矿业科学学报

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2021, 6(3): 255-260. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.001

摘要(107) HTML(9) PDF(30)

摘要:
我国浅部金属矿资源已趋于枯竭，逐渐转入1 000 m以深的开采。深地金属矿床开采面临着高应力、高井温、高井深的特殊开采环境，采用传统的采矿模式难以实现深部资源的安全高效经济开采。结合深层金属矿产资源开采的趋势，本文提出并阐述深层金属矿产资源的原位流态化开采构想的定义、具体内容与挑战。根据转化方式，将深层金属矿原位流态化开采分为深层金属矿原位溶浸开采和采选充一体化两个方向。基于深层金属矿原位流态化开采构想，阐述了在深层岩体力学、原位溶浸开采理论、采选充一体化装备、开采环境监控及再造、智能高效开采等方面所面临的重大课题与挑战。

深部煤炭原位气化开采关键技术及发展前景

刘淑琴, 畅志兵, 刘金昌

2021, 6(3): 261-270. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.002

摘要(78) HTML(24) PDF(19)

摘要:
我国深部煤炭资源储量丰富。煤炭地下气化可将其转化为燃气输出到地面，是深部煤炭原位流态化开采的重要途径。本文介绍了煤炭地下气化技术(UCG)的发展历程、技术现状以及中深部煤炭地下气化典型案例，基于现代煤炭地下气化技术体系剖析了深部煤炭地下气化的关键技术及技术攻关方向，展望了以天然气生产为目标的深部煤炭气化开采前景。UCG的发展呈现由矿井式向钻井式、由浅部煤层向深部煤层、由单一发电向综合利用的趋势；中深部煤炭地下气化的实践验证了深部煤炭地下气化的技术可行性。深部煤炭地下气化的关键技术主要包括地质评价和科学选址、气化炉构建技术、深部煤层高压点火技术、可控移动注入技术和深部火区地球物理探测技术。深部煤炭气化开采生产天然气，不仅可实现深部煤炭资源的清洁高效利用，还有望解决天然气消费的供需矛盾。

深部流态化开采中原位煤粉爆轰发电技术构想

聂百胜, 宫婕, 王晓彤, 彭超

2021, 6(3): 271-279. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.003

摘要(50) HTML(15) PDF(7)

摘要:
针对煤矿井下煤粉环境污染及传统煤炭燃烧能量利用效率低等问题，提出了流态化开采过程中煤粉爆轰发电的能量利用方式。在煤矿井下流态化开采的同时，以煤粉为燃料，掺混相应的助燃剂诱发煤粉爆轰，利用爆轰产生的能量驱动发电机发电，降低传统燃煤燃烧发电过程中化学能到蒸汽内能再到机械能的能量损耗；爆轰残留物经过除尘净化后回填采空区，避免采空区坍塌，促进废弃物的资源化利用；余热和余能经过高效回收用于供暖供热，促进能量的多级利用。流态化开采煤粉爆轰发电的技术构想将促进煤炭资源能量利用率的提高，推进煤炭资源朝着清洁、高效、安全、智能化的方向发展。

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

徐超, 秦亮亮, 李晓敏, 杨港, 孙浩石

2021, 6(3): 280-289. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.004

摘要(50) HTML(10) PDF(8)

摘要:
深部煤层开采过程中，多重因素影响着煤体损伤-渗透特性。为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律，开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验，分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律。结果表明，不同加卸载方式显著影响着试样损伤程度，按严重程度排序依次是：路径1＜路径2＜路径3；试样的抗压强度随加卸载速率的增高而较快达到，损伤程度和渗透率增幅却随之增高；随着围压的增高，损伤的时间响应变慢，渗透率最终恢复程度降低，煤体的损伤、渗透特性具有显著的围压效应。能量累计量随时间的变化呈指数函数关系，损伤扩容后相对渗透率k/k₀呈幂函数关系。

混凝土时间相关断裂模型研究综述

陈宇龙, 曹鹏

2021, 6(3): 290-295. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.005

摘要(44) HTML(12) PDF(5)

摘要:
混凝土结构在强震作用下的完整性以及带缝服役的稳定性关系到重大国家安全战略。这两个问题本质都涉及混凝土的时间相关断裂行为。混凝土材料时域相关的断裂行为可以笼统地概括为两个方面，即短时间在动态冲击荷载下的冲击断裂破坏和长时间稳态的蠕变断裂破坏。虽然两者都与时间存在关系，但是荷载作用时间却存在巨大的差异，这导致了混凝土动态破坏的内在机理迥异。本文综述了混凝土时间相关断裂模型研究的发展历程和主要成果，包括：宏观混凝土断裂力学模型与方法、细观混凝土断裂力学模型与方法、混凝土蠕变断裂行为研究。

