矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2020年第4期

• 流量引起的注入压力变化对水力压裂效果的影响研究

  刘乐, 胡千庭, 李全贵, 姜志忠, 武晓斌, 宋明洋

  为探究不同流量条件下水力压裂试件的破裂压力和裂隙扩展面积变化规律，利用真三轴水力压裂系统开展不同流量的水力压裂物理模拟实验。实验结果表明：通过压裂液流量控制注入压力变化量，流量与注入压力变化量、破裂压力呈正相关关系；泵压力曲线都经历了储液─上升─下降─稳定4个阶段，流量越大则储液时间越短、压裂曲线上升和下降的周期越短、稳定压力越高；裂隙扩展面积随流量的增加而增加，在流量为60 mL/min时裂隙扩展面积最大，压裂效果最佳，但当流量超过60 mL/min时容易产生形态单一、扩展面积小的裂隙网络，水力压裂效果会明显降低。研究结果可为水力压裂技术工艺参数的设计提供参考。

• 瓦斯抽采钻孔封孔水泥浆液水灰比优化研究

  位乐

  为进一步提高本煤层瓦斯抽采钻孔封孔模拟的准确性，考虑水泥浆液扩散过程中黏度时变性及应力对浆液扩散造成的影响，对不同水灰比条件下的水泥浆液基本性能进行实验室测定，分析了不同水灰比的水泥浆液性能及变化特点。采用理论推导、数值模拟的方法，对不同水灰比条件下的水泥浆液扩散范围开展研究计算，对煤矿井下注浆封孔水泥浆液的水灰比进行了优化。在贵州小屯煤矿对模拟结果进行实测验证，现场封孔效果较好，进一步结合井下实际情况对水泥浆液的水灰比进行优化。研究结果表明：水泥浆液初始动力黏度随水灰比增大而减小，水泥浆液黏度随时间基本呈指数增长；根据井下实际封孔情况并结合模拟结果，确定水泥浆液的最佳水灰比为0.9。

• 气—水两相流耦合模型及瓦斯抽采模拟研究

  于波, 毕慧杰, 邓志刚, 张坤, 苏振国, 马斌文

  针对目前进行瓦斯抽采模拟时大多忽略煤层含水的问题，建立了考虑气—水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在瓦斯单相作用的基础上，考虑煤层水渗流及孔隙水压力所产生的影响，推导出相应的应力场方程和渗流场方程，并建立渗透率动态演化模型作为耦合模型，据此分析瓦斯—水运移规律。研究结果表明：考虑气—水两相流，产气速率具有峰值点；若不考虑水的影响，则将高估瓦斯抽采量；距钻孔越远，水对瓦斯运移的抑制作用越明显，且抑制作用大于因煤体自身有效应力减小、渗透率增大所带来的促进作用；煤层初始渗透率对瓦斯抽采具有决定性作用；煤层温度越高，瓦斯压力越不易降低，由温度增高引起的瓦斯解吸效应大于煤层自身的吸附应变效应。

• 高强度开采低瓦斯煤层时瓦斯涌出的时空分布特征及关键影响因素

  龚选平, 陈龙, 陈善文, 白廷海, 林海飞, 高涵, 成小雨

  瓦斯涌出受诸多因素的影响，为了研究低瓦斯煤层综放工作面高强度开采时瓦斯涌出的时空分布特征及关键影响因素，采用现场实测的方法，分别研究了高强度开采条件下低瓦斯综放工作面生产班和检修班的瓦斯浓度分布特征，以及煤炭产量、配风量、矿山压力、工作面推进速度和煤层瓦斯含量对瓦斯涌出的影响。结果表明：检修班工作面的瓦斯浓度受采空区漏风流的高浓度瓦斯影响较大，而生产班工作面的瓦斯浓度主要受采落煤释放瓦斯的影响；工作面煤壁瓦斯涌出量约为75.17%，采空区瓦斯涌出量约为24.83%；通过对不同影响因素的研究，得出工作面的煤炭产量和工作面推进速度是影响高强度开采低瓦斯煤层综放工作面时瓦斯涌出的关键因素。

