矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2021年第3期

• 钻孔机器人钻进工况智能感知与自适应控制机理研究

  王清峰, 陈航, 陈玉涛

  为提高瓦斯抽采孔钻进过程中控制参数调节的智能化程度，揭示了钻孔机器人钻进工况智能感知与自适应控制机理，开发了钻进参数自适应控制技术。以最高钻进效率为控制目标，选择卡钻概率、排渣顺畅性和锚固稳定性为边界条件，并据此划分了钻进状态种类。通过分析边界条件对钻进过程的影响，建立了各边界条件的数学模型，构建了钻孔机器人钻进工况智能感知与自适应控制机理数学模型体系。根据钻进工况智能感知与自适应控制机理，开发了基于差分进化算法的自适应控制技术，实现了钻孔机器人控制向量的自动优化。地面钻进试验表明，钻进工况智能感知与自适应控制技术能控制钻孔机器人在钻进岩层突变时较快地实现对控制参数的自动调节，使钻孔机器人保持高效、稳定的钻进状态。

• 氯化镁和碳/氧自由基捕获剂协同阻化煤自燃的实验研究

  王婕, 李琨, 张玉龙, 王俊峰, 周春山

  为了考察碳/氧自由基捕获剂(N,N-二苄基羟胺DBHA/2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚BHT)和氯化镁结合形成的2种复合阻化剂对煤自燃抑制的行为，利用热分析(TG-DSC)、阻化性能测定和红外光谱实验对阻化处理前后的煤样自燃特性进行研究。结果表明：经复合阻化剂处理后的煤样CO释放量减少，交叉温度点和抑制率显著增高；复合阻化剂可降低反应体系中羟基、羰基和脂肪族—C—H等活性组分含量。在80℃之前，氯化镁发挥主要物理阻化作用，BHT和DBHA与水分子形成缔合氢键发挥协同阻化作用；在80～120℃，BHT与煤中含氧活性自由基结合，抑制煤与氧气吸附和含CO类化合物的生成，其协同抑制效果优于DBHA复合阻化剂;在120℃之后，DBHA复合阻化剂处理煤样的抑制率均在70%以上，比BHT对煤中自由基的捕获能力更强，抑制稳定性更高。

• 弱酸及添加表面活性剂对煤体孔隙的影响及分形特征研究

  杜海刚, 宋建伟, 谢军, 杨军伟, 冯姗

  以五轮山煤矿8号煤层为研究对象，经水、乙酸和在乙酸中添加不同表面活性剂对煤样进行浸泡实验，采用压汞法对各样品煤孔隙特征进行分析，并采用Menger海绵模型和Sierpinski垫片模型对孔隙分形进行计算分析。结果表明：所有样品的孔隙分布均呈“M”形；原煤及经水、乙酸处理后的煤样进退汞曲线产生较大的滞后环，在乙酸中添加不同表面活性剂后，煤样进退汞曲线滞后环减小；通过Menger海绵模型计算的分形维数，添加油酸钠的煤样品渗流孔隙和吸附孔隙分形维数为2.76和2.92，其他样品的分形维数均大于3；通过Sierpinski垫片模型计算的分形维数，经水处理后的煤样品分形维数增大，其他样品均减小。

• 薄煤层Y型通风采场瓦斯分布规律研究

  李良伟, 武文宾, 林府进

  为揭示“两进一回”Y型通风方式采场瓦斯流动与分布规律，利用多孔介质模型对Y型通风采场及采空区瓦斯流动进行数值模拟。结果表明：当进风巷、运输巷配风比为1∶1时，上隅角处因局部阻力与风流转向出现了低速紊流区从而导致瓦斯聚积；由于尾巷与进风巷相联通，靠近上隅角处采空区的瓦斯会涌入工作面；工作面瓦斯浓度随着进风巷与运输巷配风比的增大而降低，运输巷瓦斯浓度随配风比的增大整体呈微降趋势；采空区瓦斯浓度沿走向方向呈先升高后降低再升高的趋势，随着配风比的增大，瓦斯浓度整体呈现增高的趋势。研究结果可为工作面配风比的选择提供依据。

• 煤与瓦斯突出实验加压方式及其对煤体受力的影响分析

  程丽

  物理相似模拟实验是进行煤与瓦斯突出机理研究的主要方法之一。现有突出模拟实验装置逐渐向大尺寸发展，提高了对实验装置力学加载能力的要求。统计分析了现有三维煤与瓦斯突出模拟实验装置的力学加载系统的类型及特点，发现目前主要采用多组液压缸分布加载或提高力学加载系统刚度、液压缸加载能力两种方式解决大尺寸下突出模型的力学加载问题；同时利用COMSOL模拟软件固体力学模块分析了平板型、梯型两种压板结构对突出煤体应力变形的影响，结果表明，采用梯形结构压板时，可相对提高力学加载系统对突出煤体施加应力的均匀性。

