积物源区以长英质酸性岩为主。石煤具有海相环境沉积物特征,沉积过程受海水影响强烈,相对稳定的缺氧环境,为V、Mo等元素自生富集提供了条件。

非对称载荷作用下倾斜区段煤柱稳定性分析及控制技术

为解决工作面回采及巷道掘进影响下倾斜区段煤柱稳定性劣化的复杂问题,运用弹性力学半逆解法及摩尔-库伦准则建立力学模型,结合三维有限元数值模拟,深入分析了倾斜区段煤柱一侧受载结构形态特征,明确了倾斜煤柱失稳致灾力源及载荷的分布特性,探究了采掘扰动下倾斜区段煤柱塑性变形-失稳-破坏的动态演化过程,揭示了非对称载荷作用下倾斜区段煤柱临界失稳致灾机理,以此为基础优化了倾斜煤柱及周围巷道稳定性控制技术。结果表明:区段煤柱因煤层倾角导致的倾斜形态是煤柱所承受载荷呈非对称状的关键诱因,这一特性致使倾斜煤柱最底端区域覆载最大,且当此区域失稳破坏时,呈现由煤柱下端底角塑性区向煤柱上端底角塑性区扩展的运移过程,并因此得出倾斜区段煤柱临界尺寸随煤层倾角增大而增加的演化规律。由此,针对大南湖一矿倾斜区段煤柱及周围巷道变形失稳的问题,采用支护优化及注浆加固等措施,降低了倾斜区段煤柱侧巷道的变形速率,为类似矿井的煤柱稳定性控制提供了借鉴。

再生复合微粉混凝土界面过渡区性能研究

为研究再生复合微粉复掺比对混凝土界面过渡区性能的影响机理,用宏微观试验相结合的方法,分析不同复掺比对混凝土劈裂抗拉强度和显微硬度的影响规律,并利用灰色关联法探究力学性能与微观结构的关系。结果表明:再生砖粉对混凝土的改善效果优于再生混凝土粉,且掺入合理的再生复合微粉会改善混凝土界面过渡区的微观结构;再生复合微粉混凝土各组相显微硬度关系为:骨料相>砂浆相>界面过渡区相,且界面过渡区厚度随养护龄期的增加而逐渐减小;界面过渡区厚度与劈裂抗拉强度关系显著,呈线性负相关,所建立的模型拟合度较高。界面过渡区厚度能准确地表征再生复合微粉混凝土宏观性能变化规律,当再生混凝土粉/再生砖粉为2∶8时,可制备出性能良好的C30混凝土,具有良好的推广应用价值。

纤维加筋膨胀土的蠕变规律及模型预测

膨胀土是具有流变性质的灾害性土,其蠕变行为直接影响到工程结构的稳定性和安全性。为探究剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性及应力-应变数学模型,采用室内固结排水三轴蠕变试验,分别进行了不同含水率、不同围压和不同偏应力条件下素膨胀土和剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性研究,根据蠕变特征曲线提出了基于Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋膨胀土的修正蠕变模型。结果表明:相同条件下,剑麻纤维加筋土的蠕变变形量明显小于素土的蠕变变形量,说明掺入剑麻纤维可有效提高膨胀土的结构性能和抗变形能力;素土和剑麻纤维加筋土的蠕变变形量随含水率增大而增大,而随围压的增大呈减小趋势;素土和剑麻纤维加筋土在受到偏应力时均会产生瞬时应变量和蠕变变形量,其蠕变变形量随偏应力的增大而增大;素土和加筋土的蠕变曲线分4个阶段,分别为弹性变形阶段、稳态蠕变阶段、衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段;高偏应力下,基于传统Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋土蠕变预测误差高达37.95%,对Mesri蠕变经验模型进行修正后预测误差降至1.5%内,说明修正模型能较好地描述剑麻纤维加筋土的蠕变特性。此研究结果可为膨胀土工程提供理论参考。

混合数据驱动的轻量化YOLOv5故障选线方法

针对传统选线方法精度低、实时性差、易受噪声干扰的问题,提出一种混合数据驱动的轻量化YOLOv5选线方法,简记为MSE-YOLOv5。首先,以零序电流作为区分故障线路与非故障线路的判断依据,为了增强二者间数据对比差异性,利用小波变换将零序电流信号映射为二维时频图;其次,为了扩充样本数量,利用搭建的小电流接地系统仿真模型,通过改变故障点位置、初相位以及接地电阻等参数生成仿真数据,与真实数据构成混合数据集;然后,为了减少选线时背景噪声对微弱故障信号特征的影响,在所搭建检测网络的颈部网络中引入通道注意力模块,从而增强故障特征的表达能力;最后,为了提高选线实时性,在网络中引入轻量化网络以减少其参数量与运算量。为了验证所提出方法的优势,利用某变电站真实故障数据进行测试,并与4种经典算法进行比较。结果表明:所提混合数据驱动的轻量化YOLOv5故障选线方法具有较高精度,其选线精度可达95.2%,即使在噪声干扰条件下,选线精度依然可以保持在90%以上;具有更轻的体量及更快的选线速度,参数量下降至原网络的1/5,计算量下降至1/7,检测速度可达7.7 ms。因此,混合数据驱动的轻量化YOLOv5故障选线方法具有体量小、速度快、精度高的优点,有利于后期将其部署到现场设备中。

矸石基混凝土轴心受压声发射特性与损伤本构模型

为研究不同水泥取代率、不同水胶比下矸石基混凝土轴心受压时的力学性能,及推广应用矸石基混凝土这一绿色建筑材料,通过轴心受压试验和声发射试验,研究了轴心受压时不同煤矸石粉掺量、不同水胶比下矸石基混凝土的应力-应变曲线、声发射振铃计数和声发射累积能量随煤矸石粉掺量和水胶比的变化规律,提出了矸石基混凝土轴心受压时的本构关系。结果表明:相比普通混凝土,矸石基混凝土的力学性能有一定程度的改善,主要表现为其峰值应力和峰值应变增加;矸石基混凝土轴心受压应力-应变全曲线与普通混凝土基本一致,煤矸石粉掺量为20%时峰值应力达到最大值;声发射振铃计数可以有效描述矸石基混凝土的损伤演化规律,随着煤矸石粉取代率的增大,振铃计数先减少后增加。考虑煤矸石粉和水胶比对矸石基混凝土轴心受压时的影响,提出了具有较高精度的矸石基混凝土轴心受压本构关系,这为矸石基混凝土力学性能的进一步研究提供了参考,也对推广应用的结构计算有一定参考价值。