矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2020年第6期

• 不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”的影响研究

  文虎, 王文, 程小蛟, 贾勇锋, 程邦楷, 程明, 胡伟

  为研究建北矿4204工作面高瓦斯煤层不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”分布及危险区域的影响，采用理论分析、数值模拟、现场原位观测等方法，利用CFD模拟软件，通过建立钻孔抽采、上隅角埋管抽采方式下的采空区渗流模型，模拟不同抽采条件下采空区氧浓度场分布规律。采用预埋束管监测系统对采空区氧浓度场分布规律进行现场观测，确定了采空区现场煤自燃“三带”的分布情况，并与模拟结果进行了对比分析，结果较为一致。根据工作面实际情况确定了最小安全推进速度，并提出减少遗煤、两隅角封堵、进风侧注氮与回风侧注浆等针对性的防灭火技术措施，可为瓦斯抽采与采空区遗煤自燃耦合治理方案一体化提供指导。

• 突出型煤配比及力学特性实验研究

  戴林超

  为了深入探讨突出煤相似材料的配比及制作工艺，选择煤粉、黏结剂和水作为制作突出型煤的原料，分析黏结剂种类、成型压力对突出型煤力学特性的影响；以煤粉与水泥质量比、水灰比为控制因素设计正交配比试验，分析突出型煤单轴抗压强度和弹性模量的变化规律。实验结果表明：黏结剂种类和成型压力对型煤单轴抗压强度的影响较大，制作较高强度型煤时优选高强度硅酸盐水泥为黏结剂、成型压力为20 MPa；型煤的单轴抗压强度和弹性模量随着煤粉与水泥质量比的增大而减小，随着水灰比的增大而增大，并且两者都呈现较好的线性关系。基于实验数据得到突出型煤配比的多元线性回归经验方程，可为突出煤相似材料的制作提供参考。

• 超前支承压力区煤巷支护关键技术研究

  杨亚威, 翟英达

  为解决超前支承压力影响区煤巷难支护的问题，以煤峪口矿8712综放工作面终采线煤柱中部补掘回撤专用通道为工程背景，综合运用理论分析、FLAC3D数值模拟、矿压监测等研究方法，对超前支承压力影响下的煤巷支护技术进行研究，结果表明：超前支承压力影响范围为60 m，“锚网喷”支护在应力降低区和原岩应力区取得了良好的围岩控制效果；应力增高区内巷道失稳变形仍较严重，根据应力增高区内巷道围岩变形及破坏特征提出“锚网喷+让压锚索+注浆锚杆+底板切槽”联合支护技术。现场应用及实测数据表明，巷道表面位移量能被控制在合理范围内，研究成果可为工作面的安全回撤及类似地质条件下煤巷围岩控制提供借鉴和参考。

• 受掘进扰动影响的巷道围岩稳定性控制研究

  张斌, 苏学贵, 段振雄, 常立宗, 王福周

  龙泉煤矿胶带大巷受回风大巷掘进扰动影响变形严重，探明巷道间的扰动影响规律、优化巷道支护方案对稳定控制巷道围岩变形尤为重要。采用原位实测、FLAC3D数值分析及井下监测等方法，对掘进扰动影响的巷道围岩稳定性进行了研究，根据数值分析和现场原位实测结果，提出了巷道支护优化方案。研究结果表明：巷道较浅部围岩在扰动影响下裂隙增加、位移量增大；当巷道间距为45 m时巷道围岩基本不受扰动影响，间距为35 m时受扰动的影响较小；当巷道间距为25 m时巷道围岩受扰动的影响明显，左、右两帮的移近量比间距45 m时高出52.4%、22.0%，且左帮移近量高出右帮24.5%，而间距为15 m时巷道破坏严重；巷道间距由25 m增加到35 m可使围岩塑性区减小53.1%，但当巷道间距(25 m)不宜变化时，通过优化支护参数亦可使围岩塑性区减少45.6%，优化方案经工程应用验证既经济合理又满足安全生产要求。

