Study on the Theory and Method on Identification of the Mobile Block in the Face-Contacted Blocks Structure in Rocks Between Coal Seams to Mine the Left-over Coal Above the Gob

In mining the left-over coal above the gob,stope wall rock of mining area have hard limestone.through field observation,the face-contacted block structure was found in rocks between coal seams to mine the left-over coal above the gob.In order to probe into the movement law of rock strata and strata control measures,it is very important to identify the mobile block in face-contacted block structure of rocks between coal seams.This paper relies on the thought of block theory to establish appropriate parameter matrix and figure out its discrimination matrix in view of the fact that the block in face-contacted block structure has high intensity and stiffness,the

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

寿阳区块煤层气井产粉特征与煤体结构相关性研究

针对沁水盆地寿阳区块煤层气井产粉严重的问题,连续采集井口煤粉溶液样品,在实验室测试获取了煤粉浓度、煤粉粒径和煤粉形态等煤粉产出特征。通过测井曲线和构造曲率判识了煤体结构特征,利用数据描述分析和Pearson相关系数计算方法定量分析了产粉特征与煤体结构相关性。研究成果为寿阳区块煤层气产粉规律研究和控粉措施提供了实验数据和理论指导。

松软厚煤层区段煤柱剪切滑块运动机理及协同控制技术

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围及应力分布规律,揭示煤柱侧帮剪切滑块运动机理,提出煤柱稳定性协同控制对策并在现场进行工程实践验证。结果表明:①采用极限平衡理论与叠加理论,确定了煤柱剪切滑块运动范围及煤柱垂直应力分布规律,阐明煤柱剪切滑块安全系数分布规律:0~1.26 m深度,煤柱上部安全系数较小;在1.26~3.95 m处,煤柱中线部分大面积安全系数较小,易受顶板来压破坏。②提出了1种以“注浆加固—锚索强化—切顶卸压”为主体的区段煤柱协同控制技术,煤柱侧裂隙较无支护条件及原支护条件分别减少62.89%和46.26%,巷道围岩完整性大幅提高,形成了强承载结构,有效控制了煤柱变形及底臌。③根据松软厚煤层区段煤柱条件,合理确定了协同控制设计参数,并对煤柱防控效果进行试验监测评估。现场试验结果表明,煤柱裂隙得到充分填充,注浆后煤体强度提高63%以上;巷道位移、锚杆索受力、离层等均在可控范围,表明协同控制技术明显提高了煤柱承载力,回采巷道围岩变形得到有效控制,为工作面安全高效开采提供了空间保障。

煤的冲击倾向性对深部煤岩界面超低摩擦效应影响研究

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低摩擦效应强度,开展了应力波扰动下不同冲击倾向性煤块超低摩擦试验。研究结果表明:(1)超低摩擦效应强度受扰动频率影响存在频率显著影响区,强、弱、无冲击倾向性煤块频率显著影响区分别为2.5~3.5 Hz、2.0~3.0 Hz、1.5~2.5 Hz,频率显著影响区内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。随着煤块冲击倾向性增强,频率显著影响区域整体右移。(2)超低摩擦效应强度与扰动幅值正相关,在高强度扰动下强冲击倾向性煤更易发生超低摩擦效应。(3)建立了有效弹性能释放速率指数与动能之间的拟合函数关系式,实现了用煤的冲击倾向性指标综合评价超低摩擦效应强度。