• 低透气性煤层多组分酸化压裂增透技术研究

  贾男

  为了解决富含碳酸盐类矿物煤层透气性差的问题，提出多组分酸化压裂增透技术。通过实验室测试煤样酸化前后渗透率的变化，确定了适用于三元煤矿的压裂酸液配比：w(HCl)为9%+w(CH3COOH)为3%+ρ(KCl)为20 g/L。现场工业试验结果表明，三元煤矿采用多组分酸化压裂后，抽采瓦斯混合流量和瓦斯浓度比普通抽采钻孔平均提高了1.34倍和1.70倍。对比传统水力压裂增透技术，多组分酸化压裂通过物理增透和化学增透的联合作用，更有利于煤体孔隙裂隙网络结构的发育，且反应生成的二氧化碳对瓦斯产生了驱替作用，有利于瓦斯抽采；同时扩大钻孔孔径可以有效提高压裂接触面和抽采自由面面积，进一步提高增透抽采效果。

• 煤层群联合抽采瓦斯混源比例的对比试验

  丁红, 吴教锟, 冯仁俊, 位乐

  针对煤层群联合抽采时各煤层瓦斯无法准确计量的难题，根据瓦斯组分中的CH4体积分数和碳同位素分布规律，基于化学组成质量守恒定律，建立煤层群联合抽采瓦斯气体混源比例计算模型，并在小屯煤矿开展对比试验。研究结果表明：小屯煤矿各煤层瓦斯中CH4体积分数由大到小排序为6下煤层>6中煤层>6上煤层，CH4碳同位素值分布在-3.6%～-3.2%内，由重到轻排序为6下煤层>6中煤层>6上煤层。联合抽采6上煤层+6中煤层+6下煤层时，基于碳同位素原理计算得到的6上煤层混合比例为10.82%～24.54%，6中煤层混合比例为57.81%～69.58%，6下煤层混合比例为5.88%～31.37%，与分层计量考察结果基本一致。说明基于碳同位素进行煤层群联合抽采瓦斯混源比例的计算是科学准确的，研究结果可为煤层群瓦斯联合抽采达标评判提供新的研究思路。

• 热管充液率对高温煤堆内部温度场的影响分析

  王建国, 周侗柱, 郑晨光

  为了研究热管充液率对热管散热性能及高温煤堆内部温度场的影响，采用实验的方法研究热管插入高温煤堆后煤堆内部的温度场变化，在75～25℃内分析了热管不同充液率条件下煤堆内部高温点的降温速率，研究了热管对煤堆内部温度场的影响。研究结果表明：热管可以有效地破坏煤堆内部蓄热环境，其作用效果可分为3个阶段，分别为大幅降温阶段、过渡阶段、稳定阶段；充液率对热管的传热性能有明显影响，热管充液率为40%时，煤堆内部高温点的降温速率最大为9.92℃/h，充液率为10%、30%时热管传热能力次之，充液率为20%时热管传热能力最差；热管对煤堆内部3个水平面温度场的影响有显著差异，在上水平面和中水平面主要依靠热管管壁传热，在下水平面主要依靠热管工质相变传热。

• 基于PFC的覆岩破坏高度数值模拟及实测分析

  石磊

  为了直观、清晰地掌握煤层开采覆岩裂隙发育演化情况，确定覆岩破坏高度，归纳相对应的演化规律，以伊犁矿区为试验研究对象，采用离散元颗粒流软件PFC3D建立数值模拟三维模型，依据现场测得的宏观参数，模拟工作面推进160 m时各煤层采高范围覆岩破坏情况，并采用钻孔实时彩色成像技术对PFC3D模拟情况进行全面验证。研究结果表明：煤层采高与上覆岩层垮落强度呈正相关关系，煤层采高越大，上覆岩层垮落高度越大，上覆岩层垮落发生时期基本相同，垮落强度有所增加；PFC3D模拟显示覆岩内部裂隙以竖向裂隙为主，其裂缝倾角达到50°以上，而且具有高角度直逼垂直岩层层面裂隙的发育特点。

