厚煤层刀柱采空区下分层复采工作面矿压规律研究

针对虎峰煤矿2#煤层刀柱式采空区下分层复采工作面矿压规律显现异常等现象,根据SMP准则得到煤柱极限稳定宽度为7 m,采用数值模拟与现场实测进行研究。得出工作面过煤柱时,支承压力显现为"弱-强-弱"的规律;工作面过跨度较小的采空区时,支承压力显现为"强-弱-强"的规律,工作面过跨度较大的采空区时,支承压力显现为"强-弱-强-弱-强"的规律。     

低浓度煤层气分布式提纯系统的研制与应用

为实现野外分布式地面抽采条件下的低浓度煤层气(CH_4≤30%)的安全增压集输,研制了由低浓度煤层气安全隔离系统、变压吸附系统和增压集输系统3部分组成的低浓度煤层气分布式提纯系统,该系统集安全隔离、低浓度煤层气提纯和增压集输3个功能于一体,具有小型、撬装、安全、节能、环保等特点。晋城矿区典型地面钻井的工业性试验表明:采用该提纯系统前,地面钻井的CH_4抽采浓度为20%~35%,且只能在CH_4抽采浓度高于30%时才能开启增压机利用;安装该系统后,CH_4抽采浓度提高至65%左右,可实现连续增压利用,煤层气利用率由5.1%提升至80%以上,实现了低浓度煤层气的再利用,并减少了温室气体排放。     

浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳，诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律，发现了超前煤柱群的回弹变形现象，开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验，研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征，分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程，揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明：(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征，即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象，之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此，反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏，引起载荷的转移，加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度，进而发生链式斜切破坏。在此过程中，覆岩持续沉降，裂隙也不断发育，形成剪切贯通断裂面，发生破断回转，促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳，引发层间岩层的全厚...     

FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响

柱旁充填中煤柱与充填体共同组成具有协同承载作用的煤充结构体，二者之间的界面为煤充结构体薄弱环节。界面失稳会诱发煤充结构体的整体失稳，FRP包裹可以用于增强界面稳定性。本文开展不同界面角度情形下煤充结构体的3组巴西劈裂试验(不进行FRP包裹、FRP包裹1圈和FRP包裹2圈)，结合DIC和声发射监测技术，研究FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响。结果表明：(1)煤充结构体界面上所受荷载超过界面抗拉强度或界面抗剪强度时会产生界面裂纹；煤体元件或充填体元件所受荷载超过其抗拉强度时会产生拉伸裂纹；FRP包裹后，煤充结构体能够承受的荷载增加，积聚的能量不能通过界面分离释放，使得煤体元件上出现集中破坏区。(2)随着界面角度增大，界面裂纹由拉伸裂纹转变为剪切裂纹；FRP包裹后，界面裂纹的发育程度显著降低，且其脆性特征也会减弱。(3)煤充结构体应变带的扩展方向包括沿着加载方向扩展和沿着界面方向扩展2种；FRP包裹会增大煤充结构体界面的抗拉强度和抗剪强度，使得界面稳定性增强。(4) FRP包裹可以提高煤充结构体试样的AE计数，并削减试样最终发生失稳时的损伤程度。(5)FRP包裹后煤充结构体的AF–RA...     

残采区关键域充填储碳空间重构的科学内涵

减碳降碳是我国煤炭工业绿色低碳发展面临的新挑战和科技攻关的新方向.在分析残采区储碳空间重构必要性的基础上，以绿色开采和科学开采的学术思想为指导，综合考虑残采区空间资源的高效率开发与CO₂的大体量储集，提出了残采区关键域充填储碳空间重构的技术方法——基于残采区发育特征和围岩结构形式，通过分区设计、充填重构和储集控制等技术的系统集成，在煤矿残采区关键位置实施针对性地充填增稳技术，构筑出封闭且稳定的CO₂储集空间.残采区关键域充填储碳空间重构需要解决四大关键科学问题：残采区潜在储碳空间煤岩破坏响应规律及关键域判别原理、关键域碱性充填材料碳化改性-碳化养护的协同储碳机制、煤岩充结构体蠕变失稳模型与储碳空间群灾变失稳机理、储碳空间关键域充填参数与CO₂注/排参数的设计准则等.残采区关键域充填储碳空间重构关键技术包括：潜在储碳空间关键域的多参量识别技术、关键域碱性充填材料储碳性能的表征技术、注/排影响下储碳空间的链式灾变模拟技术、储碳空间重构“承载-储碳”参数的调控技术等.残采区关键域充填储碳空间重构亟需攻关的研究任务有：残采区潜在...     

