一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法

目前煤矿顶板灾害防治措施决策及事故原因分析等过程主要依赖人工经验,智能化水平较低。顶板灾害防治知识图谱可整合顶板灾害防治知识和经验,辅助顶板灾害事故原因分析和顶板灾害防治措施决策。提出了一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法。采用本体方法完成煤矿顶板灾害防治知识建模,将顶板灾害防治领域的概念分为矿井地质类、开采技术类、防治措施类和事故表征类,将概念之间的关系定义为使用、引发、易发、治理、预防和适用,为煤矿顶板灾害防治知识抽取(实体抽取和关系抽取)奠定基础;结合煤矿顶板灾害防治领域文本存在大量嵌套实体和关系之间存在实体重叠的特点,确定了基于跨度的实体抽取方法和基于依存句法树引导实体表示的关系抽取方法;构建了顶板灾害防治领域语料库,采用Neo4j图数据库存储数据,为顶板灾害防治知识图谱的应用提供数据来源支撑;展示了煤矿顶板灾害防治知识图谱局部构建结果,说明该知识图谱可辅助顶板灾害事故原因分析和防治措施决策,从而提高顶板管理的智能化水平;指出基于该知识图谱,结合自然语言处理和知识推理等技术,可实现顶板管理知识问答。

重点实验室开放实验教学模式探索与实践

西部矿井开采及灾害防治重点实验室是在陕西省岩层控制实验室、国家煤炭工业重点实验室的基础上建立起来的教育部重点实验室,目前在岩石力学性质MTS试验、矿井开采围岩控制基础、矿区采动损害与环境灾变、矿井火及瓦斯灾害防治理论与技术、安全工程理论及数字化技术等研究方向上形成了自己特色和优势,取得了一大批理论技术成果,已经成为我国西部资源开发与安全生产领域重要的科学研究基地。为了更好地发挥实验室的资源优势、切实提高实验教学质量,探索开放实验教学新模式及应对措施,研究现代化重点实验室高效运行机制,对于全面提高我校实验教学和科研服务水平,构筑高效网络化的实验教学信息平台具有重要意义。

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明:充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工作面倾向下部充填区长度增大,中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小,“支架-围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径,承担了部分覆岩载荷,工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小,工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大,沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架-围岩”系统稳定性等优势。

浅埋近距离煤层过平行煤柱开采强矿压机理研究

为了揭示浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采动载传递特征及强矿压机理,以榆家梁煤矿43207工作面为工程背景,采用现场实测、物理模拟、理论分析相结合的方法,研究了煤柱覆岩“倒梯形”结构随下部间隔岩层的运动及其载荷传递特征,分析了超前支承压力和支架载荷的转化规律,建立了“煤柱-间隔岩层台阶岩梁”耦合结构力学模型,得出了强矿压瞬间和顶板切落稳定后的支架载荷计算公式。研究结果表明:煤柱覆岩“倒梯形”结构的集中应力和载荷主要集中于煤柱后段,后段集中载荷是导致工作面过煤柱强矿压的根源;工作面进煤柱初期,煤柱应力表现为双峰;临近出煤柱时,应力集中为单峰,位于煤柱后段。工作面出煤柱4 m后,煤柱后区的超前支承应力系数达到峰值6.00,间隔层开始产生超前裂隙;出煤柱5 m时发生强矿压,煤柱应力下降43%。强矿压期间,煤柱应力传递至煤柱下7 m层位(间隔岩层关键层中部)下降了39%,表明顶板结构承担了相当大的载荷。基于间隔岩层台阶岩梁结构的理论计算,得出强矿压瞬间的支架载荷计算公式,按照煤柱平均应力计算得出支架载荷为22.9 MN/架,按照强矿压时刻煤柱后段应力计算得出支架载荷为24.1 MN/架;煤柱传递至支架的载荷仅为煤柱总载荷的12%~18%,仍超过现场支架额定工作阻力9.2 MN/架。因此,为防止压架,支架额定工作阻力需达到15 MN/架,或者对煤柱及间隔岩层结构进行处理,以保证安全开采。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采强矿压显现规律

