基于数字图像相关方法的煤岩表面应变场及裂纹演化特征

基于数字图像相关方法,开展了煤岩体试样单轴压缩破坏的裂纹演化特征及破坏过程研究,分析了试样破坏过程的表面应变场、变形局部化带的拉伸位移演化和错动位移演化特征,精细化分析煤岩体变形破坏过程。研究结果表明:(1)根据试样的应力-应变曲线特征,将试样分为缓慢破坏型和瞬间破坏型。缓慢破坏型试样的破坏过程较为平稳,裂纹宽度较小。瞬间破坏型试样破坏过程较为剧烈,表面裂纹宽度增加,表现出明显的岩爆现象。(2)加载过程中,缓慢破坏型试样先产生应变集中后,裂纹沿变形局部化带扩展延伸并逐渐贯通;瞬间破坏型试样在应力峰值后试样表面瞬间产生宏观裂纹。(3)试样表面应变演化特征与加载过程中应力变化特征对应,反映了裂纹扩展规律。缓慢破坏型试样在加载过程中表面应变变化过程较为缓慢,并在后期呈现波动状态;瞬间破坏型试样在应力峰值点处,拉伸应变瞬间突增达到峰值,导致试样破坏。

基于能量原理不同含水率下煤岩体变形破坏能量损伤演化机制

为探究不同含水率下煤岩体在变形破坏过程中的能量演化规律与损伤演化特征,对双马一矿煤岩体开展了在不同含水率条件下单轴压缩试验,基于能量计算及最小耗能原理,分析不同含水率下煤岩体能量耗散特征及损伤演化机制,结果表明:不同含水率下煤岩体力学性质不同,峰值应变与含水率呈正相关,抗压强度、弹性模量与含水率呈负相关;煤岩体含水率越高,其在峰值处弹性应变能及破坏吸收总应变能越小,耗散能占总应变能比例越高;基于最小耗能原理建立的损伤本构模型表明:随着煤岩体含水率增加,损伤门槛值逐渐降低;干燥状态下,煤岩体在应力峰值处损伤变量分别为0.36、0.28,当含水率增至自然状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值分别下降0.09、0.18,但当含水率增至饱水状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值反而分别大幅度上升0.102、0.49,总体呈先减后增的发展趋势;进一步建立了不同含水率煤岩损伤应变能释放率演化模型,低含水率煤岩较干燥煤岩的最大损伤应变能释放率大幅度下降,降幅分别为45.61%、31.29%,而随着含水率增加至饱水状态,其最大损伤应变能释放率增大幅度较平缓,分别为3.08%、8.80%,表明煤岩破坏剧烈程度并未大幅度增加。研究成果对煤岩矿柱水害预测评价与岩石损伤评估具有一定参考意义。

原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征;结合CT扫描及三维重构技术,应用煤岩灰度分布频数数据,提出了不同层位CT灰度均值的计算方法,获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律,建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系;构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型,并应用测试数据进行了对比验证。结果表明:①含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关,随层理倾角增加,组合体的纵波波速近似线性减小,而波速比的分布范围增大;②不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关,随CT灰度均值增高,煤岩组合体波速线性增加;③煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高,其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系,并随CT灰度均值增高趋于增大;④层理倾角与煤岩含量相比,组合体波速对煤岩含量的敏感性更高,煤岩含量相近则波速受层理倾角响变化最大。

黏结性富油煤热解油气析出规律及物性演变特征

黏结性富油煤受热产生的软化、熔融现象可能导致井筒堵塞和地层扰动,这是原位热解需考虑的重要因素。在300~700℃下对黏结性富油煤热解,考察油气析出规律和组成性质,分析半焦的物性演变特征及其对原位热解的指示意义。结果表明,焦油产率在500℃取得最大值7.75%,此时<300℃轻质组分含量最高(32.2%),且焦油成分在400~500℃变化显著,酚类和芳烃含量分别呈现增大和降低趋势。煤样的软化温度和固化温度分别为389和455℃,使半焦的宏观孔率度在≥400℃时由不足10%增至约50%,而微观孔隙结构仅在600~700℃高温脱气阶段更发达;半焦导热系数随温度先减小后增大,并在400℃达到最小值0.06 W/(m·℃)。黏结性富油煤原位热解面临通道堵塞、挥发分析出受阻和煤层导热速率偏慢等潜在问题,可尝试采用具有破黏效应的压裂支撑剂或近临界水原位转化技术加以解决。

