煤炭地下气化燃空区发育及能量回收评价 被引量：4

1

作者 苏发强 荆士杰 +6 位作者 高喜才 浦海 范伟涛 于光磊 武俊博 邓启超 张涛 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期3682-3691,共10页

气化燃空区的发育状况监测以及能量回收的评价对于实现高效的煤炭地下气化(UCG)以及气化过程的精确监测与控制十分重要。在人工煤层构建2种不同类型的气化通道模型(链接孔模型/同轴孔模型),依次进行3次大型UCG模拟实验,通过分层位温度... 气化燃空区的发育状况监测以及能量回收的评价对于实现高效的煤炭地下气化(UCG)以及气化过程的精确监测与控制十分重要。在人工煤层构建2种不同类型的气化通道模型(链接孔模型/同轴孔模型),依次进行3次大型UCG模拟实验,通过分层位温度监测法观察气化过程中燃烧带和燃空区的发育衍化,研究了不同的气化剂组成(O_(2),CO_(2),H_(2)O等)、配比、流速等实验操作参数作用下对生成气化产物中煤气成分及热值的影响,同时建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法,并评估整个地下气化过程的气化效率、煤炭消耗量与煤产气量等。研究结果表明:分层位温度监测能反映气化过程中燃烧带以及燃空区的发育情况;气化区域的衍化范围以及衍化速率与气化通道的类型密切相关,2次链接孔模型实验所得的衍化范围与速率的结果均为同轴孔模型实验的2倍以上;地下气化过程中的高温环境更有利于气化过程的持续进行,在高温条件下生成煤气中可燃气体的组分比例增高;煤炭的消耗量以及能量回收率与采用的气化通道类型也密切相关,链接孔模型实验生成的气化燃气相对同轴孔模型热值较高,并且链接孔模型实验的能量回收率也高于同轴孔模型实验。 展开更多

关键词 地下气化 燃空区发育 煤炭消耗量 能量回收 气化效率

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基于化学计量理论的煤炭地下气化过程能量回收评价方法 被引量：2

2

作者 苏发强 范伟涛 +6 位作者 浦海 高喜才 荆士杰 辛林 张涛 武俊博 邓启超 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期2732-2744,共13页

煤炭地下气化(UCG)过程的能量回收评价对整个煤炭地下气化过程的有效控制具有十分重要的意义。评价内容包括对气化耗煤量、煤气产率及速率、气化产物热值及气化效率等煤炭地下气化成效评价所需关键参数的设计、监测、计算和解析。通过... 煤炭地下气化(UCG)过程的能量回收评价对整个煤炭地下气化过程的有效控制具有十分重要的意义。评价内容包括对气化耗煤量、煤气产率及速率、气化产物热值及气化效率等煤炭地下气化成效评价所需关键参数的设计、监测、计算和解析。通过对选定煤样进行UCG模拟试验,研究了不同链接孔方法和操作参数所产生的影响,建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法,并定义了能量回收率。试验结果表明,链接孔模型所产生的生成气平均热值高达10.26 MJ/m^(3)(V形通道)和11.11 MJ/m^(3)(L形通道);而同轴孔模型试验结果分别为7.38和4.70 MJ/m^(3);气化后链接孔模型试验的空腔体积约为同轴孔模型试验的2倍;研究结果表明,气化通道类型和气化剂流量会影响煤炭消耗量和生成气热值;链接孔气化通道类型对气化区后续气化燃烧的氧化表面和破坏裂隙的发育有很大影响;本研究提出的基于化学计量法的气体能量回收评价方法简单可靠,计算结果与实际测试值的误差在10%以内,可有效评估气化过程中的气化煤量、煤气产量及热值等。 展开更多

关键词 煤炭地下气化 气化通道类型 化学计量法 气化效率 能量回收

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特厚煤层巨厚顶板分层综采工作面区段煤柱失稳机理及控制 被引量：35

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作者 王志强 武超 +5 位作者 罗健侨 王鹏 石磊 张焦 李敬凯 苏泽华 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第12期3756-3770,共15页

