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矿业系统工程60年发展与展望 被引量：16
1
作者 王家臣 刘云熹 +1 位作者 李杨 王蕾 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期261-279,共19页
矿业是以安全高效绿色开发和清洁高效低碳利用矿产资源为目的行业,也是经济社会发展的基础行业。为了使矿业开发更加经济、考虑的因素更加全面、设计和开发过程更加优化,20世纪50年代末期,将运筹学和计算机技术引入到了矿业工程,形成了... 矿业是以安全高效绿色开发和清洁高效低碳利用矿产资源为目的行业,也是经济社会发展的基础行业。为了使矿业开发更加经济、考虑的因素更加全面、设计和开发过程更加优化,20世纪50年代末期,将运筹学和计算机技术引入到了矿业工程,形成了矿业系统工程这一新的学科分支。早期的矿业系统工程主要是以采矿生产过程优化和计算机在矿山设计、采掘计划编制、信息处理、应用软件开发为主,且多以露天矿为研究对象。近年来矿业系统工程研究紧密结合大数据、人工智能、网络技术等,在矿山信息网络构建、运销系统、智能开采、设备管理、安全管理等方面取得了丰硕成果。详细阐述了矿业系统工程的起源和发展过程,并以运筹学和计算机在矿业中的应用国际会议(APCOM),尤其是已经举办的十五届全国矿业系统工程学术会议为脉络,客观地总结了矿业系统工程的发展过程和研究内容演变。以CNKI数据库为数据基础,通过聚类分析,研究了近20 a矿业系统工程的刊文量和研究对象及其变化。矿业系统工程的未来发展应聚焦于系统科学思想与现代采矿技术的结合,建立科学的系统及其边界,比如科学采矿系统、矿山全生命周期系统、智能矿山系统等八大系统,矿业系统工程的发展将更加注重数字化、智能化、可持续发展、信息化和自动化等方面的创新和应用,同时将不断拓展其应用领域,以实现矿业开发的最优化、高效化、绿色化和低碳化。 展开更多
关键词 矿业 系统工程 APCOM 发展趋势 智能开采
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矿业虚拟仿真教学实验室建设研究与探索 被引量：16
2
作者 薛黎明 李华清 +2 位作者 王豪杰 赵桔 郑志学 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2020年第8期233-235,242,共4页
矿业虚拟仿真教学实验室是矿业实验室与虚拟仿真技术融合的产物,是矿业院校实验教学的重要组成部分。该文依据目前矿业虚拟仿真实验室的发展状况,以国内拥有矿业专业的高校虚拟仿真教学实验室建设为例,探讨矿业虚拟仿真教学实验室的建... 矿业虚拟仿真教学实验室是矿业实验室与虚拟仿真技术融合的产物,是矿业院校实验教学的重要组成部分。该文依据目前矿业虚拟仿真实验室的发展状况,以国内拥有矿业专业的高校虚拟仿真教学实验室建设为例,探讨矿业虚拟仿真教学实验室的建设思想和设计原则,介绍了实验室的系统设计和内容设计,总结了实验室的建设方法,推动实验教学信息化建设,为矿业高校虚拟实验室的建设提供参考。 展开更多
关键词 矿业 虚拟仿真 教学体系 实验室建设
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我国关闭/废弃矿山土地资源的新能源再开发现状及展望 被引量：2
3
作者 郝宪杰 宋思桐 +2 位作者 唐宽旭 郭勇 丁志杰 《金属矿山》 CAS 北大核心 2024年第5期68-75,共8页
矿山关闭或废弃后会产生大量的土地资源,如露天矿山的矿坑、排土场等,以及井工矿的地面广场和地面塌陷区等。土地资源是我国最重要的自然资源之一,关闭/废弃矿山的土地资源相对较为丰富,然而由于这些土地资源受到了矿山开采的不利影响,... 矿山关闭或废弃后会产生大量的土地资源,如露天矿山的矿坑、排土场等,以及井工矿的地面广场和地面塌陷区等。土地资源是我国最重要的自然资源之一,关闭/废弃矿山的土地资源相对较为丰富,然而由于这些土地资源受到了矿山开采的不利影响,其再开发利用问题是关闭/废弃矿山面临的重要难题。针对当前对于此类土地资源开发再利用模式存在的不足,首先分析了国内外关闭/废弃矿山土地资源与风能、光能、林业、农业、养殖业等结合开发利用的发展现状,提出了我国关闭/废弃矿山土地资源开发利用的科学技术体系,即土地资源的“风—林—光”新能源互补再开发模式,并研究了不同条件下的技术性因素评价标准及改造方案体系,总结了我国当前关闭/废弃矿山土地资源再开发利用存在的问题和难题,凝练了在实施过程中需要攻克的5个基础理论和5个待发展技术难点,并提出了相应的政策措施建议和未来发展展望。研究表明:①关闭/废弃矿山土地资源的新能源再开发,是一个新兴的、潜力无限的、需要多领域交叉合作的新学科,其中地面资源是载体,而该载体受采矿影响后的状态是核心,新能源各个方向的应用是目的;②关闭/废弃矿山土地资源的新能源再开发一方面是实现我国土地资源可持续利用的重要措施,另一方面也是开发新能源助力我国“双碳”目标实现的重要方向,同时也是实现关闭/废弃矿山转型的重要举措,应在进一步完善该模式的基础上大力推进对关闭/废弃矿山土地资源的新能源综合开发利用。 展开更多
关键词 “双碳”目标 关闭/ 废弃矿山 土地资源 新能源开发
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低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略 被引量：42
4
