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2022年  第7卷  第6期

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断裂滑移型岩爆风险评价和预警方法研究现状
高安森 , 戚承志 , 单仁亮
2022, 7(6): 643-654. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.001
摘要(487) HTML (80) PDF(120)
摘要:
地下工程需要频繁穿越地质构造区域，断裂滑移型岩爆频发，严重威胁地下工程结构的稳定和安全。为了揭示断裂滑移型岩爆诱发致灾机理，本文系统分析了触发断裂滑移型岩爆的地质构造条件、时空孕育特征、扰动触发机理、风险评价指标和预警方法等。研究结果表明：断裂滑移型岩爆多发生于含软弱结构面或层理面的地质构造带附近，岩体硬性结构面可以在一定程度内控制岩爆爆坑边界；断裂滑移型岩爆在临界失稳触发阶段存在典型的时空前兆特征，声发射(微震)监测参数在临界滑移失稳阶段存在“相对平静期”破坏前兆，红外热像温度存在短暂异常后随即迅速消失的破坏前兆；岩体内部天然层理面等缺陷结构为触发断裂滑移型岩爆提供了地质构造条件，巷道开挖和掘进等为触发断裂滑移型岩爆提供了滑移失稳空间，外界动力扰动等为触发断裂滑移型岩爆提供了诱发条件。
利用电场远参考提高“死频带”音频大地电磁阻抗资料质量
马方圆 , 王辉 , 程久龙 , 宋宝家 , 董毅 , 陈志
2022, 7(6): 655-661. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.002
摘要(333) HTML (67) PDF(53)
摘要:
磁场远参考方法是大地电磁数据处理中最实用的噪声压制方法。音频大地电磁实际观测时，通常只采集一个测点的磁场而同步采集多个测点电场，往往没有同步的磁场数据进行远参考处理。而天然电磁场在5~1 kHz的“死频带”范围内信号强度较弱，导致该频段阻抗出现“飞点”。本文利用同步采集的电场对音频大地电磁数据进行电场远参考处理，结果发现：在“死频带”范围内，采用本地磁场和本地电场为参考时估算的阻抗在“死频带”分别会出现“上偏”和“下偏”，而以电场为参考可以明显提高“死频带”的阻抗质量；对不同参考距的实测数据处理表明，电场远参考处理的效果都要好于本地磁场和本地电场的处理效果，能够较好改善“死频带”数据质量，其效果与磁场远参考相当，对音频大地电磁野外数据处理具有重要的实际意义。
基于地质单元体的微动信号频散曲线反演
赵红鹏 , 何登科 , 洪雨
2022, 7(6): 662-669. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.003
摘要(284) HTML (55) PDF(39)
摘要:
微动勘探技术是一种利用环境本身微弱振动探测城市地下结构的方法。微动信号中面波占主导，分析微动信号可以提取面波频散曲线，通过反演频散曲线能够获得地层横波速度。但反演时地层划分规模与计算开销及求解稳定性之间存在矛盾，地层划分层数越多，反演过程中未知参数越多，会增大计算开销，加剧方程的欠定程度，使反演结果不准确。为了解决这一问题，本文在前人研究的基础上提出基于地质单元体的改进算法，当反演收敛速度较低时对横波速度差异较小的相邻两单元进行合并，以合并后的地层参与反演。通过数值理论模拟与实测数据分析，基于地质单元体的改进反演算法能够降低方程的欠定程度，得到更稳定的解并减少计算开销。
煤层气水平井钻井工程因素对煤粉产出影响的数值模拟——以柳林区块为例
魏迎春 , 王亚东 , 张劲 , 王安民 , 孟涛
2022, 7(6): 670-679. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.004
摘要(290) HTML (73) PDF(34)
摘要:
煤粉产出是制约煤层气开发的关键因素。影响煤粉产出的因素包括静态和动态因素，钻井工程是动态因素中影响煤粉产出的重要因素之一。以柳林煤层气区块为例，从井壁稳定性角度出发，运用ANSYS软件建立了二维、三维模型，分别模拟了不同钻井方位、钻井液密度、井眼半径、井斜情况下井壁的受力和变形，分析了煤层气水平井钻井工程因素对煤粉产出的影响。研究表明，井眼大小和井斜对煤粉产出的影响较大，而井眼方位和钻井液密度对煤粉产出的影响较小；井眼方位沿最大水平地应力方向时，井周等效应力差值最大，应力集中最明显；钻井液密度过大会导致井壁拉伸破坏；水平井钻进过程中，井眼半径越大、井斜越大，越易产生煤粉。为了减少钻井因素导致的煤粉产生，建议研究区水平井钻进时，井眼方位选择沿最小水平地应力方向，水平段选用清水钻进，水平段井眼倾角尽量与煤层倾角保持一致。研究成果为煤粉管控措施提供参考。
