Numerical test and evaluating method of impact trend of rock-coal system

The impact trend of reck-coal system was studied by the method of accumulating and releasing of deformation energy and interaction of rock-coal system. The system model of roof-coal-floor was established. Based on the RFPA software, rock fracture process analysis system, the numerical test of deformation, fracture and energy transmission of nonlinear and nonhomogeneous rock-coal system, and the numerical test and evaluating method of impact trend of reck-coal system were achieved. When the same coal seam was in different roof and floor conditions, the fracture process of reck-coal system can be classified as gradual, sudden and delayed fracture three kinds, and their impact trend can be classified as void, intense and medium correspondingly. The rock-coal system＇s impact trend is evaluated by the system impact index p and burst expanding forms. The criteria μ are μ〈1.0, 1.0≤μ〈l .5 and μ≥1.5 when the impact trend is void, intense or medium, which are tested and verified by the No.2 and No.4 coal seams in Sun- cun mine.

Failure behavior of a rock-coal-rock combined body with a weak coal interlayer

Using an MTS 815 testing machine,the deformation and failure behavior of a rock-coal-rock combined body containing a weak coal interlayer has been investigated and described in this paper.Uniaxial loading leads to the appearance of mixed cracks in the coal body which induce instability and lead to bursts in coal.If the mixed crack propagates at a sufficiently high speed to carry enough energy to damage the roof rock,then coal and rock bursts may occur-this is the main mechanism whereby coal bumps or coal and rock bursts occur after excavation unloading.With increasing confining pressure,the failure strength of a rock-coal-rock combined body gradually increases,and the failure mechanism of the coal interlayer also changes,from mixed crack damage under low confining pressures,to parallel crack damage under medium confining pressures,and finally to single shear crack damage or integral mixed section damage under high confining pressures.In general,it is shown that a weak coal interlayer changes the form of overall coal damage in a rock-coal-rock combined body and reduces the overall stability of a coal body.Therefore,the whole failure behavior of a rock-coal-rock combined body in large cutting height working faces is controlled by these mechanisms.

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.

鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩气地质特征与勘探突破

通过对鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩分布、煤岩储层特征、煤质特征、煤岩气特征以及煤岩气资源和富集规律等方面开展系统研究,评价其勘探潜力。研究表明:①煤岩气是有别于煤层气的优质天然气资源,在埋深、气源、储层、含气性、碳同位素组成等方面具有独特特征;②本溪组煤岩分布面积达16×10^(4)km^(2),厚度2~25m,以原生结构的光亮和半亮煤为主,挥发分和灰分含量低,煤质好;③中高阶煤岩TOC值为33.49%~86.11%,平均值为75.16%,演化程度高(Ro为1.2%~2.8%),生气能力强,气体稳定碳同位素值高(δ^(13)C_(1)值为-37.6‰~-16.0‰,δ^(13)C_(2)值为-21.7‰~-14.3‰);④深层煤岩发育气孔、有机质孔和无机矿物孔等基质孔隙,与割理、裂缝共同构成良好储集空间,储层孔隙度为0.54%~10.67%,平均值为5.42%,渗透率为(0.001~14.600)×10^(-3)μm^(2),平均值为2.32×10^(-3)μm^(2);⑤纵向上发育5种煤岩气聚散组合,其中煤岩-泥岩聚气组合与煤岩-灰岩聚气组合最为重要,封闭条件好,录井全烃气测峰值高;⑥构建了广覆式分布的中高阶煤岩持续生气、煤岩基质孔和割理裂缝规模储集、源-储一体赋存、致密岩盖层密闭封堵的煤岩气富集模式,存在煤岩侧向尖灭体、透镜体、低幅度构造、鼻状构造和岩性自封闭5种高效聚气类型。⑦依据煤岩气地质特征评价划分出8个区带,估算埋深超过2000m的煤岩气资源量超过12.33×10^(12)m^(3)。上述认识指导风险勘探部署,两口井实施后分别获得工业气流,推动进一步部署预探井和评价井,获得规模突破,提交超万亿方预测储量和超千亿方探明储量,对中国天然气效益增储和高效开发具有重大意义。