针对特厚煤层分层综采工作面,采用理论分析及现场试验相结合的方法,对于巨厚直接顶下区段煤柱失稳机理及控制技术展开研究。首先分析各分层工作面沿空侧覆岩运移规律,通过建立覆岩结构力学模型,得到中、底分层工作面沿空侧覆岩载荷计算... 针对特厚煤层分层综采工作面,采用理论分析及现场试验相结合的方法,对于巨厚直接顶下区段煤柱失稳机理及控制技术展开研究。首先分析各分层工作面沿空侧覆岩运移规律,通过建立覆岩结构力学模型,得到中、底分层工作面沿空侧覆岩载荷计算公式,其次基于弹塑性理论,得到窄煤柱及宽煤柱内部任意一点应力的解析解,并代入实际工程参数,分析不同尺寸煤柱内部应力分布规律,最后给出中、下分层工作面区段煤柱围岩控制关键技术,进行现场工业性试验。研究表明:中、下分层开采期间,上覆巨厚直接顶会形成"低位短悬臂梁+砌体梁+高位弯曲下沉带"的覆岩结构;将分层开采煤柱受力状态分为"宽煤柱弹性区应力叠加型"和"窄煤柱峰值应力叠加型"2种形式,分别求得宽煤柱内任意一点三向应力及窄煤柱内任意一点垂直应力的解析公式,其中覆岩应力集中系数、煤柱高度及煤柱宽度是主要影响因素;小于15 m的特厚煤层依然适合留设窄煤柱,其内部垂直应力峰值随煤柱高度增大而降低,再受到分层多次采动影响,窄煤柱内实际残余强度更低,更易失稳,而大于15 m的特厚及巨厚煤层不易留设窄煤柱;给出留设合理区段煤柱尺寸的方法,并提出"及时主动+2次被动+3次关键部位锚索注浆加强支护"的围岩控制方案,现场应用效果明显。 展开更多

关键词 特厚煤层 分层开采 区段煤柱 失稳机理 围岩控制

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易自燃煤氧化的力学特性 被引量：9

4

作者 潘荣锟 马智会 +4 位作者 余明高 晁江坤 马智勇 贾海林 李聪 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2949-2964,共16页

为了研究易自燃煤体氧化后的力学特性变化,通过程序升温和热重实验获得煤氧化过程中的特征温度,并对煤样进行氧化处理;通过测试煤氧化前后的波速,得出氧化后煤体的损伤因子;通过单轴压缩实验,分析不同氧化煤的力学参数变化规律;通过建... 为了研究易自燃煤体氧化后的力学特性变化,通过程序升温和热重实验获得煤氧化过程中的特征温度,并对煤样进行氧化处理;通过测试煤氧化前后的波速,得出氧化后煤体的损伤因子;通过单轴压缩实验,分析不同氧化煤的力学参数变化规律;通过建立氧化煤受力模型,分析不同氧化煤力学特性的差异并对典型工况研究。研究表明:①原煤和70,135,200和265℃氧化后煤样的平均纵波波速分别为1642,1416,1261,870和557 m/s,不同氧化煤的损伤因子平均值依次为0.19,0.43,0.72和0.86,随着氧化程度加深,波速降低,损伤因子变大;②原煤应力-应变曲线表现出较好的线性特征,其压密阶段和屈服阶段不明显;随着氧化程度加深,氧化煤应力-应变曲线压密阶段和屈服阶段越明显,多峰效应越显著,峰后台阶跌落效应越突出,且峰后存在明显残余强度,其塑性增强;③随着氧化加深,抗压强度从16.36 MPa降至4.10 MPa,弹性模量从3.779降至0.437,割线模量从2.05降至0.19,初始模量从0.609降至0.082,泊松比从0.37降至0.25;氧化对煤体的抗压强度影响最明显,其软化系数从0.89降低至0.25,并提出了“氧化煤动态工程强度”的概念;④随着氧化程度的增加,煤样的峰值应变和压密阶段最大轴应变逐渐增加,压缩阶段最大轴应变与峰值应变比值越来越大,当氧化程度达到265℃后,其比值近50%;⑤随着氧化程度的加深,煤样的破坏形式趋复杂化,破坏后的完整性变差,破坏后脱落的碎煤及煤粉增多,并伴随产生“起皮”现象;⑥氧化煤体由外向内划分为强氧化区、弱氧化区和未氧化区,并建立了氧化煤体受力模型,计算得出70,135,200和265℃氧化后的煤样未氧化区域直径为44.44,37.24,16.84和0.06 mm,分析了氧化煤体力学性质差异机制,并对典型工况进行了数值模拟分析。 展开更多