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采容易发生强矿压压架事故,严重影响工作面安全高效开采。以榆家梁煤矿43207工作面和石圪台煤矿2^(-2上)102及2^(-2上)103工作面为背景,采用理论分析、物理模拟和现场实测相结合的方法,根据间隔岩层厚度和煤柱应力传递影响角,提出了过煤柱阶段划分判据,重点分析了不同间采比G、水力压裂程度条件下,过平行煤柱不同阶段的矿压显现特征。结果表明:由于上覆遗留煤柱及倒梯形覆岩结构的作用,导致煤柱影响阶段来压时支架平均载荷最大,进煤柱阶段次之,出煤柱阶段最小,强矿压位置主要集中在出煤柱影响阶段范围;间采比越小,工作面过煤柱采动期间来压时支架平均载荷越大,间采比G=5.5较G=10在进煤柱阶段、煤柱影响阶段和出煤柱阶段分别增大14.6%、14.2%和23.5%,动载效应越明显;间采比对周期来压步距影响不大,总体上煤柱影响阶段的周期来压步距是进出煤柱阶段的1.6~2倍,周期来压步距越大造成顶板悬伸长度增大,导致工作面来压时支架载荷明显。根据过煤柱阶段不同水力压裂范围的矿压规律分析,压裂后的支架平均载荷较未压裂减小11.2%~15%,来压步距减小7.8%~20.3%,水力压裂效果较明显,可有效地降低工作面过煤柱采动的强矿压风险,为类似开采条件的强矿压控制提供借鉴意义。

我国煤火灾害防治技术研究现状及展望

为了给我国煤火灾害防治技术发展提供决策参考,介绍了我国"十二五"期间煤火灾害防治科技发展的基本现状、新特点和主要研究进展,结合当前煤火灾害现状和煤炭工业发展形势,提出了未来煤火灾害防治科技发展的重点研究领域;阐述了研究煤自燃机理、科学评价煤火环境影响、准确探测火源位置、提高治理效率等仍是煤火研究中的关键科学问题;系统论述了煤自燃机理、监测探测与预警技术、防灭火材料技术与装备、鉴定与评价方法、煤田火灾防治等研究领域的重点发展方向。煤火灾害防治技术的健康可持续发展对于保障煤炭安全生产、推动煤炭工业可持续发展及促进生态环境保护具有重要意义。

大倾角多区段开采顶板运移及其采空区充填规律实验研究

为了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律,采用物理相似模拟实验方法,分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明:大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采,下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移,顶板运移曲线呈现沿倾斜方向“上大下小”的双峰特点,垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部>下部>上部,下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏,引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的“W”型分布变为下区段开采时的“V”型分布,增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。

大倾角大采高开采支架动载失稳机理及控制

动载下支架(群)稳定性控制是大倾角煤层开采难题之一,以大倾角大采高综采工作面支架为研究对象,采用现场实测、物理模拟、理论分析和数值模拟等研究方法,总结了大倾角大采高坚硬顶板工作面典型动载的特征,分析了支架在多维动载作用下的失稳机理,提出支架动态稳定性控制对策。结果表明:周期来压时大倾角大采高工作面对支架顶梁或掩护梁易产生来压动载,来压时垮落顶板易产生正压冲击型动载和后推冲击型动载,垮落矸石滑滚易造成架间(侧推)动载。给出了不同影响因素下支架下滑和转动基本运动模式及其耦合状态的动力学方程,得出了支架转动(倾倒趋势)和架间作用力随着顶板法向载荷的减小、顶板切向载荷的增大、顶板偏载程度的增大和采高的增大而增大。数值模拟表明:在正压冲击作用下,支架后柱受载大于前柱;后推作用下,立柱底部受载大于中上部;架间作用时,同一支架内上部立柱受载大于下部,上方支架受载大于下方支架,且均具有明显的非对称受载特征。基于研究结论,提出了坚硬顶板超前周期性爆破弱化、降低底板比压、增设双向侧推装置、采用擦顶带压移架等措施,现场实测表明有效降低了动载对支架稳定性的影响。

沟壑切割区塌陷灾害防治对策

为了防范和治理沟壑切割区开采塌陷灾害,针对沟壑切割区的特殊地形地貌,首先对沟壑切割区开采塌陷灾害进行了分类,然后分析了各类塌陷灾害的演化过程及形成机制,最后提出了相应的防治对策。研究结果表明,沟壑切割区开采塌陷灾害可分为崩塌灾害、滑塌灾害和滑坡灾害三类。崩塌灾害和滑塌灾害分别主要由拉伸破坏和剪切破坏引起,滑塌灾害则兼具拉伸破坏和剪切破坏机制。在沟壑采动影响范围内,可根据具体条件分析采取限高协调开采、留保护煤柱、充填开采和顺坡开采等减损开采方法,同时对边坡采取削坡减载、裂缝灌浆、塌陷回填、支护加固、种植植被、加强排水等地表防护措施,灾后则应采取应急治理恢复措施。