基于改进U-net的少样本煤岩界面图像分割方法

煤岩图像语义分割技术是煤岩界面识别的重要研究方向,现有的语义分割模型通常依赖于大样本数据集进行训练,然而目前已标注的煤岩图像数据样本难以获取,并且缺乏公开数据集。针对以上问题,提出了一种基于改进U-net模型的样本煤岩界面图像分割模型。将裁剪后具有更强特征提取能力且结构上更为简单的VGG16替换U-net的原始骨干特征提取网络,提升对图像信息的特征提取能力并获得更快的训练速度,在U-net网络的跳跃连接和解码器上采样部分引入注意力机制模块,对提取的特征层进行处理,提升模型对煤岩界面图像关键特征的提取能力,提高分割精度。使用迁移学习方法对改进的模型进行预训练,提高模型泛化能力同时避免过拟合,使模型更适用于小样本数据集训练。通过使用自制的煤岩界面数据集对所改进的网络模型性能进行验证,并将该模型与经典Unet、DeepLabv3+、PspNet、HrNet网络模型进行了对比。试验结果表明:在同样使用由125幅煤岩界面图片构建的小样本数据集进行训练的情况下,所提改进模型相较于经典U-net模型在分割精确度和检测效率方面都有显著提升,模型精确度提高了1.84%,平均交并比提高了5.34%,类别平均像素准确率提高了0.48%,检测速度增幅为5.3%。同时,与其他网络模型相比,所提改进模型在小样本煤岩界面图像的语义分割中优势显著,表明所提改进思路的有效性。

基于改进门控循环神经网络的采煤机滚筒调高量预测

采煤机自适应截割技术是实现综采工作面智能化开采的关键技术。针对采煤机在复杂煤层下自动截割精度较低的问题,提出了一种基于改进门控循环神经网络(GRU)的采煤机滚筒调高量预测方法。鉴于截割轨迹纵向及横向相邻数据之间的相关性,采用定长滑动时间窗法对获取的采煤机滚筒高度数据进行预处理,将输入数据划分为连续、大小可调的子序列,同时处理横向、纵向的特征信息。为提高模型预测效率,满足循环截割的实时性要求,提出了一种用因果卷积改进的门控循环神经网络(CC-GRU),对输入数据进行双重特征提取和双重数据过滤。CC-GRU利用因果卷积提前聚焦序列纵向的局部时间特征,以减少计算成本,提高运算速度;利用门控机制对卷积得到的特征进行序列化建模,以捕捉元素之间的长期依赖关系。实验结果表明,采用CC-GRU模型对采煤机滚筒调高量进行预测,平均绝对误差(MAE)为43.80 mm,平均绝对百分比误差(MAPE)为1.90%,均方根误差(RMSE)为50.35 mm,决定系数为0.65,预测时间仅为0.17 s;相比于长短时记忆(LSTM)神经网络、GRU、时域卷积网络(TCN),CC-GRU模型的预测速度较快且预测精度较高,能够更准确地对采煤机调高轨迹进行实时预测,为工作面煤层模型的建立和采煤机调高轨迹的预测提供了依据。