• 基于改进YOLOv3的煤矸识别方法研究

  雷世威, 肖兴美, 张明

  煤矸识别技术对实现煤和矸石自动分选具有重要意义，而现有的图像识别算法在实用性、准确率方面无法满足实际需求。基于图像处理技术和深度学习技术，提出一种基于改进YOLOv3的煤矸识别方法，针对煤矸识别目标小、辨识度低等问题，对原始YOLOv3的网络结构及损失函数进行了改进，用训练生成的模型在测试集上进行识别测试。测试结果表明：改进的YOLOv3-M在小样本上，可在短时间内使模型快速收敛，单张图像识别时间为21.6 ms，识别准确率为95.4%，能适应不同环境下的煤矸样本，可实现实时检测识别。

• 掘进巷道流场结构及粉尘沉降规律相似模拟研究

  王冕

  为研究掘进巷道流场结构对粉尘运移规律的影响机制，基于气固两相流理论和相似原理构建了掘进巷道压入式通风的相似实验模型，利用FLUENT数值模拟软件和掘进巷道相似模拟实验平台开展了风流场及粉尘运移的数值模拟和实验研究，分析了压入式通风条件下的流场特征对粉尘运移和沉降的影响规律。研究结果表明：相似模拟实验在满足相似准则的情况下得出模型巷道的平均风速为0.66～2.62 m/s；粉尘自工作面脱离后随风流向巷道后方运移，大部分粉尘在综掘机后方发生扩散，部分细颗粒粉尘被综掘机附近的涡流结构捕获；在距掘进工作面端头3～5 m内发生大颗粒粉尘沉降和堆积，随与工作面端头距离的增加沉降粉尘颗粒粒径逐渐变小且分布更加均匀。

• 深部大断面巷道围岩注浆加固技术研究与应用

  马新世, 弓培林, 李超

  针对深部大断面巷道支护成型后服务期间围岩变形比较严重，巷道顶底板和两帮变形量较大等问题，基于莫尔-库仑准则和力学平衡原理，对巷道围岩注浆改性机理及巷道围岩注浆力学模型进行分析；采用FLAC3D数值模拟方法对比分析了分层掘进、一次见顶见底掘进、注浆加固与未注浆加固，4种交叉支护方法下围岩塑性区、应力场及围岩移近量演化规律。结果表明：注浆加固后巷帮塑性区破坏范围及围岩移近量明显减小，有效控制了巷道围岩变形。定性分析并确定了“分层掘进+滞后高压注浆+强力锚索支护”的矿压控制方案，实际应用结果表明该方法能够有效控制巷道围岩变形，可为深部大断面围岩巷道注浆加固的设计与应用提供借鉴。

• D-InSAR技术用于水西沟火区地表沉降的分析

  杨洁, 曾强

  为掌握准南煤田水西沟火区地表沉降变化规律，采用差分干涉测量方法，对2014年10月至2015年10月Sentinel-1数据进行处理，获得11组干涉图、差分干涉图、去平地效应图、相位解缠效果图和地面形变图。对比分析了2014年和2015年沉降分布图像，结果表明火区地下煤火燃烧导致的沉降范围大体一致，沉降高低值呈现相似规律变化。结合遥感技术接受或者拒绝了因温度和植被的异常像元确定的火区范围，圈定出较为精确的A、B、C、D、E共5个裂隙位置，并发现这5个位置沉降高低值变化不一。其中A、B、C位置地表沉降最大值随着时间变化一直减小，D、E位置地表沉降最大值先增大后减小；C位置沉降幅度变化最小，相对较稳定。应用表明，利用差分干涉方法监测地下煤火燃烧区地表沉降是可行的，且具有一定的准确性。

• 姚桥煤矿8059工作面采空区注CO2防灭火技术参数优化模拟与应用研究

  姜奎, 王怡, 任广意, 姚向东, 吴奎斌

  为了解决姚桥煤矿8059工作面采空区遗煤自然发火问题，建立了采空区渗流场几何模型，采用数值模拟的方法，研究了CO2在不同压注位置、不同压注流量条件下的采空区O2体积分数分布情况。研究结果表明：未注入CO2时，采空区最大氧化带宽度为60 m左右；压注CO2后，最大氧化带宽度减小为20 m左右，氧化带宽度随着CO2注入量的增加而减小，采空区内O2体积分数尤其是在进风一侧显著下降；最佳注气口位于进风巷一侧距工作面约40 m处，注入量为540～720 m3/h时较为合适。通过采空区现场压注CO2，有效地消除了采空区遗煤自然发火隐患，保障了工作面的安全生产。

