煤及共伴生资源精准开采科学问题与对策

面临新一轮以大数据、云计算、人工智能、物联网、区域链、互联网为代表的信息技术革命,及煤、铀、油气相继走向智能化无人开采的发展趋势,深度融合现代信息技术、资源开采理论技术助推煤及共伴生资源无人(少人)开采,保障国家能源及战略需求,成为新时代能源资源开发模式变革的导向,基于此率先提出煤及共伴生资源精准开采的科学构想。煤及共伴生资源精准开采是以创新地球空间物理科学、多相多场耦合理论及智能管控系统为核心保障,互联网+现场监测、物理/数值模拟、基础实验的"三位一体"科研手段为支撑,实现煤及共伴生资源禀赋、原生/扰动地质灾害、开采装备工况全息实时展现,资源开发规划、矿井运行管理及退役矿井生态修复方案的智能弹性决策,潜在致灾因素的智能深度感知、精准圈定及高效解危,突发灾害的损伤体自主修复、管控系统韧性恢复、装备自适应调整的能源资源科学开发模式。煤及共伴生资源精准开采可有效破解资源开发面临的勘探监测、协同开发、灾害防控及环境负外部性等重大难题,为未来煤及共伴生资源开发提供了新思路。本文凝练了煤及共伴生资源精准开发的5个关键科学问题和7个主要研究方向,为实现新时代资源安全高效绿色开发提出了阶段性规划。

基于流动扩散互竟关系的基质吸附态瓦斯表观扩散系数实验室测定准确性分析

解吸试验初期高速涌出的游离瓦斯使得不同损失时间条件下观测到的解吸曲线形态发生剧烈变化,给实验室准确测定基质吸附态瓦斯表观扩散系数,以及工程中精确测定钻屑瓦斯解吸指标K_(1)与损失瓦斯含量带来了不便。基于瓦斯流动与扩散的竞争互抑关系,建立了引入游离瓦斯流动的全浓度表观扩散模型,确定了游离瓦斯和吸附瓦斯对于整体逸散瓦斯的贡献变化,同时构建了K_(1)时因衰减模型。利用自主研发的瓦斯解吸自动测试装置,精确测定了初期瓦斯解吸曲线,并获得了损失时间为1,5,10 min条件下的表观扩散系数有效值。研究结果显示:随解吸时间的延长,整个解吸过程可分为3个阶段,分别为游离瓦斯流动主控阶段、过渡阶段和基质吸附瓦斯扩散主控阶段;裂隙游离瓦斯量与解吸时间呈线性规律,基质吸附瓦斯量与解吸时间符合单孔扩散模型规律,其在短时间内又符合√t(t为时间)模型;随着损失时间增大,游离瓦斯在整体逸散瓦斯中的贡献逐渐减小,而吸附瓦斯扩散的比例逐渐增大,在宏观上表现为解吸曲线线性段缩短,而曲率增加;依此推导出的表观扩散系数有效值和K_(1)亦随之逐渐减小,且减小速度初期较大。利用表观扩散系数时因衰减关系,给出了K_(1)及损失量测定的有效测算时间区间,并建立了精确度更高的瓦斯损失量推算模型,将原有√t模型对试验样品数据的拟合度提升了20.8%。

面向煤炭精准开采的物联网架构及关键技术

在剖析煤矿生产物流系统存在问题的基础上,围绕煤炭精准开采科学构想和矿山物联网发展现状,提出了面向煤炭精准开采的物联网概念及内涵,凝练出其5种关键技术,即多源信息智能感知、多网融合传输、多参量信息分析处理、基于云技术的灾害监控预警、矿井灾害应急救援;指出基于透明地球的煤炭精准开采和基于物联网的智能感知是实现未来无人矿山的两大技术体系,其中精准开采是技术核心,物联网是技术保障;以煤矿动力灾害精准预警物联网为例,阐述了其包含感知层、网络层、应用层和公共技术的体系架构,并介绍了其工程应用,为实现煤炭精准开采科学构想提出了技术路径。

我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。

煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展

新一轮能源变革正在孕育,互联网+及智能化发展势头强劲,在总结我国煤矿典型动力灾害预防存在主要问题及思考煤矿监控预警如何面对新一轮科技创新的基础上,提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下,基于多相多场耦合灾变孕育演化机理,利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法,能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法。该模式能够实现煤矿监控预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变,全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的4个关键科学问题和8个主要研究方向,围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建,重点阐述了12个方面的研究进展,为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提供了技术路径。