酸腐蚀对煤动态拉伸强度及能量耗散影响的试验研究

地下煤层经常受到酸性水腐蚀作用和开采爆破等动荷载扰动作用,为了研究酸腐蚀对煤动力学行为的影响,利用分离式霍普金森杆(SHPB)实验技术,对经过pH=2和pH=4的酸溶液处理的煤样进行动态拉伸试验,并基于X射线衍射技术(XRD)测试结果,探究酸对煤的损伤机理与力学性能之间的相关性。结果表明:煤的动态拉伸强度表现出显著的速率依赖性,而酸腐蚀会削弱这种速率效应,酸性越强,削弱作用越显著。加载速率相同时,不同煤样的拉伸强度大小关系为原煤>pH=4>pH=2。经酸腐蚀后的煤耗散能与耗散能增长率都有明显降低。XRD测试表明,酸对煤的损伤表现在其对煤中无机矿物及小分子有机物的去除作用,这将导致煤力学性能下降。

安顺煤矿煤岩电磁辐射测试技术研究

随安顺煤矿开采深度的加深,工作面回采时异常动力灾害发生的危险性显著提高。为防范灾害事故,可基于煤岩受载破坏过程电磁辐射强度与煤岩破坏的相关性,采用电磁辐射仪测试煤岩体的损伤破坏状态,对煤岩体动力灾害事故危险性进行预测,通过设置三采区轨道下山、四采区轨道风门0~300 m处为对照组,对四采区轨道、回风、胶带三条下山掘进巷道进行煤岩电磁辐射测试,并对其监测数据进行规律分析。研究结果表明:掘进作业严重影响巷道内应力分布与煤岩破坏状态,靠近掘进点的部位所受应力扰动更为明显,掘进较深、支护稳定的巷道所受影响较小;巷道危险区的煤岩电磁辐射强度相对较高;存在断层时,断层周围电磁辐射信号较强;掘进煤巷的应力受扰动情况比岩巷更加稳定,且所受应力普遍较小。

不同加载速率下煤体强度与破碎特征实验研究

通过AG-Ⅰ250 kN万能实验机对滇东矿区煤体试件进行单轴压缩实验,探讨了突出危险煤体在不同荷载速率环境下的强度特性与破碎特征。结果表明:煤体应力—应变曲线经历线弹性、塑性、峰后破坏3个阶段,弹性特征随加载速率的增加愈发明显;随着加载速率的增加,煤体峰值应变增大,弹性模量与加载速率呈线性关系;煤体在单轴压缩条件下的破坏形式多表现为脆性破坏,随着加载速率的增加,破碎煤样的折算直径减小,新增表面积增大,整体破碎程度随加载速率的增加而增大,与宏观煤体破坏剧烈程度吻合;不同加载速率下煤体强度特征符合Coulomb准则,峰值强度与达到破坏时间与加载速率呈线性关系。

光电离质谱法在典型固体燃料热解研究中的应用进展

通过热解将固体燃料在热化学上转化为运输燃料和增值化学品是实现固体燃料高效利用的最为切实可行和兼顾经济性的途径之一。由于热解反应产物的复杂性,对固体燃料热解的中间产物和最终产物在分子水平上进行全面阐明对于理解热解反应机理至关重要,同时对提高热解过程的可持续性具有积极意义。光电离质谱(PIMS)技术被普遍认为是一种高度通用的过程分析技术,通过对热解气相产物中的离子进行实时检测和分析,为热解提供了实时的信息。为此,本工作综述了近年来PIMS技术在固体燃料(包括煤、生物质和固体推进剂)热解领域的应用,并对不同实验和模型的进展进行了概述。这些进展相互促进,有助于学者加深对热解固体燃料复杂过程的理解,并为未来深入研究热解机理提供有力支持。

渗透剂对含瓦斯煤体置换效应实验研究

为研究渗透剂对含瓦斯煤体置换效应的变化规律,自主研制了一套高压吸附状态下解吸测试装置。选用聚乙二醇-4000和吐温-80两种非离子试剂,十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠两种阴离子试剂,及前者非离子与阴离子的混合试剂作为渗透剂。研究瓦斯煤体置换的全过程,分析渗透剂对瓦斯的置换量的影响,并在此基础上研究置换增幅规律。结果表明,在质量分数某一范围内,渗透剂的质量分数越高,置换瓦斯量随之增多。混合溶液的置换瓦斯能力强于阴离子溶液,阴离子溶液强于非离子溶液。

