液氮低温预处理下生物质热解产物特性

生物质作为一种可再生能源,具有来源广、多功能、碳中和等特点。生物质的高值资源化利用有利于降低对高碳化石能源的依赖程度,保障国家能源安全,减少环境污染,符合中国“双碳”国家战略需要。热解作为生物质热化学转化的基础,是实现生物质能高值利用的最佳技术之一,但是存在生物油产率低与品质差的核心问题。针对以上问题,创新性将低温冷冻技术应用于生物质热解领域,提出“低温冷冻+快速热解”的生物质制油新方法,拟提高热解生物油产率和品质。以2种农作物秸秆为实验研究对象,采用液氮快速冷冻预处理方法,研究了低温预处理下生物质热解产物分布与组成的演变机理。实验表明,与常规热解相比,液氮低温预处理后生物质热解生物油产率升幅可达14.16%~23.73%,且低温预处理温度与生物油产率呈正相关关系,在-90℃低温预处理下生物油产率达最大值(22.3%~26.3%),超出铝甑法生物油产率8.50%~22.71%。液氮低温预处理对生物油成分分布有明显的转化作用,生物油组成中苯系物(BTEX)与酚类物质有明显上升,最大涨幅分别为43.61%和12.45%。液氮低温预处理抑制了生物质热解气中CO_(2)和CO的释放,成分占比降幅了7.2%~29.7%;促进CH_(4)和H_(2)的生成,成分占比提高了0.2%~14.7%。此外,低温预处理使固体产物元素组成中C元素质量分数增加,同时O元素质量分数下降,这有利于提高生物炭的可燃性,并降低其自燃风险。

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。

采矿工程本研贯通多元数值仿真教学体系探索

针对采矿工程数值仿真教材、模拟程序和实践平台等本-研贯通性、进阶性不足问题,开展采矿工程本-研贯通的数值仿真教学探索与实践,编著采矿工程数值模拟教材、实验指导书、典型案例库和教学程序,组建一支高水平的数值仿真教研梯队,建成实践创新能力培养的多元数值仿真实验平台,构建符合采矿工程科技人才培养规律的本-研贯通式多元数值仿真教学体系,为培养采矿基础扎实、创新能力突出的工程和科技人才提供重要的支撑。

我国大倾角煤层开采技术变革与展望

大倾角煤层是我国煤炭资源的主要赋存样式之一。在地域分布上呈现出广泛性与区域性,据不完全统计,全国25个省、自治区、直辖市均涉及该类煤层开采,在中西部地区储量丰富、产量大、生产集中程度高。在赋存条件上呈现出多样性与复杂性,不同区域成煤时期不一,构造控煤过程迥异,形成了多样且复杂的开采条件,催生了不同的开采技术要求。大倾角煤层开采的技术难度大。煤层倾角导致采场围岩运动破坏呈现非对称性显现特征,支护系统稳定性控制与“三机”配套与协同、采准巷道布置与支护、工作面“人-机”环境安全保障等工作的难度显著加剧,严重制约了矿井安全高效开采。大倾角煤层开采的区域经济需求强,该类煤层赋存与生产较集中的区域多见以煤炭工业为主的资源型城市,经济结构相对单一,煤炭资源安全高效开发利用对区域能源保供、民生保障、经济保稳具有兜底作用。长期以来,大倾角煤层开采技术变革聚焦于解决“难”与“需”的矛盾,在采煤方法与工艺、岩层控制理论与技术、成套装备研制与应用3个方面不断完善、创新、发展,实现了由非机械化向机械化开采的转变,安全产效水平大幅提升,人员劳动强度大幅下降,作业环境显著改善。20世纪90年代中期,川煤集团绿水洞煤矿首次成功实现了大倾角中厚煤层长壁综采,冲破了大倾角煤层机械化开采技术“禁区”。在此示范作用下,大倾角厚煤层长壁综放开采、大采高综采、薄煤层伪俯斜长壁综采三项首创性工程实践先后取得成功。这一过程中创新了工作面非线性限位布置与调斜方式,确立了“支架-围岩”系统稳定性多维交互控制模式,研发了工作面成套装备,取得良好收效,综合机械化开采技术适用范围进一步拓宽。与此同时,大倾角煤层开采仍存在许多亟待突破的关键科学问题与技术瓶颈,导致自动化、智能化水平提升与近水平/缓倾斜煤层相较仍存在较大差距。需进一步强化倾斜层状煤系地层煤岩体采动力学行为研究,揭示其对采场围岩灾变的控制机制,并实现量化表征;需进一步阐明岩体承载结构-采场装备群组系统间的多维动态作用过程与规律,完善装备与围岩多维动态多目标协同控制理论与技术基础,实现技术转化应用。在科学问题取得突破的基础上进行采煤方法、回采工艺、岩层控制、成套装备的系统性技术创新与研发,破解大倾角煤层开采安全-产效双提升的制约技术瓶颈,使大倾角煤层综合机械化开采倾角上限在有可靠技术保障的前提下向上延伸(扩展),为实现自动化、智能化开采奠定基础。

