西部生态脆弱区现代煤-水仿生共采理念与关键技术

针对西部生态脆弱矿区富煤贫水特征和原生态保护要求,建立集开采和生态保护为一体的"现代开采生态系统";基于采前地下水及地表生态的稳定性关系或生态"原态"约束,提出煤水资源开发中的"煤-水仿生共采"理念、煤炭开采与水资源开发及地表生态保护同步的"煤-水仿生共采"模式;按照"隔离-导流-控制"的仿生共采新思路、提出"隔离层控制"原理和开采"地下水漏斗聚集"调控效应;构建了集分区设计、隔离重构、仿生控制为核心的煤-水仿生共采保护控制关键技术体系;开发了"压裂-开采-注浆"开采隔离保护工艺、地下水汇集调控关键技术。     

鄂尔多斯盆地上古生界煤系非常规天然气赋存特征

基于天然气赋存特征与勘探开发存在密切关系,为了鄂尔多斯盆地非常规天然气高效开发提供理论支持,通过对U-1井上古生界沉积演化史、有机质热演化史、烃源岩条件、储层类型、储层物性条件及含气性综合分析的方法,探讨了U-1井含煤地层非常规天然气的赋存特征。结果表明,研究区上古生界含煤地层主要发育潮坪-三角洲沉积,盆地持续沉降形成气藏,源内、近源成藏组合构建垂向多套天然气成藏。研究区发育页岩-砂岩-页岩、页岩-煤-页岩和页岩-煤-砂岩-页岩三种赋存模式,其中页岩-煤-页岩模式总含气量较高,适合煤层气开采;页岩-煤-砂岩-页岩模式次之,适合煤层气、致密砂岩气和页岩气综合开采;页岩-煤-页岩模式适合致密砂岩气藏开采。     

开采解放层预防煤与瓦斯突出的断裂力学分析

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防和控制,运用断裂力学的基本理论,对开采解放层对防治煤与瓦斯突出所起的作用进行了理论分析,建立了被解放层Irwin-Kies关系的恒位移模型,并系统地分析了该模型内的各种能量关系。采用最大周向应力理论(σ_θ准则)来判断煤体中裂纹是否会扩展,运用能量释放率断裂准则(G准则)来判定裂纹是否会失稳扩展,提出了从减小煤体的应力强度因子和提高断裂韧度方面来防止煤与瓦斯突出的一种新方法。     

我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展

围绕西北煤炭开采中水资源保护基础理论研究中的关键科学问题,介绍了西北煤田地层结构特征、采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律和水资源保护性采煤机理与控制理论等方面的研究进展情况。构建了西北矿区不同生态地质环境类型生态-水-煤系地层空间赋存结构模型,分析了浅表层水分布特征与水循环运移规律;提出了覆岩裂隙表述和重构方法,构建了上位隔水层-中位阻隔层-下位基本顶结构协同变化模型和渐序变化模型;构建了该区初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法体系,探索了新式短壁保水采煤方法,为构建基于水资源保护的西北煤炭科学开采方法体系奠定基础。     

西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与方法研究进展

基于国家重点基础研究发展计划（973）项目：西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与环境保护基础研究,从地质环境条件、地质灾害形成机理、预测评价方法和灾害防治理论等4个方面,开展了西部煤炭高强度开采下地质灾害防治的总体研究思路和相关研究。通过西部富煤区域侏罗-白垩系构造地质及水文地质的研究,揭示了富煤区域地层结构及水沙动力学特征;基于采动岩体力学行为研究,揭示了大面积顶板切落、突水溃沙等地质灾害的发生机理,形成了防治重大地质灾害与环境损伤的采煤理论和方法。该研究将地质灾害防治和生态环境保护进行有机的结合,从源头解决制约我国西部煤炭开采的关键问题,可为我国西部煤炭资源长期大规模安全高效绿色开采奠定理论基础。     

煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析.结果 表明:煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象,说明能量的释放是分阶段完成的;煤层应力的变化主要集中...     

浅议我国煤层瓦斯气监测

煤炭是中国储量最多、分布最广的不可再生战略资源,同时,中国还是世界上最大的煤炭消费国.然而伴随着煤炭的开采,矿难频频发生,其中瓦斯事故已经成为了煤矿安全的"第一杀手".总结了目前国内常用的预防瓦斯事故的监测技术手段,并提出了一种在待开采煤层上通过钻孔的方法来检测瓦斯气参数的模型.     