基于“2-4”模型的高校易燃易爆实验室事故致因与对策

该文收集了46起高校易燃易爆实验室事故案例,采用"2-4"模型统计分析了事故致因频次和占比,进而建立了高校易燃易爆实验室事故行为分析模型,并提出了针对性事故防范对策。该研究结果对预防高校易燃易爆实验室事故的发生具有一定的现实意义。

基于非线性渗透率模型的高抽巷精准抽采参数优化

利用高抽巷抽采工作面与断裂带卸压瓦斯是煤层群瓦斯治理的重要技术手段,为进一步提高高抽巷瓦斯抽采效果并实现精准抽采,基于砌体梁理论和“O”形圈理论建立采空区非线性渗透率模型,以此建立更符合实际情况的模拟模型,提高数值模拟结果的准确性,并将其运用到Fluent模拟软件中分析高抽巷在不同抽采负压、垂距、平距下对采空区瓦斯三维流场的影响规律,进而提出了高抽巷精准抽采的优化技术参数。结果表明,采空区渗透率分布特征规律为沿采空区倾向,进风、回风巷两侧渗透率大,阻力系数较小,中部渗透率较小,呈先减小后增大趋势分布;沿采空区走向方向,随着远离工作面,渗透率逐渐下降,在压实稳定区内基本保持稳定;采空区内瓦斯分布受风流及高抽巷抽采的影响,进风巷侧瓦斯浓度较低,回风巷侧瓦斯浓度较高,采空区瓦斯浓度分布等值线呈现“外凸”分布;当高抽巷平距为32 m,垂距为30 m,抽采负压为15 kPa时,抽采效果最佳,且采空区低浓度瓦斯分布范围较广,瓦斯浓度峰值最小,可以有效降低上隅角瓦斯浓度;通过对比现场实测高抽巷瓦斯抽采效果及上隅角瓦斯浓度和模拟结果,验证了模拟结果的准确性。研究结果可为高瓦斯煤层群精准开采及高抽巷参数优化提供理论依据。

深部充填开采留巷围岩偏应力演化规律与控制

针对深部充填开采留巷围岩控制难题,以邢东矿1126运料巷为研究背景,采用应变软化模型研究工作面推进全过程中留巷围岩偏应力与塑性区演化规律。研究表明:(1)超前采动影响较明显区顶板约为32 m,底板和两帮均约为16 m,留巷采动影响较明显区顶板约为32 m,底板约为24 m;(2)从工作面回采开始到工作面回采结束的全过程对留巷围岩偏应力和塑性区进行监测得到:偏应力分布形态以瘦高椭圆状→近似圆状→小半圆拱→大半圆拱→扇形拱进行演化,偏应力峰值带以顶底板→顶底帮角(实体煤侧)和实体煤帮进行转移;塑性区分布形态以近似椭圆状→近似圆状→半球状进行演化,且塑性区呈非对称分布;(3)基于深部充填开采留巷围岩偏应力和塑性区非对称分布特征,提出了分区非对称围岩控制技术,实践表明,留巷围岩控制效果明显。

国外废弃矿井可再生能源开发利用现状及展望

为建立适合我国国情的废弃矿井可再生能源开发利用模式和管理体系,通过文献分析法综述了国外废弃矿井各类可再生能源利用技术及应用进展,包括太阳能、风能、矿井水蓄热、抽水蓄能和压缩空气储能,并分别选取有代表性项目总结其开发利用特点,分析对我国废弃矿井可再生能源开发利用的主要经验启示主要在于:完备的法规体系与政策保障;科学合理的规划与管理机制;多元化投资与市场化运营模式;重视科研投入与技术创新。在参考借鉴这些经验的基础上,结合我国能源革命和供给侧改革要求,提出相关政策建议,即我国废弃矿井可再生能源开发利用应以“典型示范与稳步推广相结合,开发利用与经济发展相适应,安全优先和成本效益相统一,立足长远和科学布局相协调”为原则,走智能精准开发之路,并逐步总结形成一套完整的适合我国国情的废弃矿井可再生能源开发利用标准规范与管理体系。

分层开采窄煤柱巷道围岩失稳机理及控制技术研究

为合理解决老公营子煤矿中下分层回采巷道大变形的问题,基于5#煤层实际的地质条件,研究覆岩运动与巷道围岩稳定性的联系,揭示巷道围岩失稳机理。指出采动应力的叠加作用是造成首采面巷道围岩失稳的主要因素;覆岩的二次破断形成非对称结构,造成偏载作用显著是影响接续工作面巷道围岩失稳的主要因素,且窄煤柱多次受到回采扰动,塑性破坏严重,承载能力降低是造成巷道围岩失稳的内在因素。以此提出"封闭强化、区别对待"的围岩控制思路,表面喷浆内部注浆提高围岩的自承能力,补强锚索加强围岩局部支护强度。现场实践表明,窄煤柱巷道可以满足工作面回采期间的要求,稳定性较好,为类似巷道围岩控制提高借鉴。