关键词 易自燃煤 纵波波速 单轴压缩 力学特性 破坏特征

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遗留群柱中关键柱判别方法与软件 被引量：4

5

作者 白锦文 宋诚 +7 位作者 王红伟 戚庭野 冯国瑞 曹光明 王凯 郭军 史旭东 崔博强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期651-661,共11页

关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的... 关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法,优化了遗留煤柱自身强度的计算方法;其次,引入应力扩散的最大距离L,改进了遗留煤柱承担载荷的计算公式;然后,分别确定了待研究区域内各个遗留煤柱的安全系数,并将安全系数最小的遗留煤柱判别为关键柱;最后,形成了遗留群柱中关键柱判别的技术方法,并运用Python语言开发了关键柱智能判别的KPDS软件。结果表明:(1)最小等效宽度为不同形态遗留煤柱的最小实用承载宽度;内切圆法、最短边法、辅助线法和短轴线法可以用于确定采空区规则/不规则形态遗留煤柱的最小等效宽度;(2)内切圆法适用于确定横截面为三角形和正多边形遗留煤柱的最小等效宽度;最短边法适用于确定“横截剖面存在最短边且其邻近2边相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;辅助线法适用于确定“横截剖面存在最短边且其2条邻边不相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;短轴线法适用于确定半圆形遗留煤柱、圆形遗留煤柱和椭圆形遗留煤柱的最小等效宽度;(3)遗留煤柱承担的载荷不只是从属面积上覆岩的载荷,还包括邻近范围覆岩所传递扩散过来的载荷;考虑应力扩散最大距离可以更加准确计算遗留煤柱承担的载荷;(4)基于最小等效宽度和载荷扩散最大距离,能够确定待研究采空区内安全系数最小的遗留煤柱,可以进一步判别出关键柱,并形成关键柱判别的技术流程;(5)关键柱判别KPDS软件是Key Pillar Determination Software的简称,主要包括:登录界面、参数导入界面、强度计算界面、承载与安全系数计算界面和关键柱判别界面;该软件可以快速智能地判别出遗留群柱体系中关键柱。该研究可以实现遗留群柱体系中关键柱位置的超前识别,有望指导遗留群柱链式失稳和围岩联动破坏的科学防控,并进一步促进煤矿岩层控制理论与技术的发展。 展开更多

关键词 关键柱 最小等效宽度 载荷扩散距离 判别方法 智能软件

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分层开采窄煤柱巷道围岩失稳机理及控制技术研究 被引量：6

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作者 王志强 田野 +2 位作者 刘吟苍 王鹏 于峰 《煤炭工程》 北大核心 2022年第1期94-100,共7页

为合理解决老公营子煤矿中下分层回采巷道大变形的问题,基于5#煤层实际的地质条件,研究覆岩运动与巷道围岩稳定性的联系,揭示巷道围岩失稳机理。指出采动应力的叠加作用是造成首采面巷道围岩失稳的主要因素;覆岩的二次破断形成非对称结... 为合理解决老公营子煤矿中下分层回采巷道大变形的问题,基于5#煤层实际的地质条件,研究覆岩运动与巷道围岩稳定性的联系,揭示巷道围岩失稳机理。指出采动应力的叠加作用是造成首采面巷道围岩失稳的主要因素;覆岩的二次破断形成非对称结构,造成偏载作用显著是影响接续工作面巷道围岩失稳的主要因素,且窄煤柱多次受到回采扰动,塑性破坏严重,承载能力降低是造成巷道围岩失稳的内在因素。以此提出"封闭强化、区别对待"的围岩控制思路,表面喷浆内部注浆提高围岩的自承能力,补强锚索加强围岩局部支护强度。现场实践表明,窄煤柱巷道可以满足工作面回采期间的要求,稳定性较好,为类似巷道围岩控制提高借鉴。 展开更多