大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征

为了明确大倾角煤层走向长壁开采顶板结构时空演化规律,采用物理相似模拟、数值模拟、现场实测综合互馈的研究手段,对采空区矸石的非均匀充填特征、顶板结构空间展布形态、围岩主应力大小渐变与方向偏转的演化过程和支架工作阻力的区域性特征进行研究。结果表明:随着推进距离的不断增大,底板上矸石堆积范围增大,在支架后方采空区开始往复出现倒三角的临空面;在深部采空区,矸石堆砌与水平面之间夹角沿倾向下部至上部不断减小;顶板位移呈现出“增大-稳定”的演化趋势,峰值位置由工作面倾向中上部区域向倾向中部迁移;顶板应力传递拱壳呈典型的非对称分布特征,拱壳内部岩体受力状态由双向受压转为单、双向受拉,主应力方向由x轴正向转为负向;顶板变形破坏的非对称性使得工作面支架工作阻力呈现倾向中上部较大、离散程度高,倾向中下部较小、离散程度低的区域特征。研究结果可为大倾角煤层长壁采场顶板稳定性控制提供一定的参考与指导意义。

基于集对分析煤矿粉尘防治效果评估模型研究

为科学评估煤矿企业粉尘防治工作效果,以陕北神木市5个煤矿为研究对象,采用三角模糊层次分析法和决策实行与评价实验室方法融合指标主观权重和影响度,依据博弈论组合赋权主、客观权重,并结合集对分析理论,建立煤矿粉尘防治效果评估模型。结果表明:一级指标影响度次序为粉尘防治管理>粉尘防护设施>职业健康监护;评估模型确定5个煤矿粉尘防治效果优劣次序为国有煤矿Ⅰ>国有煤矿Ⅲ>国有煤矿Ⅱ>私营煤矿Ⅳ>私营煤矿Ⅴ,四阶偏联系数下私营煤矿Ⅴ的粉尘防治效果发展趋势不确定,其余4个煤矿粉尘防治效果有变好趋势;该模型准确反映了5个煤矿的粉尘防治效果,为开展类似煤矿粉尘防治评价工作提供参考。

煤自燃灾害防治技术现状与挑战

为促进煤炭资源高效利用,推动防灭火技术绿色、经济、科学的发展,基于我国煤自燃火灾害形势,阐述了煤自燃基础理论研究现状,根据煤自燃的发展特征及形成条件,提出了针对不同阶段防灭火的科学应对技术措施;综述了煤自燃预防、控制与灭火技术的研究进展,其中预防、控制主要是以阻化、灌浆注胶技术为主,灭火则由注水、灌浆转向惰性气体等灭火技术;从煤自燃火灾特征信息获取、探测手段实施、火源范围定位、防火材料及防火装备研发等方面总结了当前防灭火技术存在的主要问题与挑战。煤自燃火灾的防治应当遵循精准、快速、智能的原则,以实现煤自燃火灾由被动治理向主动防控的根本性转变。

急斜特厚煤层残留煤柱稳定性分析及其动力灾害防治

为研究急斜特厚煤层开采过程中残留煤柱的稳定性及其应力异常区引起的回采安全问题,以乌鲁木齐矿区乌东煤矿南采区87°急斜特厚煤层为研究背景,运用块体理论构建了残留煤柱滑移失稳力学模型,采用FLAC 3D数值模拟软件分析开采扰动下残留煤柱的应力演化特征,提出了残留煤柱分段深孔爆破弱化的卸压措施。结果表明:当煤层倾角α,顶板侧围岩与残留煤柱的摩擦系数μ1,底板侧围岩与残留煤柱的摩擦系数μ2之间满足α>arctan(μ1+μ2)时,残留煤柱将发生滑移失稳;残留煤柱易使顶底板应力状态改变,在开采扰动和顶底板高应力双重作用下,残留煤柱极易诱发动力灾害;卸压措施有效削减残留煤柱内部储存的应力强度,降低动力灾害的发生频率,实现工作面安全通过煤柱危险区域。

覆岩导水裂隙带发育高度动态演化规律研究

为了研究覆岩导水裂隙带发育高度动态演化规律,以小保当矿区2^(-2)煤层为研究对象,通过理论分析、相似模拟实验及实例验证的方法,对导水裂隙带动态发育高度进行研究;借助概率积分法预计其上部岩层移动变形的理论公式,给出了1种基于覆岩曲率变形的导水裂隙带动态发育高度预计方法。研究表明:导水裂隙带上部岩层下沉系数是1个与挠度及下部自由空间高度相关的分段函数,上部岩层曲率变形大小是决定导水裂隙带发育高度的关键因素;导水裂隙带发育高度与工作面推进长度相关;理论预计小保当矿区2^(-2)煤层导水裂隙带发育高度为160.8 m,相似模拟实验发育高度为155 m,现场实测发育高度为152.01~175.57 m。