作者 葛世荣 樊静丽 +4 位作者 刘淑琴 宋梅 鲜玉娇 王兵 滕腾 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期203-223,共21页
煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重... 煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展,煤炭清洁高效利用迫在眉睫,现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵,将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品,并在矿区原位消纳二氧化碳,形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统,其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和,共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用,即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用,煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用,煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用,煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用,实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5~3.0,煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合,组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测,基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用,2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿~14.6亿t标准煤,相当于全国能源需求量的18%~24%,二氧化碳排放量控制在5亿t以下,与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比,煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上,二氧化碳排放量降低了50%。届时,现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义,助力我国走向能源自主独立强国。 展开更多
关键词 现代煤基能源 煤炭清洁高效利用 矿区动态碳中和 能源安全 二氧化碳减排
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低碳化现代煤基能源开发关键技术体系 被引量：17
5
作者 葛世荣 刘淑琴 +2 位作者 樊静丽 赵毅鑫 滕腾 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期2949-2972,共24页
煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目... 煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系,系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述,提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术:①基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术,具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能;②煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL);③利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想;④基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H_(2)),循环CO_(2)作为气化剂提高煤气有效组分产量,捕集CO_(2)就地封存于地下气化空腔,形成近零排放UCG-H_(2)技术路线;⑤纳米富氢水煤浆掺氢发电技术,实现低温低压下的低碳煤基电生产,显著降低煤电CO_(2)排放量;⑥煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC),减少了IGCC煤制气环节,显著降低CO_(2)排放部分;⑦煤粉爆燃直线驱动发电技术架构,理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上;⑧基于现代煤基能源内循环的CO_(2)加氢合成“绿色甲醇”路线,利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO_(2)合成制取甲醇;⑨现代煤基能源产生的CO_(2)原位地下封存技术系统,有助于实现零碳煤基能源生产;⑩矿区动态碳中和煤基能源系统架构,将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中,实现矿区动态碳中和。 展开更多
