难采煤岩的高效破碎方法研究

针对我国难采煤岩比例日渐上升,传统煤岩开采方法效率低下的问题,开展了难采煤岩的高效破碎方法综述研究。首先按照工作原理分类,将现有的煤岩高效破碎技术分为纯射流破煤岩、射流辅助机械破煤岩、冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩、激光破煤岩、钻孔胀裂剂破煤岩,阐述了各煤岩破碎技术的工作原理,并初步总结了各技术的优势。其次综述了各煤岩破碎方法的研究现状,对当前国内研究基础进行了概括,并根据现有研究分析了各技术的局限性,通过建立的局限度指标,对不同煤岩破碎技术的局限性做出了评价,其中射流破煤岩局限度最低,激光破煤岩最高,冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩与钻孔胀裂剂破煤岩,在忽略理论局限指标基础上与射流破煤岩的局限度相同,具有同样的工程应用价值与理论研究价值。最后对我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势进行了分析,在考虑到国内煤岩地质条件向深部开采与难采煤岩发展的趋势基础上,提出了“高地应力的克服或利用”“黏性煤岩的黏度预防或黏度失效”2个发展构想,另外考虑到我国物联网的发展与智能化开采的不断完善,提出了我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势与传统技术发展过程不同,是多种煤岩破碎技术并存且相互联合的构想,从而实现薄煤层、硬质煤层、高瓦斯煤层等其他复杂赋存条件下各种煤岩破碎技术的联合工作。     

阳泉矿区寺家庄井田9#煤段煤层气地球化学特征及成因分析

为达到寺家庄井田的煤层气增产目的,开展了煤岩煤层气解吸和气体地球化学特征分析。煤岩现场解吸和气体组分分析结果显示:9~#煤段煤岩在完整解吸过程中,甲烷体积分数先增大后减小,氮气体积分数先减小后增大,重烃体积分数与甲烷体积分数变化趋势一致,但并不同步,而是要晚些。碳同位素分析显示:随着解吸的进行,煤层δ~(13)C(CH_4)整体呈增大的趋势,随着远离煤层δ~(13)C(CH_4)逐渐增大。9~#煤段煤层气成因主要为热成因,后期经过了扩散运移,生物作用不明显。     

冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布的影响

为研究冲击速度对煤岩破碎能量、粒度分布的影响,根据断裂力学理论建立了煤岩冲击破碎断裂耗能的计算表达式,并建立了煤岩冲击破碎粒度的威布尔分布表达式,以此为基础,研究冲击速度对煤岩破碎能量和粒度分布规律的影响。利用冲击破碎实验台对不同冲击速度的煤岩进行破碎实验,结果表明：冲击速度对煤岩破碎粒度的分布规律影响较小,威布尔分布表达式可以很好的表征不同冲击速度情况下的煤岩破碎质量累积概率,但煤岩破碎特性指数和表征破碎程度的参数随冲击速度增大分别呈指函数上升和下降;煤岩冲击破碎断裂耗能和耗散能都随冲击速度的增大而上升,煤岩冲击破碎的能量利用率随冲击速度增大而减小,且它们之间呈指函数关系,能量耗散率与冲击速度也成指函数关系,但冲击速度越大耗散率越高。     

受底板承压水影响的下保护层开采厚度确定

针对淮南潘谢矿区煤层条件建立了采动煤岩体计算模型,在分析顶、底板煤岩受力后裂隙分布特征基础上,通过数值模拟的方法研究了保护层A3煤层不同开采厚度时,采空区上方的B4-1煤膨胀变形量及本煤层底板导水破坏深度变化规律;随着开采厚度不断增大,B4-1煤层膨胀变形量呈指数函数趋势增加,并在采厚2～3 m之间有突变过程;在承压水水压降为1.0 MPa情况下,随开采厚度增加,底板采动破坏深度与之呈现对数曲线关系。在保证保护层A3煤层对被保护层B4-1煤层能充分卸压及在承压水体上安全回采的前提下,最后得出A3煤层理论上最佳开采厚度为2.21～4.0 m。     