• 中近距离下伏工作面采动条件下巷道加固技术研究

  杨永刚

  受下伏中近距离工作面回采影响，其上部已有的系统巷道处于工作面采空区覆岩垮落、离层影响范围内，巷道支护对象发生了显著改变，围岩变形控制极为困难。以淮北矿区朱庄煤矿二水平南大巷为工程背景，采用相似模拟方法，研究下伏工作面采空区顶板覆岩运移垮落特征，以及其与上部巷道变形破坏之间的时空规律，在此基础上提出了巷道采前U型棚预加固+采后注浆围岩重构技术。工程应用结果表明，试验巷道成功经受住了下伏工作面的采动影响，满足了采动条件下系统巷道的正常使用要求。

• 综采工作面顶板围岩应力特征相似模拟研究

  郝学, 胡祖祥, 邢立奋, 徐小奔

  为揭示采动影响下上覆岩层变化规律，以淮南矿业集团谢桥矿1232(1)综采工作面地质条件为工程背景，采用相似材料模拟实验和理论分析的方法，对综采工作面顶板围岩应力特征进行研究。相似模拟研究结果表明：随着采煤工作面的不断推进，工作面前方煤体内应力与超前支承压力峰值不断增大，当工作面由30 m推进至150 m，工作面顶板围岩各监测点处超前支承压力达到峰值时的最大应变量由14增大到292；工作面前方煤岩体经历了由原岩应力到应力升高再到应力降低的过程，其中80 m范围之外为原岩应力区，10~80 m为应力增高区，10 m范围内为应力降低区；随回采推进，各区逐渐向内部转移，对于地质变化不大的煤岩体而言，“三区”会逐渐扩大前移，但整体变化范围不大。研究结果可为中厚煤层的实际开采提供一定的理论指导。

• 煤矿井下水力增透降阻剂优选研究

  熊伟, 彭明辉, 巴全斌

  针对在煤矿井下实施水力化增透措施过程中，由于液体流动管道直径小、流速大、输送距离长等原因造成的阻力损失过大，导致作业点压力不够的问题，通过实验对比分析了胍尔胶、UG-3、DR-12和EM30等4种常用降阻剂的热稳定性、降阻性、剪切稳定性等主要性能参数，优选出乳液聚合物DR-12降阻剂最适用于煤矿井下水力增透措施。研究了不同质量分数条件下DR-12降阻剂的降阻率随管径及流速的变化特征，得到不同工况条件下DR-12降阻剂的最佳使用比例及确定方法。现场应用结果表明，使用DR-12降阻剂进行割缝增透的钻孔的抽采瓦斯纯流量是普通钻孔的5.3倍，与清水割缝钻孔的抽采瓦斯纯流量相比提高了19.1%。

• 基于经验小波变换的矿山微震信号识别研究

  吴义文, 程铁栋, 易其文, 赵奎

  针对微震信号与爆破震动信号自动识别难的问题，提出了基于经验小波变换(EWT)的矿山微震信号识别方法。运用仿真信号对EWT和经验模态分解(EMD)进行对比检验，表明EWT分解效果要优于EMD，而且可以减少模态混叠问题；对矿山实测的400组爆破震动和微震信号进行EWT分解，得到紧支集频谱的内禀模态分量，借助互信息量筛选得到f1~f7共7个分量，进而分别利用分量f1~f7构建Hankel矩阵，计算每个Hankel矩阵的奇异值平均值、方均根值、标准差，并作为特征量；利用支持向量机(SVM)对微震和爆破震动信号进行分类。结果表明：爆破震动信号分量f1~f7的奇异值方均根值和标准差都要大于微震信号，分量f1~f5的奇异值平均值要大于微震信号；EWT_Hankel_SVD特征提取法识别效果要优于应用较为广泛的EWT_SVD，且基于EWT_Hankel_SVD分类准确率达到92.5%。

• 不同断层倾角下采场冲击危险性数值模拟研究

  盛凯华, 王璐, 柳研青, 李志宏, 张振扬

  以红岭煤矿F505正断层为工程背景，采用理论分析、数值模拟方法，对不同断层倾角条件下沿断层走向回采采场的冲击地压危险性进行分析，比较了不同断层倾角条件下采场的冲击危险程度及诱发因素。研究结果表明：随着断层倾角的增大，上、下盘工作面采空区断层煤柱应力集中程度明显增加，其中，下盘断层煤柱应力集中程度增加更明显;工作面超前支承应力分布呈现非对称性，且断层侧应力峰值更高;下盘工作面回采的基本顶位置断层滑移量明显大于上盘工作面回采的断层滑移量，断层倾角越小，基本顶位置断层滑移量越大，采场容易发生动载型冲击事故。提出了工作面不同开采条件下采场冲击地压的防治措施，可为断层影响区域工作面的安全回采提供指导。

