巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θσ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明:(1)在相同p、q及不同θσ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θσ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+超前单元支架+钻孔卸压的协同支护技术,取得了良好的支护效果。

新工科背景下测绘工程专业创新型人才培养研究与实践

针对测绘工程专业新工科建设中存在的“重知识、轻能力”“重理论、轻实践”“重科研、轻教学”等问题,以培养测绘工程专业创新型人才为出发点,结合新工科建设和专业认证实践,提出了专业建设与改革思路,通过重构创新人才培养体系、强化实践教学平台建设、筑牢“以本为本”防线等改革措施,提高专业建设水平、教师教学科研能力以及学生实践创新能力。构建的“基础型、发展型、创新型”人才培养模式以及专业建设与改革思路,对我国同类型高校测绘工程专业新工科建设具有借鉴价值。

煤炭输运装备用ZTAp-Fe材料腐蚀机理研究

井下环境差,由传统钢铁材料制造的井下煤炭输运装备的使用寿命较低。本文通过电化学试验、扫描电镜观察、能谱分析等方法,探究了粉末冶金法制备增强铁基复合材料(ZTAp-Fe)的耐腐蚀性能、微观组织结构以及元素分布之间的规律,揭示了ZTAp-Fe材料的耐腐蚀机理。结果表明,ZTAp-Fe材料中ZTAp与铁基体结合状态良好,界面为非冶金结合。铁基合金中引入20%ZTAp,腐蚀速率由0.90928 mm/a降至0.36514 mm/a,电荷转移电阻(R_(ct))由775.6Ω·cm^(2)提高到1025.3Ω·cm^(2)。ZTAp的耐蚀性优于铁基体,界面处形成腐蚀产物有效抑制腐蚀介质对ZTAp和铁基体的进一步腐蚀。ZTAp增强铁基复合材料能够有效地提高煤炭输运装备的使用寿命。

智能放煤理论与技术研究进展

综放开采技术是厚及特厚煤层开采的有效方法,已成为我国在世界煤炭开采行业的标志性技术。综述了“四要素”放煤理论、顶煤采出率与含矸率关系、基于块度分布的采出率预测模型、煤流瞬时含矸率-累计含矸率关系等智能放煤理论研究进展。分析了智能放煤技术难点,指出含矸率是影响顶煤采出率和煤质的关键因素,放煤过程中含矸率的快速、准确计算是智能放煤技术突破的重点和关键。将智能放煤技术分为非图像识别智能放煤技术和图像识别智能放煤技术2类,对不同技术的研究进展、优缺点及使用条件进行了详细分析。非图像识别智能放煤技术包括记忆放煤技术、声音振动信号识别技术、γ射线探测技术、探地雷达技术、微波照射+红外探测技术、激光扫描放煤量监测技术等,图像识别智能放煤技术包括井下照度环境精准控制、放煤图像去尘算法、含矸率计算精度保障策略、煤岩红外图像识别等。

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。

基于匹配法的不同种类煤和矸石发射率测量研究

煤和矸石的种类、表面纹理结构、变质和发育程度等因素都会对其发射率产生较为显著的影响,精准的发射率参数设置对红外热像仪测温及煤和矸石红外图像的识别至关重要。提出了一种基于匹配法的煤和矸石发射率测量方法,即采用表面热电偶与红外热像仪相结合的方式测量煤和矸石发射率。用密闭的电热炉对被测煤和矸石进行均匀加热,待被测煤和矸石均匀受热且稳定后,用表面热电偶对被测煤和矸石的选定区域进行真实温度测定(标定为t1),然后用红外热像仪对同一区域进行温度测定(标定为t2),最后对红外热像仪的发射率进行调试,当t2=t1时,得出的发射率即为被测煤和矸石在该温度下的真实发射率。实验结果表明:(1)等温条件下,煤和矸石表面越粗糙,其发射率数值越大,表明煤和矸石表面的粗糙度是导致二者产生不同发射率的内在因素。(2)4种不同种类煤和矸石发射率随温度的增大呈幂函数降低,且拟合函数相关系数R2达0.98以上,验证了匹配法应用于煤和矸石发射率测量的可行性。(3)采用反代法得出在不同温度条件下实测值与理论值的误差率均小于3%,验证了实验中测量的煤和矸石发射率的准确性。