鄂尔多斯盆地神木–佳县区块深部煤层气地质特征及勘探开发潜力

我国深部(以下均指埋深大于2000 m)煤层气资源丰富,勘探开发潜力巨大。与中浅部相比,深部煤层气在富集成藏规律与开发方式方面均具有显著的差异性,急需针对重点区块开展解剖性分析研究。神木–佳县区块位于鄂尔多斯盆地东北部,目前尚处于深部煤层气勘探的起步阶段,深部煤层气富集特征及开发潜力等尚不明确。基于研究区近期实施的地震资料、300余口井的测井资料和4口取心井的参数资料等,系统分析煤储层基础地质特征,总结煤层气富集主控因素与富集规律,类比剖析研究区深部煤层气勘探开发潜力。研究区深8号煤的镜质体反射率介于0.7%~1.8%,大部分区域煤层演化已处于热解生气高峰,区域上煤层净煤厚度高达7~8 m,煤层发育稳定,构造相对简单、水动力封闭性较强、顶底板封盖条件较好,为煤层气大面积连续成藏提供了优越条件,其中佳县南区的煤层气资源条件最好。与鄂尔多斯盆地东部其他区块深部煤层相比,研究区煤层中游离气占比明显更高(15.21%~46.47%),煤层中吸附气主要受吸附压力封存控制,而游离气受毛管力封闭与浮力重力分异双重控制,两种封存机制共同决定了深部煤层含气量的垂向分带与平面分区,以佳县南部为例总结了吸附气吸附压力主控、游离气毛管压力封闭与重力分异耦合控制的典型深部煤层气富集模式。与临兴区块和大宁–吉县区块类比分析结果表明,神木–佳县区块具有较好的煤层气资源基础、储层改造条件和高产潜力,预示了此区块深部煤层气规模化开发的美好前景。此外,大宁–吉县区块深部属典型的高煤阶煤,而神木–佳县深部为中煤阶煤,因此,该研究认识进一步丰富完善了深部煤层气富集理论,对于全国深部煤层气勘探开发实践有重要指示意义。

选煤厂大煤块智能图像识别方法研究

针对现有选煤厂大煤块识别受到大煤块与矸石线性不可分影响,导致识别效率低、识别精度差的问题,设计了一种选煤厂大煤块智能图像识别方法。首先,应用图像采集设备获取煤块混合图像,并对图像进行增强、去噪等操作,以完成图像预处理。然后,计算煤块的面积和厚度,以获取煤块与矸石的物质特征。最后,基于煤块与矸石的X射线衰减曲线完成识别阈值的设定,并结合最小二乘支持向量机解决煤块与矸石的线性不可分问题,从而完成大煤块图像的智能识别。对比试验结果表明,所提方法应用效果较好、识别率及识别精度较高、识别速度较快,总体性能优于对比方法。该方法可大幅提升大煤块图像识别效果,有较高的应用价值。

基于两堵两注通管直连技术的瓦斯抽采研究

为解决“两堵一注”封孔工艺及传统连管方式在孟津煤矿实施存在的弊端,提出了“两堵两注”通管直连技术,提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。为此,采用巷道松动圈理论分析了该矿合适的封孔长度;采用离散元数值模拟方法建立巷道模型,分析了巷道周围应力分布,确定了钻孔的最佳封孔深度;开展了“两堵两注”封孔地面实验和通管直连技术现场实验。结果表明:孟津煤矿二1煤层工作面顺层瓦斯抽采钻孔封孔长度至少为6.75 m;该矿12070工作面穿层钻孔最佳封孔深度为15~30 m;“两堵两注”技术能有效对抽采钻孔进行封堵;通管直连技术在现场应用中大幅度提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。

基于YOLOv5s−FSW模型的选煤厂煤矸检测研究

针对现有煤矸检测模型存在的特征提取不充分、参数量大、检测精度低且实时性差等问题,提出了一种基于YOLOv5s−FSW模型的选煤厂煤矸检测方法。该模型在YOLOv5s的基础上进行改进,首先将主干网络的C3模块替换为FasterNet Block结构,通过降低模型的参数量和计算量提高检测速度;然后,在颈部网络引入无参型SimAM注意力机制,增强模型对复杂环境下重要目标的关注,进一步提高模型的特征提取能力;最后,在输出端用Wise−IoU替换CIoU边界框损失函数,使模型聚焦普通质量锚框,提高收敛速度和边框的检测精度。消融实验结果表明:与YOLOv5s模型相比,YOLOv5s−FSW模型的平均精度均值(mAP)提高了1.9%,模型权重减少了0.6 MiB,参数量减少了4.7%,检测速度提高了19.3%。对比实验结果表明:YOLOv5s−FSW模型的mAP达95.8%,较YOLOv5s−CBC,YOLOv5s−ASA,YOLOv5s−SDE模型分别提高了1.1%,1.5%和1.2%,较YOLOv5m,YOLOv6s模型分别提高了0.3%,0.6%;检测速度达36.4帧/s,较YOLOv5s−CBC,YOLOv5s−ASA模型分别提高了28.2%和20.5%,较YOLOv5m,YOLOv6s,YOLOv7模型分别提高了16.3%,15.2%,45.0%。热力图可视化实验结果表明:YOLOv5s−FSW模型对煤矸目标特征区域更加敏感且关注度更高。检测实验结果表明:在环境昏暗、图像模糊、目标相互遮挡的复杂场景下,YOLOv5s−FSW模型对煤矸目标检测的置信度得分高于YOLOv5s模型,且有效避免了误检和漏检现象的发生。

