矿业安全与环保

当前目录

• SCCO2-H2O-煤耦合作用下的煤孔隙结构演化规律

  姜永东, 涂艾林, 常悦, 邹勇, 王伟平

  针对深部煤层CO2地质封存，CO2-H2O-煤长期耦合作用下煤孔隙结构演化问题，以石洞沟煤矿三叠系上统须家河组第七段瘦煤为研究对象，通过扫描电镜、低温氮气吸附与压汞实验，揭示SCCO2-H2O-煤耦合作用下煤孔隙结构的动态演化机制。研究表明：在SCCO2-H2O作用下，煤的表面结构在短期(15 d)、中期(30 d)、长期(60 d)内呈阶段性演化，短期以小分子萃取和矿物溶蚀作用为主，扩展孔隙裂缝网络，中期以裂隙填充为主，长期碳元素质量分数下降了15%，矿物碎屑随流体迁移并发生矿物转化与沉淀，使得煤表面更加光滑、孔隙封闭；在微孔和中孔结构方面，短期SCCO2萃取使微孔体积占比从7%增至9%、累计比表面积增加了61.6%，中期矿物沉淀导致微孔体积降低43.2%、中孔体积占比约为51%，长期微孔近乎消失、比表面积相较于原煤有所减小，CO2吸附能力先升后降；在大孔结构方面，短期大孔占比达55%、孔隙率为47.6%，渗流阻力低；中期中孔网络发育，中孔占比上升；长期高温高压下大孔增多，但大部分被沉淀物堵塞，有效渗流空间减小，CO2运移能力下降。研究结果对中阶烟煤储层CO2地质封存具有参考价值。

• 煤层静态致裂增透技术的钻孔布置优化研究

  刘军, 杨兴龙, 苏敏, 王倩, 李杰

  为了提高低透气性煤层静态致裂增透效果，优化致裂钻孔布置方式，采用实验室实验和数值模拟相结合的方法，基于COMSOL软件构建煤体静态致裂过程中的应力-损伤耦合数值模型，研究钻孔布置方式对静态致裂效果的影响，揭示不同施工参数下煤体的应力场演化和损伤区分布。研究结果表明：双孔致裂产生的膨胀压力叠加效应显著增强了煤层致裂效果，在导向孔布置方式下煤体内部存在自由面，可以引导裂隙扩展的方向，裂隙扩展更为显著; 在静态致裂过程中损伤区演化受膨胀压力、布孔方式及弹性模量3个因素影响，膨胀压力增大，加速应力拐点迁移，导致煤体弹性模量下降并出现损伤区; 在静态致裂后期，含导向孔及预制裂缝布置方式下形成的损伤区面积分别为5.98、4.78 m2，相较于单孔布置方式分别提高了2.3倍和1.8倍; 在双孔基础上增设导向孔，损伤区面积从5.47 m2增至5.98 m2，说明布置导向孔和预制裂缝均能显著提高煤体的致裂效果，其中“双孔+导向孔”的复合布孔方式致裂效果最好。

• 竹基改性矿用隔热材料的制备及性能研究

  杨明, 姚丽敏, 邓辉, 潘竞俊, 刘全辉, 惠学齐, 游波, 程东阳

  针对深部矿井高温热害源头治理这一关键问题，开展高效、可持续矿用隔热材料研究，对改善矿井作业环境、推动绿色矿山建设具有重要意义。采用正交试验法，研究竹材的形态、掺量及长度对混凝土复合隔热材料隔热性能与抗压强度的影响; 通过功效系数法优选出隔热性能与力学性能达到最佳平衡的试样配比，确定最优配比; 基于自主设计的高温巷道隔热效能模拟装置，开展相似模拟试验，分析隔热层厚度及围岩温度对材料隔热效果的影响，验证所研发隔热材料在矿井高温巷道内的降温效果。研究结果表明，竹材形态对隔热材料的关键性能指标影响最大，其次为竹材掺量，而竹材长度对各指标影响最小; 最佳试样中竹材形态为竹纤维、掺量为0.5%、长度为25 mm，其隔热性能较基准组提升28.74%，抗压强度提升124.26%;铺设优选隔热层能有效减缓围岩散热，降低围岩向巷道内的传热速率，并减少巷道内的热量差异，验证了掺竹复合隔热材料作为矿用隔热材料的可行性。