基于CBAM VGG16-UNet语义分割模型的建筑物提取研究

针对在遥感影像建筑物提取中常常出现“漏检”“错检”“空洞”等问题,提出了融合双注意力机制的CBAM VGG16-UNet网络,用于建筑物提取研究。基于U-Net网络架构,在下采样部分,用VGG16前5个卷积块代替U-Net网络的编码器部分,在上采样的每个特征融合时引入双注意力机制CBAM,并用双线性插值代替U-Net的转置卷积。使用WHU建筑物数据集以及贵阳建筑物数据集进行了模型验证,与Mobile-UNet、U-Net、VGG16-UNet 3种建筑物提取网络模型进行对比分析。实验表明,CBAM VGG16-UNet在WHU建筑物数据集上精准率、召回率、F1-score、IoU达到了94.90%,95.46%,95.18%,90.80%,在贵阳建筑物数据集上精准率、召回率、F1-score、IoU达到了77.53%,84.46%,80.85%,67.85%,均优于3种对比模型。为解决建筑物提取常见问题提供了新思路,具有一定的工程应用价值。

基于Google Earth的建筑物高度信息自动提取研究

针对现有建筑物高度获取方法成本较高、费时费力且时效性较差的问题。基于Google Earth免费遥感影像数据,本文提出一种自动化程度较高的建筑物高度提取方法。首先对原始遥感影像进行自适应伽马校正,增强图像对比度;使用K-Means无监督分类方法,对建筑物阴影进行提取;然后使用三角形绿度指数,对误提取为建筑物的植被像元进行剔除;最后进行后处理操作即可得到建筑物阴影提取结果。基于建筑物阴影提取结果与其高度之间的几何关系,利用典型已知的建筑物高度数据反推出相关参数,并根据自动提取的建筑物阴影长度求取建筑物高度信息。实验结果表明,本方法提取的建筑物高度的均方根误差为0.94 m,平均精度为97.55%。说明该方法能较为完整的提取建筑物阴影,准确的估算建筑物高度,同时自动化程度也得到了一定提高。

基于GEE的多源数据耕地自动提取研究

为更好地保护耕地资源实现中国式现代化的重要粮食安全局面,提升耕地资源提取精度、自动化程度是必不可少的。针对目前使用单一遥感数据进行耕地提取时存在的不足,本文以淮南市为例,基于Google Earth Engine(GEE)平台,获取Sentinel-1和Sentinel-2图像并进行预处理利用Sentinel-1的VV、VH波段以及Sentinel-2的NDVI、NDWI、BSI等指数。加入研究区的高程、坡度和坡向信息后,使用支持向量机(SVM)和随机森林(RF)分类算法对影像进行土地利用类型分类,通过开运算的形态学处理提取耕地并做精度分析。结果表明:与仅使用单一光谱数据相比,引入SAR数据和高程数据后,SVM算法和RF算法的总体精度(OA)分别提高了0.06和0.16,其中RF算法精度更高,总体精度达到了0.89。此外,形态学处理可以消除一些非耕地的细小图斑,进一步提高了耕地提取精度,总体精度达到了0.93,Kappa系数达到了0.90。

工作面基岩风氧化带工程地质特征:以淮南矿区张集煤矿为例

隐伏型煤田浅部工作面回采受其顶板基岩风氧化带影响,风氧化作用影响下,岩体工程地质条件劣化,对工作面顶板管理及水害防治有较大影响。以安徽淮南矿区张集煤矿近松散层1410(3)工作面为例,开展了风氧化带工程地质特征研究。基于工作面井下顶板钻探工程,对工作面顶板30 m范围内取芯,在此基础上,采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD),开展了风氧化带岩石矿物成分分析;采用室内物理、力学试验,开展了新鲜及风氧化岩石物理、力学性质测试;基于岩石力学特性及岩芯宏观地质特征,对工作面顶板风氧化带发育深度及程度进行了评价。结果表明:基岩风氧化带岩石矿物成分以高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物为主,遇水易膨胀,对抑制顶板导水裂缝带发育有益;受风氧化作用影响,岩石孔隙率提升约15%,单轴抗压强度降低约50%,泥岩较砂岩工程地质条件劣化更加明显;工作面基岩风氧化带深度16~20 m,并划分了风氧化程度等级,岩石风氧化程度主要表现为强风化-全风化。研究成果对工作面支架选型及顶板管理提供了依据和参考,为类似条件工作面风氧化带探查与工程地质条件评价提供了借鉴。

综放开采端头放煤关键技术研究

厚煤层是煤炭高产高效开采的主力煤层,储量和产量均不小于50%.放顶煤技术是开采厚煤层的主要方法,核心是高效高回收率放煤.综放开采技术是厚及特厚煤层开采的有效方法之一,自1982年引入我国以来,经过40多年的发展,无论是在放煤技术和装备上,还是在放煤理论方面都有了丰富成果和经验,成为我国厚煤层开采处于世界先进水平的标志性成果.提高顶煤回收率一直是综放开采顶煤放出规律研究的核心内容,也是进一步实现绿色智能安全高效综放开采的技术保障.在综放工作面诸多煤损中,初末采损失、工艺损失等经过学者们和技术人员多年研究和试验已大幅度降低了工作面放煤区域顶煤损失,但工作面端头煤损一直以来却未得到很好地解决.端头放煤是提升顶煤回收率的核心关键技术,属于开创性工作,在理论和技术上需要创新.