• 炭化粉自燃氧化规律研究

  肖旸, 庞攀, 黄传亮, 陆晓东, 尹岚

  为了对煤质活性炭生产过程中的副产物炭化粉的氧化特性进行研究，采集生产所用的原煤和炭化粉,采用扫描电镜实验、氮吸附实验、热重实验、傅里叶变换红外光谱实验及非线性热动力学方法，对样品的孔径结构、特征温度、活性官能团及表观活化能的变化进行分析计算。结果表明：经过炭化工序处理，炭化粉的孔径结构和比表面积较之原煤更为发达；在同一升温速率下，炭化粉着火点温度和氧化速率最大点温度均低于原煤；炭化粉中脂肪烃、部分含氧官能团及芳香烃含量较之原煤减少，羟基含量增大；炭化粉的表观活化能小于原煤。综合分析表明，炭化工序可导致炭化粉的氧化自燃性增高，研究结果可为炭化粉自燃的防治与综合利用提供理论依据。

• 氟石膏改性高水粉煤灰复合充填材料性能研究

  白龙剑, 严国超, 杨涛

  为了制备低成本充填材料，满足山西省推行绿色采矿试点工作中提出的因地制宜推广充填材料、矸石不升井等绿色采煤技术的要求，利用氟石膏、粉煤灰、煤矸石等废弃矿物资源，制备高水粉煤灰复合充填材料，并对其坍落度、泌水率、力学性能进行了研究；通过XRD和SEM手段对复合材料水化矿物组分及微观结构进行了研究；利用分子动力学软件模拟复合材料力学性能。研究结果表明：该复合材料流动性良好，强度增长速率快，28 d抗压强度可达4.96 MPa；显微观察复合材料结构致密，孔隙较少；复合材料成本低至78元/m3；复合材料分子模型在NVT系综下模拟，水化硅酸钙的弹性模量比钙矾石高，随着水化硅酸钙的增加，复合材料的力学性能更优。

• 消除钻孔瓦斯抽采盲区空白带的布孔方式研究

  李普, 张小东, 覃木广

  为消除钻孔抽采瓦斯在煤层中形成的抽采盲区空白带，研究了典型穿层钻孔间抽采盲区空白带的存在形式，分析表明“三花眼”布孔方式、优化后的正方形布孔方式和等边三角形布孔方式均不存在抽采盲区空白带，其中等边三角形布孔方式钻孔有效抽采面积利用率为“三花眼”和优化后正方形布孔方式的1.9倍。以郑州矿区告成煤矿25031开切眼为工程研究对象，对不同布孔方式的钻孔施工工程量和单孔平均抽采瓦斯纯量进行了现场试验考察，结果表明：等边三角形布孔方式所需施工钻孔工程量最少，“三花眼”布孔方式所需钻孔工程量最多；优化后正方形布孔方式的单孔平均抽采瓦斯纯量略高于等边三角形布孔方式，而“三花眼”布孔方式单孔平均抽采瓦斯纯量最低。结合典型布孔方式分析结果认为，等边三角形布孔方式为最优方案。研究结果对煤矿井下穿层钻孔的设计具有指导作用。

• 条状缺陷倾角对砂岩力学特性影响的模拟研究

  吕学刚, 任梦梓, 杨维弘, 汪锋

  为探究不同倾角条状缺陷对砂岩强度及其破坏演化过程的影响，利用PFC2D离散元模拟软件，设置倾角φ为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的7种方案，对含有条状缺陷砂岩的裂纹扩展过程、损伤演化特征和强度特征进行了研究。结果表明：条状缺陷对试样起裂位置及裂纹扩展路径均有影响，并在一定程度上决定试样最终破坏形式；条状缺陷倾角φ=30°时试样初始损伤应变最小，φ=45°时试样初始损伤应变最大，φ=90°时试样损伤应变范围最大，φ=60°时试样脆性破坏程度最高；条状缺陷对砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有明显劣化作用，不同倾角条件下砂岩劣化程度不同，破坏时缺陷结构上端部峰值应力相对较高。

• 煤的厚度对煤岩组合体物理力学特征的影响规律分析

  李回贵, 位乐, 李化敏

  为了研究煤岩组合体中煤的厚度对其物理力学特征的影响规律，以布尔台煤矿粗粒砂岩、煤和煤岩组合体试样为研究对象，利用RMT-150C力学试验机对各试样的单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变进行研究。研究结果表明，煤岩组合体中煤的厚度对其密度和波速有显著的影响，煤岩组合体的波速和密度随着煤的厚度增大而逐渐减小；煤的厚度对煤岩组合体的单轴抗压强度影响较小，但对其峰值应变和弹性模量有显著的影响。与粗粒砂岩相比，在煤岩组合体中的煤厚为5、10、15、20 mm时，峰值应变分别增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%，峰值应变随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐增大；弹性模量分别降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%，弹性模量随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐减小。研究成果有助于进一步揭示巷道支护困难、矿压显现剧烈，以及地表台阶下沉等现象的内在原因。

