新型能源体系发展背景下煤炭清洁高效转化的挑战及途径

当今世界地缘政治风险加剧、气候环境问题凸显,能源转型变革加快。在此背景下,构建更加适应形势变化的能源体系对提高我国能源供应系统的可持续性及安全稳定性意义重大。目前我国化石能源仍占据主体地位。油气资源存在能源安全问题及新能源技术水平有待提升,中国短期内对煤炭能源仍将保持较高依赖性。因此,推进煤炭清洁高效转化对于新型能源体系的构建具有重要意义。首先对新型能源体系的具体内涵与构建方向展开讨论,并在此基础上,对新时代中国煤化工产业的发展现状以及面临的机遇与挑战进行了阐述,以期为煤炭的清洁高效转化技术的进步及煤化工产业的未来发展提供建议。新时代要求赋予新型能源体系更多的内涵。因此从战略上看,未来能源体系应具备“安全高效、清洁低碳、多元协同、智能普惠”多个特征,这也对煤炭产业的清洁高效发展提出了更高的要求。我国的煤炭清洁高效转化已取得显著进步,但多个关键技术仍亟待突破。结合煤炭产业转型发展与“双碳”目标关系的系统性认识,在新型能源体系建设的需求下,推进煤炭清洁高效转化对于社会经济发展、助力“双碳”目标实现具有重要意义,其关键在于加强该领域相关学科专业的基础研究和煤炭清洁高效转化技术的创新开发。

高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体,含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填,这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发,利用太原理工大学自主研制600℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽山花岗岩母岩(Ⅰ类花岗岩)、热液充填体(Ⅱ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面横向贯通试样花岗岩(Ⅲ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面纵向贯通试样花岗岩(Ⅳ型花岗岩)等4类花岗岩高温(500℃)高压(20 MPa围压)条件下的热力学特性。研究得出4类花岗岩热膨胀系数随温度升高可分为低温缓慢波动段、中低温快速增加段以及中高温快速减小段3个阶段。4类花岗岩弹性模量随温度升高先缓慢增加后快速降低,溶蚀孔隙结构以及低键合强度矿物的存在导致热液充填体弹性模量最低。此外,得出裂缝充填花岗岩体内原生裂缝闭合的临界温度大约为200℃;胶结界面附近充填体恢复弱面结构特性的临界温度为250℃左右。最后,得出了4类花岗岩高温高压条件下的破坏形式。裂缝充填花岗岩体内的母岩粗晶粒边界处、热液充填体溶蚀孔隙处和胶结界面处极有可能会在水力压裂建造储层过程中形成大范围高效导水通道,为干热岩地热开采储层建造理论和技术提供新的思路。

胺功能化沸石吸附剂载体的结构性质对CO_(2)吸附性能的影响

为了探究胺功能化沸石吸附剂载体的结构性质对其CO_(2)吸附性能的影响并进一步探索出低成本制备高效CO_(2)吸附剂的有效方法,采用不同的后处理方法对MCM–41沸石的孔道结构进行改造,并将四乙烯五胺(TEPA)负载在这些沸石上制备胺功能化吸附剂。利用N_(2)吸脱附、扫描电镜、X射线衍射、红外光谱等方法对沸石载体进行表征,并利用热重分析仪(TGA)对吸附剂的吸附性能进行评价,系统研究了载体的结构性质、活性胺负载量以及吸附温度对CO_(2)吸附性能的影响,计算了吸附剂的吸附动力学和吸附活化能。最后,通过循环吸脱附实验评估了吸附剂的稳定性。结果表明,通过合理设计载体的结构,可以有效提升基于不同吸附原理的吸附剂的CO_(2)吸附性能。微孔沸石对物理吸附过程更有利,而具有宽孔径分布的多级介孔沸石则比微孔沸石在负载TEPA后表现出更好的化学吸附性能。在80℃和15%(体积分数)CO_(2)条件下,经结构改造并负载TEPA的吸附剂(M–N−T60)的最大吸附容量达到4.04 mmol/g。10次吸脱附循环后,其吸附容量仅下降8.4%,表现出良好的循环稳定性能,这表明M–N−T60为一种有望应用于烟气中CO_(2)捕集的吸附材料。

