矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2021年第1期

• 利用热重法研究不同氧浓度对煤自燃特性的影响

  文虎, 陆彦博, 刘文永

  煤自燃受到多种因素影响,为了研究煤与氧气反应的机理,通过热重(TG)实验测试了褐煤、1/3焦煤和无烟煤在不同氧气体积分数条件下的自燃特性,分析了煤样氧化过程的特征温度、质量损失、热效应及热反应动力学参数。研究结果表明:不同煤阶的煤样对氧气的化学响应特征不同,煤阶越高,越难以发生氧化反应,体现为特征温度增大,放热峰值减小,并且向高温区域偏移;随着氧气体积分数的增大,煤更易与氧气发生反应,褐煤、1/3焦煤和无烟煤的放热量分别增加到14 131、11 424、12 263 J/g;对煤受热剧烈反应的分解燃烧阶段进行分析,发现煤阶越高,其表观活化能越高,不同氧气体积分数条件下各煤样的表观活化能呈波动变化。

• 煤层膨胀增透材料放热对煤体影响范围研究

  崔啸, 郭立稳, 张嘉勇, 贾静

  为了研究煤层膨胀增透材料水化反应放热对煤体的作用范围,通过自制的实验装置测定了膨胀材料的膨胀压力及反应温度随时间的变化数据,并采用数值模拟分析了膨胀材料在升温与降温阶段,对钻孔周围煤体的温度影响规律及影响范围。研究结果表明:煤层膨胀增透材料水化反应产生的最大膨胀压力约为47 MPa,最高水化反应温度为103.5 ℃;膨胀材料温度变化可分为缓慢升温、快速升温、降速升温和降温4个阶段;在直径100 mm膨胀钻孔条件下,煤体受膨胀材料的温度作用半径可达1.2 m,可有效增加该范围内的瓦斯分子动能,加速瓦斯解吸,提高瓦斯抽采效率。

• 低透气性煤层水力冲孔和抽采钻孔瓦斯治理模拟研究

  李喜员, 荣海, 范超军

  为消除平煤十矿己15-16-24100工作面在准备和回采过程中的突出危险,精细化模拟研究了水力冲孔结合抽采钻孔的瓦斯治理过程。分析了瓦斯解吸、渗流及煤岩变形的相互作用,构建了煤层瓦斯运移应力—渗流耦合数学方程,采用有限元软件对其求解,通过数值模拟己15-16-24100工作面顺层钻孔、底板巷穿层钻孔、水力冲孔掩护风巷、机巷和开切眼掘进及本煤层回采全过程,研究瓦斯抽采对降低工作面突出危险性的影响,并结合现场监测结果对抽采效果进行验证。研究结果表明:对己15-16煤层进行"穿层钻孔+顺层钻孔+穿层水力冲孔"综合抽采瓦斯可有效降低己15-16-24100工作面在准备和回采过程中的突出危险。在该设计方案下,己15-16煤层中残存瓦斯压力值降为0.25~0.45 MPa,相应的煤层残存瓦斯含量降为2.8~4.5 m3/t,均满足平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定要求。

• 高压水射流钻割一体化防冲机理分析及其数值模拟研究

  杨增强, 王琛艳, 朱栋, 任长乐, 李常浩

  为了研究高压水射流钻割一体化技术对煤层巷道的卸压防冲效果,以甘肃华亭砚北煤矿2502采区工程地质条件为背景,采用理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的研究方法,对250203运输巷道受邻近250204工作面回采扰动影响进行了研究。结果表明:对巷帮煤体采取高压水射流冲孔措施后,煤体内的高集中静载将会转移和释放,并形成一定范围的"弱结构"区;巷帮"弱结构"区的存在能够有效降低动静载叠加作用下巷道帮部和底板煤体瞬间失稳冲击破坏。SOS微震系统监测结果表明,对250203运输巷道煤帮实施高压水射流冲孔措施后,其受邻近250204工作面回采扰动影响下冲孔段巷道两帮及底板内均没有大能量微震事件(E≥103 J)发生。研究成果为动静载叠加作用下巷道冲击地压防治提供了理论基础。