混合气氛下褐煤热解特性的实验研究

在模拟煤地下气化过程中气化剂参与状态的条件下,采用卧式干馏炉进行褐煤恒温热解,对乌兰察布褐煤在单一气氛(N_2、CO_2及H_2O)及混合气氛(CO_2/N_2、H_2O(g)/N_2)下的原煤热解特性进行研究,综合分析了温度和气氛对原煤热解特性的影响。研究结果表明:在单一和混合气氛下,热解气氛对半焦产率的影响较小,其变化趋势基本相似;热解气氛中的H_2O有利于焦油的生成;混合气氛下水产率一般要大于单气氛;对于煤气组分,当热解终温升高时,H_2浓度随着H_2O与C的还原反应速率的增大而不断升高,高达60%;升温有利于混合气氛下CH_4的析出和CO浓度的提高,分别达到22%和45%;对于烃类组分,单气氛下的烃类气体浓度大于混合气氛,这是由于混合气氛与热解产物进行化学反应,破坏了烃类分子结构。

煤中瓦斯非稳态扩散特征模型及实验验证

为了研究煤中瓦斯的运移规律,首先建立了煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,然后以不同粒径煤样为对象,通过改进的解吸实验装置研究了煤中瓦斯解吸-扩散特性,实验验证了该模型的可靠性。结果表明,通过建立煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,得到了煤中瓦斯扩散过程中不同时刻条件下的扩散系数,获得了煤中瓦斯的非稳态扩散特征。煤样的初期解吸速度相对较快,随后逐渐降低;煤样粒径越小,瓦斯的总解吸量和解吸速度均越大,煤样接近解吸平衡时所用的时间越短。相同压力下,初始时刻煤样的有效扩散系数随着煤样粒径的增大而减小,解吸-扩散实验结果验证了上述模型具有较高的可靠性。

煤试样激波冲击损伤破坏特征实验研究

在设计改造实验室台式激波管的基础上,搭建激波动压冲击作用下煤样损伤破坏测试实验系统,开展不同驱动气体条件下激波阶跃压力特性和不同压力、有无层理结构、不同层理结构煤样的冲击损伤破坏特征研究。结果表明:CO_2与空气在相同气压下煤样内部损伤效果明显且破坏程度相近;在不同激波入射压力下,无层理结构的型煤损伤破坏程度随着入射压力的增大而增大;相比无层理结构型煤煤样受冲击后强度及煤样内部致密结构受破坏程度变化剧烈,任意层理结构原煤煤样破坏程度变化较小;垂直层理与平行层理原煤煤样,在中高速射压力冲击呈现良好的一致性,在低速时平行层理承受抗压能力较垂直层理弱。

邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题,以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景,通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件,获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素,确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律,进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征,顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大,底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展,顶板垮落易产生强烈来压动载效应,底板采动破坏深度和宽度增大,诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏,贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此,提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明,试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m,相比邻近未压裂工作面减小了61.42%,来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小,奥灰水位相对稳定,未形成底板突水通道,底板突水得到有效控制。

开采扰动下断层面库仑应力及诱发矿震时空演化特征

为研究煤矿开采扰动下断层面库仑应力演化特征及诱发矿震时空分布规律,基于赵楼矿1303综放工作面生产地质条件,理论分析了断层面库仑应力影响因素,采用数值模拟及岩石力学试验方法,探讨了逆断层下盘工作面向断层开采过程中,断层面不同位置库仑应力变化规律,并分析了现场矿震监测数据时间统计特征及震源空间分布规律。结果表明:开采扰动因素σ_x,σ_y,τ_(xy)(等于τ_(yx)),断层倾角θ及断层面摩擦因数μ综合决定了断层面库仑应力f,当开采扰动及断层摩擦因数确定时,取df/dθ=0可确定断层活化失稳最危险角;断层构造破坏了采动应力扰动圈的对称性及位移扰动圈的连续性;岩石力学试验及数值模拟结果均表明沿断层面岩层高位点先于低位点受到采动影响,且过断层前随断层与工作面距离减少,断层面活化失稳危险先升高后降低;工作面过断层前后,矿震日震动频次由20次/d上升至35次/d,而日震动平均能量由22 kJ下降至4 kJ,表明工作面过断层前高能量矿震较多,对围岩扰动剧烈,过断层后扰动较平缓;同时工作面过断层前后,断层面上矿震震源集中区由高层位岩层向低层位岩层转移。