松软厚煤层区段煤柱剪切滑块运动机理及协同控制技术

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围及应力分布规律,揭示煤柱侧帮剪切滑块运动机理,提出煤柱稳定性协同控制对策并在现场进行工程实践验证。结果表明:①采用极限平衡理论与叠加理论,确定了煤柱剪切滑块运动范围及煤柱垂直应力分布规律,阐明煤柱剪切滑块安全系数分布规律:0~1.26 m深度,煤柱上部安全系数较小;在1.26~3.95 m处,煤柱中线部分大面积安全系数较小,易受顶板来压破坏。②提出了1种以“注浆加固—锚索强化—切顶卸压”为主体的区段煤柱协同控制技术,煤柱侧裂隙较无支护条件及原支护条件分别减少62.89%和46.26%,巷道围岩完整性大幅提高,形成了强承载结构,有效控制了煤柱变形及底臌。③根据松软厚煤层区段煤柱条件,合理确定了协同控制设计参数,并对煤柱防控效果进行试验监测评估。现场试验结果表明,煤柱裂隙得到充分填充,注浆后煤体强度提高63%以上;巷道位移、锚杆索受力、离层等均在可控范围,表明协同控制技术明显提高了煤柱承载力,回采巷道围岩变形得到有效控制,为工作面安全高效开采提供了空间保障。

鄂尔多斯盆地北部直罗组地下水地球化学特征及其指示意义

煤矿水害是陕北侏罗纪煤田的主要灾害,直罗组地下水是主要突水水源之一。为研究鄂尔多斯盆地北部直罗组地下水地球化学特征及其指示意义,借助Durov图、Piper三线图、Gibbs图、Stiff图以及主成分分析等手段,深入研究直罗组地下水地球化学特征,阐释其对直罗组与上覆含水层之间水力联系及地下水径流条件的指示意义。结果表明:自西部正常基岩区至东部风化基岩区,直罗组地下水pH以及TDS、K^(+)+Na^(+)、SO_(4)^(2-)、Cl^(-)质量浓度均呈现出逐渐减小的趋势。直罗组地下水水化学类型存在一定差异,西部直罗组埋藏较深区域,地下水水化学类型以SO_(4)-Na型、SO_(4)·Cl^(-)Na型和HCO_(3)·SO_(4)-Na型为主,向东至直罗组基岩风化区,地下水类型过渡为HCO_(3)-Ca型和HCO_(3)-Ca·Mg型等。直罗组地下水水化学形成受岩石风化作用、交替吸附作用、脱硫酸作用以及溶滤作用的控制。氢氧同位素和水化学特征对含水层之间水力联系具有明显的指示作用,氢氧同位素、典型钻孔地下水水化学离子浓度和区域地下水水化学特征分析表明,研究区西部直罗组正常基岩地下水与洛河组、萨拉乌苏组地下水基本不存在水力联系;东部直罗组风化基岩与萨拉乌苏组地下水水力联系紧密。卤族元素Cl^(-)对直罗组地下水径流条件指示作用明显,研究区西部直罗组正常基岩地下水径流滞缓,地下水以静储量为主;而在基岩风化区,由于直罗组风化基岩孔隙、裂隙发育,储水性和渗透性明显增强,并与第四系地下水发生了强烈的混合作用,地下水径流强度大,地下水以动储量为主。