柿庄南区块煤储层地应力和破裂压力特征及其耦合关系

以柿庄南区块112口煤层气井为研究对象,采用水力压裂法计算煤储层地应力,获取了研究区地应力及破裂压力展布特征,分别建立了破裂压力与水平主应力、有效应力之间的相关模型,揭示了该区块3号煤储层地应力与破裂压力之间的耦合关系,并剖析了地应力对破裂压力的影响。研究结果表明:柿庄南区块3号煤储层整体为中等至高应力区,地应力场类型在垂向上发生转换,埋深400~640 m区域以逆断层应力场型为主,640~810 m区域以走滑断层应力场型为主,810 m以深区域以正断层应力场型为主;侧压系数一般为0.38~1.99,埋深600 m以浅区域,绝大多数大于1,埋深600~800 m区域,侧压系数为0.52~1.93,埋深800 m以深区域,侧压系数均小于1;该区块破裂压力为12.89~36.10 MPa,破裂压力梯度为1.47~6.09 MPa/hm,破裂压力与埋深呈现反“S”形变化,810 m以浅破裂压力离散性较大,整体与埋深呈现负相关,810 m以深破裂压力与埋深呈现正相关;该区块最大水平主应力、最小水平主应力及其各自应力梯度与煤储层破裂压力在一定程度上呈现正相关,但相关性不强;同一埋深条件下,破裂压力随着水平主应力的变化而变化,但最小水平主应力对破裂压力的影响明显大于最大水平主应力;煤储层破裂压力与水平主应力差呈反“N”形变化,与有效应力呈正相关;在水平应力差为2~4MPa时,破裂压力随应力差的增大而减小;在水平应力差为4~8 MPa时,破裂压力随应力差的增大而增大;当水平应力差高于8 MPa时,破裂压力随应力差的增大而减小。

岩块尺度对采空区煤自燃区域的影响研究

为探究综放采空区岩块尺度对煤自然发火的影响,采用Fluent软件数值模拟不同直径岩块条件下采空区的煤自燃规律,分析采空区氧浓度场和风速场,分别以氧气体积分数和风速为指标,确定采空区氧化带面积并以二场叠加场作为采空区煤自燃危险区划分标准,研究煤自燃危险区域与岩块直径的关系。研究结果表明:当岩块直径由0增加到10 m时,以氧气体积分数为指标,氧化带宽度变小,面积由5563.84 m^(2)减至2602.69 m^(2);以风速为指标,氧化带面积由3376.60 m^(2)减至1262.95 m^(2);将2种指标确定的氧化带进行叠加得到煤自燃危险区,随着岩块直径的增加,其面积由1854.04 m^(2)减至552.91 m^(2),煤自燃危险区最大宽度由20.40 m缩减至9.06 m。研究结果可为采空区煤自燃发火区域的确定提供参考。

考虑薄煤层影响的致密砂岩气藏地质工程双甜点评价方法——以鄂尔多斯盆地神府区块为例

在薄煤层发育的致密砂岩气藏,由于薄煤层割理发育且塑性较强,容易限制水力压裂裂缝的缝高扩展,进而导致遴选的地质、工程双甜点区域的实际产能无法达到预期效果。为获得更加准确的双甜点评价结果,以鄂尔多斯盆地神府南区致密砂岩气藏为研究对象,首先构建了多属性融合的地质、工程双甜点评价模型,然后开展了双甜点三维分布的初次预测,进而采用Abaqus软件分析了煤层厚度、起裂点距煤层垂直距离对水力压裂裂缝穿煤层扩展的影响规律,最后形成了穿煤层双甜点二次优选评价技术。研究结果表明:①当煤层厚度大于等于4 m或起裂点距煤层垂直距离大于等于4 m时,水力压裂裂缝难以纵向穿过煤层扩展,可压性降低;②研究区双甜点指数划分标准为,Ⅰ类双甜点≥0.46,0.37≤Ⅱ类双甜点<0.46,0.30≤Ⅲ类双甜点<0.37。结论认为:①考虑薄煤层影响的致密砂岩气二次甜点评价技术能够准确筛选出优质的地质、工程双甜点,且优选结果与实际高产区域的匹配度较高;②建立的评价方法对于砂泥岩互层非常规储层的开发和多气合采中甜点的同步动用具有较好的理论与实际意义。