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。

结构瞬变影响下采场煤岩静态力学响应的阶变规律

为了明确采场煤岩力学响应的演变规律,以宽沟煤矿W1143长壁综采工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验和数值计算相结合的方法,在明确来压前、后覆岩空间结构瞬变特征的基础之上,建立了一种实现坚硬岩层瞬时破断的数值模拟前处理方法,研究了结构瞬变影响下采场煤岩静态力学响应的阶变规律。结果表明:覆岩空间结构是由破裂面以外、采动影响范围以内不同岩性的岩层所组成的空间岩体结构,是其影响范围内的采场煤岩产生不同力学响应的内因。来压期间,由于坚硬岩层的破断具有瞬时性,导致覆岩空间结构发生瞬变,受此影响,采场煤岩的静态力学响应发生阶变,其本质上为一动力学过程。覆岩空间结构瞬变造成采场煤岩的应力场与位移场产生阶变,阶变集中于瞬变区域附近,距离瞬变区域越远,其阶变量越小。

大倾角大采高工作面煤壁失稳机理分析

大倾角大采高工作面煤壁灾变易诱使支架-围岩系统失衡,导致围岩稳定性控制复杂化,故煤壁灾变防控对保障工作面安全生产十分关键,而科学化防控技术的前提是明晰煤壁失稳孕育机制,为此采用数值计算及理论分析法展开研究。研究结果表明:大倾角大采高工作面煤壁承压倾向分区异化,下部区域应力集中程度较中部、上部高,集中区范围由下至上减小,垂向中部应力值较低,应力极值及走向位置与回采距具有正相关性,煤壁揭露前后邻域承压环境会突变,且承压态随煤体破坏演变异化,煤体承压结构会由非连续态经压实过渡为类连续状,而后整体移动至阈值后发生破断结构离散化。煤壁前方塑性区随采动作用不同幅度扩展,其稳定性受制于回采距及速度,低速回采、回采距离增加时煤壁稳定性逐步降低,塑性破裂发育区煤体为支承压力等动载、静载主承体,煤壁失稳是支承压力与扰动区内煤体自身抗压性能动态失衡,由运移、变形等承压行为量变诱发煤体结构质变而破断失稳,承压非对称性及多向耦合造成煤壁失稳分区及范围倾向扩展。

