基于开采高度对工作面覆岩裂隙演化影响的钻孔瓦斯抽采研究

采动覆岩裂隙演化规律对层间瓦斯运移起主导作用,研究覆岩裂隙发育分布规律对于提高瓦斯抽采效率至关重要。以甘肃省魏家地矿西2107综采工作面为工程背景,采用UDEC模拟软件建立不同采高的数值模型,利用分形几何理论分析了工作面覆岩近场裂隙演化与不同开采高度的关系,确定了钻孔瓦斯抽采最优工作面高度,并通过理论经验公式、覆岩裂隙窥视情况与现场瓦斯抽采结果对其验证。结果表明:采动裂隙总数随着采高增大而增大,但不同阶段增大的幅度皆不相同,覆岩裂隙不断向覆岩四周呈“伞状”发育;不同开采高度的工作面覆岩近场裂隙均经历产生、扩张贯通、压实稳定的3个阶段,且采高越大,压实区范围越小,适当增加采高,有助于提高覆岩瓦斯抽采效果;当采高选择4 m时,顶板裂隙在位于10 m与40 m位置处的裂隙发育密度与范围均明显大于其他区域,该区域与布置高、低巷双位一体的协同抽采巷最佳位置相一致。

基于土壤肥力恢复力模型的河曲露天煤矿复垦治理效果评价

以河曲旧县露天煤矿排土场为研究对象,采用模糊层次分析法(FAHP)和专家评分理论法建立了露天煤矿排土场土壤肥力综合评价模型,获得土壤结构稳定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4项准则和25个因素,利用YAAHP计算软件确定了排土场土壤肥力恢复力各影响因素的权重。结果表明,评价体系准则层中土壤保肥能力权重最大(0.5477),其次分别是土壤保水能力(0.1980)、土壤生物活性(0.1408)和土壤结构稳定性(0.1135),因素层有机质F1权重最高(0.1162);根据现场抽样,已复垦区的土壤质量水平要高于未复垦区的土壤质量水平,整体来看土壤质量水平均处于中等偏下和较差水平,土壤恢复力的主要因素是土壤保肥能力,特别是土壤有机质含量。土壤肥力恢复力模型为提高排土场土壤质量、加快土壤重构、促进土壤生态系统恢复提供治理思路。

基于“深地-井下-地面”联动的煤矿矿井水处理利用模式初探

煤矿矿井水的高效低耗处理有助于推动煤炭资源的安全、高效开采。现有矿井水井下处理工艺选择受限、处理量小,地面处理占地面积大、运行成本高,矿井水处理后外排至地表又会产生高额的排水费。本文在总结分析煤矿矿井水处理技术现状基础上,提出了“深地-井下-地面”联动的煤矿矿井水处理利用模式:对矿井涌水通过“井下-地面”协同的方式进行高效低耗处理,处理后的矿井水部分用于矿区生产和矿区居民生活,其余部分则进行深地回灌或外排。首先介绍了该模式的基本原理;然后从水质、水量、水文、地质、地下建筑结构和回灌工程可行性对矿井水回灌工程的适用性进行评估和分析;最后介绍了不同水质矿井水处理技术和“井下-地面”协同处理技术体系,尤其针对回灌含水层选择、回灌施工作业、回灌试验、回灌水质模拟、回灌安全性分析等进行总结。

新质生产力理论:引领未来新型工业化的思想革命

在新一轮科技革命和产业变革期间,随着以中国为代表的一些发展中国家陆续完成了基本工业化,世界各国总体上面临一个持续未来工业发展的路径选择难题。实践中,以后工业社会理论为指导的西方后工业化,出现了经济服务化、金融化与虚拟化的趋向,带来了诸如“成本病”与实体经济空心化等各种现实问题。新质生产力理论应时代发展需求,改变了传统后工业社会理论对经济的服务化导向,擘画未来新型工业化中服务经济与实体经济融合发展的新路径;发展了马克思主义生产力理论,重新定义了生产力要素及其地位,开拓了马克思主义生产力理论新内容;赋予了生产力发展以新的时代价值诉求,明确了共同富裕的社会主义发展目标。新质生产力理论以三个核心观念指导中国新型工业化的具体实践,将引领一场持续新型工业化的思想革命。