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。

宽高比对煤柱型冲击地压影响规律的实验研究

我国深部煤炭开采日趋复杂,区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压,煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题,研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极意义。采用不同宽高比煤样的“岩-煤-岩”组合体进行了单轴压缩实验,通过分析煤岩组合体的冲击倾向性、动态破坏特征、分形维数和声发射特征参数等,研究了宽高比对煤柱冲击破坏的影响规律。结果发现:①煤柱的宽高比对煤岩组合体的冲击倾向性具有显著影响,宽高比不小于2∶1时,其冲击能量指数K_(E)为1.82~2.65,冲击倾向性无明显变化;小于2∶1时冲击倾向性呈先升高后降低的趋势,1∶1时K_(E)最大,达到了15.43。②随宽高比减小,煤岩组合体破坏特征依次表现为:拉压破坏—压剪破坏—拉剪破坏。煤柱宽高比为5∶1~3∶1时,煤岩组合体破坏较为缓慢;宽高比为2∶1时开始出现片状煤屑弹出,冲击破坏剧烈程度较低;宽高比为1∶1和0.75∶1时,具有明显的冲击破坏特性;宽高比为0.5∶1时,煤岩组合体整体稳定性下降,相对0.75∶1煤岩组合体煤柱破坏的剧烈程度降低。③峰后声发射能量释放率与分形维数D变化规律相似,均随宽高比减小呈先升高后降低的趋势。宽高比不小于2∶1时,煤岩组合体破坏过程中能量持续释放时间较长,煤柱破坏平缓;宽高比为1∶1时,能量释放率和D值明显增大,相较宽高比不小于2∶1煤岩组合体的能量释放率增大了约4倍,D值增大了0.18~0.23,煤柱冲击破坏最为剧烈;宽高比0.75∶1煤岩组合体能量释放率与D值分别降低了约10%和0.01,破坏剧烈程度与1∶1煤岩组合体相近;宽高比减小至0.5∶1时,相关参数的降低幅度约为0.75∶1煤岩组合体的6倍,破坏剧烈程度相对较小。研究表明:宽高比对煤柱的冲击破坏具有显著影响,整体上,煤柱冲击破坏剧烈程度随宽高比减小(5∶1~0.5∶1)呈先升高后逐渐降低的趋势;煤柱宽高比大于3∶1时,煤柱冲击危险性相对较小,煤柱宽高比为1∶1和0.75∶1时冲击危险性较大,0.5∶1次之。

煤岩组合体冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制

为揭示煤岩组合体冲击倾向性程度对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤岩组合体为研究对象,在对煤岩组合试件进行冲击倾向性测定的基础上,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以发生超低摩擦效应时的水平位移、动能、摩擦力为指标,探究煤岩组合体冲击倾向性与垂直应力波扰动频率、扰动振幅之间的关系特征。研究结果表明:(1)受扰动频率影响,弱、强冲击倾向煤岩组合体易发生超低摩擦效应的频率显著影响区分别为2.0~3.0,2.5~3.5 Hz,且随着冲击倾向性程度的增强,频率显著影响区逐渐右移。(2)相比于弱冲击倾向性煤岩组合体,强冲击倾向性煤岩组合体发生超低摩擦效应时水平位移、动能和摩擦力降幅较大,煤块易发生超低摩擦滑动。(3)随着煤岩组合体剩余能量指数的增大,冲击倾向性程度逐渐增强,动能呈指数规律增大,煤块越易发生超低摩擦滑动。研究结果可为超低摩擦型冲击地压的预测和防治提供参考。

长期浸润状态下煤岩损伤机制研究

富水状态下煤岩力学性能的持续劣化是导致煤矿水害的重要原因,为探究长期浸润作用下煤岩的渐进损伤特征,以神木地区弱黏煤为研究对象,首先以无压力水浸泡的方式模拟煤岩的长期浸润(15,30,60,120,240 d);然后对干燥及浸润试样进行渐进破坏试验,辅以声发射(AE)监测,定量分析煤岩的软化特性;最后利用扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)研究不同浸润时长下煤岩孔隙结构的劣化规律。研究表明:(1)煤岩饱和度随浸润时长的增加而增加,增加速度先快后慢,最后达到稳定。(2)随饱和度的增加,煤岩力学性能劣化;饱和后,随浸润时长的持续增加,煤岩力学性能仍持续劣化,表现为抗压强度、弹性模量的减小和累计振铃数的增加;(3)干燥处理后,原状煤岩表面干燥收缩,浸水后吸水膨胀,随着浸润时间的增加,小孔隙逐渐增多,孔隙结构趋于复杂。研究结果可为浸水煤岩失稳破坏问题提供有益参考。

