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2023年  第8卷  第6期

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深度卷积神经网络目标检测算法在煤矿断层检测上的应用
张春翔 , 唐烨锈 , 邹冠贵 , 曾义文 , 樊卓
2023, 8(6): 733-743. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.001
摘要(441) HTML (97) PDF(253)
摘要:
断层解释技术在煤矿安全开采领域起着至关重要的作用。随着神经网络技术的发展，许多基于神经网络算法的智能化地震资料解释处理方案被提出。首先通过对比不同的深度卷积神经网络目标检测算法，选择适合于识别断层的Faster R-CNN目标检测算法；其次建立具有多种地质特征的地震正演模型，分别对AlexNet、残差网络ResNet50和ResNet101三种特征提取网络进行测试，优选得出ResNet101特征提取网络在断层检测方面具有更加优异的表现；最后基于优选的ResNet101特征提取网络和Faster R-CNN目标检测算法构建断层检测模型，对实际地震数据进行断层检测。结果表明：基于深度卷积神经网络的目标检测算法在断层检测上具有很好的泛化能力，提高了断层的解释效率，在实际应用上具有巨大潜力。
苏里格致密砂岩气藏流体微观分布规律及影响因素
张瀚澎 , 任大忠 , 张荣军 , 屈乐 , 李天 , 李启晖
2023, 8(6): 744-757. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.002
摘要(160) HTML (27) PDF(66)
摘要:
苏里格气田东区下石盒子组含水较高，流体赋存特征对致密砂岩气藏开采影响较大。通过岩矿鉴定、孔隙率以及渗透率分析等实验，结合核磁-离心技术，分析了孔隙率、渗透率、岩性、孔喉非均质性与连通性及其对流体赋存规律的影响。结果表明：①研究区致密砂岩储层孔隙的流动能力较差，束缚水饱和度较高，其流动能力与气体流动压差(离心力)密切相关。②填隙物对流动能力有关键的控制作用，丰富的高岭石含量代表着储层具有较好的连通性、较大的孔径，整体孔隙水流动能力较强；伊利石持水能力很强，容易造成毛管阻碍、限制流动能力。③气体流动压差(离心力)与储层孔隙水可流动的孔径具有较好的幂关系。④苏里格气田东区下石盒子组有效储集空间临界孔喉半径为0.089 μm，可动水饱和度为23.95%。
高温作用下干热岩岩石物理实验及岩石物理建模研究
高万里 , 赵惊涛 , 王化伟
2023, 8(6): 758-767. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.003
摘要(202) HTML (30) PDF(83)
摘要:
为探究干热岩储层物性参数随温度变化的规律，本文对青海共和盆地29块干热岩样品进行高温岩石物理实验，分析了样品速度、磁场强度、电阻率等物性参数随温度变化的规律。研究结果表明：①岩石样品随着温度升高，密度逐渐减小，但衰减幅度不足1%；②样品纵横波速度受温度变化的影响较大，在120~180 ℃之间大幅衰减，纵波速度下降约1 500 m/s，横波速度下降约800 m/s；③在120 ℃时，磁场强度达到峰值，数值为室温下的7倍；④电阻率随温度升高呈现波动性变化，数值在10~25 Ω·m范围内变化。基于实验结果，结合经典的Gassmann方程和流体替换模型，定量分析了孔隙度和温度对纵波速度的影响：当孔隙度为0.025时，样品纵波速度随着温度的升高下降约600 m/s，当孔隙度为0.1时，样品纵波速度随着温度的升高下降约1 000 m/s。
富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆NPR补偿对策
陶志刚 , 周子琮 , 杨晓杰 , 霍树森 , 孙吉浩 , 杜志锋
2023, 8(6): 768-779. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.004
摘要(167) HTML (18) PDF(54)
