基于应力梯度理论的锚杆合理预紧力

巷道围岩的稳定性不仅与岩体强度有关,还与围岩应力场梯度密切相关。为研究锚杆在巷道围岩支护中合理支护强度的确定方法,在特定的地质条件中提出合理的预紧力,以连续损伤力学模型为基础并引入材料力学领域中的应力梯度理论,推导出了考虑围岩塑性区与弹性区交界面处的平衡方程和边界条件,建立了基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则以及Hoek-Brown准则下的围岩应力梯度求解模型;以Mohr-Coulomb准则为例,借助FLAC3D对比出模拟结果与理论计算值吻合度为93%且变化趋势一致,验证了提出的应力梯度求解方式适用性,发现随着锚杆预紧力的增加,巷道围岩的塑性区应力梯度相应增加,弹性区应力梯度不断减小,岩体劣化程度减弱。提出应力补偿系数,模拟计算出不同锚杆预紧力下巷道围岩应力梯度分布规律和支护效果,发现预紧力的变化与巷道围岩的锚固效果呈正相关趋势,塑性区范围随预紧力的增加不断减小,围岩稳定性随应力梯度的增加不断提高,并据此得出了锚杆预紧力与围岩应力梯度的对应补偿关系并提出最优补偿比。在现场实践中对巷道变形控制效果提高40%以上,并且应力梯度补偿系数高于0.65,高于该矿围岩变形安全控制要求,为确定锚杆合理支护强度提供了一种研究思路。     

智能化露天矿的核心概念与建设战略

从信息论、系统论、控制论角度,对智能化露天矿的概念与定义进行了阐述,提出智能化露天矿的核心在于基于信息技术获取量化数据的规律,并据此做出科学决策、进而对大系统进行精准的控制.针对传统的露天矿信息化建设工作中“信息化、数字化、自动化、智能化”等关键术语给出了定义,对其逻辑关系进行了剖析.提出露天矿“数字化、自动化、智能化”同步建设原则,归纳了各阶段主要建设内容.提出智能化露天矿建设应采取“应用一代、布局一代、探索一代”的发展战略,当前矿山企业在整体投入比重上,要确保“应用一代>布局一代>探索一代”.     

页岩气吸附量校正及其吸附性影响因素

为探究页岩矿物组分、孔隙结构及其分形维数对页岩吸附特性的影响,开展龙马溪组、五峰组以及延长组页岩总有机碳(TOC)含量测试、X射线衍射(XRD)测试、低温N2吸附测试,CH4等温吸附实验,基于吸附相体积Va恒定、吸附相密度ρa恒定2种方法对页岩气绝对吸附量进行了校正,并采用Langmuir模型对绝对吸附量进行了拟合,在...     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想

温和氧化解聚作用下,低阶煤(褐煤、长焰煤)可高效生成高值化学品,同时煤体多尺度流动能力显著改善。针对我国低阶煤资源丰富与煤层中赋存巨量天然气的地质背景,结合低阶煤化学性质特点,提出了基于原位氧化改性的深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想,从氧化解聚制备羧基化学品方法、氧化改性提高煤层气采收率机理、共采技术模式、地质及工程有利条件等4方面论证了该技术可行性。调研总结发现：低阶煤具有丰富的含氧官能团(如羧基—COOH和酚羟基—OH)和侧链,为氧化解聚制备高值化学品(如羧酸)提供了关键前体结构;过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂,在低温(<100℃)、常压条件下,温和氧化解聚低阶煤可高效、低成本制备羧基化学品,实现低阶煤非能源化高值利用;氧化解聚反应对低阶煤具有明显的氧化改性作用,主要表现为煤表面对甲烷的吸附能力减弱、水的疏水性增强、形成溶蚀孔与微裂缝,并可原位生成CO₂,从而增加了煤层气解吸-渗流能力。围绕深部低煤阶煤层气井高效增产改造需求与枯竭煤层气井二次利用,设计了单井压裂-溶浸开采(采气为主)与群井压裂-溶浸开采(采高值化学品为主)2种技术模式。前者通过注...     