关键词 现代煤基能源 煤炭能源低碳转型 矿区动态碳中和技术 能源安全 CO_(2)减排
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能源强国目标下煤炭安全保供及高效降碳效力研究 被引量：11
6
作者 葛世荣 刘淑琴 +3 位作者 刘金昌 王兵 安小雅 向玲 《中国工程科学》 CSCD 北大核心 2024年第4期40-51,共12页
煤炭安全保供及高效降碳效力研究可为能源强国目标下煤炭领域发展规划提供有力的决策支撑。本文从安全保供和高效降碳两个角度入手,研究了煤炭在能源强国目标下继续保持主体能源地位的潜力、能力和实力,着重通过构建煤炭安全保供的系统... 煤炭安全保供及高效降碳效力研究可为能源强国目标下煤炭领域发展规划提供有力的决策支撑。本文从安全保供和高效降碳两个角度入手,研究了煤炭在能源强国目标下继续保持主体能源地位的潜力、能力和实力,着重通过构建煤炭安全保供的系统动力学模型预测了煤炭安全保供的效力,分析了2060年前煤炭领域的降碳效力。研究结果表明:我国煤炭的可采储量和资源分布是安全保供的基本保障,结合近20年煤炭供应和消费关系可知,我国煤炭资源具备稳定、安全、坚实的保供能力;未来煤炭的安全保供效力在波动中逐渐趋向于动态的柔性平衡;传统煤炭能源向煤基能源过渡效力是构建能源强国目标下新型能源体系的重要环节。我国煤炭领域在清洁转化与利用中体现出显著的降碳潜力,未来随着煤炭地下气化和富油煤开发利用等技术的发展应用将展现出较强的降碳效力,至2060年总体的降碳效力约为1×10^(9)t。 展开更多
关键词 能源强国 煤炭领域 安全保供 高效降碳 效力预测
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超高工作面上覆厚硬岩组破断运动规律与多重动载产生机理 被引量：2
7
作者 王家臣 王兆会 +4 位作者 孙文超 李猛 张鑫 李家龙 侯东鑫 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期1876-1893,共18页
大采高开采技术具有高产、高效、高采出率等优点,成为榆神矿区厚煤层开采的技术首选。大采高工作面采出空间和装备功率成倍增加,采动效应急剧增强,特别是超大采高与厚硬顶板并存条件下,强矿压现象频发,威胁生产安全。为提升超高工作面... 大采高开采技术具有高产、高效、高采出率等优点,成为榆神矿区厚煤层开采的技术首选。大采高工作面采出空间和装备功率成倍增加,采动效应急剧增强,特别是超大采高与厚硬顶板并存条件下,强矿压现象频发,威胁生产安全。为提升超高工作面围岩控制效果,以曹家滩122104工作面为工程背景,采用现场实测、室内试验、理论分析等手段研究了10 m超大采高工作面厚硬顶板破断运动规律与支架载荷演化特征,探究强矿压产生机理及控制方法。结果表明:大采出空间、高推进速度、多厚硬岩组导致超高工作面液压支架具有“急增阻、高静载、多重动载、高频循环载荷”等承载特征,工况劣化导致顶板载荷快速向超高煤壁转移,引发坚硬煤壁板式劈裂破坏;超大采高导致工作面上覆3个厚硬岩组进入液压支架工况影响区,厚硬岩组呈现小变形破断模式,破断前以弹性变形为主,组内岩层无离层现象,破断后裂隙发育速度快,能量释放率高,破断岩块可形成错位岩梁平衡结构;得到了支架顶梁载荷三维分布曲面及其同顶板结构的协同演化特征,厚硬顶板破断前支架载荷小,分布于立柱支撑区,破断后支架快速增阻进入满负荷状态,多组硬岩破断导致液压支架承受多重动载冲击效应,顶梁载荷偏离立柱支撑区,引发异常支架工况;构建了考虑层间剪力的厚硬顶板短梁结构模型,其内部拉应力降低,剪应力升高,揭示了厚硬顶板小变形沉降原理和拉剪混合破断机理;得到了直覆厚硬顶板破断前后弹性应变能分布特征,给出了厚硬顶板动力破断和应变能释放条件,厚硬顶板弹性小变形破断特征决定了应变能以瞬间释放为主,向破断岩块动能的转换率达到21%,提出了动载冲击力计算方法,厚硬顶板高能量释放率和破断岩块下位大自由空间是超高工作面多重动载产生的直接原因;超前区域压裂后,厚硬岩组由弹性小变形向塑形大变形破断模式转变,高塑性耗散功与高劣化程度降低了动载冲击强度,提升了超高工作面围岩控制效果。 展开更多
关键词 超大采高 厚硬顶板 破断机理 支架阻力 多重动载
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地表动态沉陷对废弃露天矿坑建设抽水蓄能电站的影响评价 被引量：2
8
作者 李杨 雷兴海 +9 位作者 王楠 任玉琦 金向阳 王可 蒋逵超 葛鹏 夏雪 李铁峥 石孝明 王玉亮 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期56-69,共14页
地表动态沉陷是废弃矿山建设抽水蓄能电站亟待解决的关键科学问题之一。为探究地表动态沉陷对废弃露天矿坑抽水蓄能电站建设和运行期间稳定性的影响,以废弃海州露天矿为研究背景,揭示了露井联合开采地表沉陷机理和特征,建立了基于Knoth... 地表动态沉陷是废弃矿山建设抽水蓄能电站亟待解决的关键科学问题之一。为探究地表动态沉陷对废弃露天矿坑抽水蓄能电站建设和运行期间稳定性的影响,以废弃海州露天矿为研究背景,揭示了露井联合开采地表沉陷机理和特征,建立了基于Knothe时间函数的地表动态沉陷预测模型;对海州露天矿区岩土体蠕变参数进行反演和敏感性分析,研究了露井联合开采不同时期地表沉陷规律;分析了2020—2120年抽水蓄能电站所在剖面沉陷灾害分布,最后对抽水蓄能电站建设和运营期间的稳定性进行了评价。研究结果表明:地表沉陷受煤层倾角、煤层埋深、开采厚度、边坡角度和采空区空间分布等因素影响,最大沉陷值、影响范围和持续时间均大于单一的井工开采方式;综合考虑井工和露天开采相互影响的修正Knothe时间函数模型能更准确地预测地表动态沉陷;基于CVISC蠕变模型建立的露井联合开采三维数值计算模型,具有较好的适用性和准确性;上水库和抽水管路距影响区域的最小距离分别为254.9、15.1 m,半地面厂房位于采空区的影响范围内;注浆充填治理采空区能有效控制地表动态沉陷(平均减小85%沉陷值),废弃海州露天矿坑建设抽水蓄能电站具有可行性。研究成果对于废弃露天矿区的地表动态沉陷可持续预测、地质灾害防治和剩余资源开发具有重要意义。 展开更多