胀锁型锚索双向加固窄煤柱试验研究与工程应用

针对沿空掘巷窄煤柱非对称变形问题,提出了对穿锚索双向加固窄煤柱技术,设计了伸长型和胀锁型两种对穿锚索结构及工艺,开展了对穿锚索拉拔试验,试验表明两种锚索结构均满足抗拉要求,从锚索破坏形态、施工便捷性和材料经济性等方面对比分析,确定胀锁型对穿锚索为窄煤柱双向加固的首选。进一步通过相似模型试验与数值模拟研究了不同加固方式下煤柱承载变形规律和对穿锚索受力特征。结果表明:双排紧密型对穿锚索加固试件较未加固试件峰值荷载提高了96.04%,且随着锚索排数及数量的增加,窄煤柱双向加固稳定性越来越高,胀锁型对穿锚索提高了煤柱破坏前的能量储存量和临界破坏点。最后,在济宁三号煤矿123_(下)04工作面运输巷开展胀锁式对穿锚索加固窄煤柱工程试验,监测显示对穿锚索锚固力超过220 kN,锚索加固区煤柱帮鼓量降低70%,窄煤柱整体稳定性好,窄煤柱双向加固技术可行,为沿空掘巷工程提供了新技术途径。

深部煤层地下气化选址研究——以东胜气田J148地区为例

从地质构造、水文地质、煤层气化适用性等角度,系统研究了东胜气田J148地区中生界侏罗系中下统延安组延9煤层地下气化的可行性,并探讨了利用深部煤层气化燃空区孔隙层、含水层及该区致密气层进行碳封存的前景。研究结果表明,该区延9煤层埋深1 264~1 285 m、倾角小于1°,煤层稳定性好。气化目标选区内地层断层、节理裂隙不发育,偶有裂隙但断面新鲜、闭合,煤层气化后空腔有较好的密闭性,对煤炭地下气化影响小,有利于气化炉的建设和扩展,可满足规模化煤炭地下气化项目实施。延9煤层顶底板存在连续的隔水层,能阻截地下水对煤层直接充水,有利于地下气化炉布置;顶板隔水层厚度小于导水裂隙带高度,存在垮落导通顶板含水层间接充水的风险,但顶板含水层属弱富水含水层,涌水量小,风险可控;底板隔水层厚度大于隔水层的安全厚度,能有效阻截煤层底板含水层对煤层直接充水的风险。总体而言,延9煤层厚度适中、夹矸少,属低灰、低硫、高热值不黏煤,煤焦反应活性高,具有良好开发前景。针对深部煤层规模化气化开采产生大量的CO_(2)排放,初步探讨了利用煤层燃空区、顶底板含水层和下部致密天然气层进行CO_(2)安全封存可行性。分析认为,在延9煤层气化燃空区孔隙层和顶底板含水层中,可封存煤层气化产生的CO_(2)的60.8%~88.2%;若结合东胜气田上古生界致密天然气开发,用煤气化产生CO_(2)进行天然气驱替与封存,有望实现深部煤层气化开采过程近零碳排放。

混杂颗粒增强Ni基复合材料的冲蚀磨损性能研究

煤炭开采、石油化工等极端工况条件下的机械装备对部分关键零部件材料的磨损性能提出了更高要求。本研究设计制备了大尺寸氧化锆颗粒(ZTAp)承载与小尺寸碳化钨颗粒(WCp)强化基体相结合的混杂颗粒增强金属基复合材料,研究了介质、冲蚀角度、ZTAp尺寸、WCp含量对复合材料冲蚀磨损性能的影响及其机理。结果表明,适量ZTAp、WCp的添加能够显著提高复合材料的抗冲蚀磨损性能。固定体积分数的ZTA颗粒,尺寸越大,复合材料冲蚀磨损性能越好,其主要失效形式为脆性剥落和疲劳断裂。WC颗粒通过第二相增强、固溶强化以及析出强化的方式,提高了基体的硬度和耐磨性,抑制了酸性介质中腐蚀与磨损的交互作用,冲蚀过程中主要失效形式为脆性断裂剥落。