新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析

随着我国煤炭资源开采战略西移,西部部分矿井已进入深部开采阶段,邻空巷道冲击失稳频繁发生,严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载,提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道“三载荷”动静叠加原理,并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受“三载荷”叠加诱冲机制,即高应力、能量经巷道“顶—帮—底”传递,巷道围岩形成应力集中,能量积聚,达到煤岩体冲击失稳临界值时,诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害,提出了“切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固”的防治措施。研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称“T”型结构,亚关键层Ⅰ破断,亚关键层Ⅱ未破断,工作面来压较缓和,邻空巷道围岩所受静载较大,扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称“T”型结构,两组亚关键层均破断,邻空巷道围岩所受静载及扰动动载均较大,此时易诱发邻空巷道冲击失稳。

基于Citespace的煤与瓦斯共采研究知识图谱分析

为进一步了解我国煤与瓦斯共采领域的整体研究进展,以中国知网(CNKI)数据库作为样本来源,借助Citespace软件绘制出发文量、研究机构以及关键词聚类等知识图谱,对我国煤与瓦斯共采研究状况进行可视化分析。研究表明:在时间分布上,经历了缓慢萌芽期−快速成长期−平稳成熟期3个发展阶段,尤其是在2000—2014年之间开启了该领域快速发展的黄金时代,核心期刊和全部期刊的发文量均得到快速增长,反映出该阶段处于我国煤与瓦斯共采研究的高潮期;在合作网络方面,主要研究机构包括中国煤炭科工集团、中国矿业大学、河南理工大学等机构,均是国内从事煤炭领域研究的重要科研机构;结合关键词聚类和相关文献进行梳理分析,发现我国煤与瓦斯共采研究主要包括数值模拟、瓦斯、采空区和水力压裂等高频关键词,通过提取突现强度较高的前20位关键词,并按照突现年份重新排序,得到突现词随时间推进的演化情况;形成了以煤层增透、水力冲孔、以孔代巷以及碎软煤层等为主要突现关键词成为近年来研究人员高度关注的对象,表征了其是当前的研究热点,并有成为未来发展和关注的研究趋势。在此基础上,利用可视化知识图谱,挖掘研究领域的前沿热点和发展趋势,以期为我国煤与瓦斯共采研究提供科学参考。

3D打印石膏试件力学性质实验

3D打印技术目前已广泛应用在医疗、航空、汽车、建筑等领域,文中做了3D打印技术在岩石力学领域的应用尝试.利用3D打印技术制作两种类型的石膏试件进行实验室单轴压缩试验.实验表明:3D打印技术可以快速、精确、灵活地制作出所需复杂尺寸的试件;打印石膏试件密度较低;3D打印石膏试件具有强度低和塑性强的特性;简单标准试件的力学性质具有可重复性,含裂纹试件力学性质差异较大;含裂纹试件的制作尚存在技术上的困难.

近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题。以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景,通过对8^(-2)煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析,建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型,推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数;将工作面底板视为半无限平面体,建立工作面走向不同区段静载荷对底板采动附加应力模型,得到底板不同深度处应力分布规律及其岩层损伤破坏深度解析解;运用数值模拟软件对8^(-2)与11煤层回采过程采场围岩应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律进行模拟研究,确定8^(-2)与11煤层层间稳定岩层最小厚度;通过制定现场专项钻孔探测方案对下伏11煤巷柱式采空区覆岩裂隙带发育形态展开探测研究。研究结果表明:①顶板岩梁在相邻介质交界面的弯曲下沉挠度具有连续性且在巷柱式采空区交汇处弯曲下沉最大为2 cm;②8201综采工作面回采期间受采动应力影响下巷柱式采空区顶板-煤柱系统形成的稳定平衡结构仍具有稳定性,综合理论计算、数值模拟结果可确定8^(-2)与11煤层层间存在稳定岩层且最小厚度D_(min1)为14 m;③专项钻孔探测显示了8^(-2)与11煤层层间稳定岩层最小厚度D_(min2)为12.2 m。因此,近距离煤层间重复采动影响下8201综采工作面底板存在稳定岩层且岩层较完整具有一定的承载能力,排除蹬空开采期间下伏11煤层潜在安全隐患。

基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示,而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示,应力圆的变换主要可以分为"平移"、"翻转"、"半径扩大""半径缩小"4种方式,这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度,加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢,可以是单位空间尺度的变化,如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料"双向受压"、"双向受拉"和"一拉一压"3种状态下的加卸载过程进行了分析,并获得了与之对应的临界破坏方程,在此基础上,通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明,只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。