以科创竞赛为载体的大学生创新能力培养探索与实践

结合现阶段学校对采矿工程专业的定位(聚焦智能矿山建设、对焦应急管理事业),充分考虑矿山领域智能化水平提升、矿山灾害防控与应急等实际需求,开展了采矿专业学生创新能力培养与实践研究。结合学校教学资源,研究了采矿创新人才培养面临的主要难题、行业领域所需解决的关键科学问题,提出了改革的总体思路和实施的具体途径;提出了新形势下采矿创新人才培养思路和改革实践路径。通过营造良好的大学生科创环境,持续开展大学生科创活动,初步探索了大学生科技创新基地建设的长效机制与发展模式。经过多年的改革实践取得了初步成效:以科创活动为引领,推动了“课堂-科创基地-企业”常态化协同育人,形成了实践育人协同新模式;切实增强大学生参与科技创新赛事的水平和能力,提高学生的动手能力、独立思考能力、科研能力和创新能力。

千米深井大能量事件多因素耦合分析

以山东李楼煤矿为研究背景,采用现场调研、工程对比、现场监测等方法,对李楼煤矿2020年以来发生的大能量事件展开研究,得出如下结论:①系统分析了支承压力分布、工作面“见方”、过断层以及回采速度等4个影响因素与大能量微震事件的关系以及大能量事件的诱发原因。1302(上)工作面采动影响范围约为工作面后方30 m至工作面前方170 m,超前应力峰值约为工作面前方70 m,而侧向微震事件主要分布在沿空巷道附近,整体向采空区一侧偏移;1303工作面微震事件在工作面推进方向的分布范围为工作面后15 m至工作面前200 m,超前应力峰值约为工作面前80 m,1303工作面微震事件在侧向分布形态呈双峰型,向运输巷一侧偏移,受宽煤柱影响,运输巷一侧应力集中程度高于回风巷一侧;工作面“见方”前,微震事件频次和能量逐渐增高,“见方”后趋于平稳;在过断层前,微震事件逐渐升高,过断层期间急剧下降,过断层后逐渐趋于平稳,事件峰值位置距离“见方”前或断层前40 m左右;当1302(上)工作面回采速度为50 m/月,1303工作面回采速度为60 m/月时,频次与能量最大。②通过分析大能量事件的诱发因素及发生位置,可将大能量事件划分为3类:“能量积聚型”大能量事件、“断层活化型”大能量事件及“孤岛结构型”大能量事件,并针对不同类型事件提出具体的防控措施,为周边类似地质因素和开采技术条件的矿井提供参考。

孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨

孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下"充填体-煤柱-顶板"力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:(1)采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;(2)受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;(3)充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;(4)决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。

含芳香侧链梳形聚合物对沥青质聚集行为的影响

选取了在聚马来酸酐-α-烯烃侧链接枝芳香基团(苯胺、萘胺及2-氨基苯并咪唑)的梳形聚合物(AMAC、NMAC和MACB)。利用UV-vis、浊度仪、动态光散射(DLS)、偏光显微镜分别表征了3种梳形聚合物对沥青质的初始沉淀点、粒径分布和聚集行为的影响。结果表明,添加质量浓度为50mg/L的同等接枝率的聚合物对沥青质的分散效果为:NMAC>AMAC>MACB;沥青质在模型油中的"初始沉淀点"最大增幅约为20%;平均粒径减小一半,且分布变窄;其微观聚集状态也由高聚集尺寸的絮凝态向低聚集尺寸的分散态转变。梳形聚合物能使沥青质更稳定地分散悬浮,对稠油的采输有现实的应用意义。

动压巷道沿空掘巷异形煤柱宽度研究

针对厚煤层综采工作面推进快、高采高效、采掘接替压力大等特点,研究在厚煤层综采工作面未开采时先掘下区段巷道或者开采与掘进同时进行的情况下,沿空掘巷留设煤柱宽度优化。以福城煤矿1303N回风巷为研究背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,通过研究沿空掘巷上覆岩层结构,分析其支承压力分布特征。

井下分布式无线应力监测系统设计

为解决煤矿下现有集中式控制应力监测系统可靠性差、施工困难的问题,基于分布式控制无线传感器网络,设计了适用于煤矿下复杂环境的分布式应力监测通信系统,详细介绍了系统总体结构、硬件电路及软件设计。以分布式无线Zig Bee为核心设计无线终端采集节点,实时获取井下支护设备应力。协调器节点数据通过CAN总线上传至上位机后进行数据处理。实验测试表明,系统实时性好,可靠性强,能够满足实际监测需求。

