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题名煤层注水对煤矿灾害的防治作用机理研究
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作者
王刚
黄启铭
程卫民
于岩斌
王振洋
李木坤
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机构
山东科技大学露天煤矿灾害防治与生态保护全国重点实验室
山东科技大学安全与环境工程学院
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出处
《山东科技大学学报(自然科学版)》
北大核心
2025年第3期1-12,共12页
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基金
国家自然科学基金项目(52174194)。
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文摘
国内外长期工程实践证实,煤层注水作为一种防控技术手段,能够从源头上有效治理煤尘、瓦斯及冲击地压等灾害,为煤矿安全生产提供了重要保障。本研究基于近年来国内外研究成果,从注水引发的煤体润湿改性、孔裂隙结构演化及力学性能调控三个维度,系统梳理了煤层注水防治矿井灾害作用机理的研究成果。煤层钻孔注水在压力驱动下渗流进入煤体孔裂隙网络,通过水膜包裹煤尘颗粒、降低煤体表面能等途径抑制粉化核形成,实现粉尘污染的源头防控;水力润湿作用促使煤体强度弱化并提升煤体塑性,配合水力致裂产生的区域卸压效应,显著改善煤层应力分布状态,从而有效预防煤层冲击地压灾害。同时,注入煤层内部的水分子通过竞争吸附置换煤体孔隙内的瓦斯,结合高压水力增透机制,显著强化煤层瓦斯的流动性,大幅提升煤层瓦斯抽采效率。尽管现有研究已从多角度阐明了注水防灾机理,但在深部复杂地质条件下,注水渗润的各向异性特征、水-煤-气-应力多场耦合动态响应机制,以及地质力学环境变异对注水效果的影响等方面仍需深入探索。这些关键问题的突破将为发展适应深部开采条件的煤层注水新技术提供理论支撑,推动煤矿灾害水力化防治水平迈上新台阶。
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关键词
煤层注水
粉尘
冲击地压
煤与瓦斯突出
防治机理
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Keywords
coal seam water injection
dust
rock outburst
coal and gas outburst
prevention mechanism
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分类号
TD712
[矿业工程—矿井通风与安全]
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题名煤自燃初期低温氧化产热特性及关键结构演变特征
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作者
刘浩
李增华
王刚
牛会永
谭波
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机构
山东科技大学露天煤矿灾害防治与生态保护全国重点实验室
山东科技大学安全与环境工程学院
中国矿业大学安全工程学院
北京科技大学土木与资源工程学院
中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院
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出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第7期3518-3533,共16页
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基金
国家自然科学基金资助项目(52074275)。
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文摘
煤自燃初期氧化产热是导致煤自燃的根源,也是衡量煤自燃危险性最直接的评价指标。为了测定煤在自燃初期消耗单位氧气产生的氧化热,创新性地通过六通阀与定量环组合,精确控制向煤样罐中通入的空气量,并基于煤氧化热理论构建计算模型,测定煤在自燃初期不同条件下的单位耗氧氧化热。结果表明:在50℃恒温氧化条件下,LJ、WD、ZZ、XT 4种煤样消耗单位氧气产生的氧化热分别为66.94、40.76、42.82、23.31 kJ/mol。这一发现表明,煤自燃初期产生的氧化热远低于数值模拟中常用的氧化热数值300 kJ/mol,且变质程度最低的LJ煤氧化放热量最大,4种煤样都在氧化时间为40 s左右时达到了最大产热速率。为了分析自燃初期不同煤样的产热量呈现差异性的原因,通过低温氮气吸附试验测试煤样的孔隙结构,结果发现煤的孔隙结构不是决定煤氧化放热量差异的主导性因素,孔隙结构更发育只是有效促进了煤氧复合反应。而电子顺磁共振试验结果表明煤自燃初期氧化产热是由反应位点控制的动力学行为,煤样原生反应位点的数量是决定产热量的主导因素。初始氧化温度的升高使得煤中初始反应位点增多,也使得煤产生反应位点的速率加快。反应位点的本质为自由基,自由基浓度的增加速率决定了煤氧化反应的速率。
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关键词
煤自燃初期
产热特性
产热机理
孔隙结构
自由基
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Keywords
initial stage of coal spontaneous combustion
heat production characteristics
heat production mechanism
pore structure
free radicals
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分类号
TD75
[矿业工程—矿井通风与安全]