• 基于采空区流场的遗煤自燃危险区域判定及复合惰化技术研究

  牛阔, 杜文州, 王厚旺, 张延松

  采空区遗煤自燃火灾是影响煤炭生产安全的主要灾害之一。基于Fluent数值模拟技术,构建采空区三维物理模型,模拟研究了采空区流场立体分布规律,并以O2体积分数为判别指标划分了采空区遗煤自燃危险区域;通过分析采空区遗煤空间分布规律及不同惰性气体的惰化特性,提出了综放工作面采空区复合惰化技术,即高位压注CO2和低位压注N2,并与单一气体惰化技术进行了对比研究。结果表明:复合惰化技术相较于单一气体惰化技术有着更好的防灭火效果;在工程应用中,各监测点CO体积分数在短时间内均降低到2.4×10-5以下,压注惰气期间防灭火效果良好。

• 粉尘颗粒群主动荷电特性试验研究

  苏杨秀怡, 易俊, 李德文, 赵政

  基于单个粉尘颗粒主动荷电的经典理论,建立粉尘颗粒群主动荷电的数学模型,分析得到了粉尘直径、荷电电压与粉尘荷质比的关系。采用自行研制的粉尘主动荷电与荷电量测量装置,对不同直径粉尘在不同荷电电压下的荷质比进行了试验研究,结果表明:在粉尘颗粒直径为10~75 μm内,粉尘颗粒群的荷质比隨着颗粒直径的增大而下降,隨着荷电电压的增高而上升,与粉尘颗粒群荷电数学模型的结果一致。

• 选煤厂原煤仓瓦斯超限治理研究

  马恒, 郭瑶, 梁腾飞, 艾纯明

  为解决选煤厂原煤仓瓦斯超限的问题,以铁东选煤厂原煤仓为工程背景,建立原煤仓的数学模型和物理模型,对原煤仓内部的瓦斯浓度分布情况进行数值模拟,结果表明:在不借助任何通风设备的情况下,冬夏两季原煤仓内瓦斯浓度均高于《煤矿安全规程》规定的浓度。通过增加原煤仓通风口数量和增加仓外通风设施,提出了4种原煤仓瓦斯治理方案并进行数值模拟,对比分析结果表明,采用进口风速0.7 m/s的两进两出的正压通风方式,能够降低煤仓内各处瓦斯浓度,可有效解决铁东选煤厂原煤仓瓦斯超限的问题。

• 表面活性剂复配对低阶煤煤尘润湿性的影响

  赵璐, 张蕾, 文欣, 贾阳, 舒浩, 孙智宇

  为解决煤尘不易被水润湿的问题,选取表面活性剂加入水中制成复配溶液。通过测定自来水、5种不同类型表面活性剂单体溶液及5种复配溶液的表面张力、煤尘接触角及煤尘沉降时间,研究表面活性剂复配对煤尘润湿性的影响规律。结果表明:阴离子与非离子、阴离子与阴离子、非离子与非离子表面活性剂复配都可以起到协同增效作用,显著提高煤尘的润湿性。其中质量分数为0.06%的快速渗透剂T和质量分数为0.20%的烷基糖苷APG复配溶液润湿煤尘效果最佳,100 mg煤尘沉降时间为0.22 min。研究结果可为表面活性剂的选取提供参考。

• 深井回采巷道底鼓变形与支承压力关系分析

  谷拴成, 王兴明, 薛蛟, 牛宏新

  为了研究深井回采巷道底鼓变形与支承压力之间的关系,以铜川玉华煤矿2407工作面回风巷道为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场观测相结合的方法进行分析研究。通过建立巷道底板等效载荷力学分析模型,推导出在支承压力作用下巷道底板最大底鼓量的表达式。通过FLAC3D模拟软件模拟计算得到不同煤柱宽度条件下巷道煤柱侧及煤壁侧的垂直应力分布,从有效避开采动影响的角度考虑,当煤柱宽度为25 m时,支承压力对巷道底鼓变形影响最小。现场观测结果表明:在采动影响下巷道两侧帮部塑性区呈不对称分布,煤柱侧帮部塑性区范围比煤壁侧帮部塑性区范围大。研究成果可为相似地质环境下巷道底鼓的分析提供参考。