基于改进Fast-DTW的多维地磁序列匹配算法研究

传统单点的地磁匹配定位算法运算量大,且定位时效性及定位精度较差。针对该问题,采用基于序列的快速动态时间规整算法Fast-DTW实现多维的地磁序列匹配,并利用最长公共子序列LCS的有序聚类进行优化。离线阶段通过坐标转换法构建四维地磁指纹库,在线阶段进行实时地磁序列匹配,获得定位结果。实验结果表明,该算法的定位时效性及精度均有提升。

基于夜光遥感的合肥市建成区扩张研究

以我国经济快速发展新兴城市合肥市为例,基于夜间灯光数据,从城市化水平、扩张能力和时空转移特征3个方面分析合肥市2005—2020年间建成区的时空演变,并对影响因素进行探讨。结果表明,采用夜间灯光数据提取的合肥市建成区范围平均相对误差为2.41%,建成区总体呈现以南、北向为主导的环状扩展状态。复合灯光指数能有效表征合肥市建成区城市化发展水平,在此期间,城市化水平增幅超两倍。建成区重心经过“西南—东南—西南”的转移过程整体向南偏移,人口紧凑度呈现先内部聚集后外部扩散再重新聚集的“震荡”特征,总体趋于紧凑发展的态势。建成区时空演变主要受社会经济因素驱动影响,同时也受到交通与人口因素的正向驱动。

急倾斜极软厚煤层走向长壁综放开采技术研究

以峰峰集团山西大远煤业1201急倾斜工作面为背景,系统研究了急倾斜厚煤层走向长壁综放开采的基本问题,指出支架的合理设计是该类煤层成功开采的首要条件,支架设计要充分考虑急倾斜厚煤层综放开采的顶板活动规律,以工作面上部顶板的冲击载荷确定支架的工作阻力。同时急倾斜支架要有足够的抗侧向挤压能力,结合工作面采放工艺确定侧护板的抗挤压能力。急倾斜厚煤层综放开采的顶煤放出体与煤岩分界面具有明显的不对称性。结合顶煤放出规律、支架稳定性等综合确定采放工艺,提出"下行动态分段、段内上行放煤"的采放工艺,适用于急倾斜厚煤层走向长壁综放开采,可最大限度地减少采放过程中对支架的不利影响,并可获得较高的顶煤采出率。工作面安装前需对软弱底板进行加固。

煤炭科学开采与开采科学

从安全生产、机械化或自动化开采、共伴生资源共同开采、保护环境、降低开采直接成本、资源利用最大化、科学规划等方面详细阐述了煤炭科学开采的基本要求。介绍了国内外在煤炭科学开采方面的研究现状与进展,对比分析了国内外科学开采的共同点与差异。提出了我国实现煤炭科学开采需要从技术进步、思想观念、法律法规、基础研究与人才培养等方面入手。提出了煤炭开采今后需要在采矿开挖卸荷与偏应力作用、采动应力场动态变化、深部煤岩体的力学行为、煤岩柱的长期强度、采场的系统刚度等10个方面加强研究。

煤矿采场岩层运动与控制研究进展--纪念钱鸣高院士“砌体梁”理论40年

自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来,煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来,我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系,服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌体梁”理论学术思想为主线,综述了我国煤矿采场岩层运动与控制研究进展,并提出了今后需要发展的研究方向。“砌体梁”理论采用“梁”“薄板”模型分析基本顶破断规律,揭示了顶板断裂线位于采场煤壁前方;煤壁和矸石支撑下基本顶破断岩块回转挤压,咬合形成“砌体梁”结构;发现了“砌体梁”结构的滑落(S)失稳和回转变形(R)失稳模式,建立了S-R失稳的力学条件,提出了基于“砌体梁”结构平衡的顶板压力计算方法,首次实现了支架-围岩关系的定量分析。“砌体梁”结构采场矿山压力力学模型突破了传统定性假说,为保障煤矿的安全和高产高效作出了历史性贡献。“砌体梁”理论指导煤矿采场顶板控制取得系列进展,如支架-围岩三耦合关系、顶板动载荷模型、支架阻力确定的二元准则、中厚板模型、大空间采场远-近场模型等。在“砌体梁”理论的基础上,钱鸣高院士于20世纪90年代中期提出了关键层理论,建立了下至采场、上至地表全覆岩运动过程的力学联系,实现了采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究的统一。“砌体梁”理论与关键层理论指导了我国煤矿采场矿山压力与岩层控制研究,在采场矿压控制、覆岩裂隙分布、采动应力分布、岩层移动与开采沉陷等方面取得重要成果,为煤炭绿色开采与科学采矿奠定了基础。岩层运动与控制理论的进一步发展需集中到岩层运动统一场理论,基于采动岩层控制的灾害防治与减损技术,复杂条件岩层运动规律,岩层运动可视化技术和智能岩层控制技术等方面。