管道作用下急倾斜煤层稳定性分析

近地表荷载与急倾斜煤层老采空区的“活化”有着紧密的关联,采空区覆岩中裂隙带底部的岩块在荷载作用下极易发生回转失稳和滑落失稳,这些岩块对采空区的稳定性起到至关重要的作用,被称为关键岩块,当荷载作用使得关键岩块失稳时,采空区将发生“活化”。基于采空区覆岩“砌体梁”结构力学模型对关键岩块进行力学分析,构建荷载作用下采空区上覆岩土体失稳判断依据,进而对荷载作用下急倾斜煤层上覆岩体稳定性进行定量分析,研究发现:当作用于土体截面处最大摩擦力大于该土体所受最大剪切力时,该块体不会发生滑落失稳;只有关键岩块与岩块之间的平均挤压应力小于岩块在边角处的挤压强度,关键岩块才不会发生回转失稳。将推导结果应用于广东省某急倾斜煤矿,计算结果表明:在茶山煤矿4煤和6煤采空区上方铺设输气管道并不会引起采空区的“活化”;荷载作用下的关键岩块力学分析在急倾斜煤层上覆岩体稳定性中应用效果较好,对实际工程有一定指导作用。

基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪的研制

煤矿粉尘质量浓度精准测量是粉尘有效控制的重要前提。传统离线滤膜采样称重法测量周期长、操作繁琐,直读式光吸收/散射测量方法易受环境条件和粉尘性质影响。鉴于此,自主开发了基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪。通过有限元仿真探讨了振荡元件不同特性对振荡系统响应频率及质量灵敏度的影响,并采用最优梯度优化算法设计了振荡元件材料与形状,制造了一种具有高稳定弹性模量的振荡管,其频率温度系数为3×10^(-5)Hz/℃,受温度影响极小,保证了振荡频率在外界环境温度条件变化时的精确测量。开发了振荡天平质量传感器,设计了数字化自激振荡闭环控制电路,实现了谐振频率的自动控制以及实时输出,传感器质量灵敏度约为1 mg/Hz,质量检测限约为2μg。最终,通过集成呼吸性粉尘采样头、总尘采样头、伴热管、质量传感器、气泵、流量控制与温湿度/压力传感器等部件,研制了国内首款基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪,粉尘平均质量浓度检测限为0.035 mg/m^(3)。该仪器能够连续提供监测信息,包括当前时刻总尘或呼吸性粉尘质量浓度及当日累积职业接触暴露浓度。该仪器已在某煤矿现场应用,与传统滤膜采样称重法同步对比,2者相对误差仅为5%,表明该仪器可以实现煤矿粉尘质量浓度的快速精确测量,有望替代离线滤膜采样称重法和直读式光学测尘仪。

基于贝叶斯-响应面法的煤矿开挖过程中不同含水状态岩体力学参数分析

在煤炭开挖过程中,准确评价不同含水率条件下岩层的力学参数,对于制定有效的排水方案,降低工作面顶板水害风险至关重要.然而,由于地层分布不均匀,试验测量误差等因素的影响,岩石参数往往呈现不确定性,进而降低了计算煤层开挖时上下岩层不均匀沉降和塌陷等问题的可信度.鉴于以上出现的问题,提出了一种基于贝叶斯更新参数的神经网络的响应面建模方法.该方法采用ACO-BP神经网络建立响应面,并通过贝叶斯公式进行参数的更新,以此建立高置信区间的响应面模型.以正交试验数据为样本,建立传统多项式响应面和神经网络响应面模型,并使用确定系数(R^(2))、20%误差对两种响应面模型进行验证和对比分析.结果表明:相比于多项式响应面,神经网络响应面模型的预测数据误差值更小,具备更高的预测精度和更强的寻找非线性关系的能力,同时利用贝叶斯更新参数的方法,降低了BP神经网络陷入局部最优的缺陷,能更好地进行岩体力学参数的预测和分析.使用神经网络响应面的方法对陕西榆林锦界煤矿31301工作面3-1煤层进行分析,得到孔隙率、含水率、抗压强度与弹性模量之间的非线性关系,并对弹性模量进行预测,预测值和实际值的拟合度可达到0.92,以此来验证了方法的可行性.