急倾斜煤层流态化反循环钻采技术研究

张洪伟, 程敬义, 赵毅鑫, 李杨, 万志军, 王春耀

2021, 6(3): 296-304. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.006

摘要(43) HTML(28) PDF(7)

摘要:
急倾斜煤层是广泛赋存于我国西部、南部等地区的复杂难采煤层，研发新型急倾斜煤层流态化无人开采方法对保障急倾斜煤层安全生产意义重大。为实现反循环连续式流态化开采，本文提出了一种深部急倾斜煤层流态化反循环钻采设备及工艺，设计了急倾斜煤层流态化反循环钻采一体机，论述了该钻采一体机的组成、架设方式和基本工作原理；提出了钻采平行作业工序，并解算了该反循环钻采方法的采煤工效、遗煤率、水射流辅助割煤和冲蚀落煤效率。结果表明，反循环钻采刀盘的直径越大，工作面采出率越高；在设计开采孔之间的重叠距离时，需要根据实际地质条件和目标采出率选用刀盘直径和开采孔重叠长度，保证较高的煤炭采出率；煤炭年产量随着刀盘推进速度的加快线性增加；钻采速度参数的选择和高压水射流辅助割煤工序对煤炭产量的提升具有重要影响。

高矿化度矿井水中螺纹钢锚杆点蚀机制研究

褚晓威, 鞠文君, 付玉凯

2021, 6(3): 305-313. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.007

摘要(41) HTML(23) PDF(5)

摘要:
受地下水侵蚀及开采环境影响，锚杆易发生腐蚀甚至断裂，点蚀等局部腐蚀形式通常是锚杆失效的主要源头。为研究螺纹钢锚杆在腐蚀性矿井水中的点蚀行为，采用金相、电化学及显微视频等手段，观测了4种锚杆点蚀发展过程并初步揭示其形成机制。结果表明，锚杆的点蚀易发生在夹杂物处，夹杂物及界面处基体优先溶解形成界面沟槽并出现局部酸化，从而进一步加速基体和夹杂物的溶解、脱落而形成点蚀坑；采用大小电极极化试验对比验证了界面沟槽对腐蚀的加速作用。

基于滑移线场理论的巷道底鼓机理与防治技术研究

程辉, 赵洪宝, 徐建峰, 秦逢缘, 张一潇, 胡林枫

2021, 6(3): 314-322. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.008

摘要(32) HTML(27) PDF(9)

摘要:
基于滑移线场理论对巷道底板岩层建立滑移线场模型，以山西焦煤回坡底煤矿1021巷为工程背景，研究了巷道非对称性底鼓机理，并提出了合理的底鼓防治技术。研究结果表明，巷道底板滑移线应力场中存在均匀应力场与非均匀应力场，从两帮往巷道中心线处，底板应力逐渐减小；底板滑移线主动区速度垂直向下，过渡区受主动区挤压而发生旋转并挤压被动区，被动区向上运动，从而产生巷道底鼓现象。回坡底煤矿1021巷由于受到孤岛煤柱应力集中作用，巷道两帮支承压力呈非对称分布，靠近煤柱一侧的高支承压力在底板形成滑移线场，其速度场方向指向远离煤柱一侧巷帮，因此1021巷底鼓现象具有明显的非对称性分布特征，远离煤柱一侧底鼓量较大。针对1021巷滑移型底鼓特征，采用单体锚索平行布置的非对称性支护进行巷道底鼓防治，现场应用效果良好。

煤矿动压巷道围岩稳定性协同卸压控制技术研究

王炯, 刘鹏, 刘帅, 马磊, 刘义鹏, 陈旭

2021, 6(3): 323-332. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.009

摘要(39) HTML(24) PDF(7)

摘要:
煤矿动压巷道围岩的稳定性对矿井安全生产至关重要。为有效控制采动压力影响下的巷道失稳变形，以德通煤矿2201工作面动压巷道为工程背景，对动压巷道破坏现象及围岩应力演化规律等进行分析，结果表明：开采动压周期性叠加使巷道围岩垂直应力集中并呈双峰拱形非对称分布，巷道变形呈抛物线形，应力集中和位移最大区域巷道易失稳。因此，提出以双向聚能预裂爆破切顶卸压和恒阻大变形锚索让压支护为基础的动压巷道协同卸压围岩稳定性控制技术。对动压巷道实施双向聚能预裂爆破切顶卸压后，可有效切断动压传递路径，巷道峰值应力差降低19.6 %；再实施恒阻大变形锚索让压支护继续卸压，巷道断面收缩率由60 % 降至13 %，开采动压对巷道稳定性的影响明显削弱，协同卸压围岩稳定性控制技术应用效果良好，可为类似矿山提供有益指导。

燃煤发电生命周期职业健康损害评价研究

王伟, 姚健庭, 尘兴邦, 佟瑞鹏

2021, 6(3): 333-341. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.010

摘要(49) HTML(27) PDF(10)