含细颗粒悬浮物矿井水的混凝沉淀参数优化

针对宝日希勒露天煤矿矿井水中悬浮颗粒物粒径小、难去除的问题,采用单因素与正交实验方法确定了混凝沉淀工艺的最佳参数,分析了矿井水中细颗粒物的混凝机理。结果表明,混凝沉淀的最佳工艺参数为聚合氯化铝(PAC)投加量50 mg/L,非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)投加量5.0 mg/L,快速搅拌(300 r/min)时间1 min,慢速搅拌(50 r/min)时间8 min,静置时间5 min;在最佳工艺条件下,悬浮物(SS)质量浓度为5.0 mg/L,去除率为99.1%,相比单独投加PAC时,10μm以下的细颗粒物去除率提高了25.9%,矿井水的ζ电位由-40.9 mV降低至-16.3 mV,说明细颗粒物的混凝机理主要为PAC吸附电中和作用和聚丙烯酰胺(PAM)吸附架桥作用。

煤矸石精确产酸潜力评价方法对比研究

为有效避免重大酸性水污染事故,需提高矿山岩石产酸潜力评价的精度。通过全面阐述矸石中常见含硫矿物的产酸潜力计算方法,采用三步连续提取法测定了多个矿石和煤矸石中产酸矿物的硫含量,对比分析了精确产酸潜力和最大产酸潜力。结果表明:煤矸石的产酸潜力值取决于各产酸硫的质量分数和单位硫产酸值;对大部分样品,用产酸硫含量计算的产酸潜力值不同程度地低于用全硫预测的产酸潜力值;样品SC中的硫成分主要为砷黄铁矿硫,相比黄铁矿的单位硫产酸值更高,导致SC样品计算的精确产酸潜力相比全硫预测的产酸潜力更高;三步连续提取法适用于以铁和铜的硫化物为主要含硫矿物的煤矸石;当矿石中其他硫化物成分增多和空白样品混合不均匀都会对结果产生一定干扰。研究结果为准确评价矿区煤矸石精确产酸潜力提供了依据。

毛坪铅锌矿采场热环境影响因素研究

矿井热害是矿井深部开采面临的重要问题。以毛坪铅锌矿为工程案例,采用现场测试与数值模拟相结合的方法,研究了不同热源对深部矿井采场热环境的影响。基于现场实测的采场地温梯度与热环境参数,构建了毛坪铅锌矿采场物理模型,采用COMSOL软件分析了较低地温条件下风流温度、人体热源、机电设备以及充填体四种热源对采场及围岩温度的影响,并通过现场温度测量数据对数值计算结果进行验证。结果表明:毛坪铅锌矿目前开采水平地温为21.60℃,地温梯度为1.66℃/hm;灰砂比是影响充填体放热的重要因素,充填体产生的热量不仅会借助风流直接传至采场,还能通过围岩传导至巷道壁面,造成采场温度升高;地温对采场温度影响较大,采场温度随着地温的增大呈线性增加;毛坪铅锌矿中各个热源对采场环境的影响程度不同,其中风流能显著提高采场温度,充填体和机电设备次之,人体热源对采场温度的影响最小。

冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理

为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明:不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。

二氧化铅电极改性及电催化降解焦化废水中蒽

为了研究电催化对焦化废水中污染物的降解效果,采用电沉积法制备了Ti/PbO_(2)、Ti/PANI/PbO_(2)和Ti/PANI/PbO_(2)-Ce三种电极,对电极进行扫描电镜和X射线衍射表征、电化学性能测试、产羟基自由基(·OH)能力测试和加速寿命测试。结果表明,经聚苯胺(PANI)和铈(Ce)改性的Ti/PANI/PbO_(2)-Ce电极具有更好的表面形貌和更高的催化活性,能产生更多的·OH,析氧电位为1.83 V,加速寿命时间为720 min。采用Ti/PANI/PbO_(2)-Ce电极降解焦化废水中的蒽,考察了主要因素对降解效果的影响,得到蒽的最佳降解条件为电压14 V,板间距1.0 cm,电解质浓度0.35 mol/L,反应时间120 min,pH值10。Ti/PANI/PbO_(2)-Ce电极显示了良好的电催化性能。