韩城矿区煤层含气性分布规律及地质控制因素研究

为了找出韩城矿区单井之间生产特征差异性的原因,基于该区主采煤层的含气性特征,从煤岩变质程度、显微煤岩组分、构造条件、水文地质条件等4个方面探讨了影响该区主煤层含气性的地质控制因素。结果表明:该区煤层含气性具有2个典型特征,太原组11号煤层含气性好于山西组3号煤层和5号煤层,这与煤层的埋藏深度和沉积环境有关;各煤层的含气饱和度为25%~94%,平均为63%,随埋深变化较小,但总体上呈现增大的趋势,分析原因该区煤储层为欠压储层,还没达到不同煤岩吸附性能差异的临界点。同时发现,随煤岩变质程度和镜质组含量的增高,煤岩含气量和吸附性均呈升高的变化,认为这是2次煤化作用对煤层气地质条件控制效应的具体体现;煤层含气量受构造条件和水文地质条件的控制非常明显。     

冲击加载下煤岩破碎块度与能耗关系的试验研究

利用霍普金森压杆对煤岩进行不同冲击加载下的动态力学测试,研究煤岩破碎块度与破碎能耗之间的关系。利用筛分法确定煤岩破碎后的平均块度,借助分形理论,研究不同冲击加载下煤岩的破碎分形维数、破碎块度;借助不同冲击加载下煤岩的应力—应变曲线,依据应力波理论,分析煤岩的破碎能耗;并研究了煤岩的破碎块度与破碎能耗的关系。研究结果表明,在动态冲击试验下,煤岩冲击破碎后的块度具有较好的分形特性,分形维数能够反映煤岩的破碎和脆性程度。煤岩在不同冲击加载下,破碎平均块度在6~19mm之间。随着冲击加载速度的增大,煤岩越破碎,破碎块度越小,破碎能耗越大。     

脉冲雷达透地探测煤岩实验研究

传统的煤岩探测采用瞬变电磁、地震波、超声波和探地雷达等技术,发射和接收1 GHz以下的信号频率,不能兼顾探测深度和探测精度。综采工作面采煤机自动调高要求煤岩分界达到20 mm的检测精度,为此提出采用无线脉冲雷达穿透煤岩层的高精度深度探测技术。设计成单雷达芯片+射频电路的低功耗小型化的超宽带雷达,由脉冲产生器PG(Pulse Generator)发射亚纳秒级的窄脉冲电磁波形,输出中心频率为53~88 GHz、频宽为165~440 GHz和功率为-172~-105 dBm的超宽带UWB(Ultra-Wide Band)信号,输入电路采集从煤岩介质反射回来的峰峰值达54~72 mV的信号电压。超宽带雷达通过双Vivaldi型天线垂直于煤岩层贴近布置,发射天线发出低至-19 dBｍ的7阶高斯脉冲超宽带波段信号,接收天线以30 Gbps的速率采集512 级深度回波信号,利用煤岩存在明显介电常数差异所产生的脉冲反射与发射信号的传播时延,与现场煤岩介电常数标定后计算出的电磁波传播速率相乘,来推算出煤层厚度以精确地确定出煤岩分界位置。根据煤层深度和介电常数的变化建立了煤岩探测的脉冲垂直分辨率、探测深度与信号采样时窗长度关系,确定采样时窗长度为256 ns,测量分辨率达到4 mm。为了直观地分辨出煤岩分界位置,以采集的脉冲信号数据绘制波形灰度图,深黑色和亮白色分别表示信号的波谷和波峰,代表了介电常数有较大差异的煤岩两种介质的分界位置,并通过波谷或波峰到起点的时间差计算出煤层的厚度。在留顶煤开采的综采工作面和巷道现场测试,测量煤层厚度的误差小于20 mm,能够在煤层未开采前检测出工作面顶煤和底煤的厚度,为采煤机自动调高提供精准的位置参考。     

基于压汞法的赵庄矿不同煤体结构煤的孔隙特征研究

选取赵庄矿3号煤层4种不同煤体结构煤的煤样,采用压汞法研究分析其煤体孔隙特征。实验表明,随着煤体破坏程度的增大,大孔孔容占比呈下降趋势,中孔、小孔孔容占比呈上升趋势,煤岩渗透性随之减小。原生结构煤、碎裂煤存在相当数量的封闭孔或孔径在纳米级以下,孔隙连通性差;碎粒结构煤孔隙连通性稍好,退汞效率在4种煤体结构中最高。     

矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘...     