鄂尔多斯盆地含铝岩系天然气成藏主控因素与勘探启示

基于野外露头、岩心、录井、测井、试气及分析化验等资料,采用天然气成藏与铝土岩成矿一体化研究方法,分析鄂尔多斯盆地含铝岩系有效储层发育控制因素、煤系烃源岩与含铝岩系的源储配置关系,构建天然气成藏模式,对煤下含铝岩系天然气勘探潜力进行评价。研究表明:(1)鄂尔多斯盆地含铝岩系的有效储层主要为一水硬铝石含量超过75%,具有多孔状残余豆鲕、碎屑结构的蜂窝状铝土岩,溶蚀孔为主要储集空间;(2)铝土岩储层形成模式为夷平化作用提供含铝岩系发育的物质基础、岩溶古地貌控制含铝岩系发育、陆表淋滤作用改善储集性能;(3)晚石炭世—早二叠世,受湿热气候环境和海平面变化控制,古陆或古岛边缘的相对低洼带发育典型的煤-铝-铁三段式地层结构;(4)煤系烃源岩广覆式生烃,天然气在煤下含铝岩系储层富集,为源下成藏;(5)中国华北陆块的上石炭统—下二叠统含铝岩系气藏呈透镜状点群式聚集,勘探潜力大,有望成为华北克拉通上古生界重要的天然气勘探新领域。

煤岩气:概念、内涵与分类标准

近年来,准噶尔、鄂尔多斯等盆地深层煤岩储层中的天然气勘探开发取得重大突破。针对目前工业界和学术界对这种新类型非常规天然气表述不一致的现状,在前人研究的基础上定义了“煤岩气”概念,并系统对比剖析其赋存状态、运储形式、差异聚集和开发规律。在地质上,煤岩气不同于传统意义上的煤层气,具有游离气与吸附气并存、富含游离气,自生自储-微距运移并可有他源的聚集,煤岩割理裂缝发育、游离气差异富集等特点,埋深超过2000m的深层煤岩气具有“高压力、高温度、高含气、高饱和、高游离”的“5高”地质特征;在开发上,与页岩气、致密气特征相似,人工改善储层连通性后,无需排水降压,高势能游离气弹性驱动产出、压降后吸附气解吸接替,可依靠地层自然能量开采,游离气与吸附气连续接力长周期产气。按照埋深、煤阶、压力系数、储量规模、储量丰度和气井产量等,提出了煤岩气的分类标准和资源/储量估算方法。初步估算埋深超过2 000 m的中国煤岩气地质资源量超过30×1012m3,是国家重要的战略资源。提出鄂尔多斯、四川、准噶尔和渤海湾等盆地是煤岩气的规模富集有利区,梳理了技术与管理挑战并指出攻关方向,为中国煤岩气管理与勘探开发奠定理论、评价和生产实践基础。

富水沟谷区浅埋煤层导水裂隙演化特征

富水沟谷区域下浅埋煤层赋存条件特殊,采场上覆岩层导水裂隙发育演化特征复杂。为了揭示沟谷区浅埋煤层在回采扰动作用下覆岩裂隙演化规律,以朱家峁煤矿1305-2工作面过沟谷区回采阶段为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟与现场效果验证的方法,建立了覆岩裂隙−渗流场概念模型,开展了覆岩结构发育与微震能量演化研究,分析了覆岩变形与塑性破坏分布特征,提出了针对沟谷区下浅埋煤层导水裂隙防治措施,并应用于现场工程实践。结果表明:开采扰动下裂隙−渗流场模型呈“梯台”结构,并依次划分为初渗区域、稳渗区域、紊渗区域3个区域;将所研究矿井的工况数据代入模型结构,计算出各个渗透区域范围,并根据计算结果对矿井的稳渗区域采取注浆措施。工作面回采至沟谷区段,覆岩裂隙域形态呈现“拱形-梯形-复合梯形”的扩展演化特征,裂隙纵向发育高度达到163 m,并与沟谷区地表贯通。随工作面推进,地表裂隙依次经历“滑移-挤压-撕裂”过程;沟谷区域位移云图呈现出滞后开采“高位梯形”破断形态,在沟底处下沉位移最大,达3.47 m。针对开采导致的裂隙大范围扩展贯通,提出在地面进行采动裂缝注浆处理,在工作面上覆岩层进行注浆封堵,实现过沟谷区开采“井上−井下”联合防治,保证安全开采。该研究结果可为浅埋煤层的过沟谷区开采、采动裂隙防治及富水区“保水采煤”提供新的科学依据。

