矿业科学学报

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2023年第8卷第1期

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2023, 8(1): 1-14. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.001

摘要(14) HTML(2) PDF(7)

摘要:
基于大量现场调研及岩层移动内外“类双曲线”移动模型分析，本文对哈拉沟煤矿厚松散岩层煤层开挖展开了物理相似模型试验，验证了内外“类双曲线”整体移动模型的有效性；将其推广到三维空间，提出采动岩层全空间“类双曲面”立体移动模型。该模型包含“类单叶”、“类双叶”两类双曲面，能近似描述不同岩性条件下全空间采动岩层立体移动与地表沉陷特征。“类单叶双曲面”模型为空间岩层水平移动边界模型，隐含于厚松散层覆岩内部；“类双叶双曲面”模型为空间地表沉降与覆岩裂隙拱、冒落拱垂向移动边界模型，均在主关键层近似关于“原点”对称，具体表现为采掘扰动下地表沉陷及采场围岩拱形垮落等外部形态。通过理论分析、相似模型试验及3DEC数值模拟，本文建立并验证了厚松散层近水平煤层开采条件下空间采动岩层立体移动与地表沉陷“类双曲面”模型。同时，分析了共渐近锥面“类双曲面”模型的构成条件、影响因素及整体运移规律。研究结果表明：在薄基岩厚松散层近水平煤层开采条件下，“类双曲面”理论模型与3DEC模拟结果吻合较好，表明采动空间覆岩运移和地表沉降呈“类双曲面”特征。

火成岩侵蚀煤层易自然发火特性及关键致因研究

秦波涛, 史全林, 曲宝, 刘金龙

2023, 8(1): 15-25. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.002

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摘要:
为探明火成岩侵蚀导致侵蚀煤层自燃特性变化的关键致因，以受火成岩侵入范围广、煤自然发火严重的铁法煤田大兴煤矿为研究对象，采集火成岩侵蚀形成的变质煤和未受影响的原生煤进行研究。本文利用同步热分析仪、煤自燃特性测定装置等测试了煤样的产热升温特性、气体产生规律、微观结构参数的差异。结果表明，变质煤在低温阶段的放热量较原生煤显著提高，交叉点温度降低了13.2 ℃，更早进入氧化增重阶段；当环境温度超过90 ℃，变质煤的氧化产热与反应速率急速增加，CO和CO₂等氧化气体产物生成速率显著升高，表明变质煤的氧化活性高于原生煤；火成岩侵蚀煤层的高温高压作用改变了煤体的孔隙结构，导致煤中有机物质热解与挥发，使得变质煤中的微孔和介孔孔容减小、比表面积降低，宏观孔的孔容达到原生煤的3倍，平均孔径和孔隙率显著增大，有利于氧气分子在煤体内部的输送运移与吸附反应，同时变质煤的含氧官能团较原生煤减少，脂肪烃含量由27.98 % 提高至29.07 %，增强了变质煤的氧化活性。此外，火成岩侵蚀活动导致侵蚀煤层开采时漏风加剧、遗煤氧化时间长、氧化带范围广。火成岩对煤层自然发火内在因素和外在因素的影响，导致侵蚀煤层面临严重的煤自燃灾害。

基于高精度三维动态地质模型的采煤机自适应智能截割技术研究

侯运炳, 张弘, 毛善君, 孙振明, 李梅, 陈华州

2023, 8(1): 26-38. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.003

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摘要:
采煤机使用“记忆截割”技术割煤时，需要进行人工领刀，且对煤层赋存条件要求较高，当煤层起伏较大时需要频繁示教领刀。“记忆截割”技术仅针对下一刀煤层顶板截割路径进行优化，在采煤机推进方向无法根据煤层的赋存形态对采煤机俯仰采路线进行精确规划与控制。本文基于采煤机自适应智能截割理念，设计了综采工作面采煤机智能截割系统运行模式，利用煤层精细化物探数据构建工作面高精度三维地质模型，而后利用地质模型对采煤机的未来截割路径进行规划，并在开采过程中根据工作面揭露的最新地质资料动态修正高精度三维地质模型。将高精度三维动态地质模型与采煤机开采规划算法耦合，提出可自适应煤层变化的采煤机开采控制基线规划算法，实现对采煤机推进方向的俯仰采控制与牵引方向的截割控制，以及地质模型更新、开采基线规划与采煤机滚筒调整之间的高效协作。设计了智能截割系统内滚筒调整参量的计算服务接口，以及智能截割系统与采煤机控制系统间的通讯协议，实现了采煤机滚筒基于规划截割路径的精准控制。实践表明，采煤机智能截割系统适用于底板倾角各种变化程度的煤层，采煤机截割线更好地贴合煤层顶、底板线，节约资源，提高生产效率。