• 置障条件下CO2抑制含尘瓦斯爆炸火焰传播的实验研究

  徐景德, 江威, 徐祚卉, 卢森涛, 刘钧海, 卢鸿玉

  为了探究置障条件下CO2对含尘瓦斯爆燃火焰传播的影响，通过自主搭建的中尺度爆炸实验平台，系统地研究了不同体积分数CO2与不同数量障碍物的情况下含尘瓦斯爆炸火焰的传播过程及管道内火焰传播速度的变化规律。结果表明：当CO2体积分数较小时，由于管道内气流扰动及CO2扩散不均匀，火焰传播速度加快; 随着CO2体积分数增大，火焰传播速度降低，在CO2体积分数为6%的工况下，火焰出现明显的胞状结构，火焰传播抑制效果达到最佳; 加入障碍物后，CO2体积分数为2%和4%时管道前端火焰传播速度变化趋势与无障碍物时相同，管道中后段火焰传播速度发生显著变化，此时障碍物是影响火焰传播的主要因素，且CO2与障碍物表现出一定的耦合作用，CO2对火焰传播速度的抑制作用增强，火焰传播速度明显减小; 当CO2体积分数为6%时，障碍物的加入对火焰传播速度的影响较小，此时CO2体积分数为影响火焰传播的主要因素。

• 基于BP神经网络的采空区煤自燃风险评价模型研究

  张传玖, 孔德磊, 乔金林, 徐超, 李丹, 杨怡忻

  采空区煤自燃火灾是矿井火灾当中占比最大的火灾形式，在预防阶段难以有效评估其煤自燃风险，防治难度大。基于此，将深度学习神经网络技术引入煤自燃风险评价中，提出了基于BP神经网络的采空区煤自燃风险评价模型，收集135组实际矿井数据，构建了煤自燃风险多层级评价指标体系; 采用黄金分割法确定最优的神经网络拓扑模型，利用训练集与测试集数据，完成煤自燃风险评价模型的训练优化与预测准确率分析。在大柳塔煤矿活鸡兔井开展应用，结果表明：所提出的基于BP神经网络的采空区煤自燃风险评价模型，具有强大的自学习能力，以及良好的泛化能力、容错能力、映射关系能力，可定量评估采空区煤自燃风险，具备预测准确率高、实用性强的优点，可为矿井火灾防治、井下安全回采等工作提供可靠的科学依据，对于整体提升矿井安全生产水平有现实意义。

• 显微组分控制下富惰质组煤微观裂隙特征及裂隙扩展机理

  张连昆, 李耿, 尹博, 王月芳

  为阐明煤中显微组分对煤微观裂隙发育与扩展的控制机理，以鄂尔多斯盆地延安组煤层为研究对象，开展了系统的实验与数值模拟研究。通过光学显微镜和扫描电镜观测，定量分析不同显微组分中裂隙的密度分布与延展特征; 结合单轴压缩实验与数值模拟方法，揭示应力加载过程中裂隙的演化规律及煤中显微组分控制机制。结果表明：非穿层显微裂隙几乎全部发育于镜质组内，而穿层裂隙的分布形式更为复杂; 镜质组内裂隙密度较高，且随条带厚度减小而增大，惰质组内因其条带塑性较强，其裂隙密度与条带厚度的相关性较弱; 煤中显微组分条带平均厚度的增加有利于裂隙的延伸，而惰质组含量的增大则抑制穿层裂隙扩展; 在应力加载过程中，裂隙演化呈现“镜质组内萌生→惰质组内扩展→裂隙连通”的阶段性特征，在萌生阶段镜质组以拉伸破坏为主，在扩展—连通阶段镜质组转为压剪破坏，惰质组则仍以拉伸破坏为主。揭示了不同煤中显微组分在裂隙演化各阶段的力学响应差异，可为煤层气储层评价与瓦斯灾害防治提供理论依据。

