矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2021年第2期

• 条带开采煤柱支承压力与塑性区分布规律研究

  谷拴成, 杨超凡, 王盼, 牛宏新

  为了对条带开采煤柱支承压力与塑性区分布规律进行研究，采用理论分析、数值模拟及现场监测的方法，通过考虑采空区上覆煤岩体成拱效应，确定出煤柱支承压力分布情况。结合煤柱支承压力分布情况，根据玉华煤矿工程条件，采用ANSYS15.0软件模拟计算不同采空区宽度(100～260 m)、不同工作面埋深(400～600 m)的煤柱最大塑性区宽度，并对玉华煤矿2410工作面回风巷道护巷煤柱的最大塑性区进行监测。研究结果表明：依据所提出的煤柱支承压力计算方法，模拟计算出的煤柱最大塑性区宽度和现场监测结果一致。给出了确定煤柱支承压力分布的计算方法，以及依据该方法计算出的煤柱最大塑性区分布规律，可为煤柱留设宽度设计提供依据。

• 煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

  曹偈, 赵旭生, 刘延保

  为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制，在含瓦斯煤气固耦合方程基础上，利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块，模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律。与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证，证实了数值分析方法的可行性。模拟结果表明：突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形，导致此处煤体渗透率增大，且随着应力增大，突出孔洞壁处煤体渗透率可比原始渗透率增加2～3个数量级；突出后气体压力从突出孔洞壁面到煤体深部呈现先急剧上升后降低至原始气压的变化趋势，在孔洞壁处形成较高压力梯度，是突出持续发生的必要条件。

• 松散破碎围岩双循环注浆加固试验研究

  梁晓敏, 郝兵元

  为解决松散破碎围岩巷道持续变形的问题，采用现场调研、理论分析的方法，对松散破碎围岩巷道的变形机理进行研究，并结合数值模拟方法提出注浆方案与参数，现场试验后将原注浆方案优化为单排5孔几何布置的双循环注浆加固方案。结果表明：应用注浆压力为6 MPa，钻孔长度为3 m、排距为3 m，单排5孔几何布置的双循环注浆方案可有效降低窜浆堵孔现象发生的概率，并使浆液均匀分布，在注浆加固段巷道扩帮后可明显观察到浆液的扩散半径达到2.5 m，并形成了良好的骨架结构，有效提升了松散破碎围岩的承载能力。

• 瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响研究

  蒋安飞, 孙东玲, 刘延保, 曹偈, 杨雪林, 戴林超

  为研究瓦斯压力对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响，自主研制了一套突出煤—瓦斯两相流模拟实验系统，开展了不同瓦斯压力条件下的煤—瓦斯两相流运移规律模拟实验，实现了对突出过程巷道内突出煤—瓦斯两相流运移的可视化监测。实验结果表明：煤与瓦斯突出是一个从突出口开始迅速向煤体内部发展的动力过程，期间瓦斯压力存在多次上下波动；突出过程中巷道内的冲击波超压呈现正压相与负压相交替变化的局面，同时冲击波超压特征值随初始瓦斯压力的增大而呈对数函数递增趋势；冲击波超压在巷道中传播是一个不断衰减的过程，前期衰减较慢，后期衰减加快。

• 采动区瓦斯地面井抽采影响范围及流量变化规律研究

  胡君, 杜子健, 孙海涛, 付军辉, 刘延保

  为解决煤矿采动区地面井布置间距目前大多依靠工程经验获得而缺乏科学理论根据的问题，采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立了计算采动区地面井抽采瓦斯纯流量和瓦斯压力分布的三维数值模型。以岳城煤矿相关物性参数计算出符合实际情况的煤岩渗透率、孔隙率及瓦斯质量源项，以此为基础进行数值模拟。模拟分析结果表明，在数值模拟中地面井瓦斯抽采影响半径为65 m，地面井抽采瓦斯纯流量变化规律呈“单峰拖长尾”形态特点。若要实现采动区瓦斯抽采全覆盖，则在实际工程应用中地面井的间距应取130 m以上。研究结果对优化采动区地面井布置具有指导意义。

