煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警与防控技术研究进展

煤岩瓦斯复合动力灾害是深部煤炭开采的重大安全隐患,探明其致灾机理、发展监测预警及防控技术是防治关键。提出了煤岩瓦斯复合动力灾害防治“四面体”理论,即分别从灾害分类、灾害机理、灾害预警、灾害防控4个层面概述煤岩瓦斯复合动力灾害研究进展。总结了以能量释放主体、初始瓦斯压力、载荷条件为主的复合动力灾害类型划分依据;梳理了理论分析尺度和实验室尺度下的复合动力灾害机理研究进展,发现应力路径、微裂纹动态演化和煤岩赋存地质因素临界指标是致灾机理研究的关键;概述了以前期灾害前兆信息判识、中期灾害前兆信息采集、后期灾害一体化监测预警为主线的复合动力灾害监测预警技术研究进展;揭示了复合动力灾害消能减灾一体化防控技术和多尺度分源防控关键技术科学内涵。在此基础上针对两淮矿区灾害特点,提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。基于当前研究进展,提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题,助力实现深部煤炭安全、精准、高效开采。

深部采动响应与灾害防控研究进展

掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境,探讨了深部采动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理。最后,基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理,从透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3个方面讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度,大力支持自主创新重大仪器及科学装置研究,重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究,依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析,实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化,建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型,以及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究,实现对灾害的有效预警和精准防控,综合形成深部煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时,在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经济可行性的基础上,科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题,促进深部煤炭安全高效开采。

逆断层上下盘开采扰动下断层活化响应模拟研究

为探究煤层不同开采方式下逆断层应力场、位移场演化规律和断层活化规律,通过数值模拟分析逆断层地质条件下进行上盘开采和下盘开采时断层处的正应力和剪应力演化规律、断层活化过程以及断层和覆岩的位移场变化特征。研究结果表明:随工作面逐渐靠近断层,断层上部的正应力逐渐降低、剪应力逐渐升高,断层下方的正应力逐渐升高、剪应力逐渐降低,正应力和剪应力升高或降低的速率随工作面与断层距离减小而增加;当工作面与断层距离在80 m和40 m时,断层处正应力和剪应力发生异于前期应力规律性的变化,出现大幅度增长和降低的情况;相对于上盘开采,下盘开采时断层更易受煤层开采扰动而发生活化,且活化程度和范围均大于上盘开采;随工作面不断向断层靠近,下盘开采时采空区上覆岩层下沉量和断层两侧岩体相对位移量均明显大于上盘开采。研究结果对煤层开采遇断层时围岩治理和防灾减灾具有一定科学指导意义。

冲击载荷下煤样动力学响应特性与损伤本构模型

为研究深部煤体动载响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统对信湖矿煤样开展了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究结果表明:冲击载荷下煤样动态抗压强度强度具有明显的应变率效应,且随着应变率增大,应变硬化现象愈发明显;煤样反射能、透射能、吸收能、耗能密度与应变率呈一次函数关系,耗能占比与应变率呈指数型函数关系,且均保持正相关。基于经典朱-王-唐模型、Weibull分布、Drucker-Prager准则,建立了考虑煤样损伤与黏滞性特征的动态统计损伤本构模型,并对本构模型的准确性与普适性进行了验证。该模型能够较好地描述煤样冲击动态力学行为,为动载影响下深地煤炭安全开采提供了基础研究。

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。

国家重点实验室培养大学生创新能力实践教学

培养具有科技创新能力的大学生,是我国实施创新强国的重要环节。高校作为培育创新型人才的重要基地,往往忽视高校创新人才培养的实践教学。而且目前普通高校科研实践平台无法满足教学要求,影响了大学生创新能力的培养效果。国家重点实验室作为重要的科研平台,拥有高端的创新人才和先进的仪器设备资源,能够开展科技创新实践教学,基于虚拟仿真教学、人工智能实验学习等不同教学模式,有效提高了本科生创新能力。采用“问题导向式教学—启发式教学—互动式教学”的教学方法,培养学生理论结合实践的能力,通过开展不同形式的科研实践教学,对培养大学生科技创新能力具有重要作用。