摘要:
云南他白依隧道位于青藏高原东麓，穿越多条断层构造带，其围岩软弱破碎，遇水强度骤降。原设计方案下围岩存在米级大变形，出现了拱架扭曲、仰拱隆起和突泥涌水等灾害。针对富水断层带隧道围岩破碎难题，首先通过矿物成分分析、点荷载试验及地应力测试，分析了富水断层带隧道变形力学机制及其转化，通过未注浆、常规注浆及双梯度注浆的围岩承载力试验，确定采用双梯度注浆工艺进行NPR锚索锚固；然后，通过数值模拟及现场试验，得出了最佳锚索数目；最后，通过现场应用，基于监测数据验证了双梯度注浆及高预紧力长短NPR锚索支护体系的可靠性。研究结果可为类似富水断层带隧道的大变形灾害控制提供参考。
体外预应力FRP筋混凝土梁受力性能的试验研究
吴丽丽 , 马媛媛 , 杨家琦 , 武海鹏
2023, 8(6): 780-790. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.005
摘要(159) HTML (28) PDF(44)
摘要:
为了研究体外预应力复合材料筋混凝土梁的破坏特征和承载性能，对12根全FRP筋试验梁开展了三分点加载试验，其中体外预应力筋为碳纤维增强复合材料(CFRP)筋，受力筋和箍筋采用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋。对比分析预应力水平、剪跨比、混凝土种类等因素变化对GFRP筋混凝土梁承载力的影响，推导了包含预应力筋应力增量影响的受弯承载力表达式，并将计算结果与试验结果进行对比。结果表明，无预应力梁的破坏主要由变形控制，施加预应力梁的破坏由变形控制转变为承载力控制。预应力FRP筋混凝土梁跨中挠度与预应力增量基本呈正比例关系。FRP筋梁承载力随剪跨比的增大而减小，且剪跨比对开裂荷载的影响更显著。混凝土种类对预应力梁开裂荷载的影响大，而对无预应力梁的开裂荷载和极限荷载影响较小。本文推导的预应力FRP筋混凝土梁承载力计算结果与实测值吻合较好。
冻融作用下水泥改良土未冻水含量及孔隙特征试验研究
刘波 , 高荣 , 何艳清 , 赵璐 , 李东阳 , 孙颜顶
2023, 8(6): 791-802. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.006
摘要(123) HTML (19) PDF(47)
摘要:
水泥基材料注浆是控制人工冻结地层冻融变形普遍有效的措施。基于核磁共振技术，对冻融作用下不同水泥掺量的粉质黏土未冻水含量及冻融前后孔隙特征进行测试，结合扫描电镜和压汞技术分析了冻融前后水泥改良土的孔隙特征变化规律及冻融损伤微观机理。结果表明：①含水量一定时，随着水泥掺量的增大，孔隙中水分子磁化程度对温度的敏感性先增大后减小；②当水泥掺量为0~10%时，正融过程同一温度下，随着水泥掺量的增加，冻结土体中未冻水含量先减小后增大；③相比于未掺水泥的粉质黏土，水泥改良粉质黏土冻融前后孔隙的变化程度较小，当水泥掺量为5%时，其孔隙特征及微观结构受冻融循环影响较小。研究结果可为改良土体抗冻融损伤研究及人工冻结工程地层冻胀融沉稳定性控制提供参考。
红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治
刘文超 , 赵毅鑫
2023, 8(6): 803-816. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.007
摘要(157) HTML (28) PDF(55)
摘要:
针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题，以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景，结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3-1煤层地质条件进行初步分析；运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟，分析3-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制，研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明：① 