关键词 露井联合开采 废弃露天矿坑 抽水蓄能电站 地表动态沉陷 稳定性评价
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采动诱发断层滑移评估模型及失稳范围确定方法 被引量：2
9
作者 赵洪宝 张博 +1 位作者 张驰 吉东亮 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第3期23-33,共11页
【目的】断层在采动影响下易活化发生滑移失稳,可能引发矿震等一系列灾害,严重威胁矿井安全,因此,需分析受采动影响的断层活化力学机制,提前确定采动与断层活化的互馈影响准确范围。【方法】以山西辛置煤矿213B工作面为工程背景,分析采... 【目的】断层在采动影响下易活化发生滑移失稳,可能引发矿震等一系列灾害,严重威胁矿井安全,因此,需分析受采动影响的断层活化力学机制,提前确定采动与断层活化的互馈影响准确范围。【方法】以山西辛置煤矿213B工作面为工程背景,分析采动影响导致断层活化的过程,建立采动影响断层围岩弹性力学模型,从应力变化角度阐明采动对断层稳定性造成影响的力学机制,构建断层滑移倾向评估模型。采用FLAC3D模拟回采进程中断层上下盘滑移倾向指标的变化趋势。依据断层滑移倾向指标与断层摩擦因数之间的关系,判定断层活化的临界值,确定断层失稳空间范围,分析断层活化后导致强矿震的危险空间范围。【结果和结论】结果表明:当采动工作面逐渐接近断层时,会导致断层滑移倾向性指标大幅上升。受采动影响,F1478断层和F1477断层均产生局部滑移错动。断层滑移倾向表现出上下盘相互错动的趋势,导致滑移指标呈现出“振动波”形式。工作面双断层数值模拟背景下,回采导致断层滑移失稳与采动的互馈影响范围,为工作面通过F1478断层后的32~200 m,断层滑移错动位置主要集中在距离煤层底板向上12 m范围内。现场微震监测数据推测断层滑移失稳区间为通过F1478断层后的30~200 m,与数值模拟结果基本一致,表明断层滑移倾向评估模型准确可靠,数值模拟分析的互馈影响区间判断合理。研究方法可为类似地质条件的工作面评估断层活化提供技术参考依据,为煤矿安全高效开采提供保障。 展开更多
关键词 断层活化 采动影响 断层滑移评估 矿震 断层失稳 煤矿地质
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冲击地压矿井坚硬顶板工作面充填开采降载防冲机理及应用 被引量：1
10
作者 王家臣 王兆会 《中国煤炭》 北大核心 2025年第1期12-22,共11页
坚硬顶板是导致强矿压甚至冲击地压的重要因素,充填开采则是控制坚硬顶板运动模式的有效手段。为分析冲击地压矿井坚硬顶板工作面充填开采的降载防冲效果,以古城煤矿1123工作面为工程背景,采用理论分析、数值计算和现场实测手段研究坚... 坚硬顶板是导致强矿压甚至冲击地压的重要因素,充填开采则是控制坚硬顶板运动模式的有效手段。为分析冲击地压矿井坚硬顶板工作面充填开采的降载防冲效果,以古城煤矿1123工作面为工程背景,采用理论分析、数值计算和现场实测手段研究坚硬顶板破断致冲条件、充填体支撑下坚硬顶板运动特征及其降载防冲机理。结果表明:坚硬顶板动力破断条件为弹性区能量释放率高于塑形区能量耗散率,提出了动载冲击力计算方法,给出了动载荷和静态应力场组合作用下,冲击地压灾害发生原理;构建了充填体支撑作用下坚硬顶板沉降模型,得到了坚硬顶板沉降曲线,充填率是控制坚硬顶板沉降模式的关键因素;充填率提升至90%,坚硬顶板转变为连续沉降模式,构建了坚硬顶板连续沉降条件下支架围岩相互作用模型,提出了支架阻力计算方法,揭示了充填开采降载防冲机理;将充填开采降载防冲技术应用于1123工作面,提出了“三位一体”充填率提升技术,微震监测和顶板下沉量检测结果表明降载防冲效果良好,围岩控制效果显著提升。 展开更多
关键词 充填开采 冲击地压 坚硬顶板 充填率 支架载荷
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再论大采高采场顶板“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构 被引量：3
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作者 闫少宏 路洋波 +1 位作者 尹希文 徐刚 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期1894-1906,共13页