• 侏罗纪煤田宝塔山砂岩含水层大流量大降深放水试验

  赵宝峰

  为了在抽水试验的基础上进一步查明侏罗纪煤田宝塔山砂岩含水层的水文地质特征,开展了井下放水试验,单孔放水量平均值为237.91 m3/h,多孔放水量平均值为444.10 m3/h,宝塔山砂岩含水层地下水位下降最大值达310 m。通过大流量大降深放水试验,计算出含水层的渗透系数和单位涌水量,确定宝塔山砂岩含水层与白垩系、煤系间、三叠系含水层存在水力联系,探查了放水试验的影响范围及观测孔水位降深规律,论证了宝塔山砂岩含水层具有可疏性。基于宝塔山砂岩含水层水文地质特征,提出了下组煤开采底板砂岩水害防治方案。研究结果表明:井下大流量大降深放水试验可以最大程度激发含水层地下水位降深,有效弥补地面抽水试验的不足,在各含水层水力联系、疏放水影响范围和含水层可疏性评价方面得到的研究成果,可以作为矿井底板砂岩水害防治的依据。

• 二茂铁/钾盐超细颗粒气溶胶防治矿井火灾实验研究

  胡世花, 唐一博, 王化恶, 郭鹏伟, 周晋强

  以磷酸二氢钾KH2PO4、二茂铁Fe(C5H5)2、碳酸氢钾KHCO3为主料制备超细颗粒气溶胶用于矿井火灾防治效果研究,通过热分析(TG/DSC)、傅里叶转换红外光谱(FTIR)分析、电镜扫描(SEM)等微观测试手段,对气溶胶处理前后的煤样结构特性及燃烧特性进行分析。TG/DSC测试经KH2PO4、Fe(C5H5)2和KHCO3超细颗粒气溶胶处理后煤样在300~550 ℃内的燃烧反应活化能都有所上升,表明这3种材料都会抑制褐煤燃烧。FTIR测试发现经KH2PO4、Fe(C5H5)2超细颗粒气溶胶处理后的煤样官能团质量分数有所改变。SEM图显示KH2PO4、Fe(C5H5)2、KHCO3超细颗粒气溶胶高温下会附着在煤的表面,阻止煤的进一步燃烧。综合研究结果表明,钾盐和二茂铁超细颗粒具备作为冷态气溶胶防治煤自燃的良好潜力。

• 智能氧气呼吸器的设计及试验研究

  余秀清

  为了解决传统机械式氧气呼吸器技术滞后、安全可靠性不高的问题,基于应急救援领域信息化、智能化技术发展理念,研制了一种智能氧气呼吸器。该智能氧气呼吸器集成了开机自检、运行工况检测和无线语音通信模块,在氧气呼吸器上集成了参数采集传感器与微处理器,实现呼吸器指标参数、救援环境参数的实时监测;对所采集到的信息进行智能分析,实现阈值检测与预警;采用短距离无线语音通信技术,实现队员间的语音交流。通过仿人呼吸试验、清水溪地下爆炸试验巷道语音通讯性能测试及救护队真人佩戴试验,结果表明:该智能氧气呼吸器防护性能满足MT 867—2000标准要求;开机自检、运行工况检测系统各项功能运行正常,达到设计要求;无线语音通讯实现6人双通、可视语音通讯距离大于100 m。

• 深井窄煤柱沿空掘巷非对称支护技术应用研究

  张杨, 诸葛长华

  陕西高家堡煤矿-1 000 m水平沿空巷道在原支护方案下顶板及两帮变形严重,部分锚杆被拉断,且两帮变形呈不对称性,煤柱侧巷帮变形明显大于实体煤侧,导致巷道不能满足生产需求。分析了原支护方案存在的主要问题,提出"高预应力让压锚杆+让压鸟窝锚索+W钢带"的非对称支护方案。采用FLAC3D软件对采取非对称支护方案后的深井沿空巷道进行了数值模拟,结果显示:巷道顶板下沉量稳定在80 mm,巷道两帮移近量稳定在179 mm,且两帮围岩移近量大致相似,不再呈现出明显的非对称变形现象。现场应用及监测结果表明,对于深井高地压影响下的窄煤柱沿空巷道采用非对称支护技术后,巷道变形得到有效控制,达到了较好的巷道围岩控制效果。

• 煤矿瓦斯抽采管网监控与分元评价系统研究与应用

  邹立双, 李栋, 王浩明

  针对煤矿传统瓦斯抽采数据依靠人工测量、采集,以及分析评价过程中存在数据分析不充分、预警不及时等问题,基于瓦斯抽采基础条件,开发了系统监测评价程序,结合GD3型瓦斯抽放多参数传感器,构建了能够对各参数实时监测采集、分析报警的煤矿瓦斯抽采管网监控与分元评价系统。该系统在逢春煤矿应用表明,系统监测数据与人工手持式瓦斯参数测定仪测定结果基本一致,且实现了异常区报警、预抽时间在线评估,极大地提高了生产组织效率。