煤系岩体三维裂隙网络随机生成研究与应用

[目的]更加清晰且直观地展现煤系岩体结构面的空间分布特征。[方法]基于地质学统计方法对实际裂隙资料进行分析,得到裂隙位置与密度、直径及产状等概率分布函数,借助MATLAB编辑程序,并利用Monte-Carlo随机模拟算法生成满足一定分布函数的随机变量。在此基础上,以Baecher圆盘替代实际裂隙,得到较为精准的三维裂隙网络模型。[结果]该模型不仅高度还原了实际裂隙的形态特征,还精确地再现了裂隙之间的空间关系,包括裂隙的相互交叉、平行分布和聚集区域等。[结论]将三维裂隙网络随机生成技术运用于煤系岩体裂隙探查中,不仅是研究裂隙几何特征的一种重要手段,而且可为后续岩体渗透性及开采安全性评估提供技术支持。

煤矿采空区破损煤岩层的渗透性研究

利用矿井资源修建地下储库有助于实现“碳达峰,碳中和”战略目标,保障国家能源安全。掌握矿井储存空间内煤岩层渗透特性,是确定地下储库储存容量,保障储能系统稳定性和安全性的前提。本文以灵新煤矿矿井浓盐水地下储库工程为背景,开展现场原位压水试验,对采掘完成的矿区煤岩层渗透特性进行研究,探明了矿区遗留煤柱、采区顶、低板的渗透特性和透水能力。试验结果表明各煤层遗留煤柱的稳定流量值为1.0~6.12 L/min,15和16煤顶板稳定流量为1.76~8.82 L/min,16煤的底板稳定渗流量为1.971~8.82 L/min。在此基础上,计算了各层煤柱透水率为0.046~0.261 Lu,顶板透水率为0.07~0.162 Lu,底板透水率为0.042,其中16煤煤柱透水率最大,为0.261 Lu。煤岩层透水性较差,有利于修建地下储库工程。

炼焦煤成焦机理再认识:“衍构成焦机理”的提出

深度认识煤质特性、探究炼焦煤成焦机理是开发精细化配煤炼焦技术的关键。传统成焦机理仅宏观地解释了炼焦煤炭化过程中的塑性和黏结现象,缺乏对煤转变为焦炭所涉及的化学反应的深层次认识。基于此,从分子水平阐述了炼焦煤成焦特性的演化机制并提出了“衍构成焦机理”,其核心观点是:煤的焦化本质是煤分子在温度作用下发生的一系列化学反应;成焦过程中的一切宏观特性都取决于煤基体的瞬态空间结构,即“结构决定性质”;炼焦过程中传热传质条件的动态变化将影响煤的热转化行为进而影响成焦特性和焦炭质量,即“环境影响行为”。基于煤分子结构特性及热解过程中共价键的断裂和重建规律,重点分析了炼焦煤的流动性、膨胀性及其演化机制,探究了煤分子空间结构重排与焦炭强度的内在联系。流动性源于煤中弱共价键的断裂,终于芳香碎片的交联缩聚。在流动过程中,煤热解碎片以分子链段的形式向孔穴相继跃迁并封闭孔隙,形成了包含塑性层和部分煤层及半焦层的低透气带,限制了挥发分的释放从而产生了膨胀压力;同时,碳基质结构发生重排,取向性增加,sp^(2)杂化和sp^(3)杂化形式的碳原子的空间排布方式决定了焦炭的强度。加热速率的合理调控将明显改善焦炭强度并实现焦化过程节能降耗。“衍构成焦机理”是对传统煤成焦机理的补充和延伸,以期为现代煤焦化工业精细化发展提供理论指导和技术支撑。

采空区垮落煤岩体净化效能时空演化规律研究——以凌志达煤矿为例

采空区地下水库的建设对矿井水资源的利用意义重大。随着矿井水通过垮落煤岩体,水中悬浮物会产生迁移与沉积的现象,从而影响采空区垮落煤岩体的净化效能,进而影响采空区地下水库的净水能力和使用年限。采用考虑源汇项的水动力弥散方程作为描述悬浮物在采空区垮落煤岩体中迁移与沉积过程的数学模型,研究了悬浮物浓度随采空区内流程长度的变化规律,预计了凌志达煤矿采空区地下水库的使用年限,并分析了滞留因子对采空区地下水库使用年限的影响,可为评估采空区地下水库使用年限提供理论依据。