• 大采高采场切顶卸压小煤柱护巷技术研究与应用

  梁洁, 张磊, 徐青云, 毛华晋

  为解决大采高工作面强动压影响工况条件下小煤柱沿空掘巷维护难题，以阜生煤矿1102大采高工作面1106沿空掘巷为研究对象，采用理论分析、数值模拟及现场实测的方法，研究采空区侧顶板断裂对小煤柱护巷围岩稳定性的影响。建立了沿空掘巷侧向顶板断裂及煤柱载荷计算模型，得到煤柱载荷与采空区顶板断裂角呈线性递增的关系；基于切顶卸压沿空掘巷原理，提出采用切顶方法来减小煤柱载荷，达到卸压效果；计算得到1106工作面沿空掘巷煤柱宽度为8.0 m，对切顶卸压效果进行了数值模拟分析，认为经切顶处理后小煤柱及巷道煤帮侧应力峰值减小了23%，巷道顶底板及两帮变形得到了有效的控制；对切顶卸压小煤柱护巷技术进行了现场评价，现场应用结果表明切顶后的巷道顶底板移近量最终稳定在377 mm，两帮变形量稳定在242 mm左右，处于可控范围，巷道维护效果良好。切顶卸压小煤柱护巷技术的应用，实现了大采高工作面的安全高效开采。

• 煤与瓦斯突出预测敏感指标确定方法探索及应用

  齐黎明, 卢云婷, 关联合, 祁明

  煤与瓦斯突出预测敏感指标的确定，对突出煤层的安全开采有着重要意义。分析了传统指标敏感性确定方法在新时代所面临的局限性；提出了用于确定突出预测敏感指标的统计分析法，并找出各预测指标适应的地质条件，给出了其应用方案。在开滦矿区应用表明：钻孔瓦斯涌出初速度指标适用于典型的突出煤层，瓦斯解吸指标适用于以瓦斯为主导的突出煤层，钻屑量指标适用于以应力为主导的突出煤层；开滦矿区的煤与瓦斯突出控制性因素主要为高应力，其次是高压瓦斯，突出预测敏感指标为钻屑量和瓦斯解吸指标。

• 不稳定流量水力压裂对深部低透气性煤层增透效果的影响

  何明川

  为了进一步提升深部低透气性煤层水力压裂增透效果，在煤层水力压裂相关理论研究及现场试验的基础上改进水力压裂工艺，根据相关的力学原理，推导得到压裂孔周边的应力随注水流量的变化情况，提出以控制注入水流量为原则，在水力压裂过程中采用不稳定注入水流量的方法，在平煤十二矿己15-31040工作面进行水力压裂试验。试验结果表明：通过注入不稳定水流量，克服了煤层深部高地应力对水力压裂施工的影响，且压裂过程顶板保持良好；经过测定与己15-31040工作面相邻的己15-31030工作面的常规稳定水流量压裂、未压裂区域瓦斯抽采数据，不稳定水流量压裂单孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量比常规水力压裂及未压裂区域均有明显提升。该方法对深部煤层水力压裂增透具有一定的指导作用。

• 基于瓦斯地质特征的多参量突出预警技术在新建煤矿的应用

  姚亚虎

  针对新建煤矿地质构造复杂、煤层瓦斯赋存不均衡、煤与瓦斯突出防控难度大的问题，综合运用瓦斯地质理论、煤矿灾害预警技术，以矿井近5年瓦斯动力现象资料和防突数据为基础，建立了基于瓦斯地质特征的煤与瓦斯突出多参量预警指标体系。分析了瓦斯地质因素和煤与瓦斯突出预测指标K1值的关系，确定了煤层厚度变化率、煤层倾角变化率、软分层厚度、断层影响范围、煤层瓦斯含量(或压力)5个预警指标及其临界值，据此建立了瓦斯地质特征突出预警模型，并提出了预警等级判识方法。同时，开发了瓦斯地质特征突出预警系统，在新建煤矿取得了良好的应用效果，可为类似条件矿井突出预警提供参考。

• 构造发育区薄层灰岩地面定向孔钻探注浆技术

  孙晓宇, 杨雪, 田乐

  恒源煤矿Ⅱ63采区受温庄向斜构造影响，其地质构造复杂，向斜轴部破碎带及构造裂隙是6煤层底板的主要导水通道，石炭系上统太原组灰岩含水层组是6煤层巷道掘进及工作面回采的主要威胁含水层。为了实现Ⅱ634、Ⅱ635工作面的安全回采，对该治理区域的地层分布、地质构造发育情况及水文地质条件进行了详细分析，设计了地面定向水平孔煤层底板超前探查注浆防治水方案，包括钻孔布置、钻孔轨迹、钻孔结构、浆液类型及注浆参数等。研究了多砂岩含水层造斜段成孔技术、长距离水平孔钻进技术、薄层灰岩钻遇率保障技术及长距离水平孔高压注浆技术，完成了多砂层含水层造斜段成孔及套管下放工作，造斜段长达870 m；完成了长距离水平孔钻进、注浆工作，水平孔段长达959.54 m；完成了薄层灰岩钻遇率保障工作，L3灰岩含水层钻遇率大于90%，甚至高达100%。不仅实现了治理区域巷道掘进及工作面的安全回采，还提高了施工效率及经济效益。