• 基于三维激光扫描仪的矿区边坡变形监测数据的分析处理

  杜江丽, 岳军红, 陈建平, 彭捷, 郑苗苗

  以南郑县碑坝孔溪沟锌矿区边坡为研究对象,选用三维激光扫描仪采集边坡变形数据,对变形监测数据进行分析和处理,从而研究矿区边坡变形。针对点云数据拼接、点云滤波、点云精简、模型重建等数据处理过程中常遇到的问题,提出了相应的解决方法。提出了多边形分割法,将模型的重点关注区域划分为多个多边形,根据多边形重心坐标的变化分析了边坡的水平位移和竖向位移。结果表明:矿区边坡变形监测数据的分析结果和实际变化情况较为吻合。

• 基于采空区悬管引流装置的工作面上隅角瓦斯治理研究

  朱红青, 郭晋麟, 白志鹏, 暴庆丰

  为了有效治理工作面上隅角瓦斯超限,结合现场实际情况,运用Fluent数值模拟软件,研究采空区悬管引流装置解决"U"型通风工作面上隅角瓦斯浓度易超限的问题。模拟了上隅角瓦斯积聚规律,优化了上隅角悬管的埋深和负压参数,确定了引流装置的形状尺寸。研究表明,在悬管埋深为 3 m、负压为10 kPa的条件下,安装长度为0.4 m、开口角度为60°的1/4伞状引流装置,能对上隅角瓦斯浓度起到最佳控制效果,可使上隅角瓦斯浓度控制在0.75%左右。在现场应用中该悬管引流装置取得了较好的效果,表明采空区悬管配合引流装置能有效解决上隅角瓦斯浓度超限的问题。

• 基于关键层位置的敏东一矿导水断裂带高度预测

  周光, 赵富强, 马正龙, 鞠金峰

  针对敏东一矿首采盘区顶板富水条件下的水害防治难题,根据收集到的地质钻孔柱状资料数据,采用"基于关键层位置的导水断裂带高度预计方法",对首采盘区01~04工作面的导水断裂带发育高度进行了预计,结果分别为82.80、83.06、45.65、61.10 m。同时,利用导水裂隙发育的钻孔工程探测对02工作面预计结果进行了验证,证实了理论预计结果的准确性。

• 叠加效应影响下钻孔有效抽采半径的数值模拟及布孔间距优化

  徐刚, 张剀文, 范亚飞

  针对煤层瓦斯预抽钻孔布孔间距存在盲目性和不确定性等问题,以流固耦合原理为基础构建煤层瓦斯抽采流固耦合数学模型,借助FLUENT数值模拟软件对煤层瓦斯预抽钻孔有效抽采半径进行数值模拟研究,在多钻孔数值模拟的基础上对建新煤矿4207工作面煤层瓦斯预抽钻孔布孔参数进行了优化。结果表明:钻孔有效抽采半径随抽采时间的增加呈对数形式增大;多钻孔抽采时孔间相互扰动可产生抽采叠加效应,布孔间距越密集,钻孔之间瓦斯压力下降幅度越显著;在90 d的预抽期内,建新矿单孔抽采的有效半径为2.02 m,多孔抽采的布孔间距为2.86~4.50 m。结合煤层厚度提出了正三角形的布孔方式,经现场应用瓦斯参数达标,布孔方案切实有效。

• 矿井硫化氢危险性分源分级评估方法研究及应用

  金永飞, 闫浩, 许亚奇, 张典

  受煤矿开采深度等条件影响,硫化氢浓度较高的矿井在煤层回采时极有可能出现硫化氢异常涌出现象,严重威胁工人的生命安全。针对采煤工作面、原煤层、采空区3个区域硫化氢赋存特点,提出硫化氢分源分级评估原则、思路、依据及标准,构建出硫化氢分源分级评估体系,将工作面划分为低、中、高和超高硫化氢危险4个区域,将采空区和原煤层划分为易治理、难治理和较难治理区域。研究成果对矿井硫化氢的治理具有理论指导和实际意义。