真三轴卸荷条件下砂岩力学特性和剪切变形带预测模型

中间主应力和卸载作用对岩石剪切破坏特性具有重要影响。基于多功能真三轴流固耦合试验系统，开展不同中间主应力条件下砂岩加载和卸载破坏试验，分析其变形特征和强度特性，通过建立本构关系和剪切变形带角度预测模型，研究2者对剪切变形带角度的影响规律。试验结果表明：随着中间主应力增加，岩样峰值处偏剪切应力增加，且卸载条件下增幅较小；岩样最大压缩点呈现先增加后趋于稳定的趋势，达到最大压缩点后，加载条件下岩样体积应变由膨胀逐渐变为压缩，而卸载条件下均呈膨胀趋势。随着中间主应力增加，岩样偏剪切应变陡增，卸载条件下陡增提前。在峰值处，卸载条件下应力Lode角和应变Lode角均比加载条件下的大，且2个条件下2类Lode角的差值随中间主应力增加而增大。中间主应力和卸载作用可以通过应力Lode角反映岩石屈服特性，通过应变Lode角反映岩石内部裂隙演化方向。采用等效塑性应变表征内摩擦角和剪胀角，建立由三应力不变量构成的硬化本构关系；引入相关流动法则，构建剪切变形带角度预测模型。对比试验值，发现模型预测效果良好。随着中间主应力增加，变形带角度先减小随后趋于稳定；而卸载作用会减小变形带角度，并受中间主应力影响，角度减小...     

承压破碎煤体空隙结构演化及渗流特征

为探究破碎煤岩体承压过程中其内部空隙结构演化规律及气体渗流特性，自主研发了破碎煤岩体压实-CT扫描装置，以5～10 mm破碎无烟煤为例，借助CT扫描、图像处理及三维重构等技术，建立了3种应力下的破碎无烟煤空隙网路模型，并在此基础上开展了数值模拟研究。研究结果表明：应力对承压破碎无烟煤空隙尺寸和连通性具有显著影响，空隙体积、孔喉横截面积和平均配位数呈现出随应力的增大而减少的趋势，空隙空间的连通性降低；破碎无烟煤的空隙率和绝对渗透率都随着应力的增加而减小，应力从0达到23.24 MPa时，绝对渗透率减少了1个数量级；由于空隙结构的差异性，气体在破碎无烟煤中的流动存在高流速区和低流速区，高流速区多存在于渗流通道由大变小的区域。研究结果能够为破碎煤岩体中煤层气的高效抽采提供理论参考。     

煅烧温度及气氛对浮选尾煤的火山灰活性及固碳性能的影响

经热活化后的浮选尾煤是制备胶凝材料的理想原料，但热活化引起的碳排放极大地限制了其绿色资源化利用。在提高火山灰活性的同时有效减少因热活化产生的碳排放是尾煤大规模工业化利用的前提。利用纯CO₂气氛代替烟气中的CO₂,初步探索了尾煤在烟气中活化同时对CO₂捕集的可行性。通过对比空气及CO₂气氛煅烧后尾煤的物化性质，分析了活化协同固碳与传统尾煤煅烧的火山灰活性差异以及尾煤的固碳性能。利用XRD、N₂吸附及TG分析了2种气氛活化固碳后尾煤的物化结构及固碳性能，利用尾煤与水泥混合后结石体的抗压强度为指标对活化固碳后尾煤的火山灰活性进行了评价，以活化固碳后尾煤中增加的CaCO₃质量为指标评价尾煤的固碳性能。通过研究不同龄期结石体的物化结构，揭示了固碳对尾煤水泥水化过程影响的机理。结果表明：空气气氛煅烧尾煤的火山灰活性高于CO₂气氛煅烧尾煤。空气及CO₂气氛下尾煤最佳活化温度为700℃,火山灰活性贡献率分别为29.98%、15....     

不同材料组合及配比下类岩石试件单轴压缩损伤破坏过程分析

井下大尺寸真实岩芯难以获取且数量有限，通常采用类比法在室内制作类岩石材料试件模拟实际煤岩，以此开展水压致裂试验。为精确研究类岩石材料试件的力学特性，以水泥、石英砂、石膏和煤粉为原材料浇筑不同组合及配比的类岩石材料试件，通过单轴压缩试验，探究水膏比、砂胶比以及煤粉对试件力学特性及破坏形态的影响。结果表明：水泥–石英砂–石膏试件的抗压强度随水膏比的增加而增大，随砂胶比的增加而减小；砂胶比对试件抗压强度的影响更为显著，砂胶比与水膏比分别为0.33,0.75,1和0.5,1,2时，试件抗压强度由23.19 MPa降至19.14MPa；同种类岩石材料试件随水膏比增加峰值破坏时间提前，试件内部损伤程度加剧，水膏比由0.5增大至2，声发射累计振铃计数增大约5.1倍，宏观上表现为裂缝增多；相对石英砂、石膏而言，煤粉会加剧试件裂隙发育程度进而弱化其力学性质，保证配比不变，用煤粉分别代替水泥–石英砂–石膏试件中的石英砂、石膏，试件在峰值破坏时的最大声发射振铃计数分别为替换前的1.5和2倍，表面由较规整的裂缝变为更加发育贯通的裂缝；试件破坏后裂缝在其表面两侧呈反拱形分布，为X状共轭斜面剪切破坏，最大主应变较...