• 岩溶条件下浅埋近距离煤层开采的数值模拟研究

  杜学领

  为研究岩溶条件下煤层开采的采动影响，基于贵州毕节青龙煤矿的地质条件，建立包含岩溶结构的开采模型，模拟研究开采扰动、开采速度、开采方向等因素的影响。研究表明：岩溶结构造成顶板应力突变，突变位置在岩溶与非岩溶边界区域较为明显；岩溶结构正下方煤层内垂直应力相对较小，但外围可能较大，应在到达岩溶结构正下方以前做好防灾准备；浅埋近距离上保护层开采对下部被保护层有较好的卸压效果，但增透效果较为有限；适当提高开采速度有助于缓解顶板的高应力状态，但也会造成下部被保护层增透效果减弱；下部煤层采用与上部煤层相同的开采方向时，安全性相对更高。

• 喷浆机湿式除尘器防粘技术研究

  丁志权, 李德文, 谢俊生

  针对ZCS-7/11型喷浆机上料湿式除尘器水泥粉尘粘结滤网和引射器器壁的问题，采用数值模拟和实验验证的方法，对不同风速条件下除尘器内水泥粉尘的沉积规律进行数值模拟，优选出最佳抽尘风速为1.0 m/s，并通过实验得到了验证。采用增加2个不同方向冲洗喷嘴并在水中添加缓凝剂葡萄糖酸钠解决水泥粉尘粘结问题的方法，实验得出最佳技术参数：每个冲洗喷嘴的喷雾流量为2.5 L/min、葡萄糖酸钠质量分数为1.0%，在此条件下，滤网和引射器入口下侧的水泥粉尘粘结质量分别下降了99.5%、99.3%，且随着时间的推移水泥粉尘粘结质量无明显增大，有效解决了水泥粉尘的粘结问题。

• 温庄煤业15106回风巷沿空掘巷围岩控制研究

  侯玉军, 司路军, 殷宏

  以温庄煤业15106回风巷沿空掘巷的巷道布置及围岩控制为工程背景，借助现场实测、理论分析等手段，依据UDEC多边形破坏准则建立了Trigon数值模型，分析15106回风巷邻近采空区侧向支承应力分布范围，并进一步分析了不同宽度煤柱内应力、裂隙扩展特征及巷道围岩变形规律，基于裂隙闭合区长度确定了15106回风巷合理窄煤柱宽度为5 m。提出了高强锚杆锚索配合钢筋梯子梁支护技术，矿压观测结果表明，当煤柱宽度为5 m时巷道围岩的变形量较小，高强锚杆锚索支护结构能够稳定承载，同时煤柱中部存在一定长度的裂隙闭合区，验证了5 m煤柱宽度及围岩控制技术的合理性。

• 高抽巷抽放速率对采空区复合灾害防治的影响研究

  王红梅, 金珠鹏, 赵善友, 李俊志, 翟光顺, 侯沣峻

  为研究高瓦斯矿井采用高抽巷防止采空区复合灾害的发生，以山西大同塔山矿13190工作面工程地质条件为背景，通过现场调研、理论分析、数值模拟和工业性试验等手段，对13190工作面的风量分布、瓦斯治理效果和氧化带宽度进行了风险分析。结果表明：随着抽放速率的提高，可有效保证通风稀释瓦斯的安全性，但同时漏风量的增加使得氧化带宽度增大。通过对采空区CH4体积分数、漏风量和氧化带分布变化进行风险评估，确定合理的抽放速率为180 m3/min，并通过现场工业性试验进行了验证。研究成果可为类似条件工作面回采过程中高抽巷抽放速率的优化调整提供依据。

• 综放工作面垮落带高度测定方法研究

  张峰, 车禹恒, 题正义, 秦洪岩, 李佳臻

  为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定，造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题，依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况，结合采空区上覆各岩层的厚度和密度，提出了垮落带发育高度的测定方法。以大平矿N1S2综放工作面为例，现场测试结果表明：利用该测定方法测得的垮落带高度为88.65 m，钻孔冲洗液法测得的垮落带高度为88.20 m，二者绝对误差仅为0.45 m。