大采高综采工作面切顶留巷矸石帮变形控制技术研究

为解决厚煤层大采高综采工作面切顶留巷矸石帮围岩控制难题,首先利用理论分析建立了不同挡矸支护条件下矸石帮位移变化的力学公式,以此为基础提出矸石帮变形控制双策略,减弱矸石帮变形压力和增强矸石帮的抗变形能力;其次利用现场实验设计两种类别共4组挡矸支护方案,探讨不同支护方案的矸石帮控制效果,验证理论研究成果。结果表明:①增强矸石帮侧顶板支护强度,能减弱矸石帮变形压力;②增架卡兰个数、增加卡兰预紧力、增加卡兰个数、增强U型钢之间的摩擦力等能增加U型钢滑移初始滑移应力,增强矸石帮的抗变形能力;③挡矸支护控制效果为:2副卡兰+单体支柱<2副卡兰+单元支架<2副卡兰+单元支架+呛柱<3副卡兰+单元支架。该研究可为同类条件下切顶留巷矸石帮变形控制提供参考。

基于透视变换和SNc-YOLOv5的大块煤识别方法应用

为了提高带式输送机大块煤识别的准确率,避免大块煤堆积对皮带造成的磨损,延长输送机的使用寿命,提出了基于透视变换和SNc-YOLOv5的大块煤识别方法,该方法首先利用透视变换技术对原始图像进行处理,有效地将图像中的非输送机区域滤除,并对输送机区域进行坐标矫正;然后,采用SNc-YOLOv5模型对经过标准化处理的图像进行深度学习建模,得到大块煤识别模型;最后,通过试验分析和现场应用对该方法进行有效性验证。结果表明:该方法在1号煤矿数据集的试验分析精确率为94.8%,召回率为83.2%,在2号煤矿数据集的试验分析精确率为92.8%,召回率为85.3%,现场应用置信度达到0.9,与其他方法进行比较,精确率和召回率指标均优于其他方法;该方法在图像预处理阶段提取带式输送机区域对图像进行标准化,仅对感兴趣区域进行处理,提高了大块煤识别的准确率。该算法部署到某煤矿现场,能够实现实时监测,为带式输送机的安全运行和延长使用寿命提供了有力保障。

基于图像分割的露天煤矿爆堆块度评价方法

针对露天煤矿爆堆岩石块度判断问题,提出了一种无人机航摄结合图像分割的爆堆岩石块度判断方法。通过无人机航摄获取爆堆图像,选用直方图均衡化法对图像去尘以降低露天煤矿光线、粉尘等环境因素对图像质量的影响,使用最大类间方差法获取阈值对爆堆图像进行二值化分割,得到了岩石的边界并统计出岩块的粒径。结果表明,与人工测量的岩石块度相比,该方法得到的爆堆块度平均误差低于0.19 m。此外,根据露天煤矿生产实际,将爆堆岩石块度分为4个等距区间,分析出了4次现场试验的爆堆岩石块度分布,与专家现场分析结果基本相符。

深层煤岩微构造对现今地应力的控制机理

深部煤层气的勘探开发不能简单套用浅部煤层气的勘探开发理论,原因之一在于深煤层地应力制约了煤层气的吸附/解析、渗流等过程,决定了煤层裂隙的有效性,并影响着水平井轨迹设计。因此,开展深部地应力变化规律研究对煤层气的勘探开发具有重要意义。本文以鄂尔多斯盆地大吉区块为例,利用阵列声波测井、微地震监测数据和岩心测试等资料,综合考虑深层煤岩微构造类型与产状、边界应力条件和顶底板岩石力学性质组合等因素,利用ANSYS有限元软件,建立微构造三维地质力学模型,全面分析了微构造的类型、产状和对煤层应力的控制机理。研究结果表明:煤层微构造越平缓,应力分布越均匀,反之应力越容易集中;煤层微构造产状对煤层应力的影响主要为:随着煤层微构造曲率的增大,挠曲处水平应力差会随之增大,且挠曲处周缘水平最小主应力也会越集中。由微构造类型与煤层力学性质、顶底板岩性、边界应力条件等因素交叉模拟得到,正向微构造下的煤层应力与泊松比呈正相关,与杨氏模量呈负相关,而负向微构造则相反。当顶板为灰岩时,煤层应力大小受微构造类型变化影响比顶板为砂岩时更显著。区域应力大小对深部煤层应力的影响相对较小。论文研究成果可为深部煤层地应力成因机制分析、煤层气高效开发和地质工程一体化实践提供有益的参考。