针对大采高采场“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构进行研究,采高加大必然引起采场覆岩在横向、纵向的活动范围加大,由于采场覆岩自下而上运动以及冒落碎胀的特点,必将使采空区冒落空间在某一时间趋近于零,因此提出了对采场支架产生... 针对大采高采场“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构进行研究,采高加大必然引起采场覆岩在横向、纵向的活动范围加大,由于采场覆岩自下而上运动以及冒落碎胀的特点,必将使采空区冒落空间在某一时间趋近于零,因此提出了对采场支架产生作用力的顶板岩层是有范围的,即存在边界层并给出了边界层的概念和判断方法。随着采场的继续推进,采空区冒落的矸石将继续在上覆岩层的作用下发生蠕变而再次压缩变形,从而引起上覆岩层多次下沉传导,引起地表沉陷直至最终稳定,因此从对采场矿压显现有影响的角度将采场至地表的覆岩分为近场岩层和远场岩层。近场岩层为支架上方至边界层内的复合岩层,远场岩层为边界层至地表的复合岩层,近场岩层运动规律是采场矿压研究的重点、远场岩层运动规律是开采地表沉陷研究的重点。基于大采高采场下位复合顶板在垮落前不能触矸而呈“组合短悬臂梁”结构、其上位复合顶板岩层在采场前方煤壁、支架与直接顶联合支撑体、采空区冒落矸石支撑下在采场横向呈“铰接岩梁”结构的特点,提出了大采高采场近场岩层中直接顶、基本顶的新概念并给出了定量化判定方法,从而形成了大采高采场顶板“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构。呈“铰接岩梁”结构的基本顶岩层一般会有一层甚至多层,取决于采高与顶板岩层的厚度、强度、层位等,其形成铰接结构的基本条件是:(1)基本顶可能下沉量小于其极限下沉量(Δ_(m)<Δ_(j));(2)在结构面的中截面上部应力大于其抗拉强度(σ_t>[R_t])且下部应力小于其抗压强度(σ_(c)<[R_(c)]);(3)断裂步距大于其厚度的2倍。以曹家滩煤矿10 m超大采高采场为工程背景,通过现场实测分析得到边界层存在的客观性。作为大采高采场“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构理论的应用,研究确定了曹家滩煤矿10 m超大采高采场设备回撤专用垛式支架的支护强度。 展开更多
关键词 组合短悬臂梁-铰接岩梁结构 边界层 近场与远场岩层 极限下沉量 可能下沉量
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考虑轴向应力作用的巷道偏应力分布与破坏特征关系 被引量：1
12
作者 刘洪涛 韩子俊 +5 位作者 陈子晗 郭林峰 梁嘉璐 韩洲 刘勤裕 姬越 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期824-844,共21页
通过理论分析建立了考虑巷道轴向应力影响的全平面应变问题三维模型,推导了三维应力场下巷道围岩第二不变偏应力J_(2)隐式解析解,分析了巷道围岩在弹性状态和塑性状态时不同水平侧压和轴向侧压应力环境下的J_(2)分布大小及形态演化规律... 通过理论分析建立了考虑巷道轴向应力影响的全平面应变问题三维模型,推导了三维应力场下巷道围岩第二不变偏应力J_(2)隐式解析解,分析了巷道围岩在弹性状态和塑性状态时不同水平侧压和轴向侧压应力环境下的J_(2)分布大小及形态演化规律。基于Kastner求解法得出了三维应力场下的巷道围岩塑性区边界隐式解,并运用数学与数值分析方法研究了不同应力条件下巷道围岩塑性区分布特征。建立了第二不变偏应力J_(2)与围岩塑性区形态的相互对应关系,揭示了巷道围岩的变形破坏机制。以寸草塔二矿31205工作面回风巷为工程背景,对叠加采动作用下的巷道围岩J_(2)及塑性区分布特征展开研究,量化了非对称变形破坏特征,寻求了支护阻力与J_(2)的相互作用关系,提出了叠加采动巷道的稳定性控制技术。研究结果表明:固定轴向侧压值变化水平侧压值的情况下,J_(2)和塑性区形态分布特征呈现“圆形−类椭圆形−类蝶形”的演化过程。固定水平侧压值变化轴向侧压值的情况下,J_(2)和塑性区形态保持不变。轴向应力的改变对塑性区形态的影响较小,但会对塑性区尺寸产生较大影响。巷道围岩J_(2)的集中程度越大,围岩的变形破坏程度越大,J_(2)的分布形态一定程度上决定了塑性区的破坏形态。31205回风巷在叠加采动影响下处于高偏应力J_(2)环境,且形成了向采空区一侧旋转的应力分布特征,致使巷道形成非对称大变形破坏。支护阻力的提高对巷道围岩的偏应力J_(2)的降低作用有限,仅依靠锚杆(索)无法完全对巷道围岩进行稳定控制。基于上述研究,提出了超前强力支架+锚杆(索)支护系统的组合控制技术,现场应用效果良好。 展开更多
关键词 巷道围岩控制 偏应力第二不变量J_(2) 塑性区形态 围岩破坏机制 重复采动
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循环加卸载作用下水浸煤体渐进损伤机理试验研究 被引量：1
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作者 王方田 汤天阔 +4 位作者 张村 窦凤金 魏学谦 孙暖 成家章 《工程科学与技术》 北大核心 2025年第4期89-102,共14页