• Mg(OH)2改性防灭火膏体流变特性研究

  张辛亥, 胡震, 薛韩玲, 张国伟, 李经文, 尚治州

  为了研究阻燃材料氢氧化镁Mg (OH)2对改性粉煤灰膏体防灭火剂流变特性的影响，采用黏度仪及塌落桶对改性后的多种配比的粉煤灰膏体的表观黏度、屈服应力、塌落度、扩展度及泌水率等流变参数进行检测，结果表明：随着Mg (OH)2质量分数(1%~5%)的增加，膏体体系内部的颗粒质量分数增加，膏体的表观黏度和屈服应力都有明显提高；Mg (OH)2能够吸附更多的游离水，导致膏体的塌落度、扩展度和泌水率相应减小，膏体不易失去水分，不发生沉淀、龟裂等；在粉煤灰质量分数为60%~65%，Mg (OH)2的质量分数小于3%时，能够保证防灭火膏体流变特性，同时可增强保水性，减小颗粒团聚和絮凝，使其不易发生离析和沉淀；当Mg (OH)2的质量分数大于4%时，膏体泌水率小于1.5%的规定值，使其失去膏体特性。

• 不同击实能作用下填方场地重塑黄土强度试验研究

  樊育豪, 钱思众, 李金华

  为了研究不同击实能、含水率对重塑黄土(填方土体)抗剪强度的影响，以延安地区Q4黄土为研究对象，开展了击实能分别为592.2、1 342.4、1 820.2、2 684.9 kJ/m3条件下的直剪试验。研究结果表明：重塑黄土的干密度随击实能的增大而增大，最优含水率随击实能的增大而减小；不同击实能作用下重塑黄土抗剪强度均与垂直压力成正比；各击实能条件下重塑黄土的黏聚力在最优含水率的两侧呈现出先递增后递减的变化趋势,内摩擦角随着击实能的增大而增大。研究结果可为山区高填方煤矿场地地基处理提供参考。

• 煤油资源重叠区煤矿开采硫化氢灾害防治体系研究与应用

  马兴华, 黄光利, 王振

  针对煤油资源重叠区煤矿开采受早期石油开发遗留的废弃油井内硫化氢等有害气体侵入威胁，以鄂尔多斯盆地西缘马家滩矿区双马煤矿为例，研究分析了不同类型废弃油井硫化氢侵入煤系地层的运移机理，划分了废弃油井的安全风险等级和威胁程度。在此基础上提出了以“分类治理”为核心思想的“超前探测→评估分类→综合治理→效果评价”四位一体硫化氢综合防治体系，构建形成了以地面超前封堵为基础、以采前预注碱性吸收液主动治理和回采期间中高压喷碱性吸收液逐级防控为关键工艺的“堵、注、喷、增、降、监、护、撤”技术管理体系。通过在现场成功应用，有效解决了煤油资源重叠开采煤矿区受废弃油井影响矿井采煤工作面硫化氢灾害防治难题，实现了对硫化氢灾害的精细化治理，可为类似矿区硫化氢灾害防治提供借鉴。

• 急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面瓦斯立体化抽采工艺技术研究与应用

  郑三龙, 范酒源, 王刚, 王恩茂

  随着煤层开采深度的增加，瓦斯灾害逐渐成为影响我国急倾斜煤层开采矿井安全生产的重要影响因素；同时，由于急倾斜特厚煤层地质条件与开采工艺的特殊性，导致其水平分层工作面瓦斯治理难度增大。为此，以乌东煤矿+575 m水平43#煤层西翼工作面为工程背景，对其工作面瓦斯涌出来源进行分析并对瓦斯涌出量进行预测；提出了预抽顺层长钻孔、采空区埋管抽采、顶板走向高位钻孔抽采、下部煤体卸压拦截抽采钻孔互相结合的瓦斯立体化抽采工艺。研究结果表明：+575 m水平43#煤层西翼工作面瓦斯主要来源于开采分层与下部煤体卸压瓦斯涌出；工作面的瓦斯预抽率为42.1%，抽采达标；工作面回采过程中进风巷瓦斯涌出量维持在0.5 m3/min，回风巷瓦斯涌出量呈现降低趋势，回风隅角瓦斯浓度位于合理范围之内，回采过程中瓦斯抽采效果较为理想。