• 基于大数据的煤与瓦斯突出预警技术

  宁小亮

  针对现有煤与瓦斯突出预警技术对数据的分析利用不充分的问题，从大数据生命周期的各技术环节入手，介绍了基于大数据的突出预警技术体系的架构、大数据类型及获取方式。从工作面、区域、生产系统3个方面建立了多参量突出预警指标体系，并依此构建了基于层次分析法的突出预警模型，同时分析得到基于多层关联规则算法的层次分析各因素相对重要度的计算方法，实现了指标权重的自动确定与优化；开发了基于B/S架构模式的突出预警系统，主要包括预警数据库、预警服务、预警网站和移动终端APP。现场试验表明：预警总准确率达91.5%，无漏报现象，实现了预警数据的动态获取、智能分析、实时预警、在线发布与远程查询。将大数据技术应用于煤与瓦斯突出灾害防治是未来的发展方向，基于大数据进行突出预警是可行的，可为煤矿现场突出防治提供决策支撑。

• 深部突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究与应用

  李生舟, 乔伟, 王建

  超高压水射流割缝技术能显著改善深部煤层的应力状态、减少抽采钻孔工程量。针对割缝作业工艺参数选取缺少依据、易导致割缝误穿透相邻钻孔、卸压增透效果差等问题，开展了大埋深条件下的突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究。首先,理论分析了水射流压力、割缝时间、水射流旋转速度等工艺参数对超高压水射流割缝效果的影响；然后,通过不同参数下水射流割缝卸压增透效果现场考察，获得最佳水射流割缝工艺参数组合；最后,在赵固二矿西胶带大巷进行现场工艺验证。试验结果表明：优化后的煤层割缝钻孔抽采瓦斯纯量为对比钻孔的3.8倍，割缝钻孔有效瓦斯抽采半径为对比钻孔的2倍，割缝后穿层钻孔设计参数由4 m×5 m优化为8 m×5 m布置，在钻孔工程量减少50%的基础上，抽采达标时间由12个月以上缩短为7个月，抽采达标时间缩短了约40%。

• 水力化卸压增透技术在石门快速揭煤中的应用研究

  冯康武

  为了解决西南地区松软煤层所面临的瓦斯抽采难度大、消突时间长的难题，在新维煤矿石门揭穿8#突出煤层期间，通过抽采钻孔，采用单孔多次高压水力割缝形成缝槽，并同时实施中压注水实现导向性水力压裂的煤层增透方法，增加了待揭露区域煤层的透气性，缩短了预抽时间。结果表明：高压水力割缝形成缝槽为水力压裂起到一定的导向作用，水力压裂裂缝和割缝缝槽共同形成连贯塑性区；经过水力化措施后，煤层透气性提高，单孔抽采瓦斯流量平均提高2倍；单孔抽采瓦斯浓度平均提高3倍左右，实现了石门快速揭煤。

• 复合采空区遗煤自燃极限参数变化及危险区域判定

  章飞

  特厚煤层采用分层综放开采时，上分层遗煤易发生二次氧化，致使煤自燃预防和治理的难度加大。为了准确判定下沟矿ZF1801工作面上、下分层采空区遗煤自燃危险区域，通过程序升温实验分析4#煤层煤的自燃极限参数，并根据气体监测数据判定采空区遗煤自燃危险区域。研究结果表明：4#煤层煤的耗氧速率和放热强度随温度的变化均符合高斯型函数关系；随遗煤厚度的增加，下限氧气体积分数逐渐降低，而上限漏风强度逐渐升高；当遗煤厚度一定，温度达到90℃时二者的极限参数最低；遗煤自燃危险区域在ZF1801工作面下分层采空区回风侧20~125 m、宽105 m，在上分层回风巷、进风巷侧0~40 m、宽40 m；当ZF1801工作面推进速度低于2.34 m/d且停采28 d以上时，采空区存在自燃危险。研究结果可为下分层综放工作面末采期间采空区自燃危险区域判定提供参考。