冲击地压矿井充填工作面超前采动应力对充填体充实率的反馈机制

高应力是深部矿井冲击地压灾变频率走高的主要原因,充填开采则是控制岩层运动,缓解采动应力集中程度,降低围岩破坏和冲击风险的有效手段。为研究采空区充填体对超前采动应力的控制能力,以山东古城煤矿1123充填工作面为工程背景,采用理论分析、室内试验、现场实测手段探究充填开采工作面采动应力分布规律,揭示超前采动应力对充填体充实率的反馈机制,指导冲击地压矿井充实率确定。结果表明:工作面开采初期充填体充实率低于80%,坚硬顶板下沉量大,超前采动影响范围大于30 m,应力集中系数达到1.5,断层影响区采动应力影响范围和集中系数分别增至60 m和1.65,片帮冒顶等围岩失稳现象增多;实测了采空区充填体承载应力全程动态演化特征,承载应力分布曲线划分为“快速降低—短暂稳定—快速升高—缓慢降低—二次稳定”5个阶段,低充实率条件下采空区上、中、下3个区域承载应力稳定值分别为1.9、5.2、2.8 MPa;将采空区充填体划分为非充分压实区和充分压实区,构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型,得到了坚硬顶板“ʅ”型沉降曲线,非充分压实区范围随充实率近似呈线性减小;试验得到充填体弹性模量和单轴抗压强度随凝固时间的演化曲线,结合顶板沉降曲线和推进速度得到工作面前后采动应力全区域分布曲线;建立了超前采动应力集中程度与充填体承载能力的负指数函数关系,揭示了超前采动应力对充填体充实率的负向反馈机制,实现充填开采降载防冲效果的定量评价;提出了充填体充实率“三位一体”协同提升措施,将1123工作面充实率升高至90%,增强了充填体承载能力,超前采动应力集中系数降至1.3,厚顶煤膨胀变形量减少至50 mm,坚硬顶板破断致冲风险显著降低。

“冲击地压与岩石动力学”专题特邀主编致读者

习近平总书记指出“在相当长一段时间内,甚至从长远来讲,我国还是以煤为主的能源格局”。近年来,由于中美贸易摩擦、俄乌冲突等不确定因素,我国能源安全面临巨大风险,煤炭作为安全能源的地位不可替代,是支撑国民经济持续高速发展的能源基础。我国1000 m以深煤炭资源占比超过50%,全国多数产煤区已经进入深部开采,包括晋、陕、蒙等先进产能区,平均每年开采深度增加8~10 m,目前我国最深煤矿已达1500 m。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭,向深部要资源是保障我国能源资源安全的必然选择。

典型农林类生物质热解油裂解反应特性对比及其动力学研究

为提高生物质热解油的利用效率,探究生物质热解油在提质转化过程中的热解特性,进一步拓宽生物质热解油的利用途径,选取2种木质纤维素类生物质热解油作为研究对象,采用热重分析仪分别考察2种生物油的热解行为。选用Friedman法、FWO法2种等转化率方法求取生物质热解油整体热解反应的动力学参数,选用分布活化能模型(DAEM)法将生物质热解油热解过程分为轻质组分和重质组分2种虚拟组分热解过程,并求取2种虚拟组分热解的动力学参数。2种生物油的轻重组分含量差异导致2者的热解行为表现出不同特征,木屑热解生物油的最大质量变化速率对应温度和热失重反应结束温度均高于稻壳热解生物油。Friedman法计算所得2种生物油的活化能分别为89.92、145.98 kJ/mol,FWO法计算所得2种生物油的活化能分别为90.30、138.44 kJ/mol,2种方法计算结果具有较好的一致性;木屑热解生物油的平均活化能(142.21 kJ/mol)高于稻壳热解生物油(90.11 kJ/mol)。进一步采用DAEM方法将2种生物油热解过程分别分为轻质组分热解和重质组分热解,两组分DAEM方法动力学计算结果表明稻壳热解生物油和木屑热解生物油轻质组分的活化能(79.03、85.00 kJ/mol)小于重质组分的活化能(158.56、160.00 kJ/mol)。2种动力学方法计算结果表明生物油热解过程中轻质组分降低了生物油整体的活化能,2种动力学计算方法综合使用有利于对生物油的热解反应形成更为全面的认识。

