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2024年  第9卷  第2期

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封面文章

阻燃输送带火灾早期温度变化与烟气成分研究
段佳磊 , 梁运涛 , 贾宝山 , 孙勇 , 王睿德 , 罗奕杭 , 崔鑫峰
2024, 9(2): 135-143. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.001
摘要(228) HTML (40) PDF(110)
摘要:
为实现带式输送机火灾早期预警,改进滚筒摩擦实验平台并监测阻燃输送带温度。利用质谱(MS)技术,分析钢丝绳芯阻燃输送带在摩擦事故早期的升温规律与烟气成分。研究表明,随着摩擦持续进行,阻燃输送带表面温度分布呈现出较强的对称性,最高温度区域逐渐向输送带中心集聚,烟气成分随温度变化而改变。根据实验中烟气产物主要成分以及对应的反应过程,将钢丝绳芯阻燃输送带升温过程分为氧化反应阶段(环境温度至100 ℃)、取代反应阶段(100~160.2 ℃)和热解反应阶段(160.2 ℃以后)。当阻燃输送带处于氧化反应阶段时,输送带热容量较小、升温快,产物多为烷基和酯类化合物;取代反应阶段热容量逐渐增加,升温放缓,产物多为硝基、醚类、羧酸类化合物;热解反应阶段输送带内部热容量基本稳定,升温速率最小,在160.2 ℃时在烟气成分中首次检测到含氯化合物。
添加二氧化硅的煤石墨化高温高压模拟实验
陈高健 , 曹代勇 , 王安民 , 魏迎春 , 刘志飞 , 赵萌
2024, 9(2): 144-155. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.002
摘要(129) HTML (26) PDF(58)
摘要:
为研究自然条件下二氧化硅矿物对煤石墨化作用的影响,将二氧化硅添加剂与分选后的煤中镜质组(来自中国西南部贵州省格目底矿区)充分混合后,开展实验条件为600~1 200 ℃、1.5~2.0 GPa的高温高压模拟实验,对煤系石墨形成环境进行反演。通过X射线衍射、拉曼光谱和高分辨率透射电镜对石墨化产物进行分析,研究二氧化硅对煤的石墨化过程的影响。研究发现,二氧化硅在高温高压环境下存在阻碍石墨化作用的效果,抑制煤石墨化程度的增长。这一结果可为自然条件下构造强烈地区煤石墨化程度较低的现象提供一种解释。
深部煤层地下气化选址研究——以东胜气田J148地区为例
王锦昌 , 刘刚 , 张辉 , 翁新龙 , 马超 , 张茹
2024, 9(2): 156-166. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.003
摘要(106) HTML (20) PDF(40)
摘要:
从地质构造、水文地质、煤层气化适用性等角度,系统研究了东胜气田J148地区中生界侏罗系中下统延安组延9煤层地下气化的可行性,并探讨了利用深部煤层气化燃空区孔隙层、含水层及该区致密气层进行碳封存的前景。研究结果表明,该区延9煤层埋深1 264~1 285 m、倾角小于1°,煤层稳定性好。气化目标选区内地层断层、节理裂隙不发育,偶有裂隙但断面新鲜、闭合,煤层气化后空腔有较好的密闭性,对煤炭地下气化影响小,有利于气化炉的建设和扩展,可满足规模化煤炭地下气化项目实施。延9煤层顶底板存在连续的隔水层,能阻截地下水对煤层直接充水,有利于地下气化炉布置;顶板隔水层厚度小于导水裂隙带高度,存在垮落导通顶板含水层间接充水的风险,但顶板含水层属弱富水含水层,涌水量小,风险可控;底板隔水层厚度大于隔水层的安全厚度,能有效阻截煤层底板含水层对煤层直接充水的风险。总体而言,延9煤层厚度适中、夹矸少,属低灰、低硫、高热值不黏煤,煤焦反应活性高,具有良好开发前景。针对深部煤层规模化气化开采产生大量的CO2排放,初步探讨了利用煤层燃空区、顶底板含水层和下部致密天然气层进行CO2安全封存可行性。分析认为,在延9煤层气化燃空区孔隙层和顶底板含水层中,可封存煤层气化产生的CO2的60.8 % ~88.2 %;若结合东胜气田上古生界致密天然气开发,用煤气化产生CO2进行天然气驱替与封存,有望实现深部煤层气化开采过程近零碳排放。