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明：加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强...     

喂给式破碎机物料破碎概率计算模型研究

结合喂给式破碎机的结构特点及工作原理，在充分考虑影响该破碎机破碎概率计算参数的基础上，通过研究喂给式破碎机的破碎过程，建立了喂给式破碎机破碎概率的计算模型及计算方法．结合霍林河煤业集团公司使用的喂给式破碎机进行了实例研究，表明该计算模型的可行性和实用性，从而可优化该破碎机的结构参数．     

刚性抗滑桩随机可靠性分析

为了计算刚性抗滑桩稳定性可靠度指标及失效概率, 首先建立了抗滑桩锚固段内桩侧土体受压稳定性的功能函数, 然后引入验算点法(JC 法)对失效模式进行计算, 得出了可靠度指标和相应的失效概率。通过实例对比了JC法与安全系数法计算结果, 结果表明, 在安全系数满足要求的条件下, 失效概率仍偏高, 故在抗滑桩的设计计算中有必要引入可靠度理论。     

Fuzzy logic approach in resource classification

Conventional geostatistical prediction methods can be used to carry out resource classification in ore beds and for reliability measurements. A field investigation based on lignite thickness data was conducted for resource classification in Eskisehir-Mihaliccik-Koyunagili coal basin. Moreover, a fuzzy logic-based resource classification method has been recently proposed to eliminate the uncertainties encountered in the conduct of conventional resource classification procedure. Fuzzy logic-based classification provides gradual transitions between two adjacent resource classes. In addition, the proposed method can classify each block by assigning a membership degree for handling decision-making problems encountered in conventional resource classification methods.     

基于故障数据的带式输送机驱动电机可靠性研究

针对煤矿带式输送机驱动电机难以准确进行可靠性研究的问题,基于故障数据建立三参数威布尔分布模型,结合最小二乘法和相关系数法对模型求解,最后得到带式输送机驱动电机的预防性维护周期、概率密度函数、可靠度函数,并进行可靠性分析。实例表明,该方法能够基于带式输送机驱动电机失效数据进行可靠性分析,可用于指导现场开展设备维护工作。     

粉碎法快速测定煤的坚固性系数实验探究

为寻求一种新的煤的坚固性系数(简称“f值”)快速测定方法,以实现煤矿井下工作面煤体f值的现场测定,采用高速旋转机械粉碎煤样的破碎方式开展煤体f值快速测定(简称“粉碎法”)实验研究。根据现场实际及煤样粉碎的正交试验结果,确立了煤样粉碎时间、煤样质量及粉碎机转速的最优参数组合,基于此对不同矿井不同煤层所采集的煤样开展粉碎实验,研究了煤样粉碎后的煤屑在不同粒度区间的质量占比与煤样f值之间的相关关系。结果表明：煤样粉碎后粒度小于0.5 mm的煤屑质量占比与煤样f值的乘幂关系式拟合效果最优,拟合度达0.931 1;同时利用现行测定标准方法“落锤法”对基于“粉碎法”测定的煤样f值结果进行验证,其误差均不超过8%,表明应用“粉碎法”快速测定煤体f值是合理准确且可行的。     

