煤矿雨季“三防”管理体系评价指标的构建

为解决煤矿雨季期间灾害频发问题,采用专家咨询和问卷调查方法,构建了涵盖防汛、防排水和防雷电三个准则层,以及排洪沟、滑坡及泥石流和雨季降水量等十三个指标层的煤矿雨季“三防”管理体系的评价指标体系,利用熵权法和灰色综合评估法进行指标权重的计算。结果表明,雨季降水量、雷电预警系统和建筑物防雷设施的权重较高,分别为0.1120、0.1095、0.1010。给出应加强排水、防雷等“三防”设施的建设和维护、地质灾害的监测和预警等针对性防治措施。该研究可提升煤矿的安全性和生产效率,降低事故发生的可能性,保障工人的生命安全。

近断层石门揭煤围岩控制技术研究

为研究断层影响下巷道围岩应力的演化规律,以近断层石门揭煤为研究背景,利用数值模拟手段对巷道围岩变形破坏进行分析,并提出了巷帮钻孔卸压技术措施。结果表明:受断层活化的影响,石门在揭煤过程中靠近断层的帮部应力集中程度高,垂直应力达到44 MPa;最佳卸压钻孔布置方案为钻孔直径300 mm、钻孔长度5 m和钻孔间距600 mm,该方案下原应力峰值区应力由44 MPa降低到28.64 MPa,应力释放率可达到35%,巷道围岩控制效果显著。该研究为断层构造下巷道围岩控制提供了一种新思路,可有效防治煤矿断层错动型冲击地压灾害。

基于随机森林算法的薄煤层工作面开采效能预测研究

薄煤层开采环境恶劣,开采效能受井下多种因素影响。为研究各因素对开采效能的影响程度,预测薄煤层开采效能,首先,从130个已开采薄煤层工作面中提取了煤层厚度、工作面长度、煤层平均倾角、煤层硬度、煤层断层、煤层顶底板、煤层水文、煤层夹矸、瓦斯矿井类型、煤层自燃性、煤层稳定性、煤层层状起伏、采煤工艺、工作面月产量和工作面主要装备等15种开采效能影响因素,将其详细划分为20个影响因子;其次,筛选了37个数据较完整的工作面样本,并基于随机森林算法、网格搜索法和3折交叉验证法训练了薄煤层工作面开采效能最优预测模型,其测试集准确率约95.2%,R2为0.924;同时,最优模型绘制了开采效能影响权重图,月产量、采煤机装备、工作面长度和煤层厚度对开采效能影响较大,其他参数影响较小;最后,以双阳煤矿某薄煤层工作面为例,对其开采效能进行预测,并从工作面产量、工人工效和装备利用率三方面对预测值进行理论校验,校验结果在随机森林模型的预测范围内,验证了随机森林开采效能预测模型的可靠性,为薄煤层工作面开采设计提供了一种参考。

单轴压缩状态下瓦斯抽采钻孔破裂规律的实验研究

为研究瓦斯抽放钻孔对煤体破裂的影响,采用电液伺服岩石实验机分别对不同倾角瓦斯抽放钻孔原煤煤样和水平瓦斯抽放钻孔原煤煤样进行单轴压缩实验,分析钻孔周围煤体的破裂规律。结果表明:原煤煤样钻孔水平边界处出现应力集中现象,最先发生破坏。随着钻孔倾角的增大,钻孔煤体的单轴抗压强度有增大趋势,钻孔煤体更加趋于稳定,不易发生破坏。原煤煤样水平瓦斯抽放钻孔周围存在不同形式的裂隙,钻孔的破坏过程与破坏形态也不相同。该研究对提高瓦斯抽采效果具有指导意义。