关键词 分层开采 窄煤柱 覆岩运动 巷道支护 围岩控制

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采动影响下接续面巷道围岩变形机理与控制研究 被引量：5

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作者 王志强 刘吟苍 +2 位作者 田野 王鹏 于峰 《煤炭工程》 北大核心 2022年第4期117-121,共5页

老公营子矿Ⅲ16-1(2)工作面运输巷道在I06-2(2)1工作面回采过程中受采动影响较大,顶底板与两帮发生变形,严重影响到Ⅲ16-1(2)工作面之后的生产工作。结合该矿地质条件,采用理论分析、数值模拟等研究方法确定接续面受采动影响的范围,并... 老公营子矿Ⅲ16-1(2)工作面运输巷道在I06-2(2)1工作面回采过程中受采动影响较大,顶底板与两帮发生变形,严重影响到Ⅲ16-1(2)工作面之后的生产工作。结合该矿地质条件,采用理论分析、数值模拟等研究方法确定接续面受采动影响的范围,并优化支护方案,增加巷道围岩稳定性,减少接续面的扩帮、拉底等工作。研究表明:22m宽煤柱下,首采面回采工作对接续面的影响范围是超前工作面50m到滞后工作面30m;根据数值模拟效果观察确定优化方案,对塑性破坏集中区域设置增强锚索进行加强支护;通过现场应用,验证了优化方案的有效性。 展开更多

关键词 分层开采 采动影响 围岩变形 宽煤柱

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基于统计分析的近距离煤层上行开采可行性判别方法 被引量：9

8

作者 袁光明 何团 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2021年第3期17-27,共11页

调研了目前近距离煤层上行开采可行性判别的常用方法,在开采地质条件日益复杂、下部煤层采高不断增大的开采背景下,分析了现有评价方法的适用性与局限性。基于丰富的近距离煤层上行开采案例统计,通过理论分析提出了以上部煤层台阶错动... 调研了目前近距离煤层上行开采可行性判别的常用方法,在开采地质条件日益复杂、下部煤层采高不断增大的开采背景下,分析了现有评价方法的适用性与局限性。基于丰富的近距离煤层上行开采案例统计,通过理论分析提出了以上部煤层台阶错动量为核心指标判别近距离煤层上行开采的可行性。运用UDEC数值模拟软件,开展大量数值模拟试验,构建以下部煤层开采厚度、煤层间距、层间岩层岩性指数为参量的上部煤层台阶错动量预计公式,得到台阶错动量与单一参数的协同关系。基于此,最终提出基于数据统计分析的近距离煤层上行开采可行性判别方法,该方法可靠性高,适用性强、应用操作简单,具有一定的理论与实用价值。运用基于统计分析的近距离煤层上行开采可行性判别方法指导工程实践,经验证现场应用效果良好。 展开更多

关键词 近距离煤层 上行开采 台阶错动量 可行性判别

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基于不同气化通道类型的地下气化煤体破裂监测及扩展规律 被引量：2

9

作者 苏发强 邓启超 +5 位作者 武俊博 张涛 代孟佳 何小龙 杨君楠 余伊河 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期3845-3858,共14页

在煤炭地下气化过程中,高温产生的热应力会导致煤体不断破裂,可能会导致气体泄漏,因此煤体破裂的实时监测与规律研究对煤炭地下气化系统长期稳定运行具有重要意义。为此,采用声发射(AE)监测手段对不同气化通道类型的模型实验(带底部交... 在煤炭地下气化过程中,高温产生的热应力会导致煤体不断破裂,可能会导致气体泄漏,因此煤体破裂的实时监测与规律研究对煤炭地下气化系统长期稳定运行具有重要意义。为此,采用声发射(AE)监测手段对不同气化通道类型的模型实验(带底部交叉孔的垂直同轴气化通道、垂直同轴气化通道、V形连接孔气化通道)中的煤体破裂活动进行了监测,并基于监测结果研究了不同操作参数(气化剂组分和流量)以及气化通道类型对煤体破坏活动及气化区扩展的影响,然后采用矩张量分析构建的裂纹分布模型定量分析了气化过程中声发射源处的裂纹类型以及裂纹方向,从而研究煤在气化过程中的损伤和破坏规律。研究结果表明:气化炉整体温度变化与声发射事件有非常强的相关性,在0~750℃内增加会导致声发射事件增多;实验中定位的声发射源可以较为准确的表示煤体破裂位置,通过对声发射源整体分布的监测可以预测气化区的扩展范围,垂直同轴孔模型气化区主要向两侧扩展,而V形连接孔模型的气化区则主要沿气流流动方向扩展;较高的氧体积分数以及气体流量在温度小于氧化区临界温度(900℃)时能显著地促进气化区的扩展;基于矩张量分析构建的裂纹分布模型能有效帮助研究煤炭地下气化过程中煤体的破裂规律,裂纹分布模型结果显示,拉伸破坏主导气化过程中煤体的破坏,裂纹总体的聚集方向接近煤层的分层方向,此外裂纹位置分布结果表明在还原区范围内裂纹的萌生与扩展活动较为活跃。 展开更多

