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2021年  第6卷  第4期

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开采沉陷监测数据处理的分段卡尔曼滤波模型
郝登程 , 王国瑞 , 李培现 , 沈佳琦 , 曹禹锡 , 杨中辉
2021, 6(4): 371-378. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.001
摘要(767) HTML (271) PDF(56)
摘要:
为解决长周期、高频率的GNSS煤矿开采沉陷监测数据受外界环境影响大、干扰噪声高、可靠性低的问题，采用卡尔曼滤波对开采沉陷GNSS监测数据进行分段滤波处理。首先采用回归分析方法将监测数据分割为开始阶段-活跃阶段-衰退阶段三部分。开始阶段、衰退阶段下沉较为稳定，以标准卡尔曼滤波模型对沉陷数据进行滤波处理；活跃阶段沉陷变化快，通过构建加入修正数的卡尔曼滤波模型对沉陷数据进行处理。采用Python语言建立滤波程序对宁夏某矿5年沉降监测数据计算分析结果显示，对不同阶段采用不同的卡尔曼滤波结果与实测过程曲线吻合，滤波效果良好。加入修正数的卡尔曼滤波模型可以有效地处理沉陷变化大的矿区监测数据，减少数据波动对沉陷结果的影响，提高监测数据的可靠性。研究成果为长周期、高频率的沉陷监测数据处理提供了科学依据。
临兴地区盒八段砂岩裂缝发育特征及其对压裂效果的影响
李建红 , 王延斌
2021, 6(4): 379-388. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.002
摘要(518) HTML (190) PDF(16)
摘要:
为了深入研究临兴地区盒八段砂岩天然裂缝对压裂效果的影响，基于野外节理观测和成像测井数据对临兴地区天然裂缝发育特征进行精细描述，并利用微地震技术对压裂裂缝进行动态监测。结果表明：①临兴地区盒八段天然裂缝以剪节理为主，节理发育优势方向为NNW、NWW、NNE、NEE，天然裂缝倾角大、数量少且集中发育。②压裂效果穿越型控制类型最差，沟通型较好，俘获型最好；较小的逼近角及水平主应力差利于天然裂缝的开启，当压裂区域水平主应力差较大时，应选择较小的逼近角，以沟通型控制类型压裂为宜；当压裂区域水平主应力差较小时，应适当增大逼近角，以俘获型控制类型压裂效果最佳。研究结果为致密砂岩水力压裂方案设计提供了理论基础。
道间距和炮间距对陷落柱探测的影响
刘家豪 , 朱国维
2021, 6(4): 389-396. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.003
摘要(689) HTML (212) PDF(19)
摘要:
本文以陷落柱的地质特征以及陷落柱地震波传播特征为基础构建陷落柱模型，采用声波方程基于单因素变化分别模拟不同的道间距和炮间距对陷落柱探测的影响，利用偏移剖面反射波振幅变化并结合地震属性分析与人工解释进行陷落柱断裂边界解释，以陷落柱横向分辨率的平均偏差为指标来判断探测精度，并对陷落柱直径解释误差采用射线追踪的方法进行了分析。结果表明，小道间距有助于提高陷落柱勘探分辨率，道间距为5 m、炮间距为40 m时，解释得出的陷落柱直径的精度相对较高。
大型复杂露天矿边坡三维建模方法及加固对策研究
陶志刚 , 任树林 , 庞仕辉 , 徐浩田 , 何满潮
2021, 6(4): 397-408. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.004
摘要(727) HTML (240) PDF(36)
摘要:
针对内蒙古长山壕露天金矿西南采场发生大规模倾倒失稳变形现状，本研究对西南采场工程地质条件、岩体结构类型以及变形破坏特征进行系统调查，详细介绍3DMine - FLAC3D大型复杂地质体高精度耦合建模方法及建模过程。在此基础上提出以恒阻大变形锚索为核心的边坡加固方案，并采用数值模拟方法与原支护方案进行对比研究。研究结果表明，西南采场地质结构复杂，断层节理发育，倾倒区岩体以抗弯强度较低的板岩、片岩为主，且支护结构采用小变形锚索，无法抵抗边坡大变形而导致倾倒失稳的发生；3DMine - FLAC3D耦合建模方法实现了复杂地质体的精确建模；采用恒阻大变形锚索加固方案能有效控制边坡失稳变形，取得较好的支护效果。