浆液套管增强沿空掘进煤柱稳定性数值模拟研究

为解决采动作用下沿空掘进巷道一侧窄煤柱变形等问题,现场采取浆液充填套管加固煤柱底板以改善煤柱的稳定性。采用数值模拟分析浆液充填套管对底板岩体变形的控制作用机制。数值计算结果显示,在横断面方向煤柱两侧测点变形高、中间测点变形低,近采空侧的测点变形大于近巷道侧测点变形。煤柱基底变形不一致会导致煤柱受力不均,顶板荷载作用下煤柱变形形态更加复杂。施加浆液充填套管后,煤柱基底测点的变形量减小。巷道侧煤柱底板测点变形减少20.5%,大于采空区一侧的改善效果19.2%。采动作用下随着深度增加底板岩层变形逐渐减小,施加浆液充填套管后底板岩层变形减小。对类似矿井的沿空掘进巷道一侧煤柱变形研究有指导意义。

水力割缝对不同厚度“三软”煤层巷道围岩扰动影响研究

赵家寨煤矿开采煤层在水力割缝过程中受到较大扰动,围岩强度降低,导致煤厚较大且分布不均的“三软”煤层巷道更加难以控制。基于14205工作面岩石力学参数,理论分析确定水力割缝合理参数,借助COMSOL Multiphysics构建不同煤厚条件下水力割缝模型,数值模拟得到了水力割缝对煤层应力、位移影响规律。结果表明:顶煤厚度对于受水力割缝扰动后巷道顶板稳定性有着重要影响,应力特征的主要影响因素为割缝的形态、位置,煤层越厚其变形量越小,水力割缝对煤体的损伤范围主要与割缝位置相关,巷道受扰动范围为两帮各5 m,托顶煤为2 m厚时,顶部煤体受破坏程度最大,巷道稳定性最差,当托顶煤厚度超过4 m时巷道稳定性得到良好改善,在煤体损伤范围内巷道顶部变形量最大,需要加强支护力度。研究结果为不同厚度“三软”煤层水力割缝扰动下巷道围岩稳定性分析提供基础。

基于煤层挥发分的狐偃山岩体隐伏形态特征研究

为了寻找狐偃山岩体隐伏形态特征,基于侵入岩体侧畔煤层挥发分的空间变化特征,刻画侵入岩体在煤系地层中的隐伏形态特征机理;依据西山煤田狐偃山岩体附近469组煤层挥发分数据及前人研究结果,通过制作研究区内02^(#)、2^(#)、6^(#)、8^(#)、9^(#)煤层挥发分等值线图、垂直挥发分变化方向剖面图,研究了煤层挥发分与侵入岩体距离关系。结果表明:狐偃山侵入岩体侧畔依次出现接触变质带、恒温变质带、耗散变质带及正常煤带,岩体影响带宽度在7 km左右,其中接触变质带的宽度在1 km以内,恒温变质带宽度在4~5 km范围内,耗散变质带宽度在2~4 km范围内;狐偃山侵入体在煤系中的隐伏形态为一大型岩体,其中9^(#)煤层下伏有多个小型岩株,煤层自上而下遭受岩体烘烤影响的程度逐渐增大。

煤焦油及其馏分油中烯烃分子组成表征

针对煤焦油中的烯烃化合物进行了分子水平表征,以气相色谱-质谱联用技术和银离子络合电喷雾超高分辨率质谱法为手段,揭示了低温煤焦油和高温煤焦油中烯烃化合物的组成分布,获得了C_(12)~C_(40)范围内烯烃分子类型及碳数分布信息。结果表明:低温煤焦油相比高温煤焦油具有更高的烯烃含量;富含烯烃的低温煤焦油通过馏分切割为轻质馏分(≤360℃)和常压渣油馏分(>360℃),通过对不同馏分的烯烃分子组成分析发现,轻质馏分260~320℃馏分段中烯烃含量最高,常压渣油馏分中也存在较为丰富的烯烃化合物。煤焦油及其馏分中烯烃详细的定性及半定量信息为目标烯烃的分离及煤焦油的高效清洁利用提供分子层次依据。