关键词 煤炭地下气化 煤岩破裂 声发射 矩张量分析 气化区扩展

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黄河流域中上游煤-水协调开采的地下水原位保护技术 被引量：11

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作者 白二虎 郭文兵 +2 位作者 张合兵 谭毅 郭明杰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S02期907-914,共8页

煤炭开采是破坏黄河流域煤矿区地表生态环境最强烈的人为活动,而水资源供需矛盾是制约煤矿区生态环境治理、绿色矿山建设的关键因素。为缓解煤炭开采对地下水资源及地表生态环境的影响,基于采动影响下含水层破坏机理,形成了近黄河流域... 煤炭开采是破坏黄河流域煤矿区地表生态环境最强烈的人为活动,而水资源供需矛盾是制约煤矿区生态环境治理、绿色矿山建设的关键因素。为缓解煤炭开采对地下水资源及地表生态环境的影响,基于采动影响下含水层破坏机理,形成了近黄河流域煤炭开采的地下水保护思路,提出了黄河流域中上游煤-水协调开采的地下水原位保护技术,阐明了该技术以控制坚硬顶板不破断与充填体置换煤柱的思路而实现地下水原位保护的基本原理,介绍了地下水原位保护技术中加固煤柱的条带开采、留窄煤柱的置换煤柱充填开采2个技术步骤及优势。结合沿空留巷的围岩控制技术与充填开采的快速增阻强度,通过建立坚硬顶板破断力学模型,分析了加固煤柱的条带开采、留窄煤柱的置换煤柱充填开采的可行性。以近黄河流域的离柳矿区双柳煤矿为研究对象,分析确定了有效达到地下水原位保护的关键技术参数,如条带开采参数、煤柱旁充填宽度、充填置换煤柱时维持巷道稳定的窄煤柱留设宽度以及坚硬顶板不破断的最小充填率等,并基于条带开采煤柱剥离理论及其长期稳定性评价方法,分析表明该技术所留设煤柱及充填体具有长期稳定性,能有效保护含水层及地表生态环境。 展开更多

关键词 保水开采 黄河流域中上游 煤-水协调 原位保护 煤柱稳定性

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基于边界跟踪和神经网络的煤岩界面识别方法研究 被引量：10

11

作者 吴德忠 刘泉声 +2 位作者 黄兴 高峰 殷欣 《煤炭工程》 北大核心 2021年第6期140-146,共7页

为实现煤岩界面精准识别,采集了鄂尔多斯李家壕煤矿矿区巷道掘进面原始图像,提出了基于机器学习的分类算法和基于数字图像处理的边界提取算法,该算法为提取连续单像素宽度边界提供了良好的基础。据此提出一种基于边界跟踪算法和人工神... 为实现煤岩界面精准识别,采集了鄂尔多斯李家壕煤矿矿区巷道掘进面原始图像,提出了基于机器学习的分类算法和基于数字图像处理的边界提取算法,该算法为提取连续单像素宽度边界提供了良好的基础。据此提出一种基于边界跟踪算法和人工神经网络的煤岩界面识别方法,从而为巷道掘进机和采煤机滚筒空间位置的调整提供依据。采用文章提出的方法对从陕西神木榆家梁采煤工作面采集的原始图像进行验证,提取到的煤岩边界与真实的煤岩界面基本吻合,验证了该方法的有效性和可靠性。 展开更多

关键词 煤岩识别 边界跟踪 神经网络 形态学处理

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