3-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素；②模拟得到3-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征，确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域；③提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术，对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。
褐煤中CH4/O2/N2气体竞争吸附特性的分子模拟研究
张同浩 , 陈明义 , 田富超 , 刘惠族 , 张浩 , 王硕
2023, 8(6): 817-827. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.008
摘要(155) HTML (28) PDF(54)
摘要:
为探究温度与摩尔比对煤中CH4/O2/N2气体竞争吸附的影响规律，采用巨正则蒙特卡罗法(GCMC)和分子模拟方法，研究云南小龙潭褐煤在不同温度(303.15~383.15 K)和压力0~480 kPa条件下CH4/O2和N2/O2二元混合气体竞争吸附特性。结果表明：①在试验温度和压力范围内，温度升高均会抑制煤对CH4、O2、N2三种气体的吸附，且煤对三种气体的吸附能力为CH4＞O2＞N2。②煤对CH4/O2吸附选择性系数与气体摩尔比基本无关，而随着温度的升高呈现减小趋势；对N2/O2的吸附选择性与温度和摩尔比的关系均不显著。③随着吸附量的增加，二元混合气体中任一组分的等量吸附热均呈线性增大；CH4/O2和N2/O2在同等吸附量条件下，摩尔比越大吸附热越低，但当CH4吸附量低于0.029 mmol/g时，CH4气体的等量吸附热与摩尔比的关系不大。研究结果为揭示CH4与空气竞争吸附行为对煤低温氧化的影响机理奠定了基础。
液氮冻融-微波注热急速冷热冲击下饱水煤力学及渗流特征研究
马恒 , 侯双荣 , 齐消寒 , 王品 , 刘阳 , 王晓琪
2023, 8(6): 828-837. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.009
摘要(105) HTML (18) PDF(38)
摘要:
为研究饱水、冻融与温度因素耦合作用下煤岩力学及渗流特征，以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象，采用非接触式数字图像处理技术开展液氮冻融与微波注热条件下煤岩三轴加载实验。研究结果表明：原始煤岩经液氮冻融、液氮饱水冻融、液氮饱水冻融不同温度处理后，煤岩抗压强度、弹性模量降低，泊松比升高，剪切应变值增大；原始煤岩在压密、弹性、屈服和破坏4阶段应力集中现象无明显变化，但经3种条件处理后，煤岩局部应力集中在破坏阶段出现明显扩增现象；相比于原始煤岩初始渗透率，经冻融处理后煤岩初始渗透率为1.44×10-3 μm2，增幅较小；经饱水冻融、饱水冻融后50 ℃、100 ℃温度处理，煤岩初始渗透率增幅较为明显；经饱水冻融后150 ℃温度处理后煤岩初始渗透率为7.40×10-3 μm2，增幅显著提高。研究结果可为深部低渗透煤层瓦斯增透提供指导，对提高井下瓦斯抽采效率具有参考意义。
提钛炉渣-铁基全尾砂-水泥胶结充填体配比实验研究
李杰林 , 李奥 , 郝建璋 , 徐继业 , 张良兵
2023, 8(6): 838-846. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.010
摘要(109) HTML (39) PDF(37)
摘要:
为研究提钛炉渣替换水泥全尾砂胶结充填体的最佳配比及力学性能，以提钛炉渣(TBS)、铁基全尾砂(IFT)和水泥(P.O 42.5R)为实验材料，在分析该提钛炉渣的粒径级配组成、成分等物理化学特性的基础上，制备灰砂比1∶4、1∶6、1∶8和提钛炉渣掺入替换比为40%、50%、60%、70%、80% 的充填体试样，测定了养护龄期分别为7 d、14 d和28 d时的充填体单轴抗压强度。实验结果表明：充填体的抗压强度与养护期龄正相关；相同养护时间下，充填体的单轴抗压强度随着灰砂比的增大而增大；随提钛炉渣替换比增大，充填体28 d强度先增大后减小；当提钛炉渣替换比为50% 时，灰砂比1∶8、1∶6、1∶4的充填体28 d抗压强度分别为1.8 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa，均超过未添加提钛炉渣的试块强度，表明掺入提钛炉渣对充填体的28 d强度具有明显的提升作用。研究结果表明，提钛炉渣可开发为矿山充填胶凝材料，从而降低矿山充填成本。
不同硅铝比微米级HZSM-5分子筛的合成及催化甲苯甲醇烷基化反应性能
潘旭 , 黄鑫 , 王瑞壮 , 张海永 , 韦慧 , 许德平 , 刘意
2023, 8(6): 847-855. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.011
摘要(117) HTML (52) PDF(27)
摘要:
HZSM-5分子筛是甲苯甲醇烷基化制对二甲苯技术中常用的催化剂之一。本研究在引入晶种调节HZSM-5分子筛形貌的同时，改变分子筛合成前驱体溶液硅铝比调控分子筛酸性位，采用一步法直接制备孔结构和酸性质均适宜的微米级HZSM-5催化剂。通过X射线衍射、N2吸附-脱附、扫描电子显微镜、NH3程序升温脱附、吡啶红外等手段对HZSM-5分子筛的物相组成、孔结构参数、微观形貌、酸性质进行表征分析，考察了其在甲苯甲醇烷基化制对二甲苯反应中的催化性能，探讨了孔结构和酸性质对催化性能的影响。结果表明：在水热晶化方法中，合成溶液中的晶种和铝含量对分子筛的酸性质和形貌结构有显著的影响，其中5 μm晶粒的HZSM-5(150)分子筛催化剂因具有更长的扩散路径和更适宜的酸性位，在甲苯甲醇烷基化评价反应中表现出60% 的对二甲苯选择性和11% 的甲苯转化率。通过对HZSM-5分子筛的孔道和酸性位的精细调节有效提高了对二甲苯选择性，为择形催化剂的设计提供新的方法和思路。
镁质胶凝材料制备与分类、水化机理及耐久性能
胡捷 , 王艳 , 张少辉 , 常天风 , 孙琳琳
2023, 8(6): 856-867. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.012
摘要(178) HTML (48) PDF(38)
摘要:
镁质胶凝材料是基于活性MgO的一种新型胶凝材料，具有快凝、早强、耐火等特性，在修补、抢修等工程中具有显著优势。本文按照MgO煅烧温度及调和液种类，将镁质胶凝材料分为氯氧镁水泥、硫氧镁水泥和磷酸镁水泥，详细讨论并总结了它们的水化机理及耐久性能。氯氧镁水泥的水化实质是MgO、MgCl2和H2O三元体系水化；硫氧镁水泥水化过程由于游离MgSO4的存在导致硬化体系的强度较低；磷酸镁水泥由于MgO溶解放热及与磷酸盐之间剧烈反应放热的重叠导致水泥水化过快及放热过于集中。碳化会收缩镁质胶凝材料硬化基体中的毛细孔、优化内部孔结构，提高其强度及耐久性。镁质胶凝材料耐水性都较差，氯氧镁水泥耐水性差的原因目前并没有统一的认识；硫氧镁水泥耐水性差是因为未反应的MgO与水反应生成Mg(OH)2，引起体积膨胀、硬化基体开裂；磷酸镁水泥耐水性差是因为磷酸盐会导致水化产物及未反应的MgO溶解。
智能化煤矿劳动力结构转型与职业重塑
赵莉 , 李俊
2023, 8(6): 868-878. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.06.013
摘要(124) HTML (39) PDF(39)
摘要:
煤炭行业从传统煤矿向智能化煤矿转型过程中，劳动力结构发生深刻变革。基于劳动力与劳动工具互动作用机理，通过分析智能化煤矿劳动力特征，构建智能化煤矿劳动力与劳动工具适配性模型。从智能化煤矿劳动力质量结构、智能采矿的人才培养规模、“智能换人”相关制度、煤矿数据治理人才、智能化煤矿工种名称等方面，分析煤矿智能化建设过程中面临的人才短板。从重构智能采矿人才结构、创设新岗位新工种、更新政策法规、提升行业形象和员工幸福感、健全人才培养体系等方面，探讨智能化煤矿职业重塑的路径和举措。

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