煤巷掘进过程中煤岩破裂微震事件研究

目的为了监测和预警煤矿掘进巷道前方可能发生的危险,方法利用微震监测技术实时监测,利用监测系统捕获到的数据信息研究掘进影响下微震事件的空间分布规律、发生时间、频次和能量关键点,然后利用短时傅里叶变换和S变换方法分析典型煤岩破裂微震信号的时频特征。结果结果表明:(1)微震事件主要分布在沿掘进巷道前方50~100 m区域,大多为中低能量微震事件,仅在掘进工作面前方出现少量强度较大的煤岩破裂事件,且震级多为-2~0;(2)掘进速度和发生微震事件的数量及能量大小成正相关,同时掘进速度也影响着煤岩动力灾害的发生;(3)巷道掘进会造成煤岩体失稳,其中岩体破裂信号频率高,为0~2000 Hz,比重值大,主频约700 Hz;煤岩破裂微震事件信号频率为90~1000 Hz,主频约250 Hz;岩体破裂后,支撑力下降,压力转移给煤体,导致煤体破裂,煤体破裂微震事件信号频率为90~1000 Hz,主频约350 Hz。结论微震事件能够综合反映煤岩体受力破坏程度,判别掘进过程中煤岩破裂类型,为矿井生产中煤岩动力灾害的预警提供理论基础。

矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统及实验研究

煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测,但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础上提出了一种矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统并进行了煤岩界面探测实验研究,主要内容包括:①阐述矿井节点式雷达观测系统原理,根据矿井工作面实际环境设计煤岩界面识别观测系统方案及雷达传感单元安装方式;②研究并提出节点式采集控制系统和信息交互传输设计方案,实现数据动态采集控制及存储;③针对节点式采集方式及煤岩界面雷达反射回波特征,研究提出了节点探测数据增强处理方法、煤岩界面识别算法,可有效的实现煤岩界面智能识别与追踪、煤层厚度及空间坐标解算。为验证该方法的可行性,采用多个中心频率为1.5 GHz的探地雷达传感单元进行物理模型验证实验,并对节点式数据采集和连续数据采集结果进行了对比分析,实验结果表明:节点式采集方法与连续采集方法均可有效识别出煤岩界面,与连续采集方法相比,本文提出的节点式探测方法可实现数据的快速动态重复性采集,单次采集时长控制在10 s以内,煤层厚度探测结果平均误差为1.07 cm,最大误差为1.47 cm,平均误差百分比为7.64%。本方法为矿井智能化开采中煤岩界面的动态高精度探测提供技术支撑。

不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”,此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”,以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T_(2)谱曲线。试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T_(2)谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T_(2)谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入“强度极限邻域”,瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T_(2)谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机,作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