立体化巷道布置对综放开采煤层自燃影响的数学评价

针对综放开采过程中煤层易自然发火问题,提出采用错层位巷道布置采全厚开采方案。该方案可达到完全控制采空区漏风,提高煤炭回采率,消除易自燃浮煤,从根源上解决煤自然发火问题的目的。根据影响煤炭自燃危险性的因素,建立层次结构模型及相关因素的各层次判断矩阵,并应用定性与定量相结合的层次分析法进行分析,结果表明,采用新型巷道布置体系能够有效防止煤层自然发火事故的发生。     

高位硬厚关键层下开采弹性能分布研究

高位硬厚关键层下开采弹性能异常集中,采用数值模拟的方法研究了上覆硬厚关键层条件下弹性能分布特征,并分析了硬厚岩层不同厚度下弹性能分布特征。研究表明:受硬厚岩层的影响,工作面在开采过程中,煤壁前方以及煤壁前方硬厚岩层底部煤岩体处于高能量状态,易发生高能量微震事件;硬厚岩层破断过程中,释放大量的能量,造成煤岩体积聚的能量突然增大;在动力扰动作用下,造成煤岩体强烈震动,容易诱发矿震、冲击地压、压架、煤与瓦斯突出、离层水等重大动力灾害。随着硬厚岩层厚度的增加,破断前后煤壁前方的能量集中程度逐渐减小,硬厚岩层底部煤岩体能量集中范围增加。     

论煤炭绿色开采的地质保障

受"缺油、少气、相对富煤"能源资源禀赋特点制约,煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源赋存地质条件出发,为实现煤炭资源安全高效开采、减缓和减小采掘工程对地质条件和生态环境损害,提供地质理论和技术支撑。从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术问题、研究思路4个方面系统阐释了煤炭绿色开采地质保障理论与技术。煤炭绿色开采地质保障突出深部煤炭资源开采扰动下的地质条件变化,强调煤炭开采活动与地质结构和地表生态环境变化的整体研究,关注地下采掘工程引起时空效应范畴的地质条件变化和生态环境演化之间的耦合机制。总体研究思路是开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用。采前实施空天地一体化精细勘查,查明煤系矿产资源空间赋存特征及维系地表生态系统的主要地质因素,构建涵盖煤系资源、地质条件、生态环境等要素的高精度三维模型,评价煤炭资源最佳利用方向和区域环境承载能力;采中进行地质条件损害探测、监测,揭示应力场、形变场、渗流场变化规律,研究煤系气、地下水运移和涌出特点,分析导致围岩动力灾害发生的地质因素,提出煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等灾害超前预警理论及防控措施;采后进行采空区水体、有害气体、遗留资源的探测,巷道围岩、煤柱变形特征监测,研究煤-岩-水相互作用及采空区稳定性变化,开展地质条件及地表生态恢复演化过程研究,提出地下空间及遗留资源的综合利用理论与技术。煤炭绿色开采地质保障涵盖找煤、勘探、开采及采空区利用全过程,追求煤系矿产资源和生态环境保护协调发展。     

煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论

根据煤体变形破坏与其中瓦斯渗流的相互影响和相互作用机理，提出了煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论，即突出是含瓦斯煤在体采掘活动影响下，局部发生迅猛，突然破坏而造成的，是应力、瓦斯及煤质３个主要因素综合作用的结果。采用Ｄｉｒｉｃｈｌｅｒ势能量小原理作为突出发生准则，建立了瓦斯对影响的本构关系及煤和瓦斯突出固流耦合的数学模，并用有限元法进行数值模拟，结果表明，采深和瓦斯压的增加都将使突出发生的危险增加。     

煤与瓦斯突出物理模拟相似准则建立与分析

相似准则是物理模拟的理论依据,是研发相似材料确定试验条件的基本前提。煤与瓦斯突出物理模拟相似准则是制约模拟试验发展的瓶颈。针对描述煤与瓦斯突出全过程的力学模型尚未建立的现状,尝试采用描述突出孕育阶段的气固耦合模型进行相似准则推导。基于气固耦合方程,采用相似变换法推导了相似准数。该组相似准数可保证煤岩变形破坏规律相似,却难以发生突出现象。提出了采用能量模型推导煤与瓦斯突出相似准则的思路。改进了前人的能量方程,经过相似变换导出了新的相似准数。该组相似准数可保证试验模型与原型能量集聚、转移和释放规律相似。结合两组相似准数,在保证能量模型相似的基础上,考虑煤岩变形破坏规律相似,确定了煤与瓦斯突出物理模拟相似准则。与前人的物理模拟试验结果进行对照,验证了相似准则的合理性。     