• 长壁工作面沿空留巷充填墙体宽度模拟研究

  高玉龙

  为实现高瓦斯矿井应用沿空留巷技术解决工作面上隅角瓦斯的目的，以山西大同唐山沟煤矿N8205工作面工程地质条件为背景，采用现场调研、实验室测试、理论分析、数值模拟和现场矿压观测等方法，对沿空巷道充填墙体的合理宽度进行了研究。结果表明：用膏体充填材料制成的标准试件在养护时间为7 d时强度增速较快，单轴抗压强度占最终强度的74.8%；对建立的三维数值模型进行修正后，模拟采空区侧向支承应力和轨道平巷围岩移近量得到的结果与现场实测结果误差较小。不同充填墙体宽度条件下，沿空巷道围岩的锚杆锚索轴向力、变形量和塑性区演化规律表明，充填墙体受力环境合理、沿空巷道剩余横截断面能满足试验现场瓦斯抽放和回风要求，最佳充填墙体设计宽度为2.5 m。

• 碎软煤层干式定向钻孔控尘技术研究

  吴冬梅, 龚小兵, 鲁轲, 邢鹏超

  针对目前碎软煤层干式定向钻孔产尘量大、粉尘扩散严重的问题，提出一种钻孔孔口非接触式控尘技术方案，设计并研制出集尘罩样机。对集尘罩与钻杆间隙宽度、密封装置气缝宽度、控尘气幕压力等影响控尘效果的工艺参数进行了试验研究，得到了最佳控尘效果的工艺参数。研究结果表明，当钻杆与集尘罩间隙宽度为2.0 mm、气缝宽度为0.2 mm、排渣气体压力为0.3 MPa、控尘气幕压力为0.5 MPa时，粉尘质量浓度由540 mg/m3降低到15 mg/m3，控尘效率达97.2%。现场应用结果表明，使用集尘罩后控尘效率达到98.3%，取得了较好的控尘效果。

• 煤尘抑尘剂的润湿性能研究

  郭王勇, 鞠振福, 靳昕, 吴刘锁, 卢玉英, 阳靖峰, 李鹏, 徐泽强, 张建成

  选取3种煤粉作为研究对象，分别对7种不同抑尘剂的润湿性能进行了测试。基于煤粉成分、粒径分析结果，结合抑尘剂电动电位、表面张力性能，通过抑尘剂在煤粉表面的接触角和正向渗透实验研究了抑尘剂对煤粉润湿性的影响。结果表明，抑尘剂在煤粉表面的接触角与煤粉的灰分成反比；抑尘剂溶液的表面张力、液—固之间的界面张力共同影响抑尘剂在煤粉表面的润湿能力；抑尘剂对不同粒径煤粉的渗透性能提升有较大差异，电动电位较小的抑尘剂能够有效改善较小粒径煤尘的表面润湿性。

• 割压联合作用下钻孔塑性区范围分布研究

  周应江, 刘怀付, 汪有清, 张永将, 徐遵玉

  为准确获得超高压水力割缝与水力压裂联合作用下的钻孔塑性区分布规律，基于统一强度理论，考虑煤体塑性软化和中间主应力，建立了钻孔在割压联合作用下的力学模型，推导出钻孔塑性区范围表达式，并通过算例分析了相关参数对钻孔塑性区的影响规律。研究结果表明：采用割压联合技术后，钻孔塑性区半径随着中间主应力系数的增大几乎保持不变，随着软化系数的增大而逐渐减小，随着压裂压力的增大逐渐增大；对比钻孔正常施工和超高压水力割缝情况下，钻孔塑性区半径显著增大。研究成果可为矿井更好地解决低透气性煤层瓦斯抽采治理技术难题提供一定的理论依据。