深井临近大煤柱泄水巷冲击机理及防治技术研究

为研究深井临近大煤柱泄水巷冲击机理,防止临近大煤柱泄水巷再次发生重大冲击的安全事件,以龙郓矿业为工程背景,采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法,对1300工作面回采后支承压力分布的特点、卸压孔深度的设计方案、卸压效果进行了研究。结果表明:1)垂直于泄水巷走向沿80 m大煤柱和实体煤侧进行了超深孔探测,并对80 m煤柱和实体煤侧进行了地震CT探测技术,探测结果表明,泄水巷处于高应力集中区。2)通过对龙郓矿业上覆岩层结构的分析,建立了深井厚松散层厚基岩支承压力的力学估算的"载荷三带"模型,理论上计算出1300工作面侧向支承压力的分布规律,与现场探测结果吻合。3)通过上述探测和理论计算结果,合理设计80 m煤柱、实体煤卸压方案,确保泄水巷安全可靠。

基于不同强度煤体的合理卸压钻孔间距研究

为了避免软煤卸压密度过大造成巷道大变形和硬煤卸压密度小导致卸压不充分的问题,采用案例分析、理论研究及数值模拟等方法,建立了钻孔卸压原理的能量耗散分析模型,研究了高应力条件下钻孔卸压煤体的位移场、应力场、塑性区、弹性能密度及局部能量释放率分布规律,得到了卸压钻孔间距与煤体强度的关系。结果表明:1)钻孔间距减小,相邻钻孔的耦合作用加强,卸压作用范围和效率增大;2)卸压钻孔间距的主要判据为钻孔塑性区扩展闭合,以位移场、应力场和弹性能密度分布等作为辅助判据;3)单轴抗压强度为12.04~35.35 MPa的煤体合理卸压钻孔间距为1.4~0.65 m;4)合理卸压钻孔间距与煤体强度线性拟合度R2为0.98661。研究成果可为不同强度煤体选择合理卸压钻孔间距提供参考。

煤柱效应下底板致冲机理与巷道布置优化

为避免上分层遗留煤柱产生的集中应力对下分层巷道造成冲击隐患,在遗留煤柱集中应力影响范围外选择掘进巷道的合理位置。以新疆某矿(9-15)上06工作面为工程背景,通过现场调研、理论分析和数值模拟等方法,分析上分层遗留煤柱效应下底板冲击破坏机理,得到以下结论:1)提出以滑移变形为理论基础的底板冲击力学分析模型,分析底板发生整体滑移冲击前的极限载荷及整体冲击范围,得知底板最大破坏范围仅与煤柱宽度和底板岩层内摩擦角2个参数有关,确定下分层巷道冲击危险区域;2)数值模拟分析(9-15)上06工作面上平巷解放角为42°,内错偏移距为17 m,下平巷解放角为80°,内错偏移距为17 m,理论计算结果与数值模拟基本吻合。

一侧采空间隔煤柱采场回采时冲击地压发生机理研究

针对山东某矿两工作面之间间隔大煤柱先后回采时发生的重大冲击地压事故,本文采用理论分析、现场监测等方法研究了煤柱一侧工作面回采完毕,煤柱另一侧工作面回采时,诱发冲击地压的机理,得到以下主要结论:揭示了采场及煤柱区域急剧变化的褶曲构造在形成的过程中,受到来自水平方向的挤压作用,在水平方向上积聚了大量的弹性应变能;由于采场受到间隔80 m煤柱的采空区影响,采场“见方效应”提前显现,采场周边出现应力异常现象;工作面、两平巷和断层将工作面前方煤体切割为孤立煤体,定性分析了孤立煤体随工作面的不断推进应力逐渐增大,“孤岛”效应显现强烈;建立了煤柱两侧采空区上覆岩层对煤柱加载的理论计算模型,并对煤柱整体冲击危险性进行了判定。

深井特厚煤层充填开采防冲机理研究

为保障深井特厚煤层工作面的安全回采,基于载荷三带理论,以山东某矿为工程背景,提出了采用充填法开采以降低工作面整体冲击风险的方案,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究了充填采空区对工作面煤体支承压力分布的影响机制,得到以下结论:1)充填体充填采空区减小了顶板自由下沉运动的空间,有效降低了顶板岩层裂隙的发育高度;2)充填体抗压变形能力决定了对煤体施加动载影响的岩层运动范围,充填体抗压变形能力越大,作用在煤体上的动载效应越不明显;3)提出了控制充实率、加强监测和确定合理推采速度等充填工作面防冲技术措施。现场实践表明,充填法开采减小了工作面煤体的应力集中程度,有效降低了发生冲击地压的风险。该研究成果为类似条件下工作面的安全开采提供指导和借鉴。