关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发展战略研究

在双碳战略目标牵引下,中国深化能源革命,目前已成为世界上最大的可再生能源发电国。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但在生态红线与地形等因素约束下,传统抽水蓄能电站选址难题亟须解决。同时,煤炭去产能过程中形成了大量的关闭/废弃矿井与资源枯竭型城市。本研究详细概述了中国抽水蓄能电站的发展现状,分析了关闭/废弃矿井与抽水蓄能结合后对水资源压力的缓解与温室气体减排等环境效益。基于关闭/废弃矿井抽水蓄能电站不同模式,对关闭/废弃矿井抽水蓄能应用潜力展开了分析,最后提出中国废弃矿井抽水蓄能发展战略,并展望了关闭/废弃矿井+储能的多元产业愿景。

废弃矿井地下空间物理储能方式对比与优选

为开展废弃矿井地下空间物理储能方式对比优选,在总结分析废弃矿井抽水蓄能、重力储能和压缩空气储能原理及发展现状的基础上,采用层次分析法选取6个一级指标(资源条件、技术方案、经济效益、环境影响、安全保障及能耗水平)、19个二级指标以及3种储能方案,建立了废弃矿井地下空间物理储能方式评价指标体系。以山西白家庄煤矿为例,基于专家打分法分析了各指标及方案层权重,获得一二级指标中的主控因素及影响程度,并基于此分析对比3种物理储能方式的优劣。结果表明,在一级指标中,安全保障权重占比最高,环境影响次之,之后依次是资源条件、经济效益、能耗水平和技术方案;在二级指标中,权重最高的3个指标分别是技术保障、自然生态、资金投入;在3种方案中,重力储能最具优势,其次是抽水蓄能,最后是压缩空气储能。研究结果可为废弃矿井地下空间物理储能方式的选择提供参考。

基于正交试验的采空区下单轨吊巷道支护参数优化研究

潘二矿18124工作面顶板条件复杂,岩层强度较低,易出现顶板垮落等安全事故,给单轨吊大件运输留下安全隐患。为解决此类安全问题,以潘二矿18124工作面单轨吊运输巷道为工程背景,在单轨吊轨道梁受力分析的基础上,采用正交试验与极差分析法系统研究了采空区下复杂顶板条件影响巷道变形的敏感性因素,对比探究了不同参数下锚杆锚索协同支护作用。研究结果表明,影响巷道顶底板及两帮变形的敏感性因素排序:锚杆间排距A>锚杆长度B>锚杆直径C(锚索间排距D>锚索长度E>锚索直径F);确定了实验条件下的最优支护方案,即锚杆间排距800 mm×900 mm,锚杆长度2.5 m,锚杆直径22 mm,锚索间排距1000 mm×1800 mm,锚索长度9.3 m,锚索直径22 mm。研究结果可为单轨吊在类似地质条件的工作面安装与使用提供理论依据。

基于叠后地震几何属性融合的煤层大尺度裂缝预测

煤层大尺度裂缝是导致煤矿瓦斯突出和矿井突水的主要因素之一,准确预测煤层中的大尺度裂缝对于煤层气开发和矿井水害治理至关重要。本文以叠后地震数据为基础,提取能够反映目标层位裂缝几何特征和分布信息的叠后地震几何属性;为避免单一地震几何属性在预测煤层大尺度裂缝时出现的多解性或不确定性问题,通过PCA(Principal Component Analysis)-BP(Back Propagation)神经网络(主成分分析与反向传播神经网络相结合)模型对相干、曲率、倾角、方差等地震几何属性进行融合,预测得到目标煤层大尺度裂缝分布特征。通过对比预测结果与实际揭露情况,90%的断层位置与大尺度裂缝发育区相一致,融合结果与构造解释结果吻合较好。表明基于地震几何属性融合的预测方法具有一定的效果,能在一定程度上刻画煤层大尺度裂缝的特征。

分层地应力方法在薄互层低渗油藏大型压裂设计中的应用

对薄互低渗油藏实施水力压裂改造时经常出现缝高难以控制、滤失过大、压后效果差等问题。针对薄互低渗油藏特有的地质特点,根据三维分层地应力方法原理利用声波、密度等常规测井资料获取了薄互低渗油藏地应力及裂缝连续分布剖面。用数值方法研究了此类油藏压裂过程中地应力及天然裂缝分布特征对压裂缝形态的影响规律,结果发现地应力及天然裂缝对压裂缝的高度、长度及宽度都具有直接控制作用,基于此提出了突出地应力和裂缝作用的薄互低渗油藏大型压裂设计方法。对胜利油田某油区C1井的实际资料进行研究分析,并据此实施了大型压裂设计,效果较好。