回撤通道直接顶下沉量计算及其影响因素分析
王树帅 , 王志强 , 黄鑫 , 苏泽华
2021, 6(4): 409-417. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.005
摘要(587) HTML (187) PDF(18)
摘要:
回撤通道的直接顶下沉量对设备回撤具有重要影响，本文基于基本顶断裂位置，建立了工作面贯通后回撤通道直接顶挠度力学模型，将支承应力表达式简化为与其拟合的x的n次抛物线函数，断裂位置不同，n的取值不同，推导出了回撤通道顶板中心线处直接顶下沉量表达式。312工作面基本顶断裂位置d约12 m，此时n取4，求得直接顶下沉量约为105 mm。在理论计算的基础上，对直接顶下沉量影响因素进行了分析，结果表明：直接顶下沉量随着基本顶断裂位置、煤层埋深、应力集中系数及回撤通道跨度的增大而增加，随着直接顶厚度及弹性模量的增大而减小，其余因素影响较弱。在保证设备回撤空间的条件下，尽可能减小回撤通道跨度，控制直接顶下沉量。
考虑微观孔隙几何的砂岩自发渗吸理论模型
董川龙 , 滕腾 , 李志虎 , 张文涛
2021, 6(4): 418-428. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.006
摘要(840) HTML (207) PDF(30)
摘要:
为研究砂岩微观孔隙结构几何对其吸水特性的影响机理，应用Hagen-Poiseuille方程、Laplace-Young方程、分形几何理论，考虑孔隙的截面形态、大小分布和通道迂曲3种几何特性，建立了平均几何与分形几何表征的毛细管吸水模型，并对模型的适用性、有效性进行了验证。对比已有模型，分析了各几何参数影响孔隙结构吸水特征的敏感性。研究结果表明：①吸水性特征参量与孔隙几何、迂曲度、孔隙率、最大孔隙尺寸有关，孔隙几何形状越不规整、连通孔隙通道越迂曲、孔隙结构非均质性与各向异性越强，孔隙结构吸水性相对较弱；②平均几何表征的模型中等效平均孔隙直径的物理意义不明确，代入空间平均孔隙尺寸的计算结果大于实测值，而分形几何表征的模型各参数物理意义明确，得到与实测值相近的结果；③对于三维孔隙连通性以及孔吼特征性较弱的孔隙结构，模型适用性较强，相比程序复杂的IFU(Pia)模型、BEA模型，能得到相近甚至更精确的理论预测结果。
褐煤分子结构模型构建与优化
朱红青 , 何欣 , 霍雨佳 , 谢雨佚 , 王巍 , 方书昊
2021, 6(4): 429-437. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.007
摘要(775) HTML (1003) PDF(142)
摘要:
针对煤分子建模方法较多且不统一的现状，本文从微观角度出发，选取对分子结构影响较小的物理方法，探究了褐煤大分子结构并对其进行优化，提出了一种较为简便的煤大分子建模方法。基于元素分析、核磁共振碳谱测试及X射线光电子能谱测试的实验方式，利用分子动力学模拟软件对褐煤进行了分析研究并搭建分子结构模型。研究表明，褐煤大分子中芳香结构多为并五苯，脂肪碳结构多为亚甲基及次甲基结构，烷烃链多为环烷烃结构；氧原子以醚键氧形式为主，其次为羧基氧和羰基氧；氮原子以吡啶氮结构形式存在。优化后煤分子模型结构更加紧凑，能量明显变小，范德华势能作为非键势能的主要组成部分及保持煤分子结构稳定的主要因素，变化最明显。为了构建煤分子晶胞，加入周期性边界条件，根据能量变化得到晶胞密度为1.2 g/cm3，总能量为1 140.624 kJ/mol，与实际情况基本相符，验证了该建模方法的实效性。该研究为直观认识煤大分子结构提供了方法，并对煤与瓦斯突出、煤自燃等灾害事故的机理研究及防治具有重要意义。
基于裂纹的岩石摩擦滑移位移演化实验研究
刘燕 , 杨小彬 , 汪洋 , 裴艳宇
2021, 6(4): 438-444. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.008
摘要(424) HTML (219) PDF(21)
摘要:
为研究岩石破坏形成断裂面或结构面后的进一步演化特征，选用一种花岗岩制备了双穿透裂纹试件，采用双剪模型开展了摩擦滑移试验研究。用CCD相机记录试验过程中的散斑图像，并利用数字散斑相关方法对岩石摩擦滑移过程中的水平位移场、竖直位移及水平位移的演化特征进行分析。结果表明：①剪应力缓慢增长阶段的位移演化，由围压起主要作用转变为围压和剪切力共同作用，线性增长阶段则以剪切力作用为主；界面咬合程度及水平错动位移的增减变化可作为界面摩擦滑移的前兆；②水平位移场绕流现象的出现和消失，分别是试件局部和整体滑移的前兆；③位移场云图中部等值线的倾斜角度可表征围压与剪应力的关系，也可作为试件局部和整体滑移的前兆。
煤粒瓦斯定压吸附数学模型及数值解算
徐浩 , 秦跃平 , 毋凡 , 刘佳 , 褚翔宇 , 刘晓薇
2021, 6(4): 445-452. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.009
摘要(468) HTML (306) PDF(26)
摘要:
为了研究瓦斯在煤粒中的流动机理，开展了4组不同初始压力下的煤粒瓦斯定压吸附实验，提取了累计瓦斯吸附量随时间变化的实验数据。基于压力梯度驱动的达西理论和游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型，建立2种煤粒瓦斯定压吸附数学模型，并利用有限差分法对数学模型进行了数值解算，得到了煤粒内部累计吸附量的模拟数据。将2种模拟结果与实验数据对比分析发现，数值计算结果与实验相吻合，验证了数值模拟的准确性；两者中的关键比例系数随压力呈现不同的变化趋势，透气性系数随压力呈负相关，微孔道扩散系数不随压力而改变；证明了新提出的游离瓦斯密度梯度驱动的扩散模型比达西定律更适合用来描述煤粒中的瓦斯运移规律。
掘进工作面煤壁突然压出影响因素模拟研究
魏诚敏 , 李璐 , 王启飞
2021, 6(4): 453-461. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.010
摘要(449) HTML (210) PDF(11)
摘要:
基于河北邯郸郭二庄矿建立了掘进工作面三维数值模型，利用3DEC离散元模拟软件分析了煤层埋深、掘进速度及煤体力学强度对工作面煤体突然压出的影响，并采用正交试验法将各影响因素依据重要程度进行排序。研究结果表明：掘进工作面上固定点最大水平位移值与埋深变化基本呈正相关线性关系；煤壁压出位移方向均向巷道中轴线靠拢，且水平位移明显大于竖直位移；在埋深600~1 000 m条件下，工作面应力集中区宽度约10 m，应力峰值位置距工作面约5 m；影响掘进工作面煤壁突然压出因素，按照重要程度依次为煤层埋深 > 掘进速度 > 煤体力学强度。研究成果为进一步认识煤壁突然压出及预防措施提供参考。
烟煤吸附、解吸过程中热流特征实验初探
解北京 , 丁浩 , 严正
2021, 6(4): 462-471. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.011
摘要(272) HTML (147) PDF(20)
摘要:
煤吸附、解吸瓦斯过程中会伴有明显的热效应，其变化规律对煤与瓦斯突出等瓦斯灾害预测技术具有重要的研究价值。利用自行设计搭建的多参量煤吸附、解吸热效应测试实验系统，开展0. 5 MPa、0. 8 MPa、1. 1 MPa 3种压力下，烟煤对于CO2、N2、CH4 3种气体吸附、解吸过程中压力、温度和热流测试实验，综合分析了烟煤吸附、解吸过程中热流变化特征。结果表明：(1)烟煤试样吸附、解吸过程中，煤壁上热流密度变化分为5个过程：①抽真空阶段，热流迅速增大，后缓慢减小到0；②充气阶段，热流与充气速率呈正相关；③吸附阶段，热流先快上再快下最后缓慢下降；④放气阶段，热流与泄压速率呈正相关性；⑤解吸阶段，分为快速下降和缓慢上升两阶段。(2)实验中，N2、CH4、CO2 3种气体在相同气压下，吸附、解吸最大热流密度值依次增大；相同气体在3种不同压力下，最大热流密度值随气压升高依次增大。(3)推导出的吸附、解吸过程中热量的理论值始终大于实验值，但整体趋势一致。(4)热流密度参量具有流入、流出方向矢量特征，比温度指标优越，热流密度与热量传递变化规律一致，可以很好地表征烟煤吸附、解吸热效应变化规律，为煤与瓦斯突出预测新指标的研究提供参考。
神东保德浅埋煤层覆岩裂隙带高度数值指标判别阈值及采高效应
郝宪杰 , 孙卓文 , 赵毅鑫 , 杨科 , 张村 , 张谦
2021, 6(4): 472-479. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.012