• “两硬”条件下冲击地压多参量监测预警体系

  李莉丽, 王宁

  以煤层坚硬的顶底板组合条件即“两硬”条件下沿空巷道冲击地压为主要研究对象，调研分析了大同矿区冲击地压的影响因素和显现特征。通过对典型冲击地压矿井综合防治要点、监测预警体系实施情况和现场解危实践等进行分析，形成了以“两硬”条件下沿空回采巷道冲击地压危险区域的划分和以多参量监测预警体系为基础的冲击地压综合防治体系。研究成果可为“两硬”条件下沿空回采巷道采取有针对性的监测预警和动态调控措施提供依据。

• 地表山体载荷对浅埋深工作面开采矿压的影响

  任艳芳

  为了掌握浅埋深工作面受地表山体载荷的影响规律，以典型浅埋深工作面现场矿压实测数据为基础，采用三维数值模拟方法，研究了地表山体对工作面的载荷作用机理及对矿压显现的影响。研究结果表明：浅埋深开采条件下，山体载荷与工作面矿压显现强度呈正相关关系，山体载荷越大，矿压显现越强烈；受基岩层承载及破断特性影响，地表载荷对工作面矿压的影响存在滞后距离，与顶板周期破断距离相近；山体区域影响范围远大于其垂直范围，工作面在进入和离开地表山体影响范围时，受两侧山体载荷叠加的影响，会造成工作面压力增高。因此，当浅埋深工作面在进出地表山体区域的影响范围时，应当确保工作面的支护强度，工作面保持合理较快的推进速度。

• 浅埋近距离上覆遗留煤柱应力集中灾害压裂治理技术研究

  杨俊哲, 郑凯歌, 赵继展, 李延军, 戴楠, 杨欢

  针对浅埋近距离上覆遗留煤柱造成的动力灾害问题，基于“垮落填充体+上覆煤柱”支撑理念，结合定向长钻孔精准成孔技术，提出了顶板分段压裂超前弱化治理技术。综合采用理论分析、技术开发、工程实践等方法，研究了顶板分段压裂超前弱化治理机理，并在典型矿井开展了工程应用。结果表明:分段压裂施工过程最高注水压力为21.20 MPa，最大破裂压降为7.60 MPa，出现3.00 MPa以上压力降50余次；压裂后顶板来压步距、动载系数、最高压力较未压裂段分别降低了13.58%、13.77%、25.49%，验证了压裂技术的有效性。该治理技术可有效控制由上覆遗留煤柱引起的动力灾害。

• 近距离煤层下位外错巷道变形机理及控制技术

  徐军见

  针对近距离煤层下位外错巷道维护困难的问题，采用理论分析和数值模拟计算的方法，分析了外错巷道在上层煤回采后和本层煤回采前的叠加应力影响下，巷道发生塑性破坏特点、应力分布及位移变化规律，提出“断顶孔+卸压孔+高预应力锚索+单体液压支柱的立体联合控顶技术”。工业性试验结果表明：联合控顶技术方案实施后，外错巷道顶板最大下沉量小于200 mm，锚索受力小于230 kN，没有出现漏顶现象，巷道整体性较好，围岩变形得到了有效控制。该项技术能够较好解决近距离煤层下位外错巷道维护难题，促进煤矿的安全高效生产。

• 矿井煤岩动力灾害声发射监测传感器孔底安装方法研究

  李建功

  声发射传感器安装是确保有效监测声发射信号的重要环节。通过不同安装方式的对比分析，指出煤矿井下进行煤岩动力灾害声发射监测时应优先选择传感器孔底安装方式。设计了一种快速便捷的声发射传感器孔底安装叉式固定方法，并进行了现场考察。结果表明，该方法简化了安装工艺，解决了上向孔内传感器和煤岩体注浆耦合不紧密导致监测信号残缺的问题，提高了传感器与煤岩体耦合的时效性、稳定性，确保了声发射信号的持续有效接收。根据现场安装钻孔角度，形成了声发射传感器孔底安装水泥注浆固定法和叉式固定法2种安装方法。在大角度上向孔和水平孔内安装时，宜选择声发射传感器孔底安装叉式固定法；在下向孔内安装时，宜采用孔底安装水泥注浆固定法。

• 北辛窑矿南翼大巷突水机理及防治措施

  路喜, 何亚东, 王敏

  以宁武煤田北辛窑矿南翼大巷底板突水为研究对象，通过分析矿区地质、水文地质特征，对比突水前后区内奥灰水文观测孔水位变化，结合突水点水化学分析，研究了该矿突水水源及突水机理。结果表明：2次突水的动态过程相似，最大涌水量和稳定涌水量具有可比性，突水时间与奥灰水文观测孔水位陡降时间吻合，突水点水样特征与本区奥灰水特征基本一致，确定突水水源为奥灰水。F8断层切割奥灰含水层形成突水通道，加之巷道掘进扰动破坏了相对隔水层的稳定性，奥灰承压水克服构造裂隙阻力，引发突水；采用定向钻孔注浆堵水技术，对2个突水点进行封堵，并注浆加固了巷道底板，确保了南翼大巷安全掘进。