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题名基于FRP-PCM加固的既有病害隧道加固性能评价
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作者
许振玉
张学朋
李宁博
蒋宇静
陈红宾
刘林胜
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机构
山东科技大学露天煤矿灾害防治与生态保护全国重点实验室
山东科技大学能源与矿业工程学院
水利部水利水电规划设计总院
长崎大学工学研究科
青岛地铁集团有限公司
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出处
《中国安全科学学报》
北大核心
2025年第5期186-194,共9页
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基金
国家自然科学基金资助(52109132)
山东省高等学校青年创新团队发展计划(2024KJH065)。
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文摘
为提高隧道工程安全运维能力,通过截面极限承载力,实现纤维增强聚合物水泥砂浆基复合材料(FRP-PCM)补强加固既有病害隧道性能的量化评价和选型的量化设计。基于有限差分原理建立隧道损伤模型,开展FRP-PCM补强病害隧道稳定性分析数值试验,根据相关规范作出截面极限承载力曲线(又称M-N曲线)综合评判隧道安全情况,同时,提出M-N曲线风险系数α,实现加固效果的定量化评价,并与工程规范相结合建立FRP型号的设计选型方案。结果表明:衬砌拱顶产生空洞时,通过M-N曲线判断拱顶部位和拱肩部位较危险。当围岩质量越差、衬砌混凝土劣化程度越高、松动压力高度越大时,FRP-PCM方法加固性能越显著;在劣化程度80%、围岩等级V级、松动压力高度19.2 m(2D)的工况条件下,经过不同型号FRP补强后能使衬砌M-N曲线风险系数降低23%~32%,较大提升衬砌的安全性能。基于M-N曲线风险系数,可根据围岩等级、松动压力高度、衬砌损伤情况等因素选择最优FRP型号进行补强加固。
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关键词
既有病害隧道
纤维增强聚合物水泥砂浆基复合材料(FRP-PCM)
加固性能
M-N曲线
衬砌病害
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Keywords
diseased tunnel
fiber-reinforced polymer cement mortar(FRP-PCM)
reinforcement
M-N curve
lining diseases
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分类号
X913.4
[环境科学与工程—安全科学]
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题名承压积水作用下临空损伤煤柱宏观破坏特征与渗流规律
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作者
刘伟韬
陈东祺
刘玉本
杜衍辉
赵吉园
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机构
山东科技大学能源与矿业工程学院
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出处
《煤田地质与勘探》
2025年第8期140-153,共14页
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基金
山东省自然科学基金项目(ZR2023ME002)
青岛市自然科学基金项目(25-1-1-83-zyyd-jch)。
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文摘
【背景】小煤柱护巷的方式在我国得到广泛应用,临空煤柱的稳定性影响着矿井的安全生产,受多种扰动作用影响的煤柱内往往会产生不同类型的损伤裂隙,积水采空区的承压水环境可能会造成临空损伤煤柱的失稳破坏。【方法】为研究损伤裂隙结构对煤体稳定性的影响,引入相对稳定的初始损伤裂隙概念,基于损伤力学理论建立临空煤体的“流–应力–损伤”(HMD)耦合力学模型,采用COMSOL有限元分析临空损伤煤柱受单侧压力水影响下渗流破坏过程。【结果和结论】初始损伤裂隙的力学参数会显著影响煤体产生二次损伤的时间,两者之间存在临界阈值;损伤裂隙的存在会显著影响临空煤柱的稳定性,在单侧水压的作用下呈现出非对称的破坏形态,局部突水处的流速相比损伤前提高了2个数量级;裂隙结构会影响煤体失稳过程,随着裂隙角度从30°增加到60°,煤体的失稳时间从7.0 h缩减至4.1 h,而0°裂隙模型由于应力方向的特殊性失稳时间最短,仅为3.9 h;从损伤发育的宏观过程来看,不同模型均经历了从初始损伤裂隙尖端二次发育→损伤破坏贯通边界→大面积损伤区域扩展→边界局部突水通道形成的4个阶段;从模型损伤单元数量的演化特征来看,呈现损伤发育和快速扩展2个阶段,裂隙结构对发育速度的影响主要作用在损伤发育阶段,而不同模型快速扩展阶段的时间差异并不明显。研究结果可以为采空区隔水煤体的稳定性判断与失稳过程识别提供参考。
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关键词
临空煤柱
采空区积水
初始损伤裂隙
流–应力–损伤耦合模型
失稳前兆
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Keywords
goaf-side coal pillar
water accumulation in goaf
initial damage fracture
hydro-mechanical-damage(HMD)coupling model
instability precursor
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分类号
TD745
[矿业工程]
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