煤炭地下气化渗透反应墙构建材料的吸附和渗流特性研究
王凡 , 徐冰 , 谌伦建 , 邢宝林 , 苏发强
2024, 9(2): 167-177. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.004
摘要(110) HTML (16) PDF(37)
摘要:
煤炭地下气化(UCG)带来的地下水污染风险是限制其推广发展的主要问题之一。渗透反应墙(PRB)修复技术是地下水原位修复的主要研究热点,而PRB材料特性是影响其正常运行的关键。本文首先探究了砂、有机膨润土、活性炭对UCG特征有机污染物苯酚的吸附特性,在此基础上,采用自建的渗流实验系统研究了砂、有机膨润土、活性炭及其混合物的吸附和渗透特性对净化污染水的综合影响效果。结果表明:①有机膨润土对溶液中苯酚的吸附速率较快,可在10 min之内达到吸附平衡,但吸附容量较小(1.98 mg/g);活性炭对溶液中苯酚的吸附速率较慢,但吸附容量较大(2.22 mg/g)。②有机膨润土对苯酚的等温吸附可用Freundlich模型描述,模型参数kF = 0.040,n = 1.207;活性炭对苯酚的等温吸附可用Langmuir模型描述,模型参数Smax = 2.44 mg/g,kL = 0.125 L/mg。③砂和活性炭的渗透系数分别为1.006×10-3 m/s和4.761×10-2 m/s,砂与活性炭或有机膨润土混合可有效调节混合材料的渗透性,当砂与有机膨润土质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由2.624×10-6增大至3.468×10-5 m/s;而砂与活性炭质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由1.379×10-3减小至1.301×10-4 m/s。
海水腐蚀对砂岩物理力学特性与微观结构破坏特征的影响研究
周韬 , 陈昌鹏 , 张旸旸 , 殷雪菡 , 陈家嵘
2024, 9(2): 178-189. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.005
摘要(105) HTML (21) PDF(43)
摘要:
针对海底隧道围岩在海水腐蚀下物理力学性能劣化的问题,选取典型砂岩作为研究对象,基于深圳海底隧道所在区域海水的取样数据配制不同浓度的模拟海水溶液,对砂岩试样进行不同浓度、不同时间的腐蚀浸泡处理,再进行单轴压缩试验,并结合声发射与扫描电子显微镜(SEM)技术,对海水腐蚀损伤砂岩的物理力学特性、破坏过程和微观结构演化特征进行分析研究。结果表明:随着腐蚀溶液浓度增加,砂岩试样表面越早发生脱落且面积越大,试样密度小幅度增加;峰值应力和弹性模量均随腐蚀时间增加而降低,但二者降低幅度及速率不同;随着腐蚀时间以及浓度的增加,除高浓度组砂岩试样在腐蚀45 d之后声发射事件活跃期有所缩短外,其余组砂岩试样的声发射事件活跃期均有所增长,砂岩试样内部缺陷逐渐发育,结构逐渐疏松,蜂窝状腐蚀区域面积增大,盐离子白色结晶区域逐渐扩大。
温度和骨料预湿对煤矸石砂浆流变性的影响
王振波 , 范雨润 , 左建平
2024, 9(2): 190-198. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.006
摘要(120) HTML (23) PDF(44)
摘要:
矿山充填、巷道喷射等工程对施作材料的流变性要求较高。水泥基材料中的骨料类型、状态与所处的环境对砂浆流变性能有显著影响。本文以煤矸石砂代替石英砂作为水泥基材料的细骨料,研究温度与骨料预湿对砂浆流变性的影响规律及作用机理。结果表明,煤矸石砂浆的剪切应力-剪切速率关系符合Herschel-Bulkley(H-B)模型特征,流变指数大于1,稠度明显大于石英砂砂浆;煤矸石砂浆的表观黏度随温度升高而不断降低,但骨料预湿的影响不大;30 ℃下煤矸石砂浆的屈服应力为2.99 Pa,比10 ℃下提高1.45倍,预湿后则提高2.13倍;煤矸石砂浆的触变环面积大于石英砂砂浆,预湿煤矸石砂浆的触变环面积为398.4 Pa/s,干燥煤矸石砂浆则减小为283.3 Pa/s。研究结果将为煤矸石砂的合理利用、复杂环境下流变材料的设计与制备提供支撑。
冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理
杨国梁 , 尚卓 , 邹泽华 , 毕京九 , 董智文
2024, 9(2): 199-208. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.007
摘要(93) HTML (21) PDF(46)
摘要:
为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明:不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。
微波热力冲击下硬脆砂岩冲击倾向性演化规律试验研究
滕腾 , 贾文建 , 易鹏 , 赵毅鑫 , 朱笑颜 , 徐铎
2024, 9(2): 209-216. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.008
摘要(101) HTML (17) PDF(43)
摘要:
冲击地压是深部资源开采的主要灾害类型,冲击倾向性是表征冲击地压风险的重要指标。为了探索微波热力冲击对岩石冲击倾向性的影响,本文对典型强冲击倾向性硬脆砂岩开展了微波热力冲击和单轴压缩试验,分析了微波热力冲击后砂岩的物理力学性质和冲击倾向性指标响应规律。研究结果表明:(1)微波作用后,砂岩表面温度随着热力冲击时间增加持续升高,直至150 s发生热破断;(2)微波热力冲击120 s后,砂岩内部结构发生微破裂,岩石冲击倾向性明显减弱,纵波波速与弹性模量分别下降了15.12 %、8 %;(3)单轴压缩变形破坏过程各阶段声发射信号密度增大,砂岩最终破坏时的绝对能量最大值下降42.3 %;(4)岩石动态破坏时间增长了259 %,冲击能量指数减小95 %,弹性能量指数下降92 %,砂岩由强冲击性岩石变为弱冲击性岩石。研究结果为煤炭深部开采冲击地压防治和深地工程高效破岩具有参考价值。
风积沙充填开采应用现状及材料性能研究
王树帅 , 岳中文 , 康一强 , 罗磊
2024, 9(2): 217-232. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.009
摘要(103) HTML (29) PDF(36)
摘要:
风积沙充填开采可实现就地取材、变废为宝,实现煤矿开采与风积沙治理的协同处理。目前,风积沙充填主要应用于公路下伏采空区充填、煤矿充填开采及金属矿充填开采;在充填工艺方面,开发了采空区注浆投沙、固体充填开采、高水充填开采以及胶结充填开采等;在充填技术方面,采用了长壁式充填开采、条带式充填开采和巷式充填开采等。关于风积沙胶结材料性能研究集中于料浆流动性与充填体强度方面。通过分析不同配比与养护时间下风积沙胶结料浆的流变特性,以及采用聚丙烯纤维对风积沙充填体进行韧性改良,发现风积沙胶结料浆流变参数随养护时间而增加,纤维的加入显著改善了风积沙充填体的脆性特征。
基于优化领先狼群算法的微震源定位研究
李晓燕 , 张明伟 , 宋雷 , 庞迎春 , 张结如
2024, 9(2): 233-242. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.010
摘要(68) HTML (13) PDF(36)
摘要:
为分析不同启发式方法对求解微震源定位精度问题的影响,提出一种优化领先狼群算法。该算法在领先狼群算法的基础上,调整搜索步长和围攻步长两个参数,提高了在搜索过程中跳出局部最优解的能力。通过理论模型反演和工程数据分析,验证了优化领先狼群算法的有效性。与常用的粒子群算法和模拟退火算法两种启发式算法相比,优化领先狼群算法收敛更快,精度更高,受P波波速误差影响更小。该算法为智能启发式算法应用于微震源定位提供了新思路。
基于统计学模型的矿区粉尘污染特征及影响因素的定量分析
赵洪宝 , 翟汝鹏 , 戈海宾 , 陈超男 , 刘绍强 , 荆士杰
2024, 9(2): 243-257. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.011
摘要(89) HTML (13) PDF(38)
摘要:
针对露天矿粉尘无秩序排放引发的生态环境退化问题,选取河曲露天煤矿粉尘产生区域为研究靶区,利用粉尘监测体系获取靶区TSP、PM10、PM2.5及环境指标数据,结合粉尘浓度对不同粒径粉尘分布差异性进行对比分析,引入空气质量浓度分指数法、Pearson关联矩阵分析法和灰色关联法对靶区内核心污染物、不同粒径粉尘内在关联性及环境指标与粉尘浓度的关联度进行深入探讨,基于单变量、多元线性和主成分得分-多元线性回归分析法对粒子变迁演化规律及环境指标对微粉尘权重的影响规律进行定量解析,同时运用均值误差法对MLR和PCA-MLR模型预测的精确度进行验证。结果表明:①区域1(采掘场)和3(煤场)不同粒径粉尘浓度均存在超过现行标准二级限值的情况,区域2(交通干道)仅存在超过一级限值的情况。②不同区域粉尘污染能力的强弱与IAQI评估结果一致,均为区域1>3>2;当不同区域TSP浓度一致时,域内粉尘污染能力的强弱顺序转变为区域2>3>1,且各区域核心污染物均为PM2.5。③不同区域粉尘浓度线性关系较为显著。④不同区域MLR模型演算出的多元线性方程的拟合度排序规律与粉尘浓度Pearson关联度趋于一致,且多变量拟合度优于单变量拟合度,结合MRE法检验出不同区域MLR模型预测精度区域3(3.02 %)>2(9.46 %)>1(10.75 %)。⑤区域1中TSP和PM10与气压呈强正相关,PM2.5与相对湿度呈强负相关;区域2中各粒径粉尘均与温度和风速呈强负相关;区域3中仅与温度呈强负相关。⑥微粉尘权重与环境指标的PCA-MLR模型相对于直接MLR模型,预测精确度提高了56.63 % 和13.41 %。
胀锁型锚索双向加固窄煤柱试验研究与工程应用
王军 , 吕顺章 , 杨光 , 王波 , 谷长宛 , 王港
2024, 9(2): 258-269. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.012
摘要(67) HTML (9) PDF(29)
摘要:
针对沿空掘巷窄煤柱非对称变形问题,提出了对穿锚索双向加固窄煤柱技术,设计了伸长型和胀锁型两种对穿锚索结构及工艺,开展了对穿锚索拉拔试验,试验表明两种锚索结构均满足抗拉要求,从锚索破坏形态、施工便捷性和材料经济性等方面对比分析,确定胀锁型对穿锚索为窄煤柱双向加固的首选。进一步通过相似模型试验与数值模拟研究了不同加固方式下煤柱承载变形规律和对穿锚索受力特征。结果表明:双排紧密型对穿锚索加固试件较未加固试件峰值荷载提高了96.04%,且随着锚索排数及数量的增加,窄煤柱双向加固稳定性越来越高,胀锁型对穿锚索提高了煤柱破坏前的能量储存量和临界破坏点。最后,在济宁三号煤矿12304工作面运输巷开展胀锁式对穿锚索加固窄煤柱工程试验,监测显示对穿锚索锚固力超过220 kN,锚索加固区煤柱帮鼓量降低70%,窄煤柱整体稳定性好,窄煤柱双向加固技术可行,为沿空掘巷工程提供了新技术途径。
毛坪铅锌矿采场热环境影响因素研究
康建宏 , 田佳阔 , 吴云韬 , 崔数文 , 李晴 , 宋小林
2024, 9(2): 270-277. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.013
摘要(66) HTML (31) PDF(31)
摘要:
矿井热害是矿井深部开采面临的重要问题。以毛坪铅锌矿为工程案例,采用现场测试与数值模拟相结合的方法,研究了不同热源对深部矿井采场热环境的影响。基于现场实测的采场地温梯度与热环境参数,构建了毛坪铅锌矿采场物理模型,采用COMSOL软件分析了较低地温条件下风流温度、人体热源、机电设备以及充填体四种热源对采场及围岩温度的影响,并通过现场温度测量数据对数值计算结果进行验证。结果表明:毛坪铅锌矿目前开采水平地温为21.60 ℃,地温梯度为1.66 ℃/hm;灰砂比是影响充填体放热的重要因素,充填体产生的热量不仅会借助风流直接传至采场,还能通过围岩传导至巷道壁面,造成采场温度升高;地温对采场温度影响较大,采场温度随着地温的增大呈线性增加;毛坪铅锌矿中各个热源对采场环境的影响程度不同,其中风流能显著提高采场温度,充填体和机电设备次之,人体热源对采场温度的影响最小。
含细颗粒悬浮物矿井水的混凝沉淀参数优化
侯嫔 , 秦浩铭 , 刘昊 , 徐东莹 , 贾舒涵 , 张周爱 , 王建兵
2024, 9(2): 278-285. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.014