• 矿井老空水超前探测瞬变电磁响应特征

  袁永榜, 易洪春, 鲜鹏辉

  为提升瞬变电磁超前探测矿井老空水的准确性，通过建立掘进工作面前方不同位置的老空水模型，采用基于非均匀网格的三维时域有限差分法进行正演模拟，结合实例分析了全空间条件下老空水的瞬变电磁场响应特征。结果表明：存在老空水的区域瞬变电磁场响应曲线明显畸变，观测信号以老空水影响下的电磁场衰减信息为主；老空水距离发射源越近，磁场响应时间越早，法线方向的磁场分量低阻响应更强；采用多方向多角度的瞬变电磁观测系统有利于定位矿井老空水的空间位置和分布范围。

• 基于正交试验的CO2致裂器泄能头的参数优化

  刘彦麟, 陈子涵, 邹全乐, 曾弢, 叶辰

  为了对CO2致裂器泄能头的参数设计提供优化方案，采用ANSYS-CFX对CO2致裂器的泄能头内部的流场进行数值模拟与仿真，分析了CO2致裂器的单孔泄能头在不同入口气体压力、扩张段长度、收缩断面直径下所受最大压力，建立了由25组数值模型构成的正交试验表。通过正交试验分析可得：在入口气体压力为290 MPa、扩张段长度为40 cm、收缩断面直径为0.073 m时，CO2致裂器泄能头所承受的压力最大，达到317.2 MPa。研究结果可为提高CO2致裂器使用的安全性提供理论支撑。

• 基于煤矿瓦斯工业化利用的混(配)气装置应用现状及前景展望

  逄锦伦

  为了充分发挥混气技术在煤矿瓦斯工业化利用中的作用，分析了现有煤矿瓦斯混配技术的原理及优劣，并基于不同维度对现有的瓦斯混配技术进行了客观比较。分析结果表明，动态连续混气装置比较适宜于煤矿瓦斯工业化利用时配气，能较好地满足利用端使用，对CH4浓度、流量的波动适应性好，混气均匀度高、配气阻力损失小、配气速度快。可为煤矿瓦斯工业化利用项目选择合适的混气装置提供参考。

• 基于Choquet-Brusselator的煤层气开发中社会生态系统风险动态演化研究

  薛崇义, 薛晔, 纪晓东

  为了解决当前煤层气开发中社会生态系统风险难以有效判定和防范不足的问题，提出了一种集成Choquet积分算子与Brusselator模型的风险动态演化模型。通过压力—状态—响应即PSR框架全面分析社会生态系统风险的影响因素并构建指标体系，结合耗散结构理论揭示社会生态系统风险是在压力和响应的非线性作用下系统不断自组织引起状态涨落突变的动态演化机制，利用Choquet积分算子计算压力和响应的评价值，进一步结合Brusselator模型的转义建立社会生态系统风险的动态演化模型以分析风险的演化路径，并运用该模型对沁水盆地郑庄煤层气开发区进行了案例分析。结果表明：该动态演化模型可识别系统风险防范中的不足，能判定风险的动态演化路径，可为煤层气开发中社会生态系统风险的科学防范提供参考。

• 基于干扰理论的重庆市关闭煤矿废弃地生态修复策略与方法研究

  张海珍, 王琳, 聂清莉

  为探索关闭煤矿废弃地生态修复的策略与方法，在梳理国内外煤矿废弃地生态修复研究成果、研究区关闭煤矿废弃地复垦修复现状及存在的主要问题的基础上，以重庆市北碚区为例，采用实地调查、比较分析、归纳总结等研究方法，将生态学中的干扰理论引入到废弃地生态修复研究，通过对研究区关闭煤矿废弃地进行干扰剖析，提出了与研究区实际相符合的构建关闭煤矿废弃地生态修复的保障机制、开展复垦修复适宜性评价和设计生态修复技术方法等策略，在一定程度上丰富了煤矿废弃地生态修复的理论与方法。