考虑相态的垮落体材料细观参数标定方法研究——以平行黏结模型为例

基于散体力学和散体的实验室常规试验,在考虑垮落体开挖过程中煤岩颗粒呈现的多相态特征的基础上,提出结合剪切试验和颗粒柱坍塌试验的宏细观参数关系标定试验和标定方法,以颗粒流程序(particleflowcode,简称PFC)线性接触模型为例对标定试验中的各类宏细观参数关系进行了分析,并结合垮落体中救援通道开挖的相似模拟和数值模拟试验对标定方法进行了验证。结果表明:(1)剪切试验和颗粒柱坍塌试验能分别有效地反映垮落体结构在准静态流状态下的剪切破坏和垮落体在快速流状态下碰撞时的能量演变;(2)物理参数和力学参数中,摩擦系数和局部阻尼分别对处于准静态流的剪切试验和处于快速流的颗粒柱坍塌试验起主要影响作用,颗粒形态对两者的影响作用则相近且不能忽略;(3)在结合各细观参数对标定试验宏观参数的影响上,提出结合相态分析和权重分析,在确定各相态主导细观参数的基础上快速实现且满足各相态的细观参数标定;(4)采用剪切试验和颗粒柱坍塌试验标定的垮落体中救援通道开挖的数值模拟结果与相似模拟试验结果具有较高的一致性,验证了考虑相态的标定方法在垮落体研究上的可行性。

粉煤灰基胶结充填材料早强剂实验研究

针对粉煤灰大量加入胶结材料后降低材料性能的问题,通过实验室正交实验,找到一种早强剂配方,得到粉煤灰占充填材料固体质量80%以上,水固比为0.94,8 h抗压强度大于0.9MPa,1 d抗压强度大于3 MPa、3 d抗压强度大于4 MPa,平均初凝时间100 min的最终材料配方。按配方比例在桃山矿井下工业实验后,证明该材料能够适应井下环境,具有快凝、早强、接顶率高等优良特点。

煤体恒定加载蠕变损伤实验的研究

为了得到恒定荷载作用下煤体蠕变损伤破坏规律,采用速率为0.2 k N/s的荷载控制加载方式,加载至15 k N后保持不变。监测和分析恒定荷载下煤体的轴向变形、径向变形和应变随时间的变化情况以及能量、幅值、撞击和声发射事件等声发射信息随时间的变化。结果表明:声发射信息随着煤体损伤状况的变化表现出不同的特征;声发射事件沿着轴力方向增加,主要集中在煤体内部中间部位;声发射事件产生的位置、速率,可以直观反映煤体表面裂隙在煤体内部发育状况和蠕变过程中裂隙扩展方向及速率,对分析煤体蠕变损伤状况和预测煤体蠕变破坏位置具有重要意义。

基于连通性阈值分割的煤岩裂隙识别方法

煤岩裂隙发育形态是影响煤岩渗透性、决定煤岩体力学特征的重要因素。针对煤岩裂隙识别过程中存在的复杂结构处理不当、裂隙边界特征保留不足、噪声干扰等问题,提出了一种基于连通性阈值分割的煤岩裂隙识别方法。首先,采用直方图均衡化增强算法和非局部均值滤波去噪算法对图像进行预处理,其次,利用自适应Otsu阈值分割确定预处理后图像的阈值,识别出可能的裂隙区域,应用形态学运算对这些区域进行精细化处理,进一步突出裂隙的边界特征。然后,通过Canny边缘计算提取种子点,以识别图像中的关键特征。最后,基于这些种子点进行区域生长操作,从而有效抑制噪声,并在平滑图像裂隙的同时更加清晰地突出裂隙信息。实验结果表明:①连通性阈值分割的均方误差较自适应Otsu阈值分割和自适应阈值分割分别平均减少了7.20,7.10 dB,连通性阈值分割的峰值信噪比较自适应Otsu阈值分割和自适应阈值分割分别平均提高了0.60,0.59 dB。②连通性阈值分割不仅有效解决了裂隙提取不明显、末端提取效果差及连接处特征消失的问题,而且显著减少了噪声的干扰,使裂隙特征变得更加突出,从而极大地提高了裂隙识别的准确性和完整性。③连通性阈值分割在自适应Otsu阈值分割的基础上,强化了裂隙特征并有效消除了噪声点,平均准确率较自适应阈值分割算法和自适应Otsu阈值分割分别提高了8%和0.8%,达98.9%。

深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟

为减少深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道的变形量和卧底量,降低回采巷道的返修率,以某矿为例,分析采空区下布置回采巷道的矿压显现规律及回采巷道位置参数,并采用FLAC3D快速拉格朗日差分分析法进行数值模拟计算。结果表明:两层煤联合开采的下层位煤层回采巷道,应布置在上层位煤层已经稳定的采空区下;回采巷道与上层位煤体边缘之间的水平距离可通过取其在下层位煤层应力降低区域与下层位煤层小变形区域的取值范围的交集获得。该研究为采空区下回采巷道的位置选择提供了可靠的理论依据。