• 置孔释压支护材料孔型排列方式研究

  张博, 李彦斌, 韦庆量, 谷攀

  为合理解决深部高应力软岩巷道支护难题，有效控制围岩变形，实现巷道长期稳定，以青云煤矿020202轨道平巷为研究对象，基于巷道能量转换规律验证了置孔释压支护技术对深部高应力软岩巷道的支护可行性，并运用理论分析与物理相似模拟实验手段，对置孔释压材料6种不同孔型排列方式进行了抗压强度及连续变形量比较，筛选出材料最佳孔型排列方式为正方形排列。将原支护方案与正方形排列的置孔释压支护方案进行数值模拟和现场应用对比，结果表明：正方形排列方式的置孔释压支护方案与原支护方案相比，巷道围岩塑性区范围明显减小，顶底板及两帮变形量降幅达到70%以上，巷道支护效果明显，围岩变形得到有效控制。

• 抽采负压沿顺层钻孔分布规律及应用研究

  王凯, 赵旭生, 李树刚

  为了掌握顺层长钻孔内负压分布规律，更好地指导顺层钻孔关键参数的确定及抽采技术应用，建立了钻孔周围煤体内瓦斯流动模型，并对钻孔内瓦斯流动模型进行耦合，得到顺层钻孔内负压分布计算公式。理论分析了传统抽采、加长抽采管抽采和下放筛管抽采3种工艺钻孔内负压分布状态及抽采效果，并在重庆能投渝阳煤矿N3702工作面进行现场试验验证，结果表明：采用理论计算公式对实测数据进行拟合，拟合度接近1，百米钻孔压损计算值与实测值偏差仅为3.97%，计算模型能满足工程实践的精度要求；3种抽采工艺效果对比显示，传统抽采工艺压损大、易漏气，在成孔条件较好的硬煤层中宜采用加长抽采管工艺，而在成孔条件不好的软煤层中宜采用下放筛管工艺。

• 基于因子分析的突水水源类型判别的研究

  朱敬忠, 李凌, 杨森

  调研收集了顾北煤矿的水文地质资料，运用SPSS因子分析方法对各种水化学离子指标进行浓缩，抽取和综合成主因子，以少数变量最大程度地反映信息的完整性。将适合模型判别的因子运用Bayesian多类线性识别模型，分别对煤系砂岩裂隙水和太灰充水含水层水的待判水样进行了判别，结果表明：砂岩裂隙水和太灰水综合判别准确率达86.9%，与直接运用Bayesian模型判别相比，其分析过程的复杂性降低，准确性较高。

• 热管式矿井通风热能自平衡系统设计与应用

  王侃宏, 赵东雪, 罗景辉, 刘欢

  为解决冬季煤矿进风口温度过低不能满足矿井通风安全的问题，利用热管的高效传热性能和等温特性，提出了采用低温相变热管技术通过矿井回风加热矿井进风的系统设计。根据热平衡理论对矿井回风中的有效利用热量进行理论分析，得出系统可处理的最低环境温度。结果表明:在矿井回风温度为15℃，相对湿度为90%的条件下，当环境温度高于-17.5℃就能将矿井进风加热至2℃以上。与矿井回风源热泵相比，其120天的运行费用可节约93万元，具有较好的经济效益。可为井筒防冻及矿井回风余热利用系统设计提供参考。

• 岩巷掘进工作面抽出式通风除尘系统设计与应用

  郭奋超, 杨桐, 杨俊磊, 莫金明

  为治理煤矿岩巷掘进工作面的粉尘危害，以陕煤集团红柳林煤矿岩巷掘进工作面为工程背景，采用数值模拟的方法，分别对压入式和抽出式通风条件下的粉尘运移规律进行分析研究，并结合现场生产条件设计了抽出式通风除尘系统。实践表明：掘进机司机处总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别达到96.01%、92.02%，机尾10 m处总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率达到99.06%、97.47%，取得了显著的降尘效果。