摘要(67) HTML (14) PDF(26)
摘要:
针对宝日希勒露天煤矿矿井水中悬浮颗粒物粒径小、难去除的问题,采用单因素与正交实验方法确定了混凝沉淀工艺的最佳参数,分析了矿井水中细颗粒物的混凝机理。结果表明,混凝沉淀的最佳工艺参数为聚合氯化铝(PAC)投加量50 mg/L,非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)投加量5.0 mg/L,快速搅拌(300 r/min)时间1 min,慢速搅拌(50 r/min)时间8 min,静置时间5 min;在最佳工艺条件下,悬浮物(SS)质量浓度为5.0 mg/L,去除率为99.1 %,相比单独投加PAC时,10 μm以下的细颗粒物去除率提高了25.9 %,矿井水的ζ电位由-40.9 mV降低至-16.3 mV,说明细颗粒物的混凝机理主要为PAC吸附电中和作用和聚丙烯酰胺(PAM)吸附架桥作用。
二氧化铅电极改性及电催化降解焦化废水中蒽
章丽萍 , 袁合霞 , 安逸云 , 王晶 , 段梦楠 , 雷文波 , 王丽芳
2024, 9(2): 286-294. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.015
摘要(60) HTML (20) PDF(26)
摘要:
为了研究电催化对焦化废水中污染物的降解效果,采用电沉积法制备了Ti/PbO2、Ti/PANI/PbO2和Ti/PANI/PbO2-Ce三种电极,对电极进行扫描电镜和X射线衍射表征、电化学性能测试、产羟基自由基(·OH)能力测试和加速寿命测试。结果表明,经聚苯胺(PANI)和铈(Ce)改性的Ti/PANI/PbO2-Ce电极具有更好的表面形貌和更高的催化活性,能产生更多的·OH,析氧电位为1.83 V,加速寿命时间为720 min。采用Ti/PANI/PbO2-Ce电极降解焦化废水中的蒽,考察了主要因素对降解效果的影响,得到蒽的最佳降解条件为电压14 V,板间距1.0 cm,电解质浓度0.35 mol/L,反应时间120 min,pH值10。Ti/PANI/PbO2-Ce电极显示了良好的电催化性能。
采场全生命周期的矿压危害事件知识图谱表示方法研究
侯运炳 , 陈柚龙 , 王雅先 , 孙振明 , 任洁 , 王乐耕 , 马晶 , 杜建标
2024, 9(2): 295-303. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.016
摘要(69) HTML (15) PDF(34)
摘要:
知识图谱是认知智能研究不可或缺的组成部分。针对采场矿压危害事件传统分析方法对煤矿开采过程中应力时空演化过程及隐患演化与风险防控关系等表达存在不足的问题,本文基于采场全生命周期提出一种采场矿压危害事件知识图谱表示方法:首先,从地质灾害的角度,分析采场应力及分布的动态特性,对矿压地质灾害中的各节点进行动态关联,提出顾及时空过程的采场矿压地质灾害知识图谱表示方法。其次,从事故的角度,分析采场矿压事故隐患演化与风险防控过程,将隐患耦合演化与防治措施融入知识图谱表示模型中。最后,运用Neo4j构建矿压危害事件知识图谱。结果表明:依据该表示方法构建的知识图谱,不仅刻画了灾害事件中不同对象的时空演化过程,还描述了隐患耦合演化过程以及对应的风险防控措施,为采场矿压危害的防治提供了智能研究途径。
基于区块链技术的智慧矿山数据信任模型及技术架构研究
范中启 , 戴琳
2024, 9(2): 304-314. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2024.02.017
摘要(66) HTML (15) PDF(29)
摘要:
我国智慧矿山建设尚处于发展初期,目前存在的矿山数据可信度低、数据共享过程缺乏信任机制、数据安全和隐私泄漏风险等数据信任问题严重制约了智慧矿山建设和发展。为此,基于总体国家安全观理念提出智慧矿山数据信任模型的概念,构建基于区块链技术的智慧矿山数据信任模型,对其技术架构进行具体设计,并剖析了关键技术;提出基于区块链技术的智慧矿山数据信任模型的实施策略,以期为区块链技术赋能智慧矿山、全面提升矿井生产效能和发展水平奠定基础,有效推动煤炭产业高质量发展。