基于高温除尘的燃煤烟气多污染物协同控制模拟及运行优化

针对燃煤电厂烟气中飞灰易导致除尘器、空气预热器产生堵塞等问题,以山西某410 t/h燃煤锅炉为研究对象,提出一种基于高温除尘技术的燃煤烟气污染物处理路线,研究SCR前置高温除尘器对烟气处理系统流程的压降影响,确定各设备的最佳运行参数。利用Aspen Plus模拟软件,通过相关模块的组合搭建构建相关模型对烟气流经高温除尘器、SCR、臭氧氧化、氨法脱硫等烟气处理工艺进行模拟并进行技术经济性分析,同时利用工程试验数据对模型进行验证,通过灵敏度分析功能研究设备运行参数对污染物排放特性的影响。研究结果表明:系统中采用高温除尘器能够有效缓解SCR装置堵塞问题,显著降低流程压降、减少引风机功耗;SCR脱硝装置在320~350℃、氨氮摩尔比在1.0~1.1模拟运行时脱硝效率最佳;采用臭氧前置氧化时应控制O_(3)/NO摩尔比在1.05左右;进入脱硫塔的烟气温度过高不利于烟气中SO_(2)的吸收,进而导致脱硫效率降低;高温除尘器分离的高温灰热量损失是系统中[火用]损的主要原因,因此通过高温灰热量的高效利用可提高能源利用率。模型模拟结果与实际运行结果相吻合,两者相对误差<7%,准确度较高,为基于高温除尘技术的多污染物协同控制优化和能效评价提供理论支持和运行指导。

复配-等离子体协同制备低阶煤捕收剂

浮选药剂是实现低阶煤高效浮选的关键。以传统药剂为基础进行化学改性制备低阶煤高效捕收剂是近期的研究热点。等离子体处理具有反应时间短、环境友好、效率高的优点,工业化前景广阔,但在处理单一成分捕收剂存在着药剂消耗较高的问题。基于此,提出以常规浮选药剂为基础,采用复配-等离子联合的方法制备出了低阶煤新型捕收剂。以我国典型动力煤为研究对象,采用浮选试验、GC-MS、XPS、FTIR、量子化学计算研究了新型浮选药剂的浮选效果、化学结构及与煤泥的作用机理。结果表明:以十二烷与仲辛醇80∶20质量比复配,采用等离子体处理10 min制备的新型捕收剂时,在用量2.5 kg/t的条件下获得了精煤产率、可燃体回收率分别为55.32%、64.81%的良好指标,较处理前精煤产率提升了15%,药剂用量降低了50%以上。常规复配浮选药剂在等离子作用下发生直接氧化、产生烷烃自由基、交联等一系列复杂化学反应,生成由药剂原始成分,十二醇、酮,长链含氧基团有机物组成的复杂混合物。长链含氧有机物与煤泥表面吸附能在54 kJ/mol以上,能有效覆盖于低阶煤亲水位点,显著改善了药剂的捕收性能。吸附药剂后,煤泥表面C—C/C—H含量相较原煤提高了7.41%,O元素质量分数降低了2.61%,疏水性大幅提高。