优化反分析方法在地应力与裂缝研究中的应用

应用优化反分析方法建立了基于常规测井资料的地应力及裂缝分析模型,该模型可以利用声波、密度和自然伽马等资料求取井筒附近的岩石力学参数、地应力及裂缝参数的连续剖面,为钻井过程中保持井眼稳定、压裂设计等提供参考。以胜利油田纯化油区几十口井的实际资料为例进行计算分析,获取了相应的地应力及裂缝分布规律,并首次回归拟合了该油区三向地应力随深度变化的关系曲线。大量试验结果和现场应用情况表明,该方法准确可靠,成本较低,适应性强。

朱仙庄矿10煤地质力学评估及其回采巷道分类支护

为有效解决深部煤炭开采过程中回采巷道围岩失稳严重、变形破坏剧烈等问题,利用室内试验测试、围岩结构观测、地应力原位测量及现场监测等手段,分析得出巷道围岩地质力学属性和原岩应力分布特征,并结合矿井生产技术条件对巷道围岩进行地质力学评估和稳定性分类。以淮北朱仙庄煤矿10煤的Ⅱ1053工作面为工程背景,构建基于地质力学评估的巷道分类控制支护体系,并对该工作面回采巷道支护参数进行优化设计。用FLAC3D数值模拟和井下监测等技术方法,对掘进及回采期间巷道围岩应力、位移、锚杆受力及塑性区分布特征等进行分析。结果表明,将试验测试和现场数据资料相结合,以地质力学评估为基础的巷道分类支护技术明显优于以往经验设计法,能有效保障回采工作面的安全快速推进。

朱仙庄煤矿南翼地应力原位测试及其最优化反分析

地应力在软岩或深部煤矿设计、施工与安全生产中具有重要作用。采用空心包体应变计法对朱仙庄煤矿南翼II、III 水平进行了地应力原位测试，获得了该矿地应力大小及主要方位；以此作为约束条件，基于多目标约束的最优化方法利用ANSYS 软件建立了朱仙庄煤矿南翼地应力最优化反分析模型，反演得出了最优边界条件，并用数值分析了该区域地应力分布特征和变化规律。结果表明：朱仙庄煤矿南翼地应力以水平构造应力为主，且具有明显的方向性，最大主应力值变化范围是20~25 MPa，方位则分布在N 60°E 和N 75°E 之间，其水平地应力非均匀系数为1.1~1.8。

新集矿区煤岩物理力学参数测试及其统计特征分析

通过对新集矿区石盒子组主采煤层顶、底板上千个试件进行室内试验测试,获取了该矿区典型岩性的密度、弹性模量、泊松比及抗压、抗拉强度等物理力学参数。并利用数理统计方法对测试参数进行回归拟合,得到了各主要参数的分布概型及最优估计参数。

软岩巷道围岩破坏特征的中间主应力效应研究

为了研究中间主应力对软岩巷道围岩变形的影响机制,以淮北矿区朱仙庄矿Ⅱ1053工作面软岩运输巷为工程背景,在地应力原位测试的基础上,采用FLAC3D软件构建了不同中间主应力条件的数值计算模型,开展了软岩巷道围岩破坏特征的中间主应力效应研究。结果表明:中间主应力的改变,使巷道开挖后的应力分布、表面位移与塑性区发育情况都呈现一定的阶段性特征,表现出明显的"区间效应"。现场监测数据及钻孔窥视表明,该模型能反映现场实际情况。

关于提高采矿工程专业课程教学质量的思考

采矿工程专业的毕业生基础理论要求高、专业实践性强。如何全方面调动学生学习积极性、培养良好的自主学习动机,全面提高采矿工程专业课程教学质量具有非常重要的意义。笔者首先根据近几年的教学科研实践,总结分析了当前采矿工程专业课程教学方面的一些问题,然后有针对性地提出了一些可行性建议,为采矿工程专业课程的教学研究提供一定的参考。

“光盘行动”如何做到可持续——安徽理工大学“光盘行动”调查报告

本文对安徽理工大学在校大学生践行"光盘行动"情况进行调查,结果显示:推广"光盘行动"对治理大学生"舌尖上的浪费"现象具有一定的效果,但仍存在一些问题。本文认为应将理念宣传和可行性措施相结合,才能使"光盘行动"常态化和持续化。