摘要:
煤电行业在推动我国国民经济和社会发展的同时也会造成环境污染，从而威胁着从业人员和附近居民的身体健康。为定量评估燃煤发电生命周期各职业健康损害因素的影响程度，本文依据LCA理论构建了燃煤发电生命周期职业损害评价体系。首先结合煤电行业的实际情况对燃煤发电生命周期各环节进行划分；然后识别各环节存在的职业健康损害因素、分析其过程清单；最后通过特征化与货币化分析，实现燃煤发电生命周期的职业健康损害的量化评价。该评价体系应用结果表明，燃煤发电生命周期中煤炭燃烧环节以及各职业健康损害因素中SO₂对人体造成的健康损害最为严重。评价结果可为煤电行业的健康管理与决策提供依据。

基于CFX的煤矿瓦斯抽采主系统管道泄漏数值模拟

蔡继涛, 张志晶, 王杰峰, 吕伟, 张卫东

2021, 6(3): 342-347. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.011

摘要(27) HTML(5) PDF(5)

摘要:
为了解大尺度煤矿瓦斯抽采主系统管道泄漏的特征和管道内瓦斯流动多物理场的演化规律，基于Ansys CFX开展了煤矿瓦斯抽采主系统三维数值建模及计算，研究了瓦斯抽采主系统管道不同泄漏位置、不同泄漏强度以及不同抽采泵站负压对抽采管道内瓦斯流动规律的影响，并通过煤矿现场监测数据验证了模型的可靠性。研究结果表明，泄漏强度和抽采负压是影响瓦斯抽采管道内部流场的重要因素，靠近瓦斯抽采主系统抽采泵站的泄漏点更容易被传感器系统所监测。研究成果有望为煤矿瓦斯抽采主系统管道泄漏事故安全防控提供技术支撑，并可帮助优化抽采管道泄漏事故安全防控资源配置。

通风换气对煤矿井下电缆巷火灾影响分析

桂小红, 游建平, 苏树君, 李颖, 李伟

2021, 6(3): 348-355. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.012

摘要(21) HTML(21) PDF(3)

摘要:
为研究不同通风换气次数对煤矿井下电缆巷火灾的影响，基于FDS火灾模拟软件建立了某电缆巷全尺寸模型进行火灾模拟。模拟共设置四种通风换气次数工况，通过数值方法求解热驱动的低流速N-S方程得到了各工况下的电缆巷火灾烟气分布云图、空气浓度分布云图及火源点顶棚温度变化，确定了逆风侧最远通风距离与通风换气次数的关系式，并计算得到火源逆风侧最小烟气扩散距离为50.8 m。模拟结果表明，在通风逆风侧，风速小于1.70 m/s时，烟气达到最远扩散距离的时间随风速增大而增大，风速大于1.70 m/s时，烟气达到最远扩散距离的时间随风速增大而减小；逆风侧由于上部区域烟气含量更高，并受气流阻挡作用仍在不断堆积，而下部烟气含量较小，随风流向顺风侧蔓延，扩散作用明显，从而形成逆风侧同截面上下部空气含量差距较大、顺风侧空气含量分布较为均匀的情况；通风换气次数对于火源顶棚达到稳定温度所需时间无明显影响，但对其温度大小有一定影响，火源顶棚稳定温度与通风换气次数大小呈现反比趋势。研究结果可为工矿区电缆巷的火灾防治提供参考。

适应智能采矿的人才培养模式研究

黄辉, 周文姗, 刘海滨

2021, 6(3): 356-363. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.013

摘要(39) HTML(23) PDF(6)

摘要:
基于物联网、云计算、大数据、人工智能等高科技在采矿业中的大量应用及智能采矿的快速发展的需要，本文通过调查分析国内外智能采矿技术的发展现状、采矿工程专业的人才培养模式以及存在的问题，分别从政府的政策支持、学校教学体系和企业人才需求三个角度，对适应智能采矿的人才培养模式提出建议，培养创新型人才，实现智能采矿的科学应用和发展。

高原低氧环境对作业矿工心肺功能的影响研究

杨三军, 耿瑞苑, 刘春燕

2021, 6(3): 364-370. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.014

摘要(20) HTML(26) PDF(3)

摘要:
为促进高原地区矿工心肺功能及身体健康，本文综合利用问卷调查法、数理统计法、对比分析法等科学方法，对西藏华泰龙(高海拔地区)和河北开滦(低海拔)两地的健康矿工进行心肺功能检测，从通气指标、代谢指标和心率变异性指标3个维度对检验结果进行研究对比和统计分析。研究结果表明，高原矿工在通气、代谢及心率变异性指标3个层面均与平原作业矿工存在显著差异，且各项指标表明高原矿工的心肺功能均要显著弱于平原矿工。基于以上研究结果，提出改善高原矿工心肺功能的针对性建议。本研究对改善高原作业矿工身体健康有一定的参考价值和借鉴意义。

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