新型NPR锚杆支护系统抗动力冲击试验研究

为应对深部洞室开挖过程中可能出现的高应力岩爆、冲击地压及外部爆炸等动力冲击作用下造成的洞室围岩非线性大变形,何满潮院士研究团队研发了具有均匀大变形、颈缩明显消失、屈服平台消失等实验现象的2G-NPR(Second Generation Negative Poisson’s Ratio)锚杆新材料,并在此基础上,形成了2G-NPR锚杆支护工程岩体的刚柔性结构系统大变形控制技术。为了深入研究爆炸强冲击作用下2G-NPR锚杆支护工程岩体的整体动态响应规律及力学行为,后续将其应用于国防和人防工程中。在爆炸试验现场研究了爆炸冲击波在花岗岩中的衰减模型,确定了爆炸所需的装药参数,获得了PR锚杆支护复合结构和2G-NPR锚杆支护复合结构洞室的支护参数;对比研究了在爆炸冲击过程中2种不同支护体系中拱顶峰值压力、拱顶拱肩拱底加速度、锚杆轴力以及围岩的动力学响应和相互作用规律,揭示了不同支护洞室的抗冲防爆特性及其破坏模式。研究结果表明:2G-NPR锚杆能抵抗更强的平面冲击载荷,能量吸收分摊比例占比高,在地下防爆支护中具有显著能量吸收特征,能够起到传统锚杆支护无法比拟的支护效果。此外,针对地下洞室开挖引起围岩应力状态的改变,提出洞室开挖应力补偿理论,并得到了锚杆锚固端各应力分量和位移分量的理论解,为后续洞室支护研究提供理论参考。

坚硬顶板复合爆破定向造缝技术及工程应用

造缝切顶是改变坚硬岩层破断运移规律,进而控制采场强矿压的有效手段。为了实现定向、弱扰动、大间距的造缝切顶,开发了一种坚硬顶板复合爆破定向造缝技术。在系统性的介绍该技术关键设备——高能射孔枪的结构组成的基础上,分析了复合爆破定向造缝切顶的工艺流程;基于AUTODYN数值计算软件,阐明了基于聚能射流和高压劈裂的复合爆破定向成缝机制;采用LS-DYNA软件构建了聚能射流及高压劈裂数值模型,优化了射孔弹尺寸及助推剂用量;开展了坚硬顶板复合爆破定向造缝地面实验,揭示了相邻孔间裂缝扩展延伸特征,验证了射孔弹尺寸和助推剂用量的合理性;在塔山煤矿8311工作面进行了坚硬顶板复合爆破造缝切顶工业实验,监测了8311工作面推进过程中2312临空巷道煤柱不同深度的垂直应力峰值,得出如下结论:(1)复合爆破技术定向造缝机制是聚能射流冲击岩石侵彻面上形成的压力远大于岩石的强度,造成岩石发生破碎,形成定向孔道;二次爆燃产生的高压气体进入射孔孔道内,在“气楔”作用下沿着孔道形成连续平整的裂隙面。(2)在射孔弹口径为40 mm、助推剂为4片时,复合爆破定向造缝技术可以实现1.5 m钻孔间距下中粒砂岩层劈裂。(3)现场实测表明,在采用复合爆破定向造缝技术后临空巷道煤柱的垂直应力峰值平均降低31%,有效的控制了巷道矿压。

基于大气散射模型的采煤工作面尘雾图像清晰化算法

煤炭开采过程中产生了大量粉尘、水雾等悬浮颗粒,导致图像出现低照度、高尘雾且分布不均匀等降质现象,现有的图像清晰化方法处理效果不理想。提出一种基于大气散射模型的采煤工作面尘雾图像清晰化算法,解决了复杂采煤环境下模型参数(环境光值和透射率)估计不准问题。主要包括3个部分:根据采煤图像尘雾浓度分割图像区域;估计各区域的环境光值与透射率;融合区域参数后,基于大气散射模型恢复清晰图像。首先,通过分析采煤工作面尘雾分布特征,依据图像通道差异、亮度等信息,将采煤工作面尘雾区域分割为浓雾区域和非浓雾区域。然后,采用Max-RGB方法估计出尘雾图像初始光照图,为更好的保留尘雾图像结构信息和边缘信息,对初始光照图进行精细化处理,并利用精细化光照图分别计算出两区域的环境光值;在浓雾区域,依据尘雾浓度及分布特点,采用优化的颜色衰减模型,估计出浓雾区域的透射率;在非浓雾区域,利用暗通道先验以及该区域环境光矩阵,计算出非浓雾区域透射率。最后,对不同区域的环境光矩阵及透射率矩阵进行Alpha融合,并利用引导滤波在保留图像边缘信息的同时对融合过程产生的噪声进行抑制,得到全局的环境光和透射率,代入大气散射模型恢复低照度尘雾图像。为验证本文提出算法的有效性,选取了具有代表性的算法进行对比,试验表明提出算法能有效降低图像中雾的浓度,改善图像照度,保留图像边缘信息,总体性能更佳。