高强度重复开采覆岩与地表移动机理

为了给神东等大型煤炭生产基地生态修复和“三下”开采提供理论和技术支持,以实测方式为基础,深入研究了高强度重复开采地表移动特征和机理。分别对老采空区下开采、工作面隔离煤柱下开采、跨老采空区和隔离煤柱下开采这3种工况布设地表移动观测线,开展快速密集监测,采集了丰富的地表移动数据。结合井下推进过程,通过数据分析,获得了不同时期下沉和水平移动值,绘制了地表移动曲线时序图。研究表明:隔离煤柱对地表下沉的发展过程具有阻碍性、带动性和活化性等特征,水平移动方向对井下推进方向具有追随性等现象。据此建立了高强度重复采动条件下形成的块体岩层结构模型,分析了块状岩体在井下推进过程中平衡—旋转平移—再平衡的运动过程,揭示了地表移动实测曲线形态背后的岩层移动机理。研究成果可为该矿区或类似矿区开采沉陷预计模型建立和生态环境修复治理提供参考。

新型矿用摇臂式液压冲击大块煤破碎系统研究

随着综采工作面采高的增加,中厚以上煤层开采过程中煤壁片帮、垮落现象频繁,刮板输送机上的块煤尺寸愈发增大。大块煤在运输过程中极易发生堵塞,导致煤流无法继续输送,输送机只能停机,采用人工破碎作业的方式解决故障。为此,设计了一种综采工作面用摇臂式液压冲击破碎装置,由液压驱动,通过液压系统驱动油缸和底部回转机构,移动冲击破碎锤进行破碎,作业范围大,并可实现对低矮形条片状块煤的有效破碎,从而解决大块煤堵塞输送机后需停产人工破碎的问题,保证工作面的安全、高效开采。

基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法

综采工作面的目标具有高速运动、多尺度、遮挡等特点,现有的目标检测算法存在精度低、模型占用的内存大、硬件依赖强等问题。针对上述问题,提出了一种基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法。采用轻量化设计,将MobileNetV3作为主干网络,以减小模型占用的内存,提高CPU端的检测速度;在颈部网络添加高效多尺度注意力(EMA)模块,融合不同尺度的上下文信息,并进一步减少计算开销;采用SIoU损失函数代替CIoU损失函数,以提高训练速度和推理准确性。消融实验结果表明:MobileNetV3大幅减少了模型占用的内存和检测时间,但mAP损失严重;EMA模块和SIoU损失函数可在一定程度上恢复损失的精度,同时保证模型在CPU上具有较高的检测速度,满足煤矿井下目标实时检测需求。对比实验结果表明,与DETR,YOLOv5n,YOLOv5s,YOLOv7模型相比,MES−YOLOv5s模型综合性能最好,mAP为84.6%,模型占用的内存为11.2 MiB,在CPU端的检测时间为31.8 ms,在高速运动、多尺度、遮挡和多目标的工况环境下能够保持较高的召回率和精度。

韩城区块煤层气井顶板控底重复压裂技术研究与应用

针对鄂尔多斯盆地韩城区块碎软煤层气老井采用常规重复压裂技术效果不佳的难题,以X井为研究对象,分析了初次压裂改造效果及剩余气产能特征,结合二次加砂与顶板压裂,提出顶板控底重复压裂技术。利用实验与数值模拟软件优化施工参数,优选100目石英砂控底并暂堵老缝、40/70目+20/40目石英砂支撑新缝的三级加砂工艺,优化射孔位置为距煤层顶部3~5 m,施工排量为9 m^(3)/min,平均加砂比例为9%,形成增大储层改造体积、提高储层动用程度的顶板控底重复压裂技术。在X井进行现场试验,重复压裂后新增产气量268.1万m^(3),累计应用18口井,平均单井日产气量增加1 210.42 m^(3),有效解决了碎软煤层气老井重复压裂改造效果差的问题,可以满足煤层气老井二次开发及压裂作业降本增效的需求,具有良好的推广应用价值。