基于BBR的特厚煤层综放开采放煤方式优化研究

合理的放煤方式是特厚煤层综放开采顶煤充分放出的关键。基于BBR研究体系,对特厚煤层综放开采的放煤方式进行了优化研究,提出了分段大间隔放煤方式;给出了特厚顶煤条件下合理放煤间隔的确定公式,并讨论了其关于破碎顶煤厚度、破碎直接顶厚度和松动体偏心率的敏感性;最后采用PFC数值模拟的方法比较了不同放煤方式的放煤效果。结果表明,与顺序放煤和普通间隔放煤方式相比,分段大间隔放煤方式扩大了可放出区域,减少了架间残煤,使顶煤采出率分别提高了18.2%和9.1%。

基于中厚板理论的关键岩层变形及破断特征研究

厚且坚硬关键岩层的变形与破断影响着上覆岩层的运动,针对传统“梁”或“薄板”理论在分析厚且坚硬关键岩层受力与破断适应性差的问题,基于中厚板理论对存在厚且坚硬关键岩层的孤岛工作面在初次来压、周期来压时关键岩层的位移及应力分布情况进行了研究,讨论了关键岩层厚度对于切应力分布的影响,揭示了关键岩层的受力与破断特征,提出了关键岩层破断模式判据。结果表明:在覆岩条件一定的条件下,关键岩层厚度越小,越容易发生拉伸破断,随着关键岩层厚度的逐渐增大,破断形式逐渐转变为拉剪混合破断和剪切破断;关键岩层厚度较小时,在破坏时多发生的是拉伸破断,破断后的关键岩层沿支点旋转形成绞接结构,不会对工作面造成太大的载荷;坚硬厚关键岩层则多发生剪切破断,对工作面造成冲击,易发生剪切破断的坚硬厚关键岩层破断位置与传统薄板理论确定的破断位置不同;坚硬厚关键岩层内分布的切应力随着岩层厚度的增加而增大,来压前后,关键岩层内部的应变能峰值由中部向工作面两端转移;坚硬厚关键岩层内部的切应力分布更为集中,将切应力集中分布的这部分区域作为围岩控制的重点,实现工作面灾害分区域、分级防控。

特厚煤层卸压综放开采技术原理的实验研究

我国西部地区发现存有大量20 m以上特厚煤层,大部分无法实现露天开采,国内外均没有成熟的理论与技术可以借鉴,为了实现20 m以上特厚煤层的安全高效开采,创造性地提出了特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟试验方法,研究20 m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎的块体分布特征、顶煤位移场分布特征、支架阻力及其对顶煤垮落破碎的影响等。结果表明:当卸压工作面推进75 cm时,500 cm^3以内的顶煤块体较密集,块体比例约为94%,块体数量约为860个;当卸压工作面推进135 cm时,体积为500 cm^3以内的顶煤块体所占累计比例约为96%,块体数量约为1 700个,与卸压工作面推进75 cm时相比,块体比例增加了2%,块体数量增加了840个;当综放工作面推进17 cm时,累计体积达到500 cm^3时几乎包含全部顶煤块体,块体比例约为99.9%,块体数量约为4 810个,与卸压工作面推进135 cm时相比,块体比例增加了3.9%,块体数量增加了3 110个,二次破碎效果显著,能保证顶煤的顺利放出。卸压开采阶段上位顶煤位移>中位顶煤位移>下位顶煤位移。二次综放阶段下位顶煤位移最大,垮落破碎程度最好。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生多条明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10 cm,支架的反复支撑作用明显促进了顶煤的破碎效果。

厚煤层巷道煤柱留设及沿空巷道围岩控制机理研究

为确定厚煤层煤柱合理宽度问题,通过理论分析得出基本顶断裂线位置,采用数值模拟对比分析常规综放开采和错层位外错式采煤法下沿空巷道周围垂直应力分布规律。同时,在支护形式上对比错层位外错式和以往巷道单一支护。综合考虑采用错层外错式布置方式且相邻巷道错距确定为1 m,"锚网喷+锚索"联合支护下上区段沿顶巷道实体煤帮和接续面沿空掘巷顶板在横纵向对沿空巷道顶煤形成支撑作用。错层位外错式采煤法确定沿空掘巷新形式,为减弱上覆岩层对巷道围岩应力有重要作用。