基于纳米压痕的煤岩微观力学特性及其影响因素剖析

煤岩微观力学特性与宏观力学特性关系密切,是剖析宏观力学性质机理的关键指标,也是影响煤层气压裂开采的重要因素。现阶段煤岩微观力学特性研究局限于力学参数表征与现象描述,演化机制及影响机理方面的研究较为缺乏。以我国不同变质程度煤岩为研究对象,通过以纳米压痕实验为主,低温液氮与原位激光拉曼测试为辅的手段,实现了纳米压痕实验关键参数优选,并明确了煤岩镜质组与惰质组微观力学特性及其主控因素。研究结果表明:(1)预实验结果显示,低载荷、小量程下,最大压入深度在1 000 nm左右(对应峰值载荷约为9 mN)的参数设定较为适合煤岩镜质组和惰质组的纳米压痕实验;(2)煤岩惰质组的弹性模量和硬度均普遍高于镜质组,且同一煤样中不同位置显微组分的弹性模量和硬度相近,说明在局部范围内煤基质显微组分的微观力学性质分布具有一定相似性;(3)煤岩显微组分和成熟度通过控制孔隙结构与化学结构以“一主一辅”形式共同影响其微观力学性质,即镜质组微观力学强度随煤化程度加深先升后降再升,下降段主要受因气孔增多导致的孔隙结构变化影响,上升段化学组分和结构为主控因素;惰质组的微观力学性质随煤岩成熟度升高持续增加,始终以受化学组分和结构控制为主。煤岩微观力学性质研究可广泛运用于微观尺度下的煤基质变形机制分析、水力压裂过程中微裂缝的产生与拓展探究以及开发有利区优选。

煤基功能碳材料的合成及储能应用

煤及其热加工转化的衍生品煤沥青等是重要的化工资源,基于分子化学工程的技术方法和多维碳材料工程的新理念,发展煤基功能碳材料是实现煤炭资源清洁高效高值利用的有效途径。煤炭及煤沥青在分子层面呈现稠环芳烃特性,可通过物理外场(微波、等离子体等)强化作用,利用分子化学裁剪、杂化改性、界面组装等技术手段,实现零维、一维、二维和三维煤基功能碳材料的可控合成,将推动煤基功能碳材料的储能应用。介绍了煤及其热加工转化衍生品的来源、种类及理化性质,系统总结了数种煤基功能碳材料如碳点、炭纤维、碳纳米管、石墨烯、炭纳米片、多孔炭、炭气凝胶、泡沫炭等的制备方法及优缺点;重点介绍了硬炭、软炭、多孔炭、杂原子掺杂炭等煤基功能碳材料的储能应用,突出了碳层取向调控、杂原子掺杂、限域空间构筑等技术策略在提升碳材料离子存储性能方面的重要作用;介绍了煤基功能碳材料与过渡金属或过渡金属化合物有机耦合制备复合材料的方法,诠释了煤基碳源之性质与高容量且体积变化明显的碳电极材料之结构性能间的本征构效关系;讨论了煤基功能碳材料面临的可控度低、前驱体分子结构演变复杂、合成方法优化等问题。基于分子化学工程理念及过程强化技术的发展,讨论了煤基功能碳材料的未来发展方向。