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。

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。

大倾角工作面飞矸冲击破碎特征研究

飞矸灾害长期威胁大倾角、急倾斜煤层长壁工作面人员和设备安全,单一飞矸迁移过程碰撞破碎衍生出大量“子矸”,其动力损害具有突发性,揭示冲击载荷作用下煤岩体破碎特征是准确掌握飞矸动力损害的重要前提。综合运用分离式霍普金森压杆试验、数值SHPB试验和物理模拟开展冲击载荷作用下煤岩体破碎特征与碎裂机制研究,得到以下主要结论:高速冲击作用下煤岩破坏模式分为相对完整、单一劈裂和完全粉碎,破碎程度随着加载应变率增加而增加,分形维数D与应变率呈对数函数关系。相同应变率水平,煤岩抗压强度越小分形破碎程度越高;煤岩分形维数D与其几何尺度负相关;圆盘和立方体煤岩分形维数D与应变率均呈对数函数关系。立方体煤岩累积碰撞作用下内部节理裂隙发育,应力波传播呈现弥散性,在边缘应力集中并诱发破坏,即不规则形状煤岩外缘易率先与主体破坏分离从而导致其球形度增加。相反,飞矸运动过程棱角处更易受到碰撞而承受直接应力冲击而产生局部崩解。研究成果可为大倾角、急倾斜煤层飞矸灾害防控实践中挡矸网形状以及网格大小的选择提供一定的科学指导。飞矸涉及材料、几何等多源不确定因素,内部层理、裂隙分布及发育程度受开采扰动影响较大,其破碎分形特征更加趋于复杂,下一步将考虑以上因素对飞矸破碎特征的影响。

大倾角煤层覆岩应力非对称传递时空演化特征

【目的】大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示覆岩应力传递路径的时空演化特征是围岩稳定性控制的基础。【方法】以新疆某矿25221工作面为例,采用现场实测、物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究方法,在综合厘定工作面矿压显现特征、覆岩变形破坏规律基础之上,构建以切应力与正应力为主的应力特征量,研究覆岩应力传递路径时空演化特征。【结果和结论】结果显示:工作面回采过程中,顶板倾向围岩结构呈中上部垮落高度较大、下部垮落高度较小的非对称分布特征,顶板走向围岩结构则随工作面推进呈周期性演化规律。受此影响,顶板采动应力随工作面推进呈现倾向非对称、走向对称的传递演化特征。在工作面倾向与走向剖面内,顶板应力特征量以切应力分界线为界沿采空区四周煤体传递,其传递路径呈现出“m”形分布特征。随着工作面推进距离的增加,应力传递路径由“m”形向中部相连的双“n”形转变,采空区两侧煤体支承压力峰值呈现增大→稳定的演化趋势。在平行煤层剖面内,顶板应力分界线为“w”形分布特征,应力分界线至采空区中心处,顶板应力呈单向传递特征,分界线至煤壁处,顶板应力呈双向传递特征。且随着顶板层位的增加,应力分界线演化至“v”形,研究结果揭示了大倾角煤层顶板应力非对称传递时空演化特征,对丰富大倾角煤层岩层控制理论具有重要意义。

大倾角煤层液压支架推移千斤顶受载行为及破坏特征分析

大倾角煤层复杂的赋存条件影响着支架的安全性和稳定性,目前大倾角工作面开采面临的最关键问题是保证工作面支架稳定工作。文章通过对大倾角煤层?160/105-730型推移千斤顶力学行为分析,以及借助ANSYS Workbench软件进行推移千斤顶双向瞬态流固耦合分析,得出了液压支架推移千斤顶应力、变形特征,并结合实际工况,分析得出推移千斤顶涨缸窜液失效易发生在活塞杆和乳化液与推移千斤顶缸体交界处,应适当加厚活塞杆与缸体交接处的缸体厚度,并加强活塞杆与缸体交界处的密封,为大倾角工作面液压支架支护稳定性和采煤空间的安全性提供了保证。

大倾角煤层长壁采场倾斜砌体结构与支架稳定性分析

大倾角煤层覆岩变形、破坏和运移规律复杂,采场顶板倾斜砌体结构对支架稳定性影响大,大量的现场实践、实验研究和理论分析表明,倾斜砌体结构与支架的相互作用可分为正压、倾向挤压、反倾向挤压、后推和走向挤压型,其易造成支架发生挤压型失稳、下滑失稳、倾倒失稳,建立了支架-顶板接触力学模型,基于基础动力学、"R-S-F"动力学控制理论分析了大倾角煤层长壁采场覆岩特有的结构形式倾斜砌体结构与支架在不同状态下的稳定性,并给出了其动力学方程和"支架-围岩"稳定性判定条件。