煤矿地下水库技术已成为实现矿井水资源保护与利用的有效途径。在应力与水浸作用下,煤柱坝体强度劣化效应将直接影响地下水库工程的稳定性。基于此,开展不同含水状态煤样循环加卸载试验,利用声发射设备监测试验中煤样的损伤特征,并采用... 煤矿地下水库技术已成为实现矿井水资源保护与利用的有效途径。在应力与水浸作用下,煤柱坝体强度劣化效应将直接影响地下水库工程的稳定性。基于此,开展不同含水状态煤样循环加卸载试验,利用声发射设备监测试验中煤样的损伤特征,并采用核磁共振(NMR)设备检测煤样孔隙发育,揭示不同含水状态及循环应力下煤体渐进损伤演化机理。结果表明:不同含水状态煤样随循环级数的增加,声发射信号逐渐增加,裂隙发育程度逐渐加大;循环应力作用下煤体的损伤破坏主要发生在首次达到每级峰值荷载时,随后仅发生小幅度损伤。水岩作用对声发射具有弱化效应,含水煤样在循环应力作用下易发生应力突变,对煤体造成瞬时损伤破坏,且随含水程度的增加,突变次数也有所增加。在3级循环加卸载后,各级干燥煤样的T_(2)曲线幅值相较于未循环加卸载煤样均增大,干燥煤样孔隙数量随循环级数的增加而增多;自然和饱和煤样在前两级循环加卸载后T_(2)曲线幅值增加,曲线范围变宽并向右半部分偏移,煤样孔隙数量增加,第Ⅲ级循环加卸载后,中微孔数量降低幅度较大,大孔数量均有小幅增长,煤样总体孔隙数量降低。含水煤体随着循环应力的增大,煤体的孔隙变化呈现低幅的增大—降低—增大的趋势,水浸煤体在应力作用下孔隙变化加剧,更易产生大孔孔隙结构,造成煤体累积损伤破坏。Ⅰ、Ⅱ级循环加卸载后,各煤样的孔隙度上升,Ⅲ级循环后干燥煤样孔隙度上升,自然与饱和煤样孔隙度下降。Ⅲ级循环加卸载后,干燥煤样的抗压强度为14.27 MPa,较未进行循环加卸载时的平均值降低了9.85%;饱和煤样的抗压强度为8.49 MPa,较未进行循环加卸载时的平均值降低了24.87%;煤样的强度随含水程度及循环级数的增加而降低。 展开更多
关键词 煤柱 水浸煤体 循环加卸载 孔隙变化 渐进损伤
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深部冲击地压巷道锚-架-充协同控制原理及工程应用
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作者 吴拥政 何思锋 +3 位作者 付玉凯 祖国利 张恒 李军臣 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第5期15-36,共22页
针对深部冲击地压巷道围岩变形控制难题,以某矿402101工作面巷道为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟与工业试验等方法,研究了巷道失稳特征、主控因素及动静载作用下应力传递机制,提出了锚-架-充协同控制技术并开展工程验证。... 针对深部冲击地压巷道围岩变形控制难题,以某矿402101工作面巷道为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟与工业试验等方法,研究了巷道失稳特征、主控因素及动静载作用下应力传递机制,提出了锚-架-充协同控制技术并开展工程验证。研究表明:高动静载耦合、支护材料抗冲能力不足及体系协同性差是导致围岩失稳的主要因素;锚-架-充体系通过锚索预应锚固控裂、U型钢支架让压转能和充填层均匀耗能,形成复合承载结构;基于围岩结构分层理论,巷道围岩划分为支护层、锚固层和原岩层,支护层压应力与冲击地压破坏系数k_(b)、巷道尺寸参数、围岩物理参数、锚杆(索)支护阻力等有关,建立了以支护层压应力与强度关系为核心的冲击风险评估方法,计算实例表明锚-架-充体系可使支护层压应力降低18.5%~42.1%,抵御k_(b)=2.0动载扰动;数值模拟显示,与常规支护相比,塑性区减少79.1%,顶板及巷帮位移降幅近90%,支架被动承载能力充.分激活,能量场分布更优。工程应用中,锚-架-充协同控制巷道最大围岩位移量43 mm,支架最大应力0.34 MPa,结构稳定,有效保障了矿井安全高效生产。 展开更多
关键词 深部巷道 冲击地压 巷道支护 协同控制 能量演化
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两硬特厚煤层大采高综放煤壁稳定性与顶煤冒放性协同控制研究
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作者 王家臣 刘云熹 +6 位作者 张伟 王兆会 陈坤 王世荣 李子健 郑参喆 张定堂 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第5期1-14,共14页
大采高综放开采是实现特厚煤层安全高效开采的重要技术途径,但两硬特厚煤层大采高综放开采面临煤壁稳定性与顶煤冒放性协同控制难题。以金鸡滩煤矿111工作面为工程背景,采用理论分析、室内试验、数值计算、现场实测等方法,研究了两硬特... 大采高综放开采是实现特厚煤层安全高效开采的重要技术途径,但两硬特厚煤层大采高综放开采面临煤壁稳定性与顶煤冒放性协同控制难题。以金鸡滩煤矿111工作面为工程背景,采用理论分析、室内试验、数值计算、现场实测等方法,研究了两硬特厚煤层大采高综放工作面高帮煤壁与坚硬顶煤联动破坏机理,揭示了顶煤冒放性与煤壁稳定性的负向反馈机制,开发了煤壁稳定性与顶煤冒放性协同控制技术。研究结果表明:直覆厚硬顶板大采高综放工作面支架阻力高、动载剧烈,煤壁破坏范围广、深度大,顶煤破碎块度大,大块顶煤易成拱,放煤效率低。构建了大采高综放工作面支架-围岩系统结构模型,提出了厚硬顶板冲击作用下支架阻力和煤壁压力计算方法,揭示了支架刚度对.厚硬顶板载荷传递路径的控制作用。基于最小势能原理确定了高帮煤壁与坚硬顶煤极限承载能力,确定了大采高综放工作面煤壁与顶煤联动失稳、协同稳定及非同步响应条件。定义了煤壁稳定性系数与顶煤冒放性系数,得到了两者随采放比的演化特征,揭示了煤壁稳定性与顶煤冒放性的负向反馈机制。最后,开发了集厚硬顶板压裂+高强度-高刚度支护+采放比优化+工作面设计四位一体的高帮煤壁稳定性与坚硬顶煤冒放性协同控制技术,在现场进行了工业性试验,煤壁破坏范围降低59%,坚硬顶煤放出率达到83%,实现了特厚煤层大采高综放工作面安全高效开采。 展开更多
关键词 大采高综放 厚硬顶板 煤壁稳定性 顶煤冒放性 采放比