基于统计学模型的矿区粉尘污染特征及影响因素的定量分析

针对露天矿粉尘无秩序排放引发的生态环境退化问题,选取河曲露天煤矿粉尘产生区域为研究靶区,利用粉尘监测体系获取靶区TSP、PM10、PM2.5及环境指标数据,结合粉尘浓度对不同粒径粉尘分布差异性进行对比分析,引入空气质量浓度分指数法、Pearson关联矩阵分析法和灰色关联法对靶区内核心污染物、不同粒径粉尘内在关联性及环境指标与粉尘浓度的关联度进行深入探讨,基于单变量、多元线性和主成分得分-多元线性回归分析法对粒子变迁演化规律及环境指标对微粉尘权重的影响规律进行定量解析,同时运用均值误差法对MLR和PCA-MLR模型预测的精确度进行验证。结果表明:(1)区域1(采掘场)和3(煤场)不同粒径粉尘浓度均存在超过现行标准二级限值的情况,区域2(交通干道)仅存在超过一级限值的情况。(2)不同区域粉尘污染能力的强弱与IAQI评估结果一致,均为区域1>3>2;当不同区域TSP浓度一致时,域内粉尘污染能力的强弱顺序转变为区域2>3>1,且各区域核心污染物均为PM2.5。(3)不同区域粉尘浓度线性关系较为显著。(4)不同区域MLR模型演算出的多元线性方程的拟合度排序规律与粉尘浓度Pearson关联度趋于一致,且多变量拟合度优于单变量拟合度,结合MRE法检验出不同区域MLR模型预测精度区域3(3.02%)>2(9.46%)>1(10.75%)。(5)区域1中TSP和PM10与气压呈强正相关,PM2.5与相对湿度呈强负相关;区域2中各粒径粉尘均与温度和风速呈强负相关;区域3中仅与温度呈强负相关。(6)微粉尘权重与环境指标的PCA-MLR模型相对于直接MLR模型,预测精确度提高了56.63%和13.41%。

循环水浸作用下煤体孔隙与损伤演化机制实验研究

煤柱坝体作为矿井采空区水库的主要承载结构,在多场耦合影响下的损伤失稳机制直接制约采空区水库的长期安全稳定运行。本文借助核磁共振(NMR)研究了“单侧”浸水条件下不同次数循环浸水下煤样T2谱图、孔喉、孔隙率变化和核磁图像演化规律,分析了单侧循环浸水次数不断增加下煤样内部孔隙演化规律以及单轴压缩破坏形态特征,揭示了煤样水浸损伤破坏机制,结果表明,随循环浸水次数的增加,煤样孔隙数、孔喉占比、孔隙率均保持增长的态势,分别增长了67.18%、3.48%、3.49%。煤样单轴抗压强度与残余强度逐渐减小,煤样的平均峰值强度由15.74 MPa依次下降到11.76、9.65、8.41 MPa,循环浸水9次煤样相较于初始状态煤样的平均单轴抗压强度下降46.56%,平均残余强度从未循环浸水的5.55 MPa依次下降到3.08、2.44、0 MPa。煤样单侧循环浸水水分子由浸水侧逐渐向煤样内部渗流,最后扩展至整个煤样,进一步造成孔隙率增加。长期的循环浸水对煤样的软化作用十分显著。研究结果为采空区水库空间结构稳定性控制提供了科学依据。

多因素影响下巷道围岩稳定性分析及优化设计研究

针对深部煤层巷道矿压显现剧烈且巷道变形难以控制的问题,基于Kastner公式对巷道高宽比、侧压系数、埋深、断面形状、围岩强度5种影响巷道围岩稳定性的因素展开正交数值模拟实验,通过方差和直观分析图法研究了各因素对巷道变形破坏的敏感性。采用平面弹性复变函数理论分析了不同侧压系数与巷道高宽比下椭圆和矩形巷道围岩的应力分布规律,对椭圆形和矩形巷道宽高比和形状进行了优化设计。研究结果表明:围岩强度与侧压系数是影响巷道围岩稳定性的主要因素,埋深、断面形状、巷道高宽比为次要因素;椭圆形巷道在等轴应力比下围岩应力差值最小;矩形巷道宽度为5 m、高宽比为0.6左右时,应力集中程度较小;针对矩形巷道应力快速增高区,在考虑承压特性和断面利用率的基础上设计了圆角矩形优化巷道,确立了圆角半径的计算公式,通过数值模拟验证了其良好的性能。