爆破工程课程教学中岩石材料动态力学实验实践与分析方法

《爆破工程》课程是土木和采矿类专业教学的基础核心课程。为了提高学生对岩石材料动态力学响应和损伤破坏机理的认识与理解,在培养方案中开设岩石材料的爆炸与冲击动力学实验教学内容以更好地实现《爆破工程》课程教学目标。针对学生缺乏在爆破工程方面的冲击动力学理论知识和实验基础等问题,将分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实验技术和二维平板爆破(Two-Dimensional Plate Blasting,TDPB)实验技术应用于《爆破工程》的实践教学中。介绍了SHPB和TDPB的实验系统组成和实验计算原理;设计了岩石材料的SHPB冲击压缩实验课程内容和TDPB中心起爆实验课程内容;分析了SHPB实验下砂岩材料的动态力学行为与能量演化特征和TDPB实验下类砂岩材料的应变波演化与动力损伤破裂行为机理;引导了学生对岩石冲击动力学关键问题的深入讨论。教学实践效果表明:通过采用SHPB和TDPB实验课程与《爆破工程》理论课程相结合的教学模式,锻炼了学生的理论实践能力,提升了学生的科研探索水平,增进了学生的团队协同互助意识,实现了《爆破工程》课程教学目标。

国家重点实验室采矿工程专业实验教学探讨

实验教学是采矿工程专业教学过程中不可替代的关键环节。国家重点实验室科研教学基础雄厚,研究人员创新能力显著,能够为采矿工程专业实验教学效果提升提供优越条件。为运用国家重点实验室优厚的实验教学条件,提高教学效果,基于目前采矿工程专业实验教学现状,从实验设备、教师队伍建设、教学模式三方面,提出实验室实验教学职能提升措施,有利于培养具有实践和创新能力的矿业类人才。

我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

针对我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害频发的现状,采用现场调查、理论分析、现场监测等方法,对顶板运动型矿震及诱发灾害发生机制、预测和工程分类技术进行了研究,得到以下主要结论:(1)基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型、关键层回转型和关键层滑移型3类矿震,建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震的能量预测模型,分别提出了3类顶板运动型矿震能量的计算方法;(2)基于顶板运动型矿震诱发井下和地面灾害机制,建立了顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的一体化力学模型和评估方法,为煤矿顶板运动型矿震诱发灾害的预测提供了基础;(3)提出了分类防控、源头减震、吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念,形成了以低矿震能量、低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系,开展了地面直井压裂源头防控顶板运动型矿震的技术试验研究;(4)根据工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果,大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次,但也可能改变关键层运动模式,甚至增大井下矿压显现强度。

国家重点实验室培养采矿工程专业研究生科研能力探讨

科研能力提升是研究生教育的核心任务和培养目标,国家重点实验室是采矿工程专业研究生科研能力培养的优越平台,通过分析国家重点实验室的优越条件,针对目前采矿工程专业研究生科研能力的不足之处,提出积极宣传行业动态,激发学生科研兴趣;全面讲解科研方法,促进学生掌握采矿工程领域科研方法;分层次设立研究生专项课题,锻炼学生科研综合能力3项举措。

浅谈如何提高学生对深部采场动力灾害的认识*

煤矿进入深部开采后,深部采场动力灾害是必然要面临的关键问题,也是动力灾害防治方向学生要深刻理解和把握基本知识之一,更是老师应该努力教好的主要课程之一。因此,如何提高在本方向上的教学效果,是急需探讨的问题之一。本文主要从深入理解动力灾害的发生机制、掌握研究动力灾害的方法及探究动力灾害防控的措施等方面浅谈自己的理解。本文提出的教学内容不仅能够使学生对本方向有更深入的理解,也能够提高学生理解问题、认识问题的效率,更有利于学生解决今后遇到的相似科研问题,最终达到老师课堂教学中“授之以鱼和授之以渔”的目的和效果。

高潜水位采煤沉陷区资源化、能源化、功能化利用构想与实践

高潜水位矿区井工开采往往造成地表大面积沉陷积水,矿区生态环境发生变化,沉陷区国土资源由以土地资源为主转变为水资源为主、水土资源共存的局面。目前,采煤沉陷区水资源开发利用不充分,可再生能源开发、多能互补利用和废弃矿井抽水蓄能等方面具有得天独厚的条件和巨大发展潜力,采煤沉陷区国土空间功能也需结合现有条件重新定位与建构。在此背景下,提出高潜水位采煤沉陷区资源化、能源化和功能化利用构想。系统阐述了“三化”面临的科学问题,如采煤沉陷水域水资源量和水生态环境演变规律、地表残余变形规律;“三化”涉及的关键技术与模式,包括监测与评价技术,如“天-空-地-水-井”一体化协同监测技术体系、采煤沉陷区水生态环境调查评价方法、采煤沉陷区建设场地地基稳定性评价方法,以及治理利用技术及模式,如采煤沉陷区水生态环境修复技术模式、采煤沉陷区水资源保持与高效利用技术模式、水资源区域协调开发与高效利用技术模式、风光互补模式、制氢-合成氨-掺氨燃烧发电模式、废弃矿井抽水蓄能模式、农业用地功能构建(复垦地土壤重构)技术、建设用地功能构建(采空区注浆地基加固)技术、生态用地功能构建(地表水系重构与生态湿地建设)技术;并从产业融合、资金筹集、科技创新、区域统筹等方面提出了具体的政策建议。

煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究进展

围绕拟解决的重大科学问题“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术”,以煤与瓦斯突出、冲击地压等典型煤矿动力灾害为研究对象,鉴于煤矿典型动力灾害诱发机理不清、风险判识不明、监控预警技术不足等现状,开展了冲击地压孕育机理与风险判识及监测预警、煤与瓦斯突出灾变机理及监测预警、煤矿典型动力灾害信号采集传输和智能化分析、煤矿典型动力灾害监控预警系统平台等研究,开发了大尺度、真三维、全封闭自动开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置,研制了包括光纤光栅微震传感、三轴应力传感、分布式多点激光甲烷检测等在内的动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输传感装置,建立了井下传感器数据的多元海量动态信息的聚合理论与方法,提出了基于漂移特征的潜在煤矿典型动力灾害预测方法与多粒度知识挖掘方法,构建了基于大数据分析和数据挖掘的煤矿动力灾害风险判识和监控预警模型。通过现场实践,表明能实现全面采集人机环参数,且采集传感器具有故障自诊断、响应时间短、标校周期长等优点。监控预警系统稳定运行无故障率达到了99%,抗干扰等级不低于3级,系统监控预警准确率大于90%,实现了煤矿典型动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时预警。

不同冲击气压下煤样动态剪切强度的长径比效应

采用Φ50mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了不同冲击气压下直径75mm,长径比分别为0.20,0.27,0.33,0.40和0.47的5组煤样的动态剪切试验,划分了煤动态剪应力时程曲线的阶段,探讨了冲击气压对煤样动态剪切强度的影响,分析了煤样动态剪切强度和加载率的长径比效应,并建立了长径比效应理论模型。研究结果表明:①煤样动态剪应力时程曲线可分为应力初始上升、应力线性增长、应力缓慢上升和应力下降4个阶段;②煤样动态剪切强度与冲击气压呈正线性相关,但不同长径比下增加幅度存在差异,具体表现为:相同冲击气压增量下,煤样长径比越小,动态剪切强度的增加幅度越大;③煤样动态剪切强度和加载率均与长径比有关,在0.25,0.35 MPa较低冲击气压与0.45,0.55 MPa较高冲击气压下分别呈现出正、负长径比效应,并通过方差分析确定了长径比对其影响最小的冲击气压为0.376MPa;④建立了不同冲击气压下煤样动态剪切强度长径比效应理论模型,通过加载率效应推导出加载率长径比效应理论模型,并验证了模型的合理性和准确性。

地方院校国家重点实验室对本科教学作用

高校实验室是本科教育教学中的重要组成部分,同时也是构成高校基础实验与科研辅助体系的不可或缺一环,直接承担着专业教学、学科实验与研究的重任。近年来随着地方本科院校基础教育教学与科学研究的持续推进,实验室的建设及其现实作用也愈发突出。对于提高专业学生教学质量、学科创造思维的养成与科研严谨精神等意义重大。其中,国家级重点实验室在硬件设施建设和软件环境优化层面具备独有的资源优势,有利于专业学生更好地把握学科前沿动态,培养创新思维和团队协作精神。鉴于此,文章结合本校近两年领域内建设实际,进一步探究归纳国家重点实验室对于本科教学与专业学科管理的优越性,并立足现实不足提出些许改进建议。

承压水下自动采煤模拟实验系统设计与探索

为了探索承压水下工作面自动开采模拟实验及覆岩运移应力监测,通过对承压含水层与采煤支护系统模拟设计的结合,设计了一种承压水下自动采煤相似模拟实验系统及方法,实现承压水下的相似模拟模型的自动开挖和压力监测,包含模拟承压含水层和采煤支护模拟系统。设计的模拟承压含水层,通过调节水箱高度和调压阀实现对承压含水层水压力的控制,以及水袋之间的水流量传感器,实现在采动过程中对含水层中受采动影响部分的水的流动及补给规律进行模拟及监控。设计的采煤支护模拟系统,实现在上覆岩层中存在含水层时,对承压水下煤层开采的近似模拟与覆岩运移应力监测,实现了自动开挖模型功能,提高了实验准确性,大大降低工作强度,使实验更加智能化。