采动诱冲动能估算及冲击危险性评价

能量积聚与释放作为煤矿冲击地压发生的基本力学机制,成为近些年来学术界与工程界关注的热点之一。如何突破传统的以应力-应变曲线为基础的形变能诱灾机理现状,探讨动能驱动诱冲机理是科学解答冲击地压的瓶颈。根据回采工作面开采所引起的支承分布压力变化,基于开采扰动原理,推导了因采动导致煤体内产生动能计算方法,得到了不同深度、不同塑性区宽度、不同推进度与所产生动能之间关系,提出了冲击危险性动能评估指标。研究表明,工作面超前支承压力集中区产生的高变形能的释放是煤体破坏的必要条件,而支承压力变化促使变形能释放转化形成的动能是驱动煤体动力破坏失稳的充分条件;通过对开采进尺小于和大于塑性区宽度时支承压力变化所引起动能计算发现,当开采进尺大于0.8倍的塑性区宽度时将开始产生动能;当开采进尺一定时,塑性区宽度越大,产生的动能就越小,因此松动爆破、大直径卸压钻孔等手段增大塑性区宽度有利于动能的降低;若开采进尺越大,则产生动能就越高,因此,降低推采速度减少进尺有利于降低产生的动能,基于获得的开采进尺与动能量级的关系,可以定量给出满足防冲要求的安全开采进尺,这为解答如何确定不同冲击地压煤层容许进尺提供了定量方法;根据单位体积煤体所承受动能与单位体积煤体所能够贮存的弹性能的比值,定义冲击危险性动能评估指标,强调动能驱动机制,这将更有利于判断冲击危险性程度。     

低透气性突出煤层群开采层序论证

由于福泉煤矿山区低透气性突出煤层群开采瓦斯治理难度大,开采保护层是首选的区域防突措施。通过分析煤层赋存情况、瓦斯压力、煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度及煤的破坏类型,结合保护层保护范围及保护层开采技术条件,综合论证煤层群2号、3号、6号、7号煤层开采层序。结果表明,福泉煤矿调整采掘部署,首采6号煤层,对于矿井的瓦斯治理及安全生产具有重要意义。     

突出煤层群保护层选择及开采程序优化

贵州织纳矿区属突出煤层群开采,开采程序不合理是制约该矿区区域瓦斯高效治理的核心问题。肥田煤矿是矿区典型的突出煤层群开采矿井,选择6号煤层作为保护层,采用下行式开采程序。但是矿井建设过程中6号煤层瓦斯灾害严重,煤巷掘进进度缓慢,采掘接替紧张。针对肥田煤矿突出煤层群瓦斯灾害存在问题,从宏观区域瓦斯治理理念出发,提出“组间上行、下煤组下行、上煤组上行”的开采程序,确定矿井突出煤层群开采的保护层,并对保护层开采时区域瓦斯治理及实现设计产能的可行性进行分析,为实现矿井区域瓦斯治理步入良性循环和安全高效生产奠定基础。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

智慧煤矿信息逻辑模型及开采系统决策控制方法

针对数字矿山向智慧矿山发展过程中信息关联层次不清晰、框架结构不完善、缺少智能决策依据及有效控制方法的问题,提出了智慧煤矿信息逻辑模型,基于本体和语义网技术建立了煤矿多源、异构关系数据的信息"实体"和虚实映射机理,提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配与推送策略,构建基于开采行为预测推理的智慧逻辑模型进化机制,形成了层级清晰、结构明确、全面覆盖的智慧煤矿信息模型;构建了综采设备群空间位姿关系模型,提出了考虑随机误差的强耦合设备群空间坐标统一描述及各设备关联坐标系转换方法,建立了多参量融合分析和评估的开采环境-生产系统耦合关系模型,为煤矿装备位姿控制及智能决策提供支撑;给出了时变多因素影响下的开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法。将综采设备群全局最优规划归结为一个二次积分模型的燃料最优规划问题,提出了基于多模态控制的综采设备群全局最优推进路径规划及控制策略,可兼顾开采条件、设备能力、工艺流程及能量消耗,确保生产成本、效率的有效改善。给出了同时考虑环境干扰和传感器数据时延特性的液压支架群组分布式协同控制方法。上述基础架构和数学模型为深层次挖掘智慧煤矿海量信息之间的关联关系、解决大数据环境下开采系统的最优化协同控制、实现复杂地质条件下连续稳定开采提供了基础理论支撑,可有效推动智慧煤矿技术的发展。     

空间数据挖掘算法在煤矿能源保护监管中的应用

为降低煤矿能源开采风险,实现规范化管理,提出空间数据挖掘算法在煤矿能源保护监管中的应用研究。由信息层、控制层和设备层构成监管系统,明确系统职责,结合监管系统特征,设计空间数据挖掘模型整体结构。将粗糙集和神经网络方法相结合,去除冗余数据,采用误差函数和代价函数,确定神经网络训练样本数量。探究数据挖掘模型在煤矿保护监管中的应用过程,设计神经网络结构,计算神经元数量,反复训练网络生成关联规则。经过实例应用分析,从关联规则中可得出:煤矿能源安全和瓦斯浓度、日开采量之间支持度较高,必须将二者指标控制在合理范围内。由此证明了挖掘算法不但可以获取煤矿能源现状,还能通过历史数据得出预见性结论。     

低透气性高瓦斯薄煤层高压注水治理瓦斯

低透气性高瓦斯薄煤层回采时,利用煤层高压注水压裂,增加煤层透气性,使煤体中的瓦斯得到充分释放;并配以充足的风量,解决采煤工作面上隅角及回风瓦斯超限问题,以保证采煤工作面的安全回采。