基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法探讨

实验教学在培养学生实践动手能力和创新思维训练等方面具有重要意义。本文针对安徽理工大学采矿工程学科现有实验条件及实验教学现状,总结分析了实验教学过程中的一些问题与不足,探讨了一种基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法。该方法通过构建兴趣驱动的游戏般的实验环境,使互动媒体实验教学与课堂理论教学相统一,挖掘学生的自主性、探索性和创新性,循序渐进地培养具有实践能力强、素质高、创新型的高素质人才,可为相关专业实验教学体系改革提供重要借鉴。

山西白家庄废弃矿山地下旅游资源开发设计方案研究

山西省积极响应国家去产能政策,关闭/废弃矿山日益增多,其后闲置的大量地下空间资源亟需开发利用。基于山西丰富旅游资源,开展矿山旅游资源开发方案研究,明确功能分区、细化功能部署方法,实现旅游项目主题连贯设计,构建完整旅游体系,将历史文化遗迹与现代工业遗产和自然生态环境有机融合,促进能源型城市转型发展。以山西省白家庄矿2^(#)井为例,在综合分析矿井历史、地下空间资源、地理区位优势及现有旅游条件基础上,借鉴"三觉五性"设计方法,进行井下工业旅游开发方案设计,并依据儿童、成人和实训学生等不同游客群体特性规划三种游览路线,既突显行业背景优势和旅游特色,又实现废弃矿井地下空间资源的合理开发利用。废弃矿山旅游开发研究可以推动废弃矿区的经济增长和城市转型发展,带来良好的产业示范效应与社会效益,具有重要意义。

天然源槽波勘探的可行性研究

常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制,迫切需要一种新型非炸药震源的槽波勘探方法作为替代。基于此,开展了矿井中天然源槽波勘探方法的可行性实验研究。通过理论分析和数值模拟实验,论证了煤层具备天然源槽波发育的地球物理基础。通过构建“三随机”天然源槽波模型,即震源的空间位置随机、震源初始激发时刻随机和震源的振幅随机,成功实现了天然源槽波的时间域数值模拟实验。采用相移法对天然源槽波数值模拟数据进行了频散谱计算,结果具有明显的频散特征。数值模拟实验结果证明了理论模型中天然源槽波的存在,且基阶和高阶形态均发育。在安徽淮南某煤矿工作面进行实测实验,成功采集到天然源槽波三分量数据,对实测数据进行频散谱计算,结果表明3个分量均具备频散特征,其中X分量频散曲线能量脊较为清晰,达到了验证天然源槽波存在的预期目标。总的来说,数值模拟结果表明天然源槽波的地球物理基础和形成机理是正确的,现场实验结果证明了天然源槽波在煤层中自然存在,该方法在矿井地质勘探中具有可行性和潜力。

工科专业“评估”和“认证”实质等效性分析及人才培养质量评价模型

学科评估与工程教育专业认证是各高校工科专业办学水平高低的重要衡量标准,对工程教育起着重要的引领作用。在深入学习当前工科类专业相关重要指导文件内涵的基础上,开展主要评价体系的实质等效性分析,并在国家专业质量标准的指导下,融合“评估”“认证”等要求构建工科专业人才培养质量评测指标体系,构建了评价模型。以安徽理工大学采矿工程专业数据为例,进行模拟分析有效揭示了该专业发展现状中存在的问题与不足,进而对专业办学质量和水平进行预测诊断、提出相应指导建议。研究结果对促进高校工科专业发展和学科建设、培养适合新时代的高素质人才具有重要参考意义。