摘要(430) HTML (277) PDF(19)
摘要:
覆岩裂隙带高度是研究覆岩变形破坏的重要指标，而现有单一指标无法反映空间采场围岩不同空间部位的破裂程度。本文以神东典型浅埋条件保德矿81505工作面为研究背景，基于室内实验对岩体破裂度进行了RFD阈值划分并构建相似模型和数值模型；基于围岩破坏度指标RFD提取了数值模拟中的最大破坏深度，并对比相似模拟结果研究了覆岩采动裂隙带发育高度规律及随采高的变化规律。结果表明，围岩破坏度指标RFD可以很好地评测神东典型浅埋条件下采动裂隙带的发育特征，裂隙带发育高度随采高的增大而持续增高，但增长速率逐渐减小。本研究为裂隙带分布破坏特征、矿压显现及安全开采提供理论支撑及技术依据。
铌酸钾钠无铅压电纳米棒阵列的制备
程丽乾 , 成慧 , 苗翼滢 , 孙怡文 , 张梓佩
2021, 6(4): 480-486. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.013
摘要(373) HTML (221) PDF(32)
摘要:
针对一维KNN纳米结构的研究还存在取向生长较难、产物压电性能有待提高等问题，本文采用水热法与掺Nb的钛酸锶(SrTiO3)(NSTO)衬底辅助相结合的方式，通过控制水热反应温度、反应物五氧化二铌(Nb2O5)浓度以及水热反应时间实现高质量的KNN纳米棒阵列的取向生长。研究结果表明，在水热反应温度为190 ℃、Nb2O5浓度为40 mL/g、水热反应时间为18 h时，获得取向单一、结晶性好且压电响应明显的KNN纳米棒阵列。此研究可为无铅压电KNN晶体在微纳尺寸器件制备及能量回收等方面提供借鉴。
饮用水深度处理用煤基活性炭吸附性能表征
万超然 , 解强 , 刘德钱 , 周逸寰 , 吴昊天 , 杨帅
2021, 6(4): 487-496. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.014
摘要(402) HTML (336) PDF(17)
摘要:
活性炭是臭氧-生物活性炭(O3-BAC)饮用水深度净化工艺中的核心材料，准确评价活性炭的吸附性能是活性炭选型的基础。本研究采制我国4种典型商品煤基活性炭样品，同时选取一种木质炭作为对比，测定炭样的碘值、亚甲蓝值、焦糖脱色率等常规吸附性能指标以及对丹宁酸(TA)和腐殖酸(HA)的静态吸附容量；用快速小柱实验(RSSCT)测定活性炭吸附含TA和HA水样的穿透曲线以评价活性炭动态吸附性能。此外，分别利用物理吸附仪和扫描电镜联用能谱仪表征活性炭孔结构和表面微观形貌，采用弗兰克尔-哈尔西-希尔方法计算分形维数以表征活性炭表面粗糙度。结果表明，碘值、亚甲蓝值、焦糖脱色率以及TA和HA吸附量与活性炭的孔发育程度明显相关；在RSSCT评价中无烟煤基活性炭具有最佳的动态吸附性能，表明活性炭动态吸附性能与活性炭孔结构相关性较小，而与表面粗糙度具有一定的关联。利用活性炭表面粗糙度指标初步筛选、再经HA的RSSCT穿透实验优选，可选出性能优良的饮用水深度处理用活性炭。
基于CiteSpace知识图谱的能源安全研究进展与展望
汪文生 , 张静静
2021, 6(4): 497-508. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.015
摘要(527) HTML (176) PDF(31)
摘要:
以CNKI 2361篇和WOS 5036篇文献为数据源，借助CiteSpace构建“能源安全”研究知识图谱，对比分析1992—2020年国内外能源安全研究演进、研究热点及前沿趋势。结果表明：能源安全研究先后经历初步萌芽、快速发展、持续发展及波动回落并存三个阶段，国内外均未形成核心作者群，但形成了明显的研究团队，内部有稳定合作，不同团队之间合作有待加强。国内外对于能源安全的研究，在研究内容、研究热点和研究前沿方面存在较大差异：国外研究侧重于发达国家的能源安全问题、能源安全概念和评价指标体系的构建，关注能源战略、经济增长、能源储备及应对气候挑战及优化调整等；国内重点研究中国在世界格局中的地位、作用以及气候变化等应对策略，提倡全球合作和共同治理，关注“一带一路、全球能源治理、能源革命”议题。

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