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矿井水影响下锚索应力腐蚀行为与机理
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作者 李永亮 杨仁树 +6 位作者 戴祥淋 路绍杰 刘智勇 郭亮 袁江震 程永新 都海龙 《煤炭学报》 北大核心 2025年第7期3424-3440,共17页
锚索是煤矿巷道围岩控制的主要支护材料。锚索在服役过程中不仅承受高应力荷载,而且受井下苛刻腐蚀环境的影响,应力与腐蚀耦合作用下导致的锚索应力腐蚀开裂失效问题凸显,已严重威胁煤矿锚索服役安全,其中矿井水是诱发锚索腐蚀的关键因... 锚索是煤矿巷道围岩控制的主要支护材料。锚索在服役过程中不仅承受高应力荷载,而且受井下苛刻腐蚀环境的影响,应力与腐蚀耦合作用下导致的锚索应力腐蚀开裂失效问题凸显,已严重威胁煤矿锚索服役安全,其中矿井水是诱发锚索腐蚀的关键因素。为了研究不同类型矿井水对锚索应力腐蚀行为的影响规律,采用电化学阻抗谱、电化学极化技术、室内浸泡加速腐蚀试验和微观形貌扫描等方法,分析矿井水中不同的pH、SO42-和Cl-浓度影响下锚索的电化学行为与腐蚀演化特征,揭示锚索应力腐蚀开裂机理,阐明锚索应力腐蚀断裂模式。结果表明:矿井水pH为2~10时,随着pH增加,锚索腐蚀速率先减小后增大,不同的pH改变锚索的腐蚀反应类型,在酸性条件下更容易导致应力腐蚀裂纹形核。矿井水中SO_(4)^(2-)和Cl-对锚索腐蚀的影响规律类似,均是随着浓度的增加,腐蚀速率逐渐增大,更容易诱发应力腐蚀裂纹萌生;不同的离子浓度范围,应力腐蚀速率增加幅度具有差异性。阳极溶解和氢致开裂是锚索应力腐蚀开裂的2种主要机理,锚索应力腐蚀裂纹萌生经历点蚀、点蚀生长和裂纹形核3个阶段;锚索应力腐蚀断口为台阶式破坏,具有典型的3区,即裂纹萌生区、扩展区和终断区。最后,从“材料、环境和应力”3个维度,提出了防止锚索应力腐蚀开裂的控制对策。 展开更多
关键词 锚索 矿井水 电化学 应力腐蚀 控制对策
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煤系地层数值模拟力学参数分布特征与取值范围研究
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作者 王楠 李杨 +7 位作者 PANEIRO Gustavo André 雷兴海 石孝明 李宜杭 崔宇彤 刘浩天 曹晋龙 王铁记 《煤炭学报》 北大核心 2025年第7期3400-3423,共24页
数值模拟方法在煤矿开采领域的应用广泛,尤其在模拟复杂地质条件和多变力学环境方面,为预测围岩动态变化、应力分布以及开采活动可能引发的问题提供了重要研究手段。在煤层开采数值模拟研究中,煤岩层参数的准确设定是实现模拟精确性的... 数值模拟方法在煤矿开采领域的应用广泛,尤其在模拟复杂地质条件和多变力学环境方面,为预测围岩动态变化、应力分布以及开采活动可能引发的问题提供了重要研究手段。在煤层开采数值模拟研究中,煤岩层参数的准确设定是实现模拟精确性的关键。为给煤层开采数值模拟提供更为准确的参数设定参考,收集整理了中国100余个矿井的1 000余条煤岩层数值模拟力学参数,通过MATLAB进行分类整理,构建了煤系地层数值模拟参数的取值参考数据集;基于该数据集,给出了各省数据可信度权重设定与动态优化方法,并对不同地区煤系地层力学参数的差异性和分布规律进行了多维度数据分析,揭示了其在不同地质区域的分布特征和多样性。结果表明:山西、陕西和内蒙古等地区数据可信度权重较高,研究活动较为集中;煤层力学参数数据点主要集中在埋深200~690 m,呈现出一定的趋势和特点,体积模量、剪切模量、弹性模量以及黏聚力等参数在实际应用中的差异性较大。不同岩性的统计分析表明:粉砂岩和细砂岩在研究中最为常见,各岩性在力学特性上的差异性明显,中砂岩在体积模量和弹性模量上分布最广,而石灰岩则在多个参数上表现出较高的稳定性。此外,通过对不同地区煤层与主要岩性模拟力学参数的分析,研发了煤系地层数值模拟力学参数取值范围参考与异常值检测系统,该系统可以实现快速查询煤岩层力学参数取值、异常值检测以及自定义数据集导入分析等功能,以期为煤系地层数值模拟研究中力学参数的确定提供更为科学的参考依据与便捷的工具方法。 展开更多
关键词 煤系地层 数值模拟 力学参数 取值分布 系统开发
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图像识别智能放煤含矸率高精度预测研究(Ⅰ)--煤流表面含矸率
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作者 王家臣 杨胜利 +3 位作者 李良晖 安博超 宋世雄 王雨兵 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期150-165,共16页