管索组合结构支护新技术及其在深部大变形巷道应用研究

单仁亮, 仝潇, 代卫林, 王兆瑞, 刘松, 李泳臻, 刘冬, 陈明远

2023, 8(1): 39-49. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.004

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摘要:
随着煤矿开采深度的增加，巷道围岩应力环境恶化，围岩大变形及锚杆锚索破断问题更加突出，严重影响深部矿井生产安全。为了解决此类问题，本文针对锚杆锚索支护的优点及缺陷，基于管索组合结构与围岩相互作用机理，提出了管索组合结构支护新技术。管索组合结构通过改善锚索自由段结构、优化其受力状态，使锚索具备较高轴向承载力，同时能够防止受岩石错动等横向作用而导致的锚索自由段破断，避免围岩失稳。通过室内剪切试验发现，管索组合结构的最大剪切荷载为普通锚索的1.27倍以上，平均最大剪切位移为普通锚索的1.16倍，表明管索组合结构具有良好的抗剪能力和剪切方向延展特性。基于九龙矿巷道的工程案例，通过现场监测和钻孔探测，分析了原支护方案下巷道的变形破坏特征，并将管索组合结构在深部大变形巷道进行了应用，现场监测结果表明，采用管索组合结构支护新技术能够有效控制围岩大变形。研究结果可为类似深部矿井支护提供参考。

深部井巷工程高预应力NPR耦合支护技术

孙晓明, 张勇, 何满潮, 杨金坤

2023, 8(1): 50-65. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.005

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摘要:
深部煤炭资源是未来我国能源安全的重要保证，但受深部“三高一复杂”地质力学环境影响，深部井巷工程岩体大变形失稳问题日渐突出。为解决该问题，以支护-围岩相互作用为突破点，研发了具有高强度、高恒阻、大变形力学特性的系列NPR锚杆/索，构建了NPR锚杆的本构方程，并开展室内和现场综合力学试验，验证了NPR锚杆/索的独特力学特性；分析了NPR支护-围岩相互作用关系，推导了NPR支护岩体本构关系，阐明了采用NPR耦合支护后的开挖补偿力学效应，揭示了高预应力NPR耦合支护机理；结合大强煤矿实际工况，提出了深部泵房吸水井以NPR锚杆/索为核心的集约化硐室群NPR支护技术。数值分析和现场监测数据显示：高预应力NPR耦合支护技术可显著提高支护-围岩的承载特性，有效减小井巷工程岩体塑性区的分布及发展范围；支护后支护-围岩应力场趋于均匀化，围岩整体变形量减小68 % 以上，确保了深部井巷工程岩体的长期稳定。研究成果可为类似条件下的深部井巷工程稳定性控制提供借鉴。

煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统及其应用

岳中文, 戴诗清, 李杨, 岳小磊, 李世辉, 曹武

2023, 8(1): 66-73. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.006

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摘要:
围岩岩性随钻识别技术能够实时获取巷道围岩力学参数，为煤巷围岩支护提供基础保障。本文基于煤矿巷道液压锚杆钻机研发了煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统，包括钻进系统、动力系统、监测系统及试件平台。利用该系统进行了不同强度砂浆组合试件的钻进实验，结果表明，系统性能良好，随钻参数变化规律明显，扭矩和推进压强在不同岩层交界处有明显的跃迁现象。为了验证岩石强度随钻识别的可靠性，通过随钻参数计算破岩比能，进一步分析了随钻参数与抗压强度的关系。基于破岩比能法该系统可以实现随钻参数对岩石力学性能的识别。

中间主应力影响下含瓦斯复合煤岩体变形渗流及能量演化特征研究

王凯, 赵恩彪, 郭阳阳, 杜锋, 王龙

2023, 8(1): 74-82. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.007

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摘要:
深部环境中，复合煤岩体处于三向不等应力状态，中间主应力的存在对煤岩体变形、强度特性及能量演化特征有着重要影响。本文利用真三轴气固耦合煤岩渗流试验装置，开展了不同中间主应力条件下含瓦斯复合煤岩体变形-渗流试验研究。结果表明：①随着中间主应力的增大，当达到峰值强度时，试件最大主应力方向应变呈现先增大后减小的变化，中间主应力方向应变和最小主应力方向应变之间的差值越来越大；②低中间主应力下试件中间主应力方向呈现出膨胀变形，中间主应力较大时，ε₂-Δσ曲线达到峰值后发生回弹，中间主应力方向最终表现为压缩变形；③随着中间主应力的增大，试件相对渗透率系数谷值降低，相对渗透率系数曲线峰值拐点与ε₁-Δσ曲线的拐点一致；④达到应力峰值时，试件总输入能量先增大后减小，与试件强度变化趋势类似，弹性应变能先增大后减小，耗散能持续增大，U_e/U先升高后降低，U_d/U先降低后升高。