• 基于焓值的矿井热环境风险分级方法与应用

  张源, 吴栋, 柴发英, 师鹏, 王明利

  高温热害是深部矿井的主要灾害之一，严重制约矿井的安全高效生产，科学评价矿井热环境是治理矿井热害的基础。基于高温高湿环境的人体热暴露实验，提出了矿井热环境评价的焓值法，建立了焓值法的评价标准，划分了矿井热环境的风险等级，并在海石湾煤矿1070掘进工作面进行了应用验证。研究结果表明，焓值能有效表征人体热反应，既能综合反映矿井高温高湿环境，又可直接用于机械制冷降温时的冷量设计，在深部矿井热害治理中具有良好的适用性; 以焓值40、55、70、85、100 kJ/kg为阈值，将矿井热环境划分为无风险、低风险、中等风险、高风险和非常高风险5个等级，并明确了不同热环境风险等级下的人体热反应及应对措施; 海石湾煤矿1070掘进工作面热环境具有高温低湿的特点，其最低热环境的风险等级为中等，局部区域为高风险或非常高风险等级; 在热环境重点控制区域内，矿井空调发挥了重要作用，但制冷量仍需进一步增加。1070掘进工作面的实际情况与热环境焓值法评价结果高度吻合，能够体现出高温高湿环境对井下作业人员舒适度的影响，验证了焓值法的适用性。

• 基于组合赋权-可拓云理论的充填管道堵塞风险评价

  黄冬梅, 孙冉, 崔保国, 刘浩然, 薛文宇

  管道输送是膏体充填成功与否的一个重要环节。为确保膏体充填系统中的管道输送可靠性，基于人—物—环—管(MMEM)理论，选取人员、管理、物料、管道和环境5种因素作为综合评价指标，构建充填管道堵塞事故风险评价指标体系; 将各评价指标统一量纲并转化为云模型参数对指标进行等级划分，采用层次分析法(AHP)与指标相关性权重法(CRITIC)的组合赋权方法，确定评价指标综合权重; 基于可拓云理论，利用充填开采风险评价模型，对裕兴煤矿2918工作面充填管道堵塞事故发生的风险程度进行评价。结果表明：该方法得出的评价结果与现场验证结果吻合度较高，对充填管道堵塞风险评价具有一定的参考价值。

• 大采高综采工作面粉尘防控理论与应用

  马威, 李德文, 张设计, 莫金明

  为解决大采高开采工艺带来的综采工作面粉尘污染难题，针对大采高综采工作面采场空间大、粉尘扩散距离远、尘源多、产尘强度大等显著特征，结合大采高综采工作面呼吸性粉尘时空演化规律，提出大采高综采工作面粉尘的分源分域治理方法，即采煤机滚筒三维包络高效喷雾降尘技术、采煤机含尘气流控制技术、液压支架封闭导尘及负压微雾隔尘除尘技术。同时，通过理论分析、数值模拟、实验室实验等方法，研究得出上述技术的关键工艺参数及其影响规律，最终形成了适用于我国大采高综采工作面的粉尘防控理论与成套技术。现场试验及应用结果表明，该技术可使人员作业区域的呼吸性粉尘质量浓度降低90%以上，显著改善了作业环境的卫生条件。

• 基于修正的营造新裂缝判识准则的二次水力压裂有效性评价

  段宝江, 闫晋, 邓志宇, 张亚飞, 熊志文

  二次水力压裂的有效性是煤层气低产井增产改造效果的重要评价指标。煤层经一次水力压裂后，地应力、煤的力学性质等均发生改变，采用传统的水力压裂营造裂缝判识准则无法准确评价二次水力压裂的有效性。基于损伤力学理论，获取一次水力压裂后煤层营造新裂缝的主要参数，并修正得到一次压裂后的地应力值和压裂摩擦阻力值，基于此建立了修正的二次水力压裂营造新裂缝的判识准则，得出二次水力压裂营造新裂缝条件，据此评价柿庄南区块煤层气井二次水力压裂的有效性。结果表明：煤层经一次水力压裂后，水平主应力差和煤的抗拉强度均减小; 二次水力压裂时，当煤层的起裂压力小于延伸压力时，在一次压裂煤层中能营造出有效的新裂缝，反之，则很难营造出有效的新裂缝。现场8口典型的二次水力压裂煤层气井的产气情况验证了判识准则的准确性。该研究成果为煤层气低产井二次水力压裂有效性判识提供了理论依据。