• 基于光纤测温技术判定采空区自燃危险区域的研究

  曹文辉, 王飞

  为了加强对煤矿采空区自然发火的预防，提出使用新型光纤传感测温技术实现对采空区高温区域的精确判断。通过室内试验完成了对光纤测温装置温度精度、定位精度及响应时间的测定，并对光纤在采空区内部的布置手段进行了阐述，将光纤测温结果与束管监测结果进行比对，探讨了光纤测温的可靠性。该采空区自燃“三带”分布情况：35 m以内为散热带，35~110 m内为自燃带，运输巷一侧自燃带延伸至120 m处，110 m以外为窒息带，与束管监测数据基本相符；采空区内部高温区域出现在距离工作面80~100 m内，高温点出现在采空区距工作面100 m，距离运输巷50 m附近，光纤测温系统检测数据在作为有效的采空区自燃危险区域判定依据的同时，还可实现对高温区域的定位。

• 基于UWB的矿井巷道精准三维定位系统设计

  沈国杰, 周德胜, 郑雪娜, 李敏

  针对矿井巷道空间分布不规则，设备繁杂、布局随意，作业环境恶劣，非视距现象普遍等因素导致人员和设备定位精度低的问题，设计基于UWB的高精度三维定位系统。首先采用卡尔曼算法对TDOA测量值进行非视距滤波，然后利用Chan算法融合多基站数据计算目标位置。通过搭建实验平台对标签位置进行测量和计算，实验结果表明，该系统对恶劣环境下矿井巷道中固定和移动的目标都有较高的定位精度。

• 齐大山露天矿高陡边坡动态预警方法研究

  孙铭辰, 孙厚广, 钟小宇, 曹旺, 陈晓青

  露天矿边坡在开采扰动作用下，其内部卸荷裂隙不断发育，会直接导致边坡覆岩力学强度参数劣化，致使边坡的稳定性动态变化。基于岩体劣化本构模型，通过力学计算判断边坡岩体力学状态，自动获取岩体力学强度参数值，再通过强度折减法进行边坡稳定性的动态实时评价。以鞍钢矿业齐大山露天矿高陡边坡扩帮开采为工程背景，结合边坡的GPS变形观测数据，将边坡位移与动态安全系数一一对应，利用神经网络与数值模拟建立一套基于边坡变形的安全系数动态评价方法，可以实现边坡的实时预警。

• 基于有效承载力损伤劣化的深部煤层底板岩体变形破坏机制研究

  张风达, 张玉军

  针对深部煤层底板变形破坏机制开展研究，构建了考虑原生裂纹面滑移变形和翼状裂纹扩展的断裂力学模型，推导出考虑裂纹滑移扩展变形的损伤因子理论公式，建立损伤劣化影响下有效承载应力相比于名义应力增长幅度表达式，分析其与相关影响因素的关系。研究结果表明，考虑损伤劣化影响情况下有效承载应力相比于名义应力的增长幅度与承压水压力、裂纹连通率、最大主应力、裂纹倾角、裂纹半长度呈正相关关系，与裂纹面摩擦系数、最小主应力、损伤劣化系数呈负相关关系。说明原生裂纹面长度的增加、偏应力的增大，加剧了岩体自身的损伤程度，增大了非损伤岩石的有效承载应力。通过注浆加固改造岩体裂纹面的摩擦系数，减小裂纹连通率和裂隙间水压力，有助于提升岩体的完整性，减小非损伤岩石的有效承载应力，提高煤层底板岩体的稳定性。

• 工作面突出危险性预测指标K1临界值研究

  张玉柱

  以中岭一井3号煤层为例，介绍了一种假设—考察—修正—确定递进式工作面突出危险性预测指标K1临界值的确定方法。首先根据历史资料统计分析和实验室理论计算确定3号煤层钻屑瓦斯解吸指标K1的合理临界初值，为现场考察修正奠定基础；其次通过统计分析采掘工作面预测历史数据，掌握工作面预测区域瓦斯赋存分布规律，确定采掘工作面现场考察区域并对K1临界初值进行考察；依据考察结果，分析修正K1的临界初值；对修正的K1临界初值进行扩大应用试验；最后确定3号煤层工作面突出危险性预测指标K1临界值为0.55 mL/(g·min1/2)，以及其应用条件，验证了研究方法的可行性。