临近地铁车站爆破振动效应对高层建筑的影响

孙中博, 赵毅鑫, 王海亮, 任建东

2023, 8(1): 83-92. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.008

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摘要:
明晰建(构)筑物的爆破振动响应规律在工程和经济上具有重要意义。针对某地铁车站A出入口爆破施工，运用HHT方法分析某小区2号楼振动信号的衰减特征。研究结果表明：沿高程增加方向，三矢量振速峰值先急剧衰减，后在中间楼层呈波浪形变化并在顶层放大，振速变化分为衰减区(0~26. 15 m]、波动区(26.15~71.75 m]和放大区(71.75~94.55 m]。随高程增加，Hilbert谱的形态由三峰值逐渐转变为单峰值结构，能量幅值降低；优势频带由75~125 Hz衰减为10~40 Hz，主频向低频过渡，振速放大区楼层振动频率较低且易引发共振。根据地面测点拟合顶层能量谱的构成，验证了顶层放大效应的实质，是对爆破地震波中与建筑物固有频率接近的能量进行选择放大。

不同负温和含水率模拟月壤SHPB试验与分析

马芹永, 鲍晓璇

2023, 8(1): 93-101. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.009

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摘要:
为了解月球永久阴影区月壤的动态力学性能，以玄武质模拟月壤进行动态冲击试验，研究不同负温、不同含水率及不同应变率加载下模拟月壤的动态应力-应变曲线特性、动态抗压强度和破坏特征，分析动态抗压强度、动弹性模量与模拟月壤负温、含水率、应变率的关系。试验结果表明：动态抗压强度与应变率呈正相关关系；破坏形态类型主要为锥形剪切破坏和颗粒状粉碎破坏；破碎块度分布具有良好的分形特征。研究结果能为未来月球资源研究提供参考。

分子模拟在磷矿浮选研究中的应用进展

张覃, 李显波, 卯松, 章铁斌

2023, 8(1): 102-114. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.010

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摘要:
浮选是钙镁质磷矿提质降杂的主要方法，但白云石和氟磷灰石的表面物理化学性质相似，导致难以对其高效分离。随着量子化学和计算化学的发展，分子模拟为研究钙镁质磷矿中主要矿物的晶体化学性质和界面相互作用提供了新方法，逐渐成为研究钙镁质磷矿浮选的有效工具。在梳理磷矿石浮选表面物理化学性质，特别是在润湿性、电性以及吸附特性研究的基础上，总结了分子模拟方法进展及密度泛函理论和分子动力学模拟在氟磷灰石和白云石等浮选分离中的应用，包括晶体化学性质、水分子和浮选药剂在矿物表面相互作用等，并讨论分子模拟在磷矿浮选研究中的应用前景。

磷石膏综合利用背景下的环境影响研究现状

许金辉, 邵龙义, 侯海海, 李金娟, 刘君霞, 黄曼, 王秀英, 鲁静

2023, 8(1): 115-126. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.011

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摘要:
磷石膏是湿法制磷酸产生的一种工业固体废弃物。虽然磷石膏利用率逐年上升，但是消耗量有限，现阶段依然以堆存的方式来处理，不仅会侵占土地资源，还会造成严重的环境污染。本文综述了国内磷石膏的排放和综合利用现状，分析了磷石膏堆存过程中对环境的影响，主要表现在：①氟化氢气体、放射性核素、纳米颗粒吸附重金属元素以及温室效应等引起的大气环境影响；②水体酸碱度变化、水体重金属含量异常、浮游植物的生存环境和海洋磷循环失衡；③土壤酸碱度变化和土壤重金属元素含量异常造成的土壤环境影响。基于资源节约与环保的原则，考虑现阶段磷石膏综合利用和处理现状，磷石膏处置方式的技术革新、磷石膏堆场污染物排放的监测与评价、磷石膏堆场环境毒理学效应的研究是今后的研究重点。

CaCl₂-热处理煤泥制备复合材料及其活化PMS降解苯酚性能

王奇洲, 李春全, 殷帅军, 孙志明

2023, 8(1): 127-136. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.01.012

摘要(7) HTML(0) PDF(2)

摘要:
基于我国煤泥当前综合利用现状与煤矿集聚区地下水体污染治理的迫切需求，以煤泥(CS)为原料，添加不同质量的CaCl₂作为活化剂，采用混合绝氧煅烧的方式制备了不同配比的煤泥基复合催化材料，利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、比表面积测试(BET)、红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱等手段对其进行表征，并研究其用于活化过一硫酸氢钾复合盐(PMS)和催化降解水中苯酚的性能。结果表明：CaCl₂-热处理煤泥制得的催化材料能高效活化PMS和降解苯酚；当煤泥与CaCl₂质量比为4∶3时所制备的复合材料应用效能最优，苯酚降解率可达100 %；降解体系中活性物种¹O₂起主要作用；催化材料pH值适用范围(3.0~11.0)较广，且水体中各种阴离子对苯酚降解的影响较为有限，展现出良好的应用前景。