大倾角煤层综采工作面再生顶板与支架失稳机理

针对底分层煤层开采诱导采场再生顶板二次破坏和支架失稳特点,以潘北矿1212(3)再生顶板下大倾角煤层工作面为例,综合运用井下钻孔三维成像对再生顶板结构实测、基于声发射监测技术的相似物理模拟和理论分析3种技术手段,对大倾角煤层综采面再生顶板顶板结构、垮落特征以及支架失稳模式进行了研究。通过对底分层再生顶板施工的3个钻孔进行孔壁成像确定了底分层再生顶板胶结压实状态,结合相似物理模拟确定了煤层回采过程中的再生顶板垮落规律,并采用理论计算分析了再生顶板运动对采场支架稳定性的影响程度。结果表明:①受煤层倾角影响,再生顶板压实程度呈现出采场下部高于采场中部,采场上部压实程度最弱的非对称压实特征;②底分层顶板3~5 m范围内岩层易在支架间冒漏,此范围再生顶板是改变支架位态的关键岩层;③底分层再生顶板破断失稳经历了6个阶段,基于声发射信号强弱程度确定了采场下部再生顶板高位悬臂梁的断裂和上部再生顶板的滑移是引起底分层顶板破碎严重的主因;④基于现场支架载荷数据,验证了相似物理模拟准确性,标划出采场上部是支架稳定性重点防控区域;⑤在综合厘定再生顶板-支架作用关系基础上,构建再生顶板运动下的大倾角煤层采场支架倾倒和下滑失稳模型,分析支架受力特征,获得支架在倾倒、下滑临界状态下的架间作用力分别为-126.8 kN,86.2 kN,揭示了再生顶板载荷作用位置对支架稳定性影响显著;⑥探讨了护帮、护顶和护架的三位一体协同支护体系。

关闭/废弃矿井地下空间资源精准开发利用模式研究

随着煤炭绿色资源的不断开采,位于煤炭开发利用全周期末端的矿井关闭\废弃问题逐渐显现,随之而来的关闭/废弃矿井地下空间资源开发利用成为一个亟须解决的问题。在对我国废弃矿井现状统计分析的基础上,以能源开采造成的地下空间方位、形态差异化为依据,将关闭/废弃矿井地下空间资源分为采空区空间资源、巷道空间资源、硐室空间资源;探讨了空间资源作为能源存储场所的单一利用方式和多方向、多领域协同多元开发利用的关闭/废弃矿井地下空间资源利用方式;并由此提出了一种关闭/废弃矿井地下空间分类分级精准利用模式,构建调研分析、工程类比初判、模型构建详估和软件决策系统研发为主干流程的精准开发利用系统,通过精准利用模式与精准开发利用系统模型对单一和多元开发利用方式进一步分析,为关闭/废弃矿井空间资源开发利用的研究和实践提供参考。

深井大断面沿空留巷底板裂隙分形特征动态演化规律试验研究

深井大断面沿空留巷常见严重底鼓问题,为更好揭示底鼓机理,利用自行研制的两向四面加载试验装置,结合顾桥矿1115(1)工作面轨道顺槽工程地质条件,采用相似材料模拟方法研究了深井大断面沿空留巷底板在掘进、一次采动、留巷和二次采动影响期间裂隙动态演化规律,并基于分形几何理论定量分析了分形维数变化规律及其与底鼓量的关系。研究结果表明,底板裂隙随着回采逐步发育、扩展、贯通,以剪切破坏的中高角度裂隙分布为主;底板裂隙分形维数逐渐增加,在顶板来压和留巷期间均有明显的升维现象;由于留巷上部基本顶的"回弹"现象,第二个工作面上覆岩层作用于煤体的载荷较小,导致在第二个工作面回采前期,底板裂隙分形维数增量较小;底鼓量和分形维数呈非线性正相关关系。通过对比现场实测底鼓量和试验底鼓量,发现二者能够较好吻合,验证模型试验结果的真实可靠。

深井复合顶板条件下沿空留巷充填体水平方向稳定性分析

针对深井沿空留巷充填体常向巷道空间发生移动,分析深井复合顶板条件下充填体水平位移特征,计算顶底板对充填体的摩擦力和基于弹性地基梁理论下的采空区冒落矸石对充填体的水平挤压力。基于淮南矿区顾桥矿1115(1)工作面轨道顺槽典型深井复合顶板条件下沿空留巷工程地质条件,建立充填体力学计算模型,得到深井复合顶板条件下沿空留巷充填体内移表达式。结果表明,(1)由于复合顶板裂隙发育,垮落后具有较好的流动性,在关键块旋转下沉过程中容易对充填体产生水平挤压力,且复合顶板能够较大程度吸收关键块旋转下沉施加的给定变形,底板不易插底,充填体更易发生内移;(2)理论计算充填体位移量为0.38 m,实测位移量为0.5 m,二者能够吻合,验证了研究成果的正确性。根据充填体内移特点,提出抗剪锚杆等措施增加充填体和顶底板摩擦因数和在靠近充填体的采空区侧设置隔离桩的控制技术。