图像识别智能放煤是实现智能化综放开采的重要技术之一,其核心在于通过监测煤流含矸率控制放煤口开闭。而井下低照度环境、煤岩块体的不规则形状及堆积叠压等因素是制约煤流含矸率预测的主要难题。针对煤流表面含矸率,构建了不同照度条... 图像识别智能放煤是实现智能化综放开采的重要技术之一,其核心在于通过监测煤流含矸率控制放煤口开闭。而井下低照度环境、煤岩块体的不规则形状及堆积叠压等因素是制约煤流含矸率预测的主要难题。针对煤流表面含矸率,构建了不同照度条件下的煤岩图像数据库,研究了照度及煤岩种类对图像分割性能的影响,开发了综放开采“放-运”全过程高仿真实验平台,提出了基于多照度融合与光流场优化的复杂场景下煤流表面投影面积含矸率高精度识别方法。其次,探讨了不同投影角度和投影方式对煤岩块体二维形态学特征提取的影响,明确了不同维度形态学特征之间的量化关系,构建了“尺寸+形状”特征融合的煤岩块体体积预测模型,用于合理预测煤流表面体积含矸率。最后,结合实验室和现场数据验证了所提方法的有效性。研究表明:随着照度的增大,2种煤岩组合形式的识别精度均先增大后稳定,并略有下降。通过合理设置照度(比如17730 lx),煤+泥岩复杂组合的mAP@0.5由88.7%(3180 lx)提升至92.3%。通过引入多照度融合和光流场分析,可进一步提升复杂场景下的煤流表面投影面积含矸率识别精度和算法适应性。合理选择光源波长,可以放大煤岩块体相对漫反射率差异,增加煤岩块体图像特征区分度。合理的图像投影方式也有利于不规则形状煤岩块体投影面积预测,预测偏差由60%降低至10%以下。通过引入形状特征辅助体积预测模型,体积预测精度显著提高,决定系数由仅考虑尺寸特征模型的0.9416提升至0.9692。 展开更多
关键词 综放开采 智能放煤 含矸率 煤流 煤岩形态
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井下机器视觉系统表面自清洁技术现状与展望
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作者 杨胜利 陈勇升 +4 位作者 王家臣 李良晖 刘凤琪 宋世雄 惠鼎恒 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2802-2822,共21页
井下机器视觉系统在煤矿智能化中具有信息采集和智能决策的作用,但面临煤尘、水雾和光照的影响,导致图像质量不稳定,影响智能装备的决策,研究高效可靠的清洁技术对保证井下机器视觉系统稳定运行至关重要。介绍了井下机器视觉系统表面自... 井下机器视觉系统在煤矿智能化中具有信息采集和智能决策的作用,但面临煤尘、水雾和光照的影响,导致图像质量不稳定,影响智能装备的决策,研究高效可靠的清洁技术对保证井下机器视觉系统稳定运行至关重要。介绍了井下机器视觉系统表面自清洁技术的概念、原理和清洁过程,分析了井下机器视觉系统的工况与组成,指出粉尘质量浓度、光照条件等工作面环境因素对自清洁技术路径有影响,应明晰煤尘产尘机制,从而制定精确的自清洁策略。综述了表面自清洁技术在井下与常规条件实践中的研究进展,基于防污机制的不同,重点总结射流自清洁技术、超声波自清洁技术、激光自清洁技术3种清洁技术的研究现状,对其自清洁特性进行分析,指出高压水射流、表面声波适合清洁大面积污渍,气体射流、超声波振动、激光冲击适合颗粒清洁,辅助多功能表面会提升清洁效率。基于接触方式的不同,对比了直接接触式自清洁技术和间接接触式自清洁技术2类清洁技术的优势和劣势,指出直接接触式自清洁技术简单高效,但会损伤镜头膜基底,间接接触式自清洁技术对基地无损伤,但清洁效率较慢。从综合自清洁策略、优化防爆设计和镜头膜材料多功能化3方面指出了井下机器视觉系统面临的技术挑战,针对多技术协同和清洁质量控制的科学难题,提出了远近场协同控制方法,可为井下机器视觉系统表面自清洁技术提供相关技术支撑。进一步展望了机器视觉系统表面自清洁技术在采矿中的发展趋势,随着无人矿车应用到深地、深海和深空(月球)采矿中,开采变得更为复杂,势必将安装更多机器视觉、激光雷达等智能感知系统,利用视觉系统自清洁装置,能够有效提高视觉系统图像质量,从而保障无人采矿的准确性。 展开更多
关键词 煤矿智能化 厚煤层开采 机器视觉 图像采集 表面自清洁
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沉陷区大直径天然气管道受力变形全尺寸试验研究
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作者 王文 洪磊 +4 位作者 任建东 芦晓伟 龚爽 郭润生 董淼 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期890-901,共12页
为研究煤与天然气重叠区域内开采沉陷作用下埋地天然气管道的力学特征及变形演化模式,研制均匀载荷下大直径天然气管道受力变形试验装置,结合管道变形理论和数值模拟软件研究了采动沉陷对埋地管道变形的影响。同时,基于全尺寸力学特征... 为研究煤与天然气重叠区域内开采沉陷作用下埋地天然气管道的力学特征及变形演化模式,研制均匀载荷下大直径天然气管道受力变形试验装置,结合管道变形理论和数值模拟软件研究了采动沉陷对埋地管道变形的影响。同时,基于全尺寸力学特征试验探究了载荷作用下大直径管道的受力变形特征并做出了安全运维分析。结果表明:随着管道下沉量的逐渐增大,管道两端的下沉量相较于管道中心较小;管道的变形于管道中心大致呈左右对称分布;管道中心相对位移量小于管道两端的相对位移量。在自重和载荷作用下,管道顶部和底部分别受压力和拉力作用,压缩和拉伸变形量从管道两端向管道中心逐渐增大,最大压缩和拉伸变形位置均位于管道中心。随着施加载荷的不断增大,管道的整体变形形态呈现出从平底状到漏斗状的演化过程。在自重作用下管道最大沉降量为45 cm,达到管道最大允许沉降量的35%,在载荷作用下管道的最大下沉量为63.6 cm,达到管道最大允许沉降量的50%。根据管道的拉伸应变和最大允许弹性极限变形量估算了管道的安全临界值。结合管土协同和非协同变形数据,计算拉伸分别为31 mm和90 mm,从管道整体失效判据角度分析,管道处于安全变形范围内,能够满足管道安全运维需求。 展开更多
关键词 开采沉陷 508埋地管道 伸缩变形 受力状态 下沉量
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