微米CT扫描尺度下构造煤微裂隙结构特征及其对渗透性的控制

煤中裂隙是煤层气运移的主要通道,是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。我国构造煤普遍发育,不同类型构造煤中裂隙特征差异显著,对煤储层渗透性的影响也不一样。因此,对构造煤中裂隙与渗透性的研究十分必要。选取河南平煤十三矿和山西晋城胡底矿中、高煤阶的2种变形程度构造煤,首先利用环氧树脂制作了柱状构造变形煤样品,解决了构造变形煤制样难的问题;其次通过扫描电镜、微米CT扫描结合数字图像处理技术展现了2种构造煤中开度大于15μm裂隙的发育特征、分布规律、形态与结构的差异性;最后基于泊肃叶定律、三轴渗透实验结合CT扫描裂隙结构参数建立了渗透率预测模型,并探讨了裂隙结构对渗透性的控制机理。研究结果表明,在开度>15μm尺度下弱构造变形煤(偏向原生结构煤)多发育形态简单的大裂隙,裂隙连通性与连接强度均较差,而强构造变形煤中微裂隙形态复杂,裂隙的连通性与连接强度均较好,强构造变形煤的裂隙率大于弱构造变形煤。2种构造煤渗透率随有效应力增大均呈负指数下降趋势。煤储层渗透率受多因素综合控制,包括裂隙开度、数量、体积、连通性与连接强度,其中裂隙开度的影响最为显著。在此基础上,综合考虑到这些控制渗透率的因素以及裂隙分形维数与粗糙度建立了管状裂隙渗透率预测模型,并验证了该模型在此尺度下预测渗透率的准确性和适用性。

深井煤巷帮部围岩剪切滑块理论及防控策略

针对深井煤巷围岩持续大变形诱发剪切破坏难题,建立了深井煤巷围岩剪切滑块理论力学模型并推导出剪切滑块安全系数,揭示了围岩剪切滑块运动破坏机理。采用极限平衡分析精确解法确定了剪切滑块安全系数数学模型,得出在煤体固有力学特性条件下,黏聚力对巷帮煤体剪切滑块安全系数的影响最大,呈正向线性关系;安全系数随巷高增大而呈指数降低。依据剪切滑块理论模型,以城郊矿深部煤巷为研究背景,采用UDEC软件分析了巷高、黏聚力、节理裂隙及支护方式对剪切滑块运动的影响规律。结果表明:①受采动影响,巷道两帮煤体形成共轭剪切面,出现剪切滑块运动,巷高越大,黏聚力越小,巷道越不稳定;②对于节理发育巷道,裂隙上盘破坏较下盘大,倾角越大时巷道帮鼓越严重,当节理倾角为65°时,帮部剪切滑移块体位移达到0.78 m。裂隙中下部张开,采用锚杆支护时易出现锚杆剪切破坏致使支护失效;③采用帮部斜拉锚索后,有效抑制了裂隙张开,正常发挥了锚杆锚固效果,有节理侧帮部仅鼓出0.14 m。较无支护和使用普通锚杆锚索支护分别减少了83.1%、75.4%,证明增设斜拉锚索对帮部围岩有较好的控制效果。基于剪切滑块理论模型,提出了“防裂-减隙-止滑”协同控制策略,即表层、浅部使用高强高预应力锚杆索及金属网等构件加强支护防止围岩起裂,深部使用注浆改性技术减少围岩裂隙,在严重失稳局部使用斜拉锚索抑制剪切滑块运动,从而使深井煤巷破碎围岩区形成复合承载结构,有效抑制巷道围岩变形。研究成果为深井煤巷围岩稳定性控制提供有益参考。