基于克里金代理模型与子集模拟的边坡高效可靠度分析

作为一种高效且准确的代理模型,克里金方法近年来被广泛用于边坡高效可靠度分析。然而,传统方法一般直接将克里金模型与蒙特卡洛模拟耦合进行可靠度分析,导致其在高维小失效概率的边坡可靠度计算中容易出现内存占用过大甚至溢出而无法求解的问题。为此,提出一种基于克里金代理模型的子集模拟方法,以高效解决小概率水平的边坡可靠度分析问题。该方法首先采用一定数量的样本校准克里金模型并进行精度验证,然后基于构建的模型开展子集模拟边坡可靠度计算。最后,采用一个单层粘性土坡与一个工程实例土坡验证所提方法的有效性,并研究回归模型、相关函数模型以及训练样本对该方法精度的影响。结果表明：（1）该方法可以有效计算边坡的失效概率,并且比传统方法更高效;（2）构建克里金模型时,采用10倍随机变量数的训练样本即可得到满足计算精度需求的模型,而额外增加训练样本对计算结果影响较小。     

特性煤体含气量测定研究

通过不同粒径组合煤样的吸附和解吸实验,模拟测定不同破碎特性煤的原始含气量和国标法实测含气量,并研究了不同破碎特性煤体含气量的测定方法。研究结果表明,不同破碎程度煤的原始含气量和国标方法测定的含气量差别很大,对于煤体破碎的煤,采用国标方法测得的含气量与实际值偏差较大。分析认为这种偏差主要是由于损失气含量的估算偏差造成,在整个取心过程中,破碎程度大的煤解吸速率变化很大,以致估算方法不适用,而且用估算曲线上的趋于平缓段估算急剧上升段,造成估算结果偏小。煤样损失气含量与煤体破碎程度具有明显相关性,随着煤体破碎程度的增加,煤样的实际损失气含量呈现逐渐增大的趋势。基于此,建立了损失气含量估算值和损失气含量实际值的两段式拟合关系式,从而对国标方法估算损失气含量的偏差进行了修正。该研究对煤矿安全生产和煤层气勘探开发具有重要的实际意义。     

低阶烟煤煤岩组分解离特性及其分选

为研究低阶烟煤煤岩显微组分的分选,以高惰质组含量的神东长焰煤为研究对象,利用偏光显微镜Leica DM4500P,分析了不同破碎程度下煤岩显微组分的分布形态和解离规律,确定了煤岩组分的最佳解离粒度,并对比了不同破碎程度下煤岩显微组分的重力分选结果。煤岩显微组分的解离特性表明,随着破碎粒度的降低,镜质组含量先基本不变,后逐渐降低,而惰质组含量先基本不变,后逐渐增加;当破碎粒度为0.125 mm时,镜质组单体解离度为91.77%,惰质组单体解离度为86.77%,连生体含量为8.05%;不同破碎程度下的煤岩显微组分重力分选结果表明,将煤样破碎至-0.125 mm,当分选密度为1.33 kg/L时,可获得镜质组含量为89.05%、镜质组回收率为58.72%的富镜质组富集物。     

破碎后微小煤颗粒分布与破碎功关系实验研究

对突出/非突出原煤在不同条件下进行破碎实验,将碎煤分筛后分析粒级分布规律及比表面积与破碎比功之间关系。实验表明:0.075 mm煤颗粒所占质量比不多,却占有相当大的表面积;突出煤0.075 mm颗粒筛上质量分布服从Gauss分布而非突出煤服从正态分布;在相同块度前提下,比表面积随能量增加而增加;当时间相同能量时,突出煤的比表面积是非突出煤的1~2倍;新增表面积随能量增加呈指数增长,增加的速率却随能量增加而减小。揭示煤材料破碎后粒径分布规律与破碎功之间关系,为煤瓦斯突出过程中能量耗散分析提供实验依据。     

突出危险煤破碎功理论与实验研究

系统分析了煤破碎的各种学说理论，应用捣碎法测定了突出煤的破碎功，理论验证了破碎功与各学说的符合程度，得出了突出煤破碎比功与坚固性系数关系的数学模型.实验研究结果表明，煤的破碎符合新表面说，破碎时所消耗的功主要消耗于煤产生新表面积，与破碎后产生的新表面积成正比.煤破碎比功与煤的坚固性系数符合线性规律，是反映煤抵抗外力破碎难易程度的重要指标.