东保卫煤矿回采巷道围岩松动的特征与支护优化

针对深部回采巷道围岩变形大、控制困难等问题,以东保卫煤矿41号层三采区右-660运输平巷为研究对象,采用深孔多点位移计监测回采巷道变形,利用FLAC3D模拟回采巷道在无支护、有支护、优化支护3种工况下巷道围岩松动特征,并验证方案的可行性。结果表明:巷道掘进后经历了急剧变形、缓慢变形和平稳变形3个阶段,围岩性质属中松动圈Ⅲ类一般围岩;现有支护可改善围岩应力状态,但顶板存在支护过剩,两帮变形大,底角出现了应力集中;优化后的支护充分发挥了围岩的承载能力,两帮收敛速率明显下降,巷道面积缩量降幅达36%,减少了围岩的松动变形,增强了巷道的自稳能力,稳定变形阶段用时缩短了4 d。

不同瓦斯钻孔倾角影响下煤岩单轴抗压强度研究

在工程中,瓦斯钻孔的倾角对煤岩体的强度具有影响,而具有一定倾角的瓦斯抽采钻孔的垂直剖面图多呈椭圆形。为了解决瓦斯抽放钻孔的破坏问题,从而更好的实现瓦斯抽采,控制井下的瓦斯含量,从理论上基于穆斯赫利什维里理论计算出钻孔边界最大应力位置在椭圆长轴边界处;通过数值模拟计算表明:随着钻孔与水平倾角的增大椭圆钻孔边界的最大应力呈线性增长;在实验室利用TAW-2000KN微机控制电液伺服岩石三轴刚性实验机进行钻孔煤样的单轴抗压强度实验,根据得到的实验数据,参考虎克布朗强度准则,利用线性回归的方法,给出钻孔倾角对煤岩体强度的影响公式。

演化博弈下煤矿事故的应急救援能力建设及仿真分析

为提高区域内政府与煤矿企业应急救援协作水平,利用演化博弈理论和数值仿真方法构建政企协作演化博弈模型。研究表明:为实现煤矿应急救援能力协作建设最优,在严格监督协作和积极投入协作的收益大于不严格监督协作和不积极投入协作的收益的条件下,演化结果符合目标。在此约束条件下,适当提高监督惩罚力度、政策约束等会促使双方博弈加快向最优状态演化;投入的协作成本与系统趋于最优决策成反比,在一定程度上,通过提高相互信任度、降低机会主义等可以减少协作投入,达到协作与应急能力建设的最优稳定状态。在此基础上,建议中央有关监督部门加强约束及建立奖惩机制,地方政府和地方煤矿企业在安全技术创新、应急信息共享等方面加大投入。

含瓦斯煤岩体固-气-热耦合数值分析

随着煤矿开采深度的增加,研究煤岩体中多因素相互耦合作用的特点和规律尤为重要。结合所建立的含瓦斯煤岩体的多物理场耦合数学模型,利用COMSOL软件进行数值求解,通过设定一定的物理参数和边界条件构建物理模型,进行多物理场耦合研究。结果表明:在煤壁刚暴露的瞬间,工作面空间瓦斯浓度急剧增大,但随着时间的推移又慢慢变小。瓦斯压力随着载荷的增大而增大,其原因是孔隙率和渗透率随载荷的增大而降低所导致。在瓦斯压力大、透气性低的煤岩体中,瓦斯压力梯度最容易在掘进面附近区域升高,从而造成煤与瓦斯突出的发生。

眼前山铁矿冒落冲击风险评价

为研究眼前山铁矿露天转地下首采分段区域冒落冲击风险,应用应力监测、微震监测、数值分析方法获得了首采分段围岩的开采扰动响应特征,提出了眼前山铁矿冒落冲击风险评价方法。研究结果表明:随着与采场距离的减小,岩体的应力变化量、累计微震事件数逐渐上升,当前的回采活动引起岩体内应力集中区及破裂区的局部贯通;利用应力集中程度、应力集中区范围、应力集中区贯通程度、岩体断裂路径贯通程度4个指标综合量化眼前山铁矿地下首采分段区域冒落冲击风险为低等级。

温度影响下油页岩动力学参数的实验研究

温度影响下的力学参数变化对油页岩原位开采具有显著影响。利用岩样超声波速测试系统,实验分析了油页岩在温度作用下动弹性模量、动泊松比的变化规律。结果表明:在温度作用下,油页岩动弹性模量变化符合Boltzmann函数关系,动泊松比的变化符合线性函数关系。油页岩力学性能的变化在垂直层理方向上主要由热破裂导致,在平行层理方向主要为热解导致。