新型高分子抑尘剂对岩性颗粒物的抑制特性研究

为减轻综掘工作面粉尘逸散对巷道环境的污染以及人员、设备造成的损伤,以济宁市金桥煤矿西翼轨道巷为工程背景,以可吸入粉尘为研究对象,研发一种以表面活性剂为关键骨架、以无机盐和高分子黏附剂为辅助材料的强润湿性、强黏结性的环保型化学抑尘剂。现场验证结果表明,该抑尘剂对于岩性颗粒物具有较好的捕捉能力,能有效降低巷道内可吸入粉尘浓度。

防灭火喷涂材料黏附及封堵性能试验研究

为改善煤矿井下巷道喷涂防灭火材料黏附性差,易开裂、易脱落及封堵效果差等问题,研制了一种以粉煤灰为骨料,普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏为基料,可再分散乳胶粉(VAE)为外加剂的防灭火喷涂材料。通过单轴抗压强度实验、煤岩多相多场真三轴动态渗流实验以及扫描电镜实验等,研究了VAE对喷涂材料的黏附性能、胶结性能、力学性能、封堵性能的影响。结果表明,加入VAE可以促进水化产物中丝状黏结桥的形成,实现黏结桥与水化产物的铆接、桥连,构成一个致密的网络结构。这不仅可以提升喷涂材料的抗开裂能力,同时增强了材料与煤结合后的黏附性能、胶结性能以及封堵性能。加入1%VAE的喷涂材料能够充分包裹住煤体,在煤体表面形成致密的涂层,有效隔绝空气与煤体接触,从而预防煤自燃,研发的材料对防治巷道顶部煤自燃具有一定作用。

采场全生命周期的矿压危害事件知识图谱表示方法研究

知识图谱是认知智能研究不可或缺的组成部分。针对采场矿压危害事件传统分析方法对煤矿开采过程中应力时空演化过程及隐患演化与风险防控关系等表达存在不足的问题,本文基于采场全生命周期提出一种采场矿压危害事件知识图谱表示方法:首先,从地质灾害的角度,分析采场应力及分布的动态特性,对矿压地质灾害中的各节点进行动态关联,提出顾及时空过程的采场矿压地质灾害知识图谱表示方法。其次,从事故的角度,分析采场矿压事故隐患演化与风险防控过程,将隐患耦合演化与防治措施融入知识图谱表示模型中。最后,运用Neo4j构建矿压危害事件知识图谱。结果表明:依据该表示方法构建的知识图谱,不仅刻画了灾害事件中不同对象的时空演化过程,还描述了隐患耦合演化过程以及对应的风险防控措施,为采场矿压危害的防治提供了智能研究途径。

高陡岩质临坡地基承载力试验研究与数值模拟

针对高陡岩质临坡地基开展了不同坡角、坡距下承载力试验。结合深废矿坑工程采用数值模拟对高陡岩质临坡地基承载力影响因素进行了模拟计算与分析。研究结果表明:(1)承载力系数(η)随坡角(β)的增大而逐渐减小,随坡距(B)的增大呈非线性增长,当B超过一定距离时,η几乎不再增长且接近1.0;(2)相较β,地质强度指标(GSI)对η的影响更大,二者呈非线性同步增长;(3)锚索可提高η,设置4道锚索对η的提升效果较好,继续增加锚索数量对η的影响较小。

应力波作用下红砂岩复合动态断裂特征研究

为探究应力波作用下红砂岩的复合动态断裂特性,采用分离式霍普金森压杆和数字图像技术对带预制裂缝的半圆盘三点弯曲试样开展冲击加载实验,分析加载率、波长对红砂岩动态拉伸、断裂特征的影响。结果表明:①红砂岩试样加载率与动态抗拉强度、断裂韧度及破坏率均呈一次函数关系;断裂能随加载率增大而增长415.27%。②随着波长增加,动态抗拉强度增长742.14%,其中断裂能增长54.49%,但能量吸收率呈下降趋势;裂纹扩展平均速度增长4.09%,且首尾裂纹应变增长时间出现滞后现象;破坏率增长效应得到强化。③冲击速度8 m/s时试件主裂纹首尾监测点位的应变平均增加84.31%。