基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用

煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素,为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律,开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成。该试验系统的主要创新如下:①加载系统中增加开挖装置,可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低,当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏;②加载系统中设置了气囊式蓄能器−油缸的复合液压弹簧储能装置,可在静力加载过程中完成能量的储存;③设置了一种变刚度加载装置,系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置;④试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现,使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能。通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验,验证了该模拟设备的准确性和可靠性,初步试验结果表明:低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏,煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通,破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态。冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿,致使煤柱承载能力大幅度降低。该试验系统从加载储能及刚度角度出发,可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程,为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台。

突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

我国煤层具有地应力大、渗透率低、瓦斯压力大、瓦斯含量高等特点,煤与瓦斯突出灾害严重。因此,需采取有效瓦斯治理措施,而单一井上瓦斯抽采技术容易出现抽采盲区,导致抽采效果不佳;单一井下瓦斯抽采技术工程量大、周期长,难以在短时间实现煤层消突。通过将井上与井下瓦斯抽采技术相互联合,实现井上下联合防突,是保障煤炭安全开采的关键技术之一。而在煤层群矿井中,需针对煤层间距离的远近采用不同的井上下联合防突模式,实现煤层群快速消突。对此,基于井上与井下联合抽采瓦斯技术优势,阐明了井上下联合防突“时空转换-优势互利”的内涵。井上地面井长时间、广覆盖抽采瓦斯实现煤层降突,换取井下作业空间,实现“时间换空间”;井下钻孔在井下作业空间内,精准抽采目标区域瓦斯实现目标区域快速消突,缩短目标区域消突时间,实现“空间换时间”,提升煤层瓦斯治理效果。针对近距离煤层群层间采动影响大等特点,提出了近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。针对远距离煤层群采动卸压范围小等特点,提出了远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的强化卸压、递进消突。自主研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术,并以沙曲一矿与朱集西矿作为近远距离煤层群矿井典型案例进行应用效果分析。应用效果表明:在近距离煤层群沙曲一矿中释放抽采达标煤量约80万t,高效抽采瓦斯量约420万m^(3)。远距离煤层群朱集西矿中井下钻孔工程量减少约60%,抽采达标时间缩短约40%。

瞬变电磁共中心零磁通线圈研制与试验

基于小尺度共中心线圈的瞬变电磁方法因施工便捷、快速且对低阻体敏感等优点,而被广泛应用于矿山、交通、水利等领域的工程地质探测。但理论与实践表明,该方法实测早延时信号明显失真,所计算的视电阻率值严重偏离实际,从而造成该方法对浅层地电信息的探测能力缺失,存在勘探盲区。为克服该技术缺陷,首先重建了共中心观测方式下仪器记录的瞬变场信号,基于理论分析研究了接收系统暂态过程和一次场对瞬变场观测信号的影响特征。结果表明,接收系统暂态过程和一次场是引起早延时数据失真的2个原因;与前者相比,后者对瞬变场有效分辨时间滞后的影响更大,为关键因素。同时指出在调制接收系统阻尼匹配情况下,进一步消除一次场干扰是减小勘探盲区的有效途径。基于此,考虑到发射线圈内、外磁场极性相反的特点,建立了共中心零磁通线圈的绕制方法,明确采用内、外接收线圈串联的方式可实现接收线圈内一次场总磁通量趋向于零(即零磁通);并通过公式推导,给出了内、外接收线圈匝数比的理论计算方法。现场试验结果表明:(1)内、外接收线圈匝数比的理论值较为可靠,但因线圈绕制存在误差,实际中还需结合线圈实测信号特征进行修正;(2)与中心线圈相比,所绕制的零磁通线圈受一次场干扰明显减小,瞬变场有效分辨时间大幅前移,早延时信号得到高度保真;在此基础上,通过增加内、外接收线圈匝数,可有效改善晚延时数据信噪比;(3)与中心线圈相比,零磁通线圈实测数据对试验区浅层地电信息的分辨能力明显增强,较好地解决了瞬变电磁方法存在浅层勘探盲区的技术难题,体现了零磁通线圈的可靠性和优越性,可为实际探测提供装备支撑。