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。

大倾角煤层伪俯斜工作面平行四边形液压支架结构设计与运动响应

液压支架是大倾角煤层伪俯斜工作面“围岩-装备”系统稳定性的核心,现有液压支架结构无法适应伪俯斜开采空间稳定性要求,严重影响了该类条件下工作面安全高效开采。以大倾角煤层伪俯斜开采工作面为研究背景,采用工程类比、结构运动学分析、数值仿真的综合研究方法,分析了大倾角伪俯斜工作面“支架-围岩”稳定性特征,并以ZY7000/22/45型液压支架为基础,发明一种新型平行四边形液压支架,进行了结构合理性设计,分析了关键构件运动学响应特征。研究表明:大倾角伪俯斜综采工作面垮落矸石非均匀填充以及矸石对支架的砸、压、推作用是影响支架稳定性的关键因素,平行四边形顶梁与底座更适应伪俯斜工作面。设计的平行四边形支架顶梁、底座及立柱排布方式为平行四边形,异形掩护梁与后连杆、油缸连杆、底座构成柔性四连杆结构。平行四边形支架立柱为主要承载结构,油缸连杆为主要运动机构,其运动特征影响因素主要为上下柱窝间距和前后连杆与掩护梁铰接位置间距,其中掩护梁与后连杆是支架位姿调控的关键,且支架运动过程中无双扭线产生。研究结果为该类条件工作面支架提供了一种选型,一定程度上保障了该类煤层的安全生产。

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明:临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。

大倾角煤层俯伪斜工作面液压支架设计系统实用性分析

为解决大倾角煤层液压支架设计过程中多维受载特征被忽略、建模过程繁琐、设计周期长等问题,结合大倾角伪俯斜工作面液压支架受载特性,研发大倾角液压支架设计系统。采用运动仿真、强度测试、物理实验等综合研究方法,以ZY5000/15.5/38型大倾角煤层液压支架设计为例,根据大倾角伪俯斜采场液压支架多维受力特征建立力学模型,分析大倾角液压支架的空间受载特性,建立伪俯斜工作面液压支架顶梁、掩护梁力学线性矩阵,利用VB.NET为开发语言结合线性矩阵和SOLIDWORKS二次开发建模软件搭建液压支架设计系统,开发出良好的人机交互用户界面。研究分析表明:该系统生成下的模型液压支架顶梁前端运动轨迹范围48 mm左右,支架顶梁前端运动轨迹曲线满足双扭线特性;模型支架最大应力为146.7 MPa,远小于材料屈服的等效应力,最大变形位移也不超过0.531 mm;研制相似比为1∶5物理模型液压支架工作阻力在38 kN左右,在不同条件下测试支架顶梁、掩护梁受载特性,实验中模型支架的力学数据与系统生成的力学数据基本相符,且实验在初撑、增阻、恒阻及卸压各阶段均满足支架的运动要求及承载特性。研究结果体现了该设计系统下模型液压支架较好的适应性,对丰富大倾角煤层液压支架设计理论和指导液压支架设计生产具有一定的科学和实践意义。

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。

太阳能耦合充填体热泵跨季节蓄热系统影响因素

为明确太阳能耦合充填体热泵跨季节蓄热系统参数,选取对充填体温度场变化和蓄/释热效果的影响,通过正交试验法对集热器面积、蓄热水箱体积与集热器面积比、充填体导热系数、地埋管管间距、埋管管材导热系数进行多因素研究,通过建筑负荷对太阳能耦合充填体热泵跨季节蓄热系统进行设计并采用TRNSYS软件建模,开展五水平五因素正交试验,通过选择系统蓄热率以及蓄热耗电比2个指标得出最优参数方案并进行10 a运行模拟。结果表明:集热器面积和充填体导热系数变化对充填体蓄热率有显著影响,蓄热水箱体积与集热器面积比则对其基本无影响;集热器面积和充填体导热系数以及埋管管材导热系数对蓄热耗电比有显著影响,蓄热水箱体积与集热器面积比和地埋管管间距则对其影响程度很小;将优化后的方案与原方案进行对比,蓄热率提高了12.65%;蓄热耗电比降低了28.17%,集热器集热量和充填体蓄热量分别提高了30.73%和39.49%。优化后系统应用价值显著提升,为后期研究太阳能耦合充填体热泵系统提供理论支持。