• 上煤层遗留煤柱影响段沿空掘巷围岩破坏特征及补强支护措施

  刘霞, 翟春佳, 李常浩

  为研究近距离煤层开采期间上煤层遗留煤柱影响段沿空巷道围岩破坏特征及针对性补强支护措施,以神华宁煤集团灵新煤矿051606工作面工程地质条件为背景,通过现场调研、理论分析、工业性试验和矿压观测等手段,对051606回风平巷沿空掘巷期间受上煤层遗留煤柱影响进行研究。结果表明:当051606回风平巷掘进至上煤层遗留煤柱边界下方时,主要受剪切应力影响,而当继续掘进至遗留煤柱中轴线位置下方时,主要受垂直应力影响;051606回风平巷围岩主应力差呈非对称分布,煤柱侧内主应力差值整体要高于实体煤侧。提出以高强预应力锚杆和单体锚索为基础,辅以钢筋梯子梁、钢筋网和架棚支护的强护顶护帮围岩强化控制技术,现场应用结果表明,巷道顶底板和两帮移近量均约为300 mm,取得了较好的围岩控制效果。

• 基于FPP-区间可拓的矿井火灾应急救援能力评估

  张宇, 吕淑然

  为解决煤矿矿井火灾应急救援能力评估指标模糊性的问题,首先从矿井通风系统情况、矿井防灭火能力、应急救援信息保障、应急救援组织保障、应急救援人员和物质保障5个方面构建了矿井火灾应急救援能力评估指标体系;其次,提出基于模糊优先规划(FPP)和区间可拓理论的矿井火灾应急救援能力评估模型,该模型借助三角模糊数构造模糊判断矩阵,采用FPP得到指标权重,然后利用区间可拓理论计算得出矿井火灾应急救援能力等级;最后,运用该模型对某矿井的火灾应急救援能力进行评估。评估结果表明,该矿井应急救援能力较弱,需进行局部调整,同时验证了该模型具有适用性及有效性,为矿井火灾应急救援能力评估提供了一种新的方法。

• 耦合效应下的煤矿顶板事故风险因素评价研究

  王慧雯, 薛晔, 薛崇义

  在考虑人为因素、设备因素、环境因素和管理因素间的交互耦合效应的基础上,通过 N-K模型量化煤矿顶板事故风险因素的耦合效应,建立加权直觉模糊集决策矩阵,并结合TOPSIS模型构建煤矿顶板事故风险因素的评价模型。对我国2008—2018年发生的185起典型煤矿顶板事故进行实例分析,总结出主观的人为因素或管理因素是煤矿顶板事故风险中更活跃的因素,与客观的设备因素或环境因素耦合易引发煤矿顶板事故,且人为因素比管理因素的影响更为关键。

• 基于PSO-LSSVM的矿井冲击地压分级预测研究

  吕鹏飞, 邱林

  为准确预测煤矿冲击地压灾害,提出一种基于粒子群算法(PSO)优化最小二乘支持向量机(LSSVM)预测方法,即冲击地压分级预测的PSO-LSSVM方法。该方法综合考虑煤矿开采深度、地质构造、煤的坚固性系数、最大主应力、煤层倾角变化、煤厚变化、顶板岩层厚度、开采工艺、顶板和底板岩石强度共10项指标因素,构建冲击地压预测指标体系。利用PSO搜索方法对LSSVM模型的核参数σ和惩罚因子 f快速寻优,再将优化参数输入LSSVM模型中,构建基于PSO-LSSVM方法的冲击地压危险性分级预测方法,并进行工作面实例预测。研究结果表明:与其他预测方法相比,PSO-LSSVM方法具有计算效率高、准确性高、操作简便等特点,现场应用效果良好。

• 矿工违章作业演化博弈分析——计划行为理论视角

  张颖, 冀巨海

  为进一步抑制高危岗位矿工违章行为,基于计划行为理论,从有限理性角度出发,引入安全管理者奖励机制,建立煤矿高危岗位矿工违章行为与安全检查员检查行为博弈模型,构建行为收益感知矩阵,对博弈双方的复制动态方程进行分析。结果表明:当检查力度和惩罚系数一定时,管理者对矿工施加的奖惩方式,主要取决于矿工的风险规避系数;在对一线矿工违章操作施加的惩罚力度不变的情况下,安全检查员加大对一线矿工的检查频率和力度,可以减少违章操作次数;在安全检查员对矿工检查力度不变的情况下,管理者加大对矿工违章行为的惩罚力度,也可以抑制违章行为。