中国废弃煤矿压气蓄能潜力与初步可行性研究

随着中国化石能源比重下降、无碳能源比重上升的能源清洁化的结构转型,井下废弃矿井数量增多,同时风能和太阳能（WS）得到迅速发展,但资源利用率却很低。为了提高资源化利用率和加快转型升级,提出了一种结合风能和太阳能的混合压缩空气蓄能（CAES）系统,并将井下废弃矿井作为压缩空气的储能空间。首先,根据太阳能、风能、毁弃煤矿地下空间资源及电网分布特征确定了WS-CAES混合系统的潜在区域,主要分布在三北（东北、华北北部和西北）地区,具备了发展该系统的巨大潜力。然后,基于系统压缩机、膨胀机、热换器和储气室等各参数数学模型,研究了换热器效能、环境温度、质量流量、总压比和压缩/膨胀级数运行变量对系统输出功率和总效率的性能影响,压缩机/涡轮机级数对总效率（η）具有显着影响,级数2增至级数5时,η增幅为7.31％。最后,针对毁弃煤矿巷道储存高压气体的可行性,从巷道深度、内衬及围岩渗透性方面进行Comsol软件数值计算和分析,结果表明：巷道深度对系统储存气体的泄漏无明显影响;巷道内衬对系统稳定性具有重要作用;围岩渗透率则是决定系统气密性的关键因素,其围岩渗透率越小,储气库气体泄露量越小,气密性则越好;同时,煤矿井下主通风巷和运输巷具有储存压缩空气能力。     

不同硬度块煤冲击破碎后粒度分布特征试验研究

为了探究不同硬度的块煤在冲击破碎作用下破碎后的粒度分布特征,利用坚固性系数实验装置,对4种不同硬度的块煤进行了冲击破碎试验研究,试验结果表明:破碎功与块煤破碎后的新增表面积成线性关系,折算直径与破碎功成反比。块煤破碎后具有自相似特征,其分形维数能够反映煤的破碎程度,分形维数越大,破碎效果越好,坚固性系数f与分形维数D呈线性关系。颗粒在破碎过程中,大颗粒因周边小颗粒的存在而受到缓冲作用,使得较小颗粒由于挤压作用而优先破碎,小颗粒的缓冲作用增强了大颗粒抵抗破碎的能力,因此较小颗粒反而更容易破碎。     

协同采矿方法协同度测度评价研究

协同采矿方法的协同度测度评价一直是采矿工程学术界悬而未决的科学问题。将采矿方法划分为由3层子系统构成的系统结构，在此基础上绘制了协同采矿方法参与协同要素的结构型式图。通过引入协同 熵概念，构建了协同采矿方法协同度测度评价模型。基于改进的层次分析法和熵权法，给出了协同采矿方法各子系统协同度评价指标赋权方法。参照系统协同度等级划分标准，以电耙—爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿 法为例，阐述了协同熵评价模型的运用流程，并对近10 a来我国学者发明的19种协同采矿方法的协同度进行了统计分析。研究表明：构建的协同采矿方法协同要素的结构型式图，能够清晰地表明各要素间或要素内的 协同关系与工艺环节间的结构关系；样例协同采矿方法整体处于基本协同状态，其中采场回采工作、采场结构、落矿及矿石运搬等工作分别处于良好协同、轻度不协同和高度协同状态；19种协同采矿方法中，有8种、 7种及4种整体处于基本协同、良好协同及高度协同状态。研究成果可为协同采矿方法的技术水平评价提供参考。     

莺歌海域某区块安全钻井液密度窗口计算分析

针对莺琼盆地前期已钻深水井及高温高压井复杂情况较多,特别是由于压力窗口窄导致的溢流、压井过程中井漏复杂情况率高等问题,结合其复杂的海洋地质环境,建立了一套切合深水条件的地层压力计算模型。以X-1井区为例,采取了适用于由欠压实作用引起的异常高压区域的伊顿法预测孔隙压力,对于坍塌压力则依据双重有效应力理论建立了考虑地层渗透条件的计算模型,最后基于应力强度因子理论,构建了与深水钻井的破裂环境相吻合的坍塌压力预测模型。根据上述模型确定了X-1井的安全钻井液密度窗口,经与临井实测点比对,压力预测精度达到95%以上,为钻井方案的设计和钻井液密度的选取提供了科学依据。