三轴压缩下含瓦斯煤体电阻率响应的实验研究

目的受载含瓦斯煤体变形破裂过程中电阻率的变化规律是电阻率法预测预报煤与瓦斯突出发生的理论基础。因此,研究三轴压缩条件下含瓦斯煤体破裂过程中电阻率的变化规律十分必要。方法自主研发一套测试低频条件下受载含瓦斯煤体变形破坏过程中电阻率的实验系统,测试三轴压缩条件下含瓦斯煤体电阻率的变化规律,对实验结果进行分析和解释。结果结果表明:(1)受载含瓦斯煤体的电阻率变化与所受应力存在显著的对应关系,型煤的电阻率变化规律与应力的对应关系要优于原煤的,对应力降低比较敏感;(2)受载型煤的电阻率变化规律为先上升后下降型和下降型,受载原煤的电阻率变化规律仅有下降型;(3)从原煤和型煤的物理力学以及受载过程中的变形破坏类型、受载含瓦斯煤体变形破坏过程中的煤体结构变化情况、煤的孔隙结构以及导电类型3方面分析解释受载含瓦斯煤体的电阻率变化情况;(4)对受载含瓦斯型煤电阻率变化曲线出现的2种类型进行科学合理的解释。结论研究成果可为电阻率法预测预报煤与瓦斯突出的发生提供技术支撑。

动水条件下煤岩单轴蠕变试验监测装置研制

开展动水作用条件下的煤岩单轴蠕变试验,对于研究蠕变特征和裂隙煤岩损伤劣化机制具有重要意义。该文研制了一套动水条件下煤岩单轴蠕变试验监测装置,装置由伺服加载系统、动水控制系统、数据采集系统组成。该装置配备了水流速度控制系统,实现了在载荷恒定条件下使用不同速度的水流对煤岩进行冲刷,且满足蠕变试验的长时加载需求,具有性能稳定、操作便捷、造价低廉等优点,能够为动水条件下煤岩蠕变试验提供参考。

急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治

随着冲击地压矿井逐渐向深开采,其巷道掘进伴随的冲击显现愈发强烈。针对巷道掘进过程中的冲击地压有效防治问题,以新疆乌东煤矿急倾斜煤层矿井为例,运用微震监测对巷道掘进的冲击地压时空前兆特征加以分析。结合巷道掘进的应力与能量变化数值模拟分析,揭示巷道掘进的冲击地压发生机理,提出急倾斜巨厚煤层巷道冲击地压防治策略,并完成现场工程实践验证。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压发生前第2~5天出现微震总能量极低值,或存在至少4 d的能量潜伏期;冲击地压发生前5 d普遍存在3 d以上的最大能量占比高频波动期。冲击地压发生前存在明显缺震现象,发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内,或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内,且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断,使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中,掘进工作面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著,随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强,容易诱发冲击地压等动力灾害。综合分析形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略。结合冲击地压时空前兆异常为及时加强卸压力度提供时机。通过工作面与巷道卸压使得掘进期间未发生单日累计1×105 J以上微震能量,在对支护优化调整与复杂区域重点防护后,巷道掘进日均微震能量降至2.2 kJ,其1 kJ以上微震事件占比下降且巷道断面整体平整。研究结果为急倾斜巨厚煤层巷道安全掘进提供了科学依据。

基于红外热像和振动信号的煤岩识别实验研究

针对现有煤岩识别技术存在的难以实际应用、易受信号干扰、成本高和实现复杂等问题,通过理论分析煤岩截割产热与煤岩硬度的关系,证明通过红外热像获取的截割温度变化来进行煤岩识别的合理性;搭建了掘进机截齿截割煤岩试验台,对不同硬度的普通煤层、煤岩交界处及中砂岩层进行长时间截割试验,通过红外热像仪和振动传感器分别获取截割温度和截割头振动信号并分析其变化规律。研究结果表明:①随着截割时间增加,截割温度逐渐升高;煤岩硬度越高,截割温度越高,且截割温度上升速率越快;在截割起始阶段无法通过截割温度识别煤岩,但在稳定截割时可根据截割温度特性识别煤岩。②截割头振动强度随着煤岩硬度增大而变大,但不随截割时间增加而产生明显变化,因此可弥补在截割起始阶段无法通过截割温度识别煤岩的不足。③通过单一截割温度或振动强度不能对煤岩进行准确识别,因此可在截割起始阶段和频繁出现闪温时通过振动强度来识别煤岩,而在截割稳定阶段通过红外热像获取的温度来识别煤岩。