倾斜薄煤层开采工作面覆岩活动的规律

为解决倾斜薄煤层顶板控制技术难题,以东风煤矿倾斜薄煤层开采为背景,运用RFPA2D软件,建立数值模型,分析不同倾角下薄煤层工作面覆岩活动规律及顶板失稳特征。结果表明:倾斜薄煤层开采后,直接顶从采空区中部偏上向采空区弯曲,最后发生断裂破坏形成冒落带,顶板冒落沿层面向下滑动,冒落呈不对称形状;倾斜薄煤层工作面煤体上段顶板压力最大,下段次之,中段最小;随着煤层倾角的增大,顶板沿煤层倾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力减小,导致工作面推进方向的工作面矿压显现逐渐变缓,顶板下沉量也将变小。该研究为类似地质条件的倾斜薄煤层工作面顶板控制提供了理论依据。

含孔洞砂岩的力学特性及声发射实验研究

为了探究含孔洞缺陷砂岩的力学特性及声学特征,利用声发射监测技术,实验研究孔洞直径、孔深、数目和相对位置对微裂纹扩展延伸路径的影响,探索声发射振铃计数与缺陷形式之间的关系。结果表明:在砂岩加载过程中,随着孔径和孔深的增加,声发射信号在逐渐减弱;孔洞数目的增加,达到最大声发射振铃计数所需时间更短;竖直布置的孔洞相较于水平布置的孔洞,声发射振铃计数更加密集;孔径、孔深、孔数及孔位均会改变微裂纹发育过程、振铃计数演化规律和破坏后的形态。该研究有助于围岩稳定性控制。

固-热-气耦合作用下含瓦斯低透煤的渗流规律

为防治煤与瓦斯突出灾害,利用自行研制固-热-气耦合真三轴装置,系统分析了不同温度场、主应力场、瓦斯压力和卸载速度对含瓦斯煤渗流特性的影响,建立了渗透率与各因素的定性与定量关系,深入剖析了各种卸载路径下含瓦斯煤渗透特性的变化规律。结果表明:卸载前后,含瓦斯煤渗透率随着温度和水平方向应力的增加均呈负指数的变化趋势,且卸载过程对渗透率影响逐渐降低。随着瓦斯压力的增加,渗透率呈"V"字型变化,且加卸载渗透率变化量很小。不同卸压速度下,加载时,渗透率基本保持不变;卸载时,含瓦斯煤渗透率随着卸压速度的增加呈现Gauss函数变化趋势,可分为降低区、稳定增长区、减速增长区和稳定区四个区间。综合分析得到了在复杂应力路径下卸荷煤样渗透率定量公式。

不同直径孔洞人造缺陷对煤样损伤破坏影响的实验研究

为研究孔洞直径对煤样损伤破坏的影响,构造了完整及单孔10、20、30 mm煤样,从孔洞煤样的力学性质、破坏特征、能量转化三个角度对不同直径煤样的力学性质和损伤演化进行了分析,同时运用声发射监测技术,分析了加载过程中的声发射特征变化。结果表明:孔洞缺陷劣化了煤样的峰值强度,随着孔洞直径增加,煤样的强度逐渐降低,破坏方式由张拉和剪切混合破坏逐渐向剪切破坏转化;孔洞煤样输入的总能量小于完整煤样,随着孔洞直径增加,输入能量逐渐降低,耗散能占比逐渐增加;孔洞煤样的声发射活动小于完整煤样,随着孔洞直径增加,煤样声发射活动减少,峰值时刻的振铃计数减小。

煤矿矸石山边坡失稳的滑动位移

针对煤矿矸石山失稳滑坡问题,基于块体滑动分析法,提出了煤矿矸石山滑坡机理模型。该滑坡模型由两个滑动块体构成。假设滑动体为纯摩擦性材料,滑动过程中体积不发生变化。根据边坡安全因子,选取实际煤矿矸石山的相关参数,计算初始边坡安全因子和滑动过程中的块体位移。利用滑动块体安全因子和块体滑移位移可以反演分析任一时刻滑动块体的剪切强度,表明该方法分析煤矿矸石山边坡失稳的可行性。