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。

急斜煤层群重复采动沿空软岩巷道变形破坏机理

急倾煤层沿空软岩巷道变形破坏机理复杂,多次采动影响下巷道维护难度大.利用现场调研实测、物理相似模拟实验和数值模拟分析,对赵家坝急斜煤层群重复采动沿空软岩巷道变形破坏机理进行了深入分析结果表明:赵矿急斜巷道变形破坏是十分复杂的时间、空间问题,即在初次采动阶段:非对称岩体结构及应力分布导致巷道变形失稳;二次扰动阶段:非对称原岩应力释放机理导致巷道变形失稳;三次、四次扰动阶段:拱脚效应与层间压剪变形失稳机理导致巷道变形失稳,为该类型巷道支护形式与参数的选择提供了科学依据.

大倾角煤层长壁大采高综采支架动态载荷特征分析

针对大倾角煤层大采高工作面支架受载特征复杂、对工作面围岩稳定性控制影响大等问题。采用现场实测与理论分析相结合方法,研究了大倾角煤层大采高开采过程中,支架瞬态与长时载荷变化规律,结果表明:正常回采阶段与来压期间,工作面循环初期和循环末期支架载荷均呈现出倾斜中部较大、下部次之、上部最小的特征,工作面载荷分区特征更为明显,支架受载不均衡程度表现出后柱大于前柱、循环末期大于循环初期、来压期间大于正常回采阶段;与一般采高大倾角煤层工作面相比,支架受力多变程度明显增加,工作面倾斜上部区域尤为明显,初次来压与周期来压步距均明显减小,来压强度则明显增大,支架阻力整体增加。

大倾角硬顶软底软煤走向长壁综放开采集成技术

针对硬顶软底软煤大倾角煤层埋藏条件复杂、开采难度大的条件,通过工作面"三机"配套、超前预爆破、回采工艺、巷道优化布置、矿山压力监测、工作面安全管理保障技术集成体系的应用,解决了该类煤层走向长壁综放开采难题,取得了良好经济社会效益。

瑶渠煤矿大巷间煤柱尺寸确定及支护优化

为研究大巷过剥蚀区时大巷间煤柱合理尺寸及围岩稳定性,以瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟等研究方法,建立了煤柱尺寸计算模型,揭示了煤柱在8 m、10 m、12 m、14 m条件下巷道围岩应力、位移及塑性区的分布规律,确定了过剥蚀区大巷间煤柱的合理尺寸,并优化了西采区Ⅱ回风大巷的支护参数。研究结果表明,瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷与辅运大巷之间煤柱尺寸由14 m减小至8 m时,巷道围岩内的垂直应力由1.381 MPa增加至1.465 MPa、最大位移量增加了12.52%,塑性区逐渐贯通煤柱。当煤柱尺寸为10 m时,煤柱塑性区处于贯通的临界区域,煤柱内部具有一定的弹性核区域,且煤柱尺寸大于理论计算的9.23 m,能够满足巷道围岩的稳定性。综合考虑,确定煤柱最小合理尺寸为10 m。对10 m煤柱尺寸下西采区Ⅱ回风大巷进行支护优化,采用帮部3根锚杆支护后巷道围岩应力、位移和塑性区均显著改善,保证了巷道围岩的稳定性。

大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等3种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顶板对支架作用力明显减小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施,其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。

大倾角煤层长壁大采高开采煤壁片帮机理及防控技术

为了解决大倾角厚煤层大采高工作面煤壁片帮难题,采用现场实测与理论分析的方法,分析了大倾角大采高煤壁片帮特征与机理。结果表明,大倾角大采高工作面煤壁片帮除具有一般倾角煤层频次高、范围大、分区域等特征外,还具有蔓延性与滑冒特点;从可控与不可控角度对影响片帮因素进行了分类,认为顶板压力、煤体自重及其物理力学性质等是导致片帮主要影响因素,并提出了"严控支架阻力、全方位弱化顶板、超前加固煤壁、降低伪斜角度、全时矿压监测"的煤壁片帮综合防控技术,有效地解决了大倾角大采高条件下工作面煤壁片帮问题。