• 基于巷道摩擦阻力系数BP神经网络预测模型的矿井风网风量预测研究

  刘彦青

  针对矿井风网解算中待掘巷道摩擦阻力系数难以准确实测赋值的问题，构建了巷道摩擦阻力系数BP神经网络预测模型，以双柳煤矿各类巷道摩擦阻力系数实测数据作为训练样本进行学习训练，使预测模型的期望误差达到0.000 1以下。利用该模型对尚未贯通的23(4)13回采工作面的巷道摩擦阻力系数进行预测，将预测结果代入基于斯考德—恒斯雷法风网解算方法构建的双柳煤矿通风网络解算模型中，分别对23(4)13回采工作面贯通后备用阶段和回采阶段全风网风量分布进行了解算，解算结果与现场实测结果之间相对误差小于8%。研究结果表明，利用基于BP神经网络算法的巷道摩擦阻力系数预测模型对待掘巷道摩擦阻力系数进行预测赋值，能够实现风网风量的准确解算。

• 基于遥感影像的矿区水环境状态识别与检测——以珠江流域部分河段为例

  徐志文, 王思远

  矿区资源开采与利用过程中存在难以避免的水污染问题，传统的地面调查方法受到时间和区域的限制，耗时耗力。随着遥感技术的发展，大面积、实时监测矿区水环境状态成为可能。以流经韶关市的珠江流域部分河段为研究区，利用Landsat-8卫星影像，基于水体光谱特征的差异性，在水体信息提取的基础上，实现研究区矿山污染水体识别和监测。结果显示，研究区水体光谱值明显高于非污染水体，且水体光谱值与污染水体非常接近，表明该区域水体污染较为严重，可为区域生态环境改善提供决策支持。

• 深部大倾角煤巷底鼓控制技术研究

  柏亚辉, 常雁, 杨绪东, 孟德健, 高贯林

  针对西北矿区侏罗系煤巷底鼓量大且变形速度快的问题，以靖远煤电公司王家山煤矿中二401回风平巷为研究对象，采用理论分析、FLAC3D数值模拟、松动圈现场测试、现场监测等技术方法，对其巷道围岩的地质特点及底鼓原因进行了研究,提出采用反底拱配合锚注加固的底鼓控制方法。研究结果表明：401回风平巷底板岩层为典型的侏罗系偏软岩层，岩层承载能力低且其开掘位置处于侧上方47407综放工作面采空区残余侧向支承应力峰值范围内，受高应力影响明显；401回风平巷底鼓类型以应力型底鼓为主，膨胀型底鼓为辅；将巷道反底拱处理配合亲泥性注浆材料锚注加固的控制方法应用于现场试验后，该巷道底板岩体承载能力及稳定性显著提高，巷道底鼓量显著减小且巷道处于稳定状态。

• 小煤柱综放工作面相邻采空区自燃灾害综合治理技术

  郭春生, 李耀谦, 王姣, 杨胜强, 宋亚伟

  针对小煤柱综放工作面相邻采空区存在漏风大、遗煤多，易引发采空区遗煤自燃的问题，提出由采空区自燃观测系统、小煤柱加固堵漏及向采空区灌注无机防灭火材料所组成的采空区自燃灾害综合治理技术，并在阳煤一矿81303综放工作面相邻采空区进行了工程实践。结果表明，采用以小煤柱加固堵漏与采空区注浆为主的自燃灾害综合治理技术后，原采空区的自燃高温点遗煤温度及CO体积分数明显下降，其中3#观测孔温度由35.1℃降为25.2℃，CO体积分数由3.7×10-5降为1.2×10-5，有效消除了采空区的自燃隐患，保证了81303综放工作面的生产安全。

• 综放工作面过陷落柱影响区煤壁片帮防治技术

  张江利, 陶广美, 马赛, 赵斌

  陷落柱影响区煤岩往往较为破碎，工作面回采过陷落柱时易出现煤壁片帮及冒顶情况，影响工作面安全开采。为保证工作面安全开采，以赵庄二号井2309工作面为工程背景，分析了综放工作面过陷落柱时的应力演化规律和顶板结构特征，通过采取分阶段细化工作面管理和重点区域超前注浆加固的煤壁片帮综合防治技术，有效预防了工作面煤壁片帮和冒顶。现场工业性试验表明，采取综合防治技术措施后，工作面煤壁整体直立平整，最多连续出现2个架片帮，片帮深度不超400 mm，没有出现漏顶现象；工作面推进速度为2.46 m/d，为正常区域的81.7%。