煤张开型裂隙三维宏细观演化特征及扰动因素探究

裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的内外条件相互作用机制做出合理解释。结果表明:①围压会改变煤体初始损伤显著区位置,使其随围压升高由裂隙尖端过渡至煤体上、下端,且微孔隙和大尺寸裂隙之间比微孔隙和微孔隙之间更易相互贯通,并产生新的宏观裂纹。②围压升高使得三维动态分形维数由缓慢增加、快速增加和平稳增加转变为平稳增加、快速增加和缓慢增加的发展阶段,可表征裂隙的时间演化规律。③含裂隙煤体在单轴或低围压下呈纵向拉伸破坏,高围压会使其破坏方式趋于剪切,并通过2种途径提升煤体强度。④起裂角理论值偏离试验值程度随围压增加而增加,与煤体由矿物分布引起的离散度数值关系一致。⑤根据裂隙的受力成分及矿物分布特征将裂隙扩展行为分为直驱、绕核和错核3种类型,该扩展行为受围压对裂隙的作用力成分影响,由相对纯粹拉应力、拉伸–剪切复合应力和相对纯粹剪应力作用的裂纹分别对应以上3种扩展行为,即对裂隙的扩展影响形式表现为以围压为主,矿物赋存形态为辅。

循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理,开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验,研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律;基于Lemaitre应变等效原理,提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法,分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明:循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式;红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关,冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态;循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅,而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大;红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律;冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。

不同类型表面活性剂对烟煤润湿性能影响的分子模拟及实验

喷雾降尘是现阶段矿井使用最广泛的除尘方式之一,水对煤的润湿性能对喷雾降尘效果有着直接的影响,所以在水中加入表面活性剂可提高水对煤的润湿性能。为探究不同类型表面活性剂对烟煤粉尘润湿性能影响,以快渗T、1227、BS-12和APG 4种类型的表面活性剂为代表,采用分子模拟技术和实验室实验相结合对烟煤的润湿性能进行了研究。一方面,利用分子模拟手段构建了表面活性剂水溶液的界面体系,基于氢键形成数目和径向分布函数理论,对表面活性剂自身的亲水性进行了模拟分析,并开展了4种试剂的表面张力实验,研究发现,快渗T形成氢键的数目最多,为398个,且径向分布函数曲线出现峰值最早在1.99×10^(-10)m处,最易与H_(2)O分子吸附,实验结果也表现为快渗T对水的表面张力削弱最强,即表面张力最小,为24.4 mN/m。另一方面,通过静电势计算,结合构建的表面活性剂/水/烟煤三元吸附体系相互作用能分析,研究了4种表面活性剂对烟煤润湿性影响,并分别开展了烟煤在4种试剂中的沉降实验和接触角实验,结果表明,快渗T与烟煤分子结合后该部位与水分子的电势差最大,为6.8535 eV,其与烟煤间相互作用能也最大,为-2705.12 kJ/mol,实验结果也表现为2种烟煤在快渗T中的沉降时间最小,分别为26.3、10.22 s,接触角最小,分别为25.8°、21.7°,由此表明分子模拟结果均与实验结果一致,均验证得出阴离子型表面活性剂快渗T对烟煤的润湿性能为最好。

超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合试验系统研制与应用

【目的】为了有效强化煤层气抽采效果,将脉动压裂与超临界CO_(2)压裂相结合,提出了利用超临界CO_(2)脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统,介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能,然后开展了室内真三轴条件下超临界CO_(2)脉动压裂-渗流试验及超临界CO_(2)脉动压裂-声发射监测试验。该系统结合独立伺服系统与中央数字系统控制三向应力,采用双泵型恒速恒压泵脉动给压,具有高精度、全过程、真三轴、承载高温、高压及高应力的特点。【结果和结论】试验结果表明:超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统可以实现良好的脉动压裂功能。超临界CO_(2)脉动压裂后,煤体渗透率较压裂前呈增大趋势,增大了2~9倍,且煤体渗透率皆呈现良好的指数变化规律。在声发射-超临界CO_(2)脉动压裂时期,煤体产生了新的裂隙通道,该通道由压裂孔中心直接贯穿至煤样表面,且可观测到超临界CO_(2)流体直接从煤中喷出,故超临界CO_(2)脉动压裂具有一定的扩展和连通裂隙的作用,能够有效提高煤层气的抽采效果。研究成果为强化深部低渗煤层增透技术提供了一定的试验支撑。