基于卷积神经网络的煤岩微裂隙提取方法
郑江韬 , 齐子豪 , 刘佳存 , 马德明 , 鞠杨
2022, 7(6): 680-688. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.005
摘要(387) HTML (62) PDF(67)
摘要:
深部开采导致的煤岩裂隙结构的延伸、贯通及扩展是引起煤岩破坏的关键因素。裂隙结构的准确表征是分析煤岩破坏机理及开展煤与瓦斯绿色共采的核心要素之一。本研究采用Waifu2x卷积神经网络模型对裂隙煤岩CT图像进行处理，获得分辨率更高的CT图像。并提出“裂隙煤岩标注七步处理法”，提高了标记效率，采用图像增强技术扩充训练集，满足了模型对于训练集数量和质量的要求。采用训练后的U-Net卷积神经网络进行图像分割，提取煤岩内裂隙信息。通过对比发现，本方法所获得的裂隙连通性、开度及分布与真实CT图像更为接近，所提取的裂隙4个量化指标均优于其他提取方法。研究为裂隙煤岩物理力学行为及机理分析提供基础。
褐煤失水形变特性研究初探
宋彦琦 , 马宏发 , 郑俊杰 , 杨敏健 , 申付新 , 邵志鑫
2022, 7(6): 689-699. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.006
摘要(222) HTML (55) PDF(22)
摘要:
为研究褐煤失水对露天矿煤岩组合边坡稳定性的影响，本文开展了褐煤失水试验，获得了岩样失水率、变形、孔隙率及裂纹演化规律，分析了岩样端面龟裂及分形渐变特征，探究了失水褐煤渐进损伤特性，基于毛细作用原理剖析了岩样裂纹扩展演化规律及作用机理。结果表明：褐煤恒温条件下，试件失水率呈“先陡后缓”的增长趋势，且最终接近或超过10 %；岩样逐渐产生轴向及环向变形，最终应变分别增至0.012 3和0.020 3，对应体积应变增至0.052 8，且应变增长与失水率渐变趋势相似；岩样失水体积远大于岩石收缩体积，孔隙率对应呈“先陡后缓”的增长趋势；岩样侧面横向裂纹渐进发育，且萌生位置渐变为“上端→下端→中部”，同时轴向裂纹萌生扩展，岩样端面龟裂特征显著，且裂纹分布分形维数基本呈线性增长趋势，揭示端面存在由均质向非均质转变过程；损伤变量随失水率呈非线性增长，最终增至0.066 5，且增长全程可分为线性增长阶段、减速增长阶段、加速增长阶段；受毛细作用控制，孔隙失水过程基质吸力增大是造成岩样轴向及横向收缩变形、竖向裂纹萌生扩展的主因。
致密砂岩Ⅰ型断裂行为的温度效应研究
陈立超 , 吕帅锋 , 张典坤
2022, 7(6): 700-709. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.007
摘要(168) HTML (98) PDF(29)
摘要:
致密砂岩裂缝复杂程度对于提升致密气储层压裂改造效率、增大资源动用程度具有实际意义。本文利用三点弯曲加载手段结合SEM分析对致密砂岩半圆弯曲(SCB)试样在室温、液氮低温条件下的力学特性、断裂行为、断裂路径规律及断裂能特征进行表征，讨论液氮低温作用下的致密砂岩预裂机制。研究结果表明：①液氮低温处理后致密砂岩试样断裂荷载、断裂韧度较室温状态均明显降低，而层理平行加载方位试样上参数略有增大，推测与液氮低温对层理面增强有关；②液氮低温处理后试样裂缝扩展路径复杂度提升，裂缝条数增多并出现裂缝分叉汇聚等现象，液氮预裂对致密砂岩断裂复杂度提升效果显著；③液氮预裂后致密砂岩断裂能显著降低，最大降幅达46.98 %；④室温下致密砂岩断裂路径主要沿矿物晶界发展，形成沿晶裂缝，岩石改造程度低；液氮低温处理后砂岩试样以沿晶断裂、穿晶断裂及颗粒断裂形成复杂裂缝形式，促进了穿晶裂缝与复杂缝网形成。综上，致密砂岩储层压裂中低温预处理能有效降低储层破裂压力，实现裂缝端部岩石韧-脆转换，提升压裂裂缝复杂程度。
基于数字分形原理的矿区粉尘时空分布与防治技术
赵洪宝 , 刘绍强 , 康钦容 , 李岳 , 蒋冬梅 , 吴桐
2022, 7(6): 710-719. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.008
摘要(299) HTML (79) PDF(40)
摘要:
为减少露天煤矿粉尘弥散对矿区环境及人员、设备的危害，本文以河曲露天煤矿为工程背景，开展了露天煤矿粉尘运移、分布及治理研究。结果表明：①利用现场监测手段分析了不同区域的粉尘浓度变化情况，确定了露天煤矿产尘主要区域。②将分形维数引入粉尘的运移和分布当中，研究了粉尘粒径、风速与分形维数之间的相互关系。③以高分子材料为主体进行化学抑尘剂的配比研究，研发了一种清洁高效、低成本的化学抑尘剂，该化学抑尘剂对于粉尘颗粒具有较好的捕捉效果并且能够在喷洒后形成薄膜防止二次起尘。
深井嵌套式变截面巷道交岔点稳定性控制研究
武毅艺 , 谢生荣 , 张玉
2022, 7(6): 720-729. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.009
摘要(273) HTML (107) PDF(68)
摘要:
深部矿井中，保持具有长服务年限的开拓巷道围岩稳定性十分重要，而井底车场中常存在两交岔点近距离连接使用的情形，在深部软岩环境下易出现大变形、支护失效等问题。以某煤矿嵌套式变截面巷道交岔点组围岩控制为工程背景，通过现场调研、地质勘查明晰了其具有3.9 m近距离嵌套式连接结构、变截面和大断面的属性及大范围穿层的特性，分析了在深部流变围岩下原支护方案失效的原因。为此进行精细化数值建模分析，得到主巷在三角岩柱侧的应力沿轴向存在“降低—叠加—恢复”的应力分区，两巷交叉角度越小，区域在轴向的距离越长，支承压力峰值及范围越大；变截面段随着截面的逐渐增大，围岩应力集中范围在横向与竖向均增大；塑性区在连接段发生多重叠加，宽度增加两倍以上，同时存在明显的穿层不连续状况，其范围在变截面巷道段及连接段急剧扩大。由此提出以中空注浆锚索为主的分段锚注强化控制方案，并经现场窥视与监测，加强支护有效保障了深井交岔点组围岩的稳定。
粒径大小对颗粒堆积体Burgers模型蠕变参数相似试验研究
马志奇 , 杨小彬 , 刘腾辉 , 李志辉
2022, 7(6): 730-737. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.010
摘要(169) HTML (82) PDF(27)
摘要:
为研究砂土颗粒材料堆积体在沉降过程中的变形行为，采用分级加载的方式进行三轴压缩蠕变试验，获得3组不同粒径(0.6~0.8 mm、1.0~1.5 mm、2.0~2.5 mm)的玻璃微珠蠕变变形-时间曲线，选取四元件Burgers模型对试验曲线进行拟合分析，得到玻璃微珠蠕变特性表征参数，并建立离散元数值模型对burgers模型参数进行验证。研究结果表明：玻璃微珠在三轴压缩条件下的蠕变特性可采用Burgers模型进行描述，蠕变Burgers模型的4个参数Ek、Em、ηk、ηm与粒径和轴压均呈现负相关关系。将试验拟合得到的宏观Burgers模型参数转换为颗粒流程序中的微观Burgers模型参数，模拟结果与试验结果具有较高的吻合性，对比结果说明颗粒流Burgers模型适用于岩石颗粒蠕变试验的研究。
表面活性剂水溶液抑制煤体瓦斯解吸作用的研究进展
张雪洁 , 陈明义 , 张同浩 , 宋志雷 , 张磊 , 田富超
2022, 7(6): 738-751. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.011
摘要(340) HTML (86) PDF(27)
摘要:
随着煤矿开采逐步向深部延伸，煤层瓦斯压力与含量趋于增大，瓦斯浓度超限问题日趋严重，而添加表面活性剂水溶液是降低煤体瓦斯涌出的重要技术手段。本文采用文献调查法分析了表面活性剂水溶液在煤矿瓦斯灾害防治中的应用情况，研究结果表明：①基于安全性、温和性考虑，表面活性剂优选顺序依次为两性和生物型、非离子、阴离子、阳离子，同时大部分非离子和两性表面活性剂具有良好的复配功能；②在试验浓度范围内，除生物型表面活性剂外，其他类型表面活性剂水溶液均出现明显的表面张力及接触角变化的浓度拐点，对应的临界胶束浓度为0.1 %，获得表面活性剂水溶液润湿性效果排序为阴离子、非离子、两性、阳离子、生物型；③添加表面活性剂水溶液能够显著抑制煤岩瓦斯解吸扩散能力，这与水溶液的润湿铺展增强作用及封堵作用有关。
煤矿深部开采领域研究现状可视化分析
曾静伟 , 景国勋 , 朱崎峰
2022, 7(6): 752-762. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.012
摘要(264) HTML (70) PDF(48)
摘要:
为了全面了解煤矿深部开采领域研究现状，以2003—2021年Web of Science数据库相关文献为样本，对发文量、研究机构、国家、作者、文献引用、关键词及学科等进行深入分析。结果表明：从发文量、研究机构和国家层面看，中国的研究水平处于世界前列；从作者和文献引用情况来看，中国学者对该领域的关注度高，高倍引文献多为工科技术类研究；从关键词发展演化看，本领域的关键词主要集中在模型、岩石、数值模拟、机制和应力等，模型和数值模拟将是该领域未来重要的研究方法；从学科发展演化看，本领域的学科主要集中在工程学、地质学、多学科地球科学、能源与燃料学、环境与生态学等，可持续发展将会成为未来的热点研究方向。
微硅粉浮选中的纳米气泡稳定性及协同作用的讨论
李军 , 孙健翔 , 许泽胜 , 李晓东 , 赵佳佳 , 刘佳
2022, 7(6): 763-769. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.013
摘要(142) HTML (14) PDF(21)
摘要:
针对微硅粉的提纯问题，提出了在微硅粉浮选中引入纳米气泡以提升浮选回收率的方案，分析了纳米气泡对浮选提纯微硅粉的影响；使用纳米颗粒跟踪分析(NTA)测定纳米气泡的稳定性和油酸钠对其稳定性的影响。结果表明：在捕收剂等量的情况下，在微硅粉浮选中引入纳米气泡，可以提高纳米SiO2的回收率，在捕收剂用量为1.5 g/L时，纳米SiO2回收率达到最大，为70.2 %；油酸钠可以提高水中纳米气泡的稳定性和分散性；纳米气泡可以提高浮选回收率，可能是由于纳米气泡与浮选中产生的普通浮选气泡发生协同作用。
煤炭洗选过程中砷的迁移与富集规律
解维伟 , 周玲妹 , 郑浩
2022, 7(6): 770-781. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.014
摘要(185) HTML (57) PDF(27)
摘要:
在煤炭资源的加工利用过程中，部分重金属元素会在环境中富集，对环境和人体均有一定危害。选用内蒙古低灰高硫煤样和高灰低硫煤样进行浮沉和浮选试验，通过电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)、X射线衍射分析、X射线荧光分析、扫描电镜能谱分析、红外光谱分析等测试方法，研究重金属砷元素在煤中的赋存形式及洗选过程中的迁移富集规律。试验结果表明，在两种煤的矿物组成中，硅铝酸盐结合态存在的砷占比为最高，均达到50 % 以上，但是硅铝酸盐矿物种类并不相同，砷的赋存具有明显的差异性；浮沉结果显示低灰高硫煤中的砷主要与矿物质伴生集中在密度较大的部分，而高灰低硫煤主要富集在密度较低、有机质含量较高的部分；浮选中砷迁移规律也存在差异，低灰高硫煤中的砷在浮选过程中向尾煤中迁移，高灰低硫煤中的砷则相反，浮选过程中向精煤中迁移。以上规律表明，低灰高硫煤通过浮沉和浮选脱除砷是可行的，但是对于高灰低硫煤效果不好。
响应曲面法优化含氟矿井水处理及除氟机理研究
章丽萍 , 安逸云 , 吴二勇 , 姚瑞涵 , 赵晓曦 , 袁合霞 , 杨艺璇 , 宋静熙
2022, 7(6): 782-792. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.06.015
摘要(506) HTML (147) PDF(53)
摘要:
地表水或地下水流经富氟岩石易导致水中氟超标。水中氟超标易导致地方性氟中毒、生态环境的破坏，制约水资源综合利用。基于研制的一种高效除氟药剂，通过响应曲面分析中的Box-Behnken设计除氟试验，优化了pH值、除氟药剂投加量和快速搅拌时间对除氟效果的影响，并通过X射线光电子能谱(XPS)、X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等分析手段对除氟药剂及处理后产生的污泥进行表征分析，探讨了除氟药剂去除氟离子的机理。试验结果表明：最佳除氟条件为pH值6.11，药剂投加量4.15 mL，快速搅拌时间10.90 min，此时可使F-从初始的20 mg/L降至0.453 mg/L，与模型预测的0.445 mg/L基本吻合。除氟机理为，药剂在含氟矿井水中形成铁铝硅氧的多核多羟基络合物，通过氟离子与羟基发生交换、取代羟基，将氟离子固定在多核多羟基络合物中，形成铝硅氧四面体结构的氟化物，实现除氟效果。对比现用的羟基磷灰石吸附为主体的处理工艺，本研究制备的除氟药剂具有处理工艺简单、处理效果稳定、处理成本低等优点。

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