• 抚顺西露天矿采空区北部区域地质灾害风险评估与适应性评价研究

  陈毓

  对抚顺西露天矿采空区北部区域的地质构造、水文、人为工程等资料进行分析，明确了研究区内倾倒—座落滑移变形、倾倒滑移变形、沉陷滑移变形、滑坡和地裂缝等主要地质灾害类型。在此基础上，结合地表建筑体重要性因素，认为研究区或近邻区地质灾害的控制因素为地质背景条件因子、人为工程背景因子、地质体现阶段稳定性因子和地表影响重要性因子，并根据各因子危害性赋以相应因子值，从而为建模和定量化分析提供基础数据。基于权重分布和地质灾害判据因子建立地质灾害风险评估模型，通过主成分分析法确定权重因子。依据研究区33个地质体现场调查结果，建立了研究区地质灾害风险评估标准：当地质灾害风险评估系数Z≤2.1时，地质灾害风险小；当2.1<Z≤3.2时，地质灾害风险中等；当Z>3.2时，地质灾害风险高。根据地质灾害风险评估标准，对研究区进行了分区地质灾害风险评估，评估结果表明，石油一厂厂区和发电厂厂区中南部大部分区域地质灾害危险性较大，需要通过监测监控、注浆、内排等方式降低灾害影响；水泥厂厂区附近区域目前属于安全区域，仅需做好相应的监控工作。

• 高温高湿矿井作业人员连续工作时间的研究

  李季, 宋富美, 程彩霞

  为了改善高温高湿矿井工作环境，降低作业人员发生中暑的概率，利用作业环境模拟室，对不同温度(32、35、38℃)和相对湿度(70%、90%)环境下人体的口腔温度、心率、体表温度进行测试，并对实验数据变化趋势与显著性进行分析，结果表明：在温度32℃、相对湿度90%环境下，连续作业时间不应超过4 h；在温度35℃、相对湿度分别为70%、90%环境下，连续作业时间不应超过3、2 h；在温度38℃、相对湿度70%环境下，连续作业时间不应超过1 h，在相对湿度90%环境下，应立即停止作业。基于高温高湿矿井作业人员自身热害防护提出了合理措施。

• 基于突出强度对突出煤层分级问题的探讨

  肖丹

  通过对2000—2019年较大及以上突出事故、大量瓦斯基本参数实验室测试，以及以往研究成果的分析，对突出煤层分级的方法、依据和判定规则、指标临界值等相关问题进行了深入探讨。提出将突出煤层划分为“一般突出煤层”和“严重突出煤层”两级，并以突出强度作为分级指标依据的突出煤层分级方法，建立了严重突出煤层的判定规则并确定了判定指标的临界值。研究结果可为突出矿井确定开采程序、防突规划、采掘接替规划等提供重要依据。

• 安全投入对煤矿企业经济效益的门槛效应研究

  黄骞

  基于11家国有煤矿企业调研数据，借鉴Hansen面板门槛模型，对煤矿企业安全投入与经济效益的关系进行研究，并将安全投入结构作为门槛变量探讨其调节作用。结果表明：安全投入与经济效益存在显著的双重门槛效应，当安全投入水平较低时，增加安全投入将提高企业经济效益，但当安全投入水平达到一定门槛值后，增加安全投入会降低企业经济效益；将安全投入结构作为门槛变量时，存在显著的单一门槛效应，且其在安全投入与经济效益的关系中具有负向调节作用。

• 近十年我国低瓦斯煤矿瓦斯爆炸事故统计与规律分析

  徐腾飞, 王学兵

  对2010—2019年我国低瓦斯煤矿发生的瓦斯爆炸事故进行统计，从所有制、事故发生地、事故原因、煤矿产能、发生时间、事故诱因、事故类型等几个维度，分析了低瓦斯煤矿瓦斯爆炸事故发生的规律，发现年产量30万t以下的煤矿容易发生瓦斯爆炸事故，通风是事故发生的主要诱因，低瓦斯煤矿相对更容易发生重大事故。为防止低瓦斯煤矿瓦斯事故发生，必须提高重视程度，从技术和管理上清除危险源。