• 深井大采高综采工作面侧向采动应力场特征研究

  李正杰

  为掌握西部深井大采高综采工作面侧向采动应力场特征，采用钻孔应力监测技术现场试验方法，结合微震井上下联合监测技术，对深部弱胶结顶板6 m大采高工作面侧向采动应力特征进行实测研究。研究结果表明：深部大采高综采工作面侧向采动应力场影响距离大，其演化特征按侧向距离大小划分为“三区”“两区”“一区”，临界侧向距离分别为16、95 m，应力集中系数最大达6.15。通过对6 m大采高综采工作面3次方级以上大能量微震事件发生的平面位置，以及微震事件能量和频次的分区特征进行分析，验证了侧向应力场实测结果的正确性。研究结果可为西部深井大采高工作面合理区段煤柱留设及防冲提供依据。

• 煤矿瓦斯抽采钻孔修护技术研究进展

  申凯, 刘延保, 巴全斌, 张磊, 熊伟

  瓦斯抽采钻孔易失稳堵塞，造成钻孔有效抽采时间缩短、抽采效果断崖式衰减，已成为制约加快推进煤矿区煤层气开发规模提升的瓶颈之一。在分析瓦斯抽采钻孔失稳机理的基础上，从钻孔护孔和堵塞疏通两方面，系统评述了“注浆加固技术”“筛管护孔技术”“机械式疏通技术”和“水射流疏通技术”这4种煤矿井下常用的抽采钻孔修护技术，分析了各自的适用条件与优缺点。对瓦斯抽采钻孔修护技术的发展方向进行了探讨，认为钻孔修护评价体系、随钻护孔及堵塞钻孔疏通—护孔一体化技术装备是钻孔修护技术的未来发展趋势。

• 大倾角煤层不规则工作面支承压力演化特征

  国林东, 牛心刚, 陆占金

  针对大倾角煤层不规则工作面围岩控制难题，结合大倾角煤层工作面开采特点，构建了大倾角煤层不规则工作面数值计算模型，开展了不规则工作面在不同倾角条件下支承压力动态演化规律研究。结果表明：不规则工作面走向与倾向支承压力动态演化过程具有一致性，不规则工作面上中下不同区域支承压力形成与演化过程受煤层倾角影响表现出不一致性；工作面衔接段10~40 m内支承压力呈现过度集中的特点；受煤层倾角影响，工作面中部超前支承压力最大；工作面超前支承压力演化经历了5个阶段；走向推进至70 m和140 m时，超前支承压力出现峰值。

• 济宁市任城区采煤沉陷区综合治理实践与思考

  孙光, 李树志, 董庆欢, 李学良

  以济宁市任城区采煤沉陷区为工程背景，结合地质采矿条件、开采沉陷特征、区位特点及相关规划，提出了适合任城区采煤沉陷区综合治理的总体思路；从生态、农业、湿地、建筑4个方面分别介绍了4个典型的采煤沉陷区综合治理项目；从资金来源、利用方向、运营模式3个角度对采煤沉陷区综合治理中存在的关键问题进行了深入剖析，提出了采煤沉陷区综合治理的见解与看法，可为矿业城市采煤沉陷区综合治理与开发利用提供借鉴与参考。

• 瓦斯蓄热氧化工艺热能调控装备分析与探讨

  张涛

  安装在800~1 000℃的高温烟气管道上的高温阀门是低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热工艺中热能调控的核心部件，为保证其满足故障率低、泄漏量小的工艺要求，通过分析高温阀门的材质和结构要求得出：高温阀门需要采用以高温合金钢为主体材料、不锈钢表面堆焊合金为内件材料，采用伍德密封结构并经合适的铸造加工工艺制造。研制的高温阀门在阳煤五矿小南庄瓦斯蓄热氧化井筒加热项目中运行效果良好，能够满足工艺热能调控的性能要求，同时提高了项目工艺的经济性和安全性。

• 变革型领导对安全绩效的影响——组织认同和情感承诺的链式中介作用

  李红敏, 栗继祖

  变革型领导是影响安全绩效的重要因素之一。为了明晰变革型领导、组织认同和情感承诺对安全绩效的作用机制，在文献研究和问卷调查的基础上，建立四者关系的假设模型。基于5个煤矿的326个矿工有效样本数据，应用结构方程模型(SEM)和Bootstrap等方法对数据进行分析，结果表明：变革型领导、组织认同、情感承诺和安全绩效两两均呈显著正相关关系，变革型领导可直接对安全绩效有显著的正向影响，还可通过情感承诺，以及组织认同和情感承诺的链式中介作用2条路径间接影响安全绩效。即变革型领导可通过